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Université Paul Sabatier - Toulouse III (01/12/2008), Didier Bourissou (Dir.)
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Hétérocycles oxygénés : Synthèse, Réactivité et Application à la préparation de polymères Biodégradables
Colin Bonduelle1

L'utilisation de polymères biodégradables synthétiques connaît un grand essor depuis une dizaine d'années. Parmi ces polymères, les polyesters occupent une place privilégiée car ils sont biocompatibles : ils sont d'origine naturelle ou d'origine synthétique. Dans tous les cas, on peut les préparer par polymérisation par ouverture de cycle (ROP) à partir de lactones1.
L'utilisation des lactones est parfois limitée à cause de leur faible polymérisabilité. Cette dernière est contournée par l'utilisation de systèmes catalytiques très réactifs souvent à base de métaux qui ne sont pas toujours compatibles avec une application en biologie (pharmacologie, environnement)2. Une approche pour pallier ce problème consiste à activer ‘chimiquement' ces monomères pour en tirer un avantage dans le processus de polymérisation. Le L-lacOCA est ainsi un analogue du L-lactide qui possède une fonction O-carboxyanhydride (OCA). Ce monomère est beaucoup plus réactif que la dilactone cyclique équivalente : il polymérise de façon contrôlée et vivante dans des conditions catalytiques plus douces3.
Ce travail commence par une étude théorique de la ROP du L-lacOCA et du L-lactide catalysée par la 4-diméthylaminopyridine (DMAP) et en présence d'un alcool. Le mécanisme de la polymérisation ainsi révélé consiste en une activation basique de l'amorceur par la DMAP. Pour ce catalyseur, il y a mise en évidence pour la première fois d'un mode d'action bifonctionnel inusuel qui met en jeu une liaison hydrogène de faible énergie4.
La deuxième partie du manuscrit décrit le développement de la ROP du L-lacOCA avec un systême catalytique alternatif écocompatible : la catalyse enzymatique. Jusqu'à maintenant, les enzymes réalisent difficilement la ROP du lactide. Avec deux lipases, la Novozyme 435 et la lipase PS, il a été possible d'obtenir du polylactide de haut poids moléculaire à partir du monomère activé. Dans le cas de la Novozyme 435, la polymérisation est contrôlée et possède un caractère vivant.
Dans une dernière partie, nous avons essayé d'étendre le principe d'activation du motif OCA à d'autres monomères. Nous avons étudié la ROP des β-OCAs, les O-carboxyanhydrides à 6 chaînons qui pourraient donner accès aux polymères naturels comme le PHB. Trois monomères de ce type, le PivOCA, le MepOCA et le ButOCA ont été synthétisés. L'étude de leurs réactivités a mis en avant un problème de sélectivité entre les deux carbonyls du motif OCA lors d'une attaque nucléophile. A cause de réactions secondaires, les essais de ROP ont montré qu'il était difficile d'accéder proprement à des polyesters.
Références
1. Biopolymers, Wiley VCH, 2003, Vol. 3a-3b-4.
2. O. Dechy-Cabaret, B. Martin-Vaca, D. Bourissou, Chem. Rev., 2004 (104) 6147.
3. O. Thillaye du Boullay, E. Marchal, B. Martin-Vaca, F. P. Cossio and D. Bourissou., J. Am. Chem. Soc., 2006 (128) 16442.
4. C. Bonduelle, B. Martin-Vaca, F.P. Cossio, D. Bourissou, Chem. Eur. J., 2008 , 14, 5304.
1:  HFA - Hétérochimie fondamentale et appliquée
Polyesters – Polymérisation par ouverture de cycle – O-carboxyanhydride – Polylactide – DMAP – Lipases – Novozyme 435.

Synthetic biodegradable polymers have attracted increasing interest over the last ten years. Polyesters occupy a leading position due to their additional bioassimilable character. : They can be of natural or synthetic origin. At any rate, they can be prepared by ring-opening polymerization (ROP) from lactons1.
The use of these lactones is sometimes restricted because of their weak reactivity. This problem can be avoided by the use of very reactive catalytic systems based on strong metal reactivity which are not always compatible with an application in biology (pharmacology, environment)2. An approach to offset this problem consists in 'chemically 'speeding up these monomers to improve the process of polymerization. L-lacOCA is an analogue of L-lactide which has a function O-Carboxyanhydride (OCA). This monomer is much more reactive than the identical cyclical dilactone: it polymerizes in a controlled way and in a living manner in softer conditions3.
This work begins with a theoretical study of ROP of L-lacOCA and L-lactide catalyzed by 4-diméthylaminopyridine (DMAP) in the presence of alcohol. The mechanism of polymerization revealed consists in a basic activation of the initiator by the DMAP. For this catalyst, it has been shown for the first time an unusual bifunctional mode of action, where a weak energy hydrogen bonding was involved4.
The second part of the manuscript describes the development of ROP of L-lacOCA with an ecofriendly catalytic system: the enzymatic catalysis. Up to now, enzymes accomplished ROP of the lactide hardly. With lipases Novozyme 435 and PS, it was possible to obtain easelier polylactide of high molecular weight from the activated analogue of lactide. In the case of Novozyme 435, the polymerization was controlled and has a living character.
In a last part, we tried to extend the principle of activation of the OCA moiety to other monomers. We studied ROP of β-OCAs, 6-rings O-carboxyanhydrides which could give access to natural polymers as polyhydroxybutyrate. Three monomers of this type, PivOCA, MepOCA and ButOCA were synthetized. The study of their reactivity put forward a problem of selectivity between the two carbonyls of the OCA moiety during the nucleophilic attack. Because of secondary reactions, experiments of ROP have shown that it was difficult to achieve properly the synthesis of these polyesters.
Références
1. Biopolymers, Wiley VCH, 2003, Vol. 3a-3b-4.
2. O. Dechy-Cabaret, B. Martin-Vaca, D. Bourissou, Chem. Rev., 2004 (104) 6147.
3. O. Thillaye du Boullay, E. Marchal, B. Martin-Vaca, F. P. Cossio and D. Bourissou., J. Am. Chem. Soc., 2006 (128) 16442.
4. C. Bonduelle, B. Martin-Vaca, F.P. Cossio, D. Bourissou, Chem. Eur. J., 2008 , 14, 5304.
Polyesters – Ring-opening polymerization – O-carboxyanhydride – Polylactide – DMAP – Lipases – Novozyme 435.

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