Development of an Oxidative Photopolymerization Process of Thiol Derivates Under Air : Towards Dynamic Poly(disulfide) Coatings

Ces travaux de thèse portent sur le développement d’un procédé de photopolymérisation de films poly(disulfure) en une seule étape. Pour la première fois, un film poly(disulfure), sec après seulement quelques minutes d’irradiation UV, a été obtenu par oxydation de dérivés thiol sous air en présence d’un photogénérateur de base (PBG). Une investigation poussée du mécanisme d’oxydation de monomères thiol sous air a permis d’identifier deux paramètres clefs : la présence de la superbase dans le milieu libérée après irradiation du PBG et une bonne perméation de l’oxygène. Il a également été démontré qu’un second mécanisme menant à la formation de ponts disulfure a lieu par arrachement d’hydrogène des fonctions thiol par les rayons UV les plus énergétiques. La prédominance de ces mécanismes dépend de la source d’irradiation choisie. Ce procédé a été appliqué avec succès à une gamme de monomères et oligomères thiol, permettant une modulation des propriétés finales du film selon les composés utilisés. Une seconde partie de la thèse a porté sur la photopolymérisation de résines commerciales poly(disulfure) liquides fonctionnalisées par des groupements thiols. Le caractère dynamique des ponts disulfure présents avant irradiation a mené à l’observation de deux comportements : une photopolymérisation oxydative des fonctions thiol sous irradiation LED à 365 nm en présence de PBG ou une photoréticulation par réarrangement des liaisons disulfure sous irradiation UV en absence de PBG. Enfin, l’effort de valorisation des films poly(disulfure) s’est traduit par l’obtention de motifs poly(disulfure) par photolithographie UV et la dégradation de ces films en présence d’un agent réducteur.This thesis reports an innovative single-step photopolymerization process of poly(disulfide) films. A dry poly(disulfide) film has been obtained after only few minutes of UV irradiation via photobase-catalyzed thiol oxidative coupling under air. Two critical parameters were identified by an in-depth investigation of the thiol oxidative mechanism under air: the presence of the superbase released after irradiation of the photobase generator (PBG) and a good atmospheric oxygen permeability. It has also been demonstrated that a second mechanism leading to the formation of disulfide bridges takes place by thiol photolysis when irradiated with deep UV. The predominance of these mechanisms depends on the source of irradiation used. This process has been successfully applied to a range of thiol monomers and oligomers, making it possible to tailor final properties of the film depending on the compounds used. A second part has been focused on the photopolymerization of commercial liquid poly(disulfide) resins with terminal thiol functions. The dynamic behavior of disulfide bridges has induced two different results: an oxidative photopolymerization of thiol functions under LED irradiation with PBG and a photo cross-linking by rearrangement of disulfide bounds under UV irradiation without any PBG. Finally, in order to value the interest of these photogenerated poly(disulfide), a photopatterned film has been successfully obtained and reductive cleavage of S-S bonds has led to film degradation

Self-Photopolymerization of Poly(disulfide) Oligomers

International audienceBase catalyst and oxidant are usually necessary to promote the polymerization of poly(disulfide) oligomers through oxidative coupling of the terminal SH groups into S− S bonds. In this study, we prove that self-polymerization of bifunctional (disulfide) oligomer films can take place in a matter of minutes under UVC irradiation (254 nm, 10.5 mW cm −2). The resulting insoluble polymer is characterized using solid-state NMR, 1 H T 2 NMR relaxation measurements, thermal analysis, and Fourier-transform infrared spectroscopy and proves to have similar composition as a model poly(disulfide) prepared under oxidative conditions, but distinct physical properties. These differences are explained by a change in polymer architecture due to a higher ratio of cyclization relative to linear polymerization. Homolytic photocleavage of internal S−S bonds creates thiyl groups close to each other, driving an increased kinetic feasibility for the cyclization reaction by radical coupling. The subsequent formation of mechanically interlocked macrocycles (polycatenane network) is proposed to account for film properties analogous to those of a cross-linked polymer