Maud Save
email: maud.save@univ-pau.fr

Valérie Héroguez

Éric Cloutet

E Cloutet

Polymères aux multiples fonctions Dispersions de colloïdes polymères fonctionnels, stimulables pour des applications avancées

Keywords: Particules, colloïdes, milieux dispersés, polymères, matériaux stimulables, optoélectronique, santé, ROMP, polymérisation radicalaire, microgels Particles, colloids, dispersed media, polymers, stimuli responsive materials, optoelectronics, health, ROMP, free radical polymerization, microgels

Dispersion of responsive functional polymer colloids for advanced applications [Dispersions de colloïdes polymères fonctionnels, stimulables pour des applications avancées]

M. Save, V. Héroguez, Eric Cloutet

Introduction et procédés de synthèse de colloïdes polymères

Un système biphasique de particules solides dispersées dans une phase continue de composition différente de la phase dispersée est appelée dispersion colloïdale. La stabilité d'une dispersion colloïdale résulte de l'équilibre entre les interactions attractives et les interactions répulsives qui s'exercent sur les particules. La stabilité d'une dispersion colloïdale est un critère important pour limiter tout phénomène de sédimentation, d'agrégation ou de coagulation irréversible des particules. La nature sait parfaitement produire des suspensions colloïdales ; le lait est un parfait exemple d'une dispersion colloïdale de globules gras dans l'eau. Les colloïdes polymères sont des particules polymères de tailles microniques ou submicroniques dispersées dans une phase continue aqueuse, hydroalcoolique ou organique. Ces dispersions colloïdales sont aussi communément nommées latex. Le caoutchouc naturel, utilisé depuis le XV e siècle par les Amérindiens, provient de la coagulation du latex naturel sécrété par des végétaux, principalement l'Hevea brasiliensis, et contient des colloïdes à base de poly(isoprène) (poly(2-méthyl-1,3-butadiène)) dispersés dans l'eau. Depuis le début du XX e siècle, les chimistes ont développé des latex synthétiques par différents procédés de polymérisation afin de satisfaire les besoins de l'industrie du caoutchouc et de répondre au développement de l'automobile et des pneumatiques. Parmi ces différents procédés de synthèse, nous pouvons citer les procédés de polymérisation en émulsion, en suspension, en miniémulsion, en dispersion (ou par précipitation), et enfin en microémulsion (voir tableau).

La technique de polymérisation la plus utilisée dans ces procédés est la polymérisation radicalaire, mais d'autres types de polymérisation comme la polymérisation ionique ou la polymérisation par métathèse ont également été mis en place dans ces procédés de polymérisation en milieu dispersé sur la base d'une phase continue aqueuse ou organique [START_REF] Daniel | Les latex synthétiques. Élaboration, propriétés, applications[END_REF]. Les différents procédés de polymérisation en milieu dispersé se différencient principalement par l'état initial du monomère dans la phase continue (système mono-ou biphasique), par le mécanisme de formation des particules (étape initiale de nucléation), par la nature de la phase continue, et conduisent à des gammes de tailles de particules différentes (figure 1).

Le procédé de polymérisation en émulsion, rationnalisé théoriquement dans les années 1948 par Smith et Ewart, est le procédé le plus largement utilisé industriellement pour la synthèse de latex car il permet de synthétiser des polymères hydrophobes de masse molaire élevée directement dans une phase aqueuse continue, favorisant le contrôle de l'exothermie et la récupération d'une dispersion fluide [START_REF] Daniel | Les latex synthétiques. Élaboration, propriétés, applications[END_REF]. Les latex synthétiques forment aujourd'hui une famille extrêmement variée, dotée de propriétés spécifiques largement exploitées dans des secteurs industriels tels que les peintures, encres, adhésifs, papiers, textiles, revêtements protecteurs, élastomères ou matériaux du génie civil. La modulation des propriétés thermomécaniques et de filmification de ces colloïdes polymères a été possible grâce à une sélection judicieuse de la structure chimique des monomères engagés dans la polymérisation afin d'associer leurs propriétés antagonistes dans une même particule au travers soit d'un copolymère statistique (enchainement aléatoire de monomères dans une même chaine polymère), soit de mélanges de polymères au sein de particules sphériques multi-compartimentées (coeurécorce, blobs), ou encore d'assemblages de copolymères à blocs dans des particules isotropes (sphères coeur-écorce, vésicules) ou anisotropes (fibres, micelles vermiculaires). L'émergence de domaines nécessitant des technologies avancées, tels que la nanomédecine (diagnostic, encapsulation et délivrance d'actifs, biocapteur, imagerie), la pharmaceutique, la cosmétique, la catalyse, l'électronique, les systèmes optiques, a imposé une évolution vers la synthèse de colloïdes encore plus élaborés pour répondre aux multiples fonctions requises dans ces applications de haute valeur ajoutée (figure 2). Les chimistes ont fait preuve d'une créativité remarquable pour élaborer des colloïdes polymères Les principaux procédés de polymérisation en milieu dispersé pour la synthèse de colloïdes polymères. toujours plus performants alliée à un effort particulier pour caractériser les propriétés de ces matériaux polymères en lien avec l'application recherchée. Le champ des colloïdes polymères pour les applications citées précédemment est très vaste et il faut noter que les dispersions de colloïdes polymères peuvent être préparées par une myriade d'autres procédés que la polymérisation en milieu dispersé. Ces procédés nécessitent néanmoins la synthèse préalable des polymères, leur purification, puis leur mise en suspension dans une phase continue, par exemple par autoassemblage, nanoprécipitation ou inversion de phase. Dans cet article, nous nous limiterons à présenter des exemples de synthèses directes de dispersions colloïdales pour illustrer la richesse de la chimie de polymérisation en milieu dispersé à produire des particules multifonctionnelles. Par un contrôle précis de la synthèse macromoléculaire, plusieurs leviers permettent d'introduire une fonctionnalité spécifique au sein du colloïde polymère en fonction de la propriété visée. La chimie de surface des colloïdes est modulable par des réactions de post-greffage ou par un contrôle de la structure et du caractère amphiphile des macromolécules. Un contrôle de la structure chimique et de l'architecture (masse molaire, copolymères à blocs) des chaines polymères formant le coeur de la particule permet un contrôle des propriétés thermomécaniques ou électroniques et ouvre la voie vers des colloïdes stimulables. Enfin, l'introduction contrôlée de nanoparticules inorganiques peut conférer aux colloïdes des propriétés supplémentaires.

Procédé

Les colloïdes stimulables

Les polymères stimulables sont une classe de polymères qui ont fait l'objet d'un intérêt croissant au cours de la dernière décennie car leurs propriétés en solution aqueuse peuvent être modulées soit par un stimulus physico-chimique tel que la température, le pH, la force ionique, soit par un stimulus chimique à travers l'interaction avec une molécule spécifique, soit par un champ électromagnétique [START_REF] Stuart | Emerging applications of stimuli-responsive polymer materials[END_REF][START_REF] Roy | New directions in thermoresponsive polymers[END_REF]. Parmi cette classe de polymères stimulables, les polymères thermosensibles voient leur conformation modifiée par un changement de température [START_REF] Roy | New directions in thermoresponsive polymers[END_REF]. Selon la structure chimique de l'unité monomère, le changement de température favorise des interactions polymère-polymère au lieu des interactions favorables polymère-solvant. Pour les polymères présentant une température critique de solubilité dans l'eau (« lower critical solution temperature », LCST), les interactions polymère-eau sont prédominantes à des températures inférieures à cette LCST, principalement par liaisons hydrogène, alors que ces interactions sont rompues pour des températures supérieures à la LCST au profit d'interactions polymère-polymère qui induisent une précipitation des macromolécules. Les polymères à UCST (« upper critical solubility temperature ») présentent un diagramme de phase inversé. De nombreux polymères présentent cette propriété. Le poly(N-isopropylacrylamide), présentant une LCST proche de la température physiologique (32-37 °C), a été un des polymères thermosensibles synthétisé par polymérisation radicalaire les plus étudiés, mais plus récemment, des polymères thermosensibles comme la poly(N-vinylcaprolactame) (PVCL) [START_REF] Ramos | Temperature-sensitive nanogels: poly(Nvinylcaprolactam) versus poly(N-isopropylacrylamide)[END_REF] ou les copolymères de type poly((méth)acrylate d'oligo(éthylène glycol)) (P((OEG)(M)A)) [START_REF] Lutz | Point by point comparison of two thermosensitive polymers exhibiting a similar LCST: is the age of poly(NIPAM) over?[END_REF][START_REF] Boularas | Dual stimuli-responsive oligo(ethylene glycol)-based microgels: insight into the role of internal structure in volume phase transitions and loading of magnetic nanoparticles to design stable thermoresponsive hybrid microgels[END_REF] sont également intéressants pour leur caractère biocompatible (figure 3).

La chimie des polymères offre la possibilité d'associer plusieurs unités monomères dans une même chaine de copolymère, ce qui ouvre un champ de combinaisons multiples vers des polymères multi-stimulables répondant à plusieurs paramètres physico-chimiques tels que la température, le pH, la force ionique, la lumière ou un champ électromagnétique. Lorsque ces polymères sont synthétisés en milieu aqueux dispersé en présence d'un réticulant (une molécule di-ou plurifonctionnelle), les particules colloïdales formées d'un réseau tridimensionnel de chaines polymères réticulées peuvent être synthétisées directement en phase aqueuse ou hydroalcoolique par polymérisation en émulsion ou par précipitation [START_REF] Pelton | Temperature-sensitive aqueous microgels[END_REF][START_REF] Hertle | Thermoresponsive copolymer microgels[END_REF]. Ces particules, nommées microgels stimulables, de diamètre compris entre 0,2 et 50 μm, ont un fort potentiel d'application par leur capacité à gonfler ou à se contracter de manière réversible sous l'action d'un stimulus tel que la température (figure 4) [START_REF] Delaittre | Nitroxide-mediated aqueous dispersion polymerization: from water-soluble macroalkoxyamine to thermosensitive nanogels[END_REF]. De manière générale, ces microgels sont synthétisés à des taux de solides assez faibles, inférieurs à 5 % massique, afin de limiter une gélification macroscopique par la réticulation de toutes les chaines polymères. Il est à noter que des chimistes ont su contourner ce problème grâce à un contrôle de la chimie des polymères pour autoriser la synthèse directe de ces microgels à des taux de solide pouvant atteindre 20 % massique dans l'eau (figure 4) [START_REF] Delaittre | Nitroxide-mediated aqueous dispersion polymerization: from water-soluble macroalkoxyamine to thermosensitive nanogels[END_REF].

La stratégie employée consiste à utiliser un polymère hydrosoluble très réactif vis-à-vis de la polymérisation radicalaire afin de former in situ des copolymères amphiphiles capables de s'autoassembler sous forme de micelles en phase aqueuse simultanément à la croissance des chaines par polymérisation radicalaire contrôlée (figure 1) [START_REF] Charleux | Polymerization-induced selfassembly: from soluble macromolecules to block copolymer nano-objects in one step[END_REF][START_REF] Warren | Polymerization-induced self-assembly of block copolymer nano-objects via RAFT aqueous dispersion polymerization[END_REF]. La formation du réseau tridimensionnel de polymère par copolymérisation du monomère et du réticulant est donc localisée au sein des particules primaires (micelles) dès la phase de nucléation, puis au sein des particules en croissance stabilisées par le polymère hydrophile en couronne [START_REF] Delaittre | Nitroxide-mediated aqueous dispersion polymerization: from water-soluble macroalkoxyamine to thermosensitive nanogels[END_REF][START_REF]Facile RAFT precipitation polymerization for the microwaveassisted synthesis of well-defined, double hydrophilic block copolymers and nanostructured hydrogels[END_REF]. Ce procédé permet également de fonctionnaliser directement la surface des microgels par une couronne hydrophile d'un polymère neutre [START_REF]Facile RAFT precipitation polymerization for the microwaveassisted synthesis of well-defined, double hydrophilic block copolymers and nanostructured hydrogels[END_REF], anionique [START_REF] Delaittre | Synthesis by nitroxide-mediated aqueous dispersion polymerization, characterization, and physical core-crosslinking of pH-and thermoresponsive dynamic diblock copolymer micelles[END_REF] ou cationique [START_REF] Etchenausia | Synthesis and characterization of thermoresponsive poly(Nvinylcaprolactam)-based particles by emulsion polymerization by using a reactive macromolecular stabilizer[END_REF] à la surface des microgels thermosensibles.

Ce concept de synthèse de colloïdes en milieu dispersé par autoassemblage induit par la polymérisation (« polymerization-induced self-assembly », PISA) a émergé depuis une dizaine d'années [START_REF] Ferguson | Effective ab initio emulsion polymerization under RAFT control[END_REF][START_REF] Delaittre | Surfactant-free synthesis of amphiphilic diblock copolymer nanoparticles via nitroxidemediated emulsion polymerization[END_REF] grâce à la mise en place de la polymérisation radicalaire contrôlée dans les procédés de polymérisation en émulsion ou en dispersion en utilisant un polymère soluble dans la phase continue comme agent de contrôle et stabilisant [START_REF] Charleux | Polymerization-induced selfassembly: from soluble macromolecules to block copolymer nano-objects in one step[END_REF][START_REF] Warren | Polymerization-induced self-assembly of block copolymer nano-objects via RAFT aqueous dispersion polymerization[END_REF]. Par un contrôle précis de la longueur des blocs hydrophiles et hydrophobes, le mécanisme PISA offre la possibilité de synthétiser des colloïdes de morphologies variées allant de sphères à des vésicules en passant par des particules cylindriques (fibres) (figure 1) [START_REF] Charleux | Polymerization-induced selfassembly: from soluble macromolecules to block copolymer nano-objects in one step[END_REF][START_REF] Warren | Polymerization-induced self-assembly of block copolymer nano-objects via RAFT aqueous dispersion polymerization[END_REF].

Lorsque des fonctions ionisables sont introduites dans la structure du polymère formant le microgel, la transition volumique peut être par exemple modulée par les deux stimuli que sont la température et le pH puisqu'une variation du taux d'ionisation modifie le changement de conformation des chaines et donc la valeur de la température de transition volumique, ainsi que le taux de gonflement des microgels par une variation de la pression osmotique [START_REF] Boularas | Dual stimuli-responsive oligo(ethylene glycol)-based microgels: insight into the role of internal structure in volume phase transitions and loading of magnetic nanoparticles to design stable thermoresponsive hybrid microgels[END_REF][START_REF] Boularas | Design of smart oligo(ethylene glycol)-based biocompatible hybrid microgels loaded with magnetic nanoparticles[END_REF]. Par un choix judicieux du comonomère utilisé lors de la synthèse des colloïdes par polymérisation en milieu aqueux dispersé, un gonflement réversible des microgels peut être provoqué par simple introduction de dioxyde de carbone dans la dispersion aqueuse produisant l'acide carbonique protonant les fonctions amine tertiaire en fonctions hydrogénocarbonate de méthacrylamide de propyl diméthylammonium [START_REF] Hoshino | Reversible absorption of CO 2 triggered by phase transition of amine-containing micro-and nanogel particles[END_REF]. Ces colloïdes stimulables agissent comme une éponge et la diffusion ou l'expulsion de l'eau au sein de leur réseau induit une variation réversible de la taille mais également de la balance hydrophile/hydrophobe. Les dispersions colloïdales stimulables sont également un moyen de gérer par un simple changement de température la transition d'un fluide liquide vers un fluide visqueux selon la fraction volumique et le diamètre des particules (ex. figures 4 et 5D). Par une maitrise parfaite de la chimie colloïdale, il est possible de promouvoir une transition sol-gel dans des solvants non polaires par un changement de morphologie (fibres/sphères) induit par la température pour Figure 4 -Évolution du diamètre hydrodynamique de microgels thermosensibles et photo de la dispersion colloïdale synthétisée directement à 20 % de taux de solide dans l'eau (adapté de [START_REF] Delaittre | Nitroxide-mediated aqueous dispersion polymerization: from water-soluble macroalkoxyamine to thermosensitive nanogels[END_REF]).

Figure 5 -Exemples de l'intérêt de la contraction volumique de microgels thermo-stimulables induite par une variation de température sur différents phénomènes : (A) l'amplification d'une luminescence chimique (adapté de [START_REF] Pinaud | Enhanced electrogenerated chemiluminescence in thermoresponsive microgels[END_REF]), (B) la détection de polycations par un système optique (adapté de [START_REF] Islam | Penetration of polyelectrolytes into charged poly(Nisopropylacrylamide) microgel layers confined between two surfaces[END_REF]), (C) la stabilisation ou déstabilisation d'émulsions directes huile dans eau de type Pickering (adapté de [START_REF] Destribats | Impact of pNIPAM microgel size on its ability to stabilize pickering emulsions[END_REF]). L'image (D) montre comment le changement de morphologie de colloïdes induit par la température conduit à une transition sol-gel (adapté de [START_REF] Fielding | Thermoresponsive diblock copolymer worm gels in non-polar solvents[END_REF]).

des colloïdes de copolymères diblocs (voir plus haut la synthèse de colloïdes par procédé PISA) [START_REF] Fielding | Thermoresponsive diblock copolymer worm gels in non-polar solvents[END_REF]. Ces propriétés spécifiques ont été mises à profit dans le domaine des matériaux dits « intelligents » ou « stimulables » et nous citons ici quelques exemples.

Dans le cadre de matériaux optiquement actifs, la transition volumique réversible induite par des stimuli tels que la température, le pH, la salinité, permet de moduler la réponse optique de matériaux. Les microgels thermo-stimulables directement synthétisés en milieu aqueux dispersé par polymérisation par précipitation présentent une distribution de tailles de particules très étroite autorisant la formation de cristaux colloïdaux, c'est-à-dire un assemblage organisé de colloïdes en une structure périodique sur le modèle de cristaux d'atome mais à une échelle de taille supérieure. La modulation du diamètre de microgels thermo-stimulables a été par exemple mise à profit pour modifier par un simple changement de température les caractéristiques du cristal colloïdal et ainsi la longueur d'onde de diffraction (loi de Bragg) [START_REF] Weissman | Thermally switchable periodicities and diffraction from mesoscopically ordered materials[END_REF][START_REF] Lyon | Thermoresponsive microgel-based materials[END_REF]. La contraction ou l'expansion volumique des microgels provoquée par une variation de température est également intéressante pour contrôler la distance inter-chaines au coeur du colloïde. Par un greffage covalent de molécules photoactives sur les macromolécules du microgel, la contraction ou l'expansion volumique est alors efficace pour moduler la distance entre les sites actifs et ainsi modifier l'intensité lumineuse émise par la molécule photoactive. Différents nanosystèmes optiques sensibles à la température ont été proposés à partir des colloïdes de type microgels thermosensibles. Par exemple, ces microgels sont de parfaits amplificateurs du signal de luminescence chimique électrogénérée grâce à la diminution drastique de la distance inter-complexes de ruthénium greffés sur le poly(N-isopropyl acrylamide) suite à l'effondrement des macromolécules lors de la contraction volumique du microgel pour une température supérieure à la LCST du PNiPAM (figure 3) [START_REF] Pinaud | Enhanced electrogenerated chemiluminescence in thermoresponsive microgels[END_REF]. Les microgels stimulables ont été incorporés dans des dispositifs optiques conçus pour la détection de polyélectrolytes [START_REF] Islam | Penetration of polyelectrolytes into charged poly(Nisopropylacrylamide) microgel layers confined between two surfaces[END_REF]. Une couche de microgels est prise en sandwich entre deux feuillets d'or et le spectre de réflectance présente plusieurs signaux dont la longueur d'onde des maxima (λ) dépend de la distance (d) entre les feuillets d'or (λ ∼ 2nd cosθ, avec n l'indice de réfraction de la couche diélectrique et θ l'angle de la lumière incidente par rapport à la normale). La modification de la pression osmotique au sein des microgels par interactions électrostatiques entre les charges anioniques présentes au sein des microgels et le polycation à détecter induit une modification du diamètre hydrodynamique des microgels et donc une modification de la distance inter-feuillets provoquant un déplacement de longueur d'onde dans le spectre de réflectance [START_REF] Islam | Penetration of polyelectrolytes into charged poly(Nisopropylacrylamide) microgel layers confined between two surfaces[END_REF].

Le changement de polarité des microgels induit par une variation de température offre également la possibilité de moduler leurs propriétés à l'interface huile-eau par leur capacité à stabiliser de manière efficace des émulsions huile dans eau (émulsions dites de Pickering), puis à provoquer la rupture des émulsions par augmentation de la température [START_REF] Destribats | Impact of pNIPAM microgel size on its ability to stabilize pickering emulsions[END_REF]. Par une observation au microscope de l'état des gouttes de l'émulsion, il est possible de détecter toute rupture de température, ce qui constitue un moyen de traçabilité pour tout produit qui devrait être conservé à température constante. Des microgels thermosensibles avec un coeur vide ont été spécialement conçus pour fonctionnaliser la surface de membranes de filtration d'eau et ainsi conférer un caractère stimulable pour moduler les phénomènes de perméation [START_REF] Tripathi | Hollow microgel based ultrathin thermoresponsive membranes for separation, synthesis, and catalytic applications[END_REF].

Le couplage de la chimie inorganique et de la chimie des polymères permet d'associer les propriétés des colloïdes polymères à celles de nanoparticules inorganiques de métaux, d'oxydes métalliques ou de semi-conducteurs pour former des colloïdes hybrides aux propriétés avancées. Par ce biais, il est possible par exemple de conférer les propriétés magnétiques de nanoparticules d'oxyde de fer aux microgels thermosensibles (figure 2) [START_REF] Boularas | Design of smart oligo(ethylene glycol)-based biocompatible hybrid microgels loaded with magnetic nanoparticles[END_REF], ou d'apporter des propriétés catalytiques par l'introduction de nanoparticules d'or [START_REF] Zhang | Polymer microgels: reactors for semiconductor, metal, and magnetic nanoparticles[END_REF].

Colloïdes fonctionnels pour des applications biomédicales

Un défi majeur de notre société est d'améliorer l'efficacité des traitements médicamenteux de maladies comme le cancer et de réduire leurs effets secondaires indésirables. De nombreuses recherches essaient de relever ce défi par différentes approches et la science des colloïdes polymères trouve une place capitale dans ce domaine pour proposer des solutions thérapeutiques innovantes. En effet, par des synthèses performantes, il est possible de contrôler les caractéristiques colloïdales, la chimie de surface et de coeur pour synthétiser des nanocolloïdes avancés qui favorisent le transport des principes actifs dans le sang tout en limitant leur élimination précoce par le système réticulo-endothélial et en ciblant sélectivement la zone à traiter. La littérature est très riche et très vaste dans ce domaine par la multiplicité des types de vecteurs polymères, de leur synthèse, des différents médicaments transportés et des cibles envisagées. Néanmoins, nous illustrons ici par quelques exemples comment la chimie de polymérisation en milieu dispersé autorise la synthèse directe de colloïdes stimulables par une approche polyvalente permettant une fonctionnalisation de surface par des molécules variées en lien avec la propriété visée.

La chimie des polymères en milieu dispersé est très riche pour concevoir une large palette de colloïdes fonctionnels et stimulables spécifiquement conçus pour des visées thérapeutiques in vivo. Un exemple de méthode très efficace pour synthétiser en une étape des colloïdes bien définis, stabilisés par une écorce biocompatible et fonctionnelle, est la copolymérisation par ouverture de cycles par métathèse (ROMP) de dérivés du norbornène avec des macromonomères de POE fonctionnalisés à l'une de leurs extrémités par une entité norbornène et à l'autre bout par des fonctions réactives (R, figure 6). Un tel procédé conduit à la formation de chaines de polyalcénamère porteuses de greffons de POE fonctionnels (figure 6A). Réalisées selon un processus de polymérisation en dispersion organique, les chaines de POE vont servir à stabiliser les particules en croissance et apporteront la furtivité aux particules [START_REF] Chemtob | Dispersion ring-opening metathesis polymerization of norbornene using PEO-based stabilizers[END_REF]. Cette stratégie permet d'accéder à une plateforme polyvalente pour la synthèse de colloïdes polymères fonctionnels en modifiant simplement la nature de la molécule fonctionnelle greffée (R) sur le macromonomère norbornène-POE (figure 6B) [START_REF] Pichavant | Vancomycin functionalized nanoparticles for bactericidal biomaterial surfaces[END_REF][START_REF] Gueugnon | Nanoparticles produced by ring-opening metathesis polymerization using norbornenyl-poly(ethylene oxide) as a ligand-free generic platform for highly selective in vivo tumor targeting[END_REF][START_REF] Denis | Vorinostat-polymer conjugate nanoparticles for acid-responsive delivery and passive tumor targeting[END_REF].

Dans ce domaine de la nanomédecine, visualiser la biodistribution des particules in vivo est essentiel pour observer les différentes voies d'internalisation cellulaire et la spécificité du traitement vis-à-vis des cellules cancéreuses ou des cellules saines par exemple [START_REF] Gueugnon | Nanoparticles produced by ring-opening metathesis polymerization using norbornenyl-poly(ethylene oxide) as a ligand-free generic platform for highly selective in vivo tumor targeting[END_REF]. Pour ce faire, les chimistes ont su élaborer des colloïdes polymères multifonctionnels greffés en surface par des fluorophores comme marqueur et par des molécules bioactives dont le lien covalent pH-stimulable se rompt spécifiquement à un pH inférieur à 7,4 -pH correspondant au milieu plus acide des zones tumorales. Le ciblage spécifique permet de limiter les doses transportées dans le corps pour réduire leur toxicité tout en exacerbant leur efficacité par une distribution sélective [START_REF] Denis | Vorinostat-polymer conjugate nanoparticles for acid-responsive delivery and passive tumor targeting[END_REF].

Il est à noter que les microgels stimulables décrits dans le paragraphe précédent ont un fort potentiel pour des applications dans le domaine biomédical afin d'élaborer des systèmes de transport et délivrance de principes actifs, mais également d'autres types de biomatériaux en lien avec la santé comme des biocapteurs ou des substrats de culture cellulaire [START_REF] Nayak | Soft nanotechnology with soft nanoparticles[END_REF][START_REF] Smeets | Designing responsive microgels for drug delivery applications[END_REF][START_REF] Saunders | Microgels: from responsive polymer colloids to biomaterials[END_REF][START_REF] Liu | Frontiers in the design and synthesis of advanced nanogels for nanomedicine[END_REF]. En effet, l'intérêt des colloïdes polymères pour le domaine de la santé ne se limite pas aux seuls vecteurs de principes actifs. Ils sont aussi performants pour fonctionnaliser la surface de biomatériaux comme des implants utilisés en chirurgie orthopédique [START_REF] Pichavant | Vancomycin functionalized nanoparticles for bactericidal biomaterial surfaces[END_REF]. Il est connu que les implants peuvent déclencher des infections bactériennes et un moyen de contourner ce problème est de fonctionnaliser leur surface. Par exemple, un ancrage covalent de colloïdes polymères fonctionnalisés par un glycopeptide (vancomycine) possédant une activité antibactérienne a prouvé son efficacité dans ce domaine [START_REF] Pichavant | Vancomycin functionalized nanoparticles for bactericidal biomaterial surfaces[END_REF].

Des colloïdes fonctionnels pour l'optoélectronique

Les polymères π-conjugués semi-conducteurs sont utilisés, en combinaison avec des matériaux accepteurs d'électrons, comme matériaux collecteurs de photons et donneurs d'électrons. Le poly(3-hexylthiophène) (P3HT) a longtemps été le polymère de référence dans le domaine, permettant d'atteindre (en mélange avec un dérivé fullerène : le PCBM) des rendements photovoltaïques de 4 à 5 %. Afin d'améliorer le rendement, l'un des défis majeurs pour les chimistes consiste à concevoir des polymères conjugués permettant une absorption plus large du spectre solaire afin d'augmenter le nombre de photons absorbés efficacement. L'une des voies les plus prometteuses consiste à synthétiser des copolymères alternés présentant des motifs « riches » en électrons (dits « donneurs » D) et des motifs « pauvres » en électrons (dits « accepteurs » A). Des rendements photovoltaïques de l'ordre de 7 % voire plus ont ainsi été atteints avec des polymères à plus faible bande interdite. Le problème majeur de l'industrie du photovoltaïque concerne le processus de fabrication de ce type de cellule puisqu'il fait intervenir des solvants toxiques et inflammables, le plus souvent chlorés et/ou aromatiques. En effet, les polymères conjugués utilisés dans les cellules OPV (« organic photovoltaic ») ne sont quasiment solubles que dans ces solvants. Une étude lancée par ProcessOne montre que 16 millions de litres de chlorobenzène sont nécessaires pour produire 1 GW d'une cellule solaire [START_REF] Andersen | Aqueous processing of low-band-gap polymer solar cells using roll-to-roll methods[END_REF]. Ces chiffres ne peuvent qu'appuyer la tendance actuelle à se tourner vers la chimie « verte » et des solutions alternatives. Pour le moment, l'application des cellules solaires organiques à grande échelle (correspondant à quelques GW) n'est donc pas une approche viable et l'utilisation de solvants alternatifs est plus que nécessaire.

Les solutions envisagées pour contourner ces difficultés sont d'une part l'augmentation de la solubilité des matériaux utilisés en solvants non halogénés/non aromatiques tels que l'eau ou des alcools via l'adjonction de chaines solubilisantes le long du squelette π-conjugué, et d'autre part la préparation de ces polymères sous forme de dispersions colloïdales en milieux non toxiques/non polluants. C'est cette dernière voie qui est présentée ici. Il convient toutefois de souligner parmi les travaux pionniers dans ce domaine les travaux récents de Kuehne et coll. [START_REF] Kuehne | Monodisperse conjugated polymer particles by Suzuki-Miyaura dispersion polymerization[END_REF][START_REF] Anwar | Light-switchable and monodisperse conjugated polymer particles[END_REF] sur la synthèse de nanoparticules de polyfluorène ou de polythiophène en milieu alcool. La suite de ce paragraphe sera plus particulièrement consacrée à deux types de polymères π-conjugués obtenus par des procédés Figure 6 -Méthode de synthèse de colloïdes fonctionnels par polymérisation par ouverture de cycle par métathèse réalisée en dispersion organique (A) et exemple de synthèse de colloïde multifonctionnel pH-stimulable utilisé comme nanovecteur de principe actif (B) (adapté de [START_REF] Denis | Vorinostat-polymer conjugate nanoparticles for acid-responsive delivery and passive tumor targeting[END_REF]).

de polymérisation en dispersion, à savoir le PEDOT (poly(3,4éthylènedioxythiophène)) et le PCDTBT (poly[N-9'-heptadécanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4,7-di-2-thiényl-2',1',3'-benzothiadiazole]) [START_REF] Mumtaz | Synthesis of PEDOT nanoparticles and vesicles by dispersion polymerization in alcoholic media[END_REF][START_REF] Mumtaz | Synthesis of PEDOT nano-objects using poly(vinyl alcohol)-based reactive stabilizers in aqueous dispersion[END_REF][START_REF] Mumtaz | Synthesis of calibrated poly(3,4-ethylenedioxythiophene) latexes in aqueous dispersant media[END_REF][START_REF] Mumtaz | Synthesis of hybrid semiconducting polymer-metal latexes[END_REF][START_REF] Hofmann | An alternative anionic polyelectrolyte for aqueous PEDOT dispersions: toward printable transparent electrodes[END_REF][START_REF] Parrenin | Low bandgap semiconducting copolymer nanoparticles by Suzuki cross-coupling polymerization in alcoholic dispersed media[END_REF]. La synthèse du PCDTBT par couplage de Suzuki en dispersion dans un alcool (le propan-1-ol) (figure 7) a été décrite récemment [START_REF] Parrenin | Low bandgap semiconducting copolymer nanoparticles by Suzuki cross-coupling polymerization in alcoholic dispersed media[END_REF]. Les particules synthétisées sont stabilisées par du poly(vinyl pyrrolidone) (PVP), adsorbé à la surface.

Tout d'abord, les paramètres de la réaction ont été étudiés pour contrôler la taille et la distribution en taille des particules tels que les quantités de base, de catalyseur, de stabilisants ou la stoechiométrie entre les deux monomères qui joue un rôle très important sur la masse molaire dans les réactions par étapes. Ensuite, l'étude des propriétés optoélectroniques a montré que ces particules pourraient être de bonnes candidates pour remplacer le PCDTBT solubilisé dans l'o-dichlorobenzène traditionnellement utilisé pour les cellules solaires. La masse molaire des particules n'atteint malheureusement pas celle du polymère synthétisé « classiquement » en raison de conditions de polymérisation en dispersion. La plus haute masse molaire obtenue était d'environ sept unités de répétition, soit 5 kg•mol -1 , contre trente unités de répétition, soit 20 kg•mol -1 , pour un polymère donnant de bons résultats une fois intégré dans un dispositif de cellule solaire. Une très faible efficacité photovoltaïque a pu être obtenue pour les dispositifs en cellule inverse intégrant ces particules en bicouche, probablement en raison de la combinaison d'une faible masse molaire et d'un stabilisant isolant créant ainsi une très grande résistance en série.

Par ailleurs, parmi les polymères conducteurs électroniques obtenus en phase aqueuse et disponibles commercialement sous forme de véritables encres électroniques, il faut citer le PEDOT, plus connu sous le sigle PEDOT:PSS (poly(3,4-éthylènedioxythiophène):poly(styrène sulfonate)) (figure 8, gauche). Un procédé de synthèse de PEDOT par polymérisation oxydante en milieu dispersant eau-alcool en présence d'agents de stabilisation de type polymère réactif a par exemple été décrit [START_REF] Mumtaz | Synthesis of PEDOT nanoparticles and vesicles by dispersion polymerization in alcoholic media[END_REF][START_REF] Mumtaz | Synthesis of hybrid semiconducting polymer-metal latexes[END_REF]. Bien que cette voie ait donné des résultats satisfaisants pour la préparation de latex de PEDOT où la taille et la morphologie des objets ont notamment pu être modulées, comme illustré dans la figure 9, les caractéristiques optoélectroniques se sont révélées trop faibles pour l'intégration de ces matériaux dans des dispositifs.

Plus récemment, une alternative aux encres électroniques de type PEDOT:PSS a été développée en réponse aux problèmes d'acidité résiduelle et d'hygroscopie rencontrés dans le domaine de l'optoélectronique. La structure indiquée dans la colonne de droite de la figure 8 représente le système étudié sur une base polystyrène et pour lequel des résultats probants ont été obtenus, notamment en termes de résistance surfacique et de transmittance à 550 nm, avec des valeurs comparables au système commercial composé de PEDOT:PSS, à savoir respectivement 150 Ω/sq et 90 % [START_REF] Hofmann | An alternative anionic polyelectrolyte for aqueous PEDOT dispersions: toward printable transparent electrodes[END_REF].

S'agissant d'une polymérisation en dispersion aqueuse de EDOT, une famille de stabilisants polymères solubles dans l'eau et les milieux polaires, appelés polyanions ou polymères électrolytes, dont l'unité de répétition porte le groupement trifluorométhanebis(sulfonyl)imide (SO 2 (CF 3 SO 2 )N -) bien connu sous le sigle TFSI pour des applications batteries, a été utilisée. Bien que de tels polymères aient été décrits dans la littérature, notamment par le groupe de M. Armand [START_REF] Bouchet | Single-ion BAB triblock copolymers as highly efficient electrolytes for lithium-metal batteries[END_REF], l'originalité du travail a consisté à les préparer par des procédés de polymérisation radicalaire contrôlée (e.g. RAFT) afin de maitriser leur masse molaire, leur fonctionnalité, leur structure et leur architecture. De nombreux paramètres ont été étudiés ces dernières années pour l'obtention de dispersions stables de PEDOT:PSTFSI faciles à mettre en forme en films via des techniques aussi diverses que le « spin coating », le « doctor blade » ou le « spray ». En outre, des mesures de rhéologie ont permis de déterminer un comportement gel des PEDOT:PSTFSI différent des équivalents commerciaux de PEDOT:PSS (source : Clévios PH1000) de type fluide newtonien. Il en résulte notamment une mise en forme des PEDOT:PSTFSI par des techniques de « raclette » (« doctor blade ») qui donnent des films homogènes peu rugueux sur de grandes surfaces flexibles (e.g. sur PET). Des résistivités surfaciques de l'ordre de 100 Ω/sq pour une transmittance de 80 % ont par exemple été obtenues pour une encre de PEDOT:PSTFSI, la masse molaire du PSTFSI étant de l'ordre de 350 kg•mol -1 , formulée avec du DMSO (5 % V/V). En comparaison, le PEDOT:PSS commercial a montré une transmittance de 91 % pour une résistivité surfacique similaire. Des substrats de PET enduits d'encres de PEDOT:PSTFSI ont été préparés puis intégrés dans des diodes OLED organiques pour valider la viabilité de ce nouveau système vis-à-vis du PEDOT:PSS (figure 9 droite) [START_REF] Hofmann | An alternative anionic polyelectrolyte for aqueous PEDOT dispersions: toward printable transparent electrodes[END_REF].

Conclusions

La demande en matériaux toujours plus fonctionnels est en forte croissance pour des domaines d'application nécessitant des technologies avancées (biotechnologies, optoélectronique, dispositifs optiques, formulations cosmétiques/ pharmaceutiques…). Les matériaux polymères trouvent une place de choix dans ces domaines grâce à la polyvalence de leurs propriétés et à la richesse de la chimie des polymères qui offre un contrôle spatial et une source inépuisable de combinaisons de multiples fonctions en un matériau unique. La production de ces polymères directement sous forme de colloïdes submicroniques stables représente une avancée dans tous les domaines impliquant des nanotechnologies. De plus, le développement de procédés de synthèse des colloïdes directement en milieu dispersé intègre une chimie plus respectueuse de l'environnement par une diminution des composés organiques volatils. Les défis restent de simplifier les méthodologies de synthèse, d'intégrer les principes d'une chimie toujours moins toxique tout en offrant une précision et des performances croissantes dans des domaines d'application très pluridisciplinaires.

Figure 9 -Images de colloïdes de PEDOT synthétisés en milieu dispersé à 20 % de taux de solide à partir de copolymères amphiphiles stabilisants : poly(alcool vinylique) greffé pyrrole (à gauche : image de microscopie à force atomique, adapté de [START_REF] Mumtaz | Synthesis of PEDOT nano-objects using poly(vinyl alcohol)-based reactive stabilizers in aqueous dispersion[END_REF]) ; α,ω-thiophènepoly(oxyde d'éthylène) (milieu : image de microscopie électronique, adapté de [START_REF] Mumtaz | Synthesis of calibrated poly(3,4-ethylenedioxythiophene) latexes in aqueous dispersant media[END_REF]). À droite est représenté un dispositif OLED fabriqué à partir de films de PET:PEDOT/PSTFSI (50 x 35 m, Fraunhofer COMEDD, adapté de [START_REF] Hofmann | An alternative anionic polyelectrolyte for aqueous PEDOT dispersions: toward printable transparent electrodes[END_REF]).

Figure 1 -

 1 Figure 1 -Schémas des procédés de polymérisation pour la synthèse de colloïdes polymères par polymérisation en milieu dispersé : a) procédé de polymérisation en émulsion dont l'état initial est biphasique (gouttes de monomères dispersées en phase aqueuse) ; b) par précipitation à partir d'un état initial monophasique ; c) induit par autoassemblage de copolymères à blocs produisant des colloïdes de type sphères pleines ou fibres ou vésicules.

Figure 2 -

 2 Figure 2 -Domaines d'application des colloïdes polymères synthétisés par polymérisation en milieu dispersé.

Figure 3 -

 3 Figure 3 -Exemples de structures des principaux polymères formant les microgels thermosensibles : poly((méth)acrylamide de N-isopropyle) (PNiP(M)AM), poly(N-vinylcaprolactame) (PVCL), copolymère statistique de méthacrylate de di(éthylène glycol) méthyl éther et de méthacrylate d'oligo(éthylène glycol) méthyl éther P(MEO 2 MA-co-OEGMA).

Figure 7 -

 7 Figure7-Schéma réactionnel pour la synthèse du PCDTBT suivant un couplage de type Suzuki (haut), réalisée par polymérisation en dispersion (bas) (adapté de[START_REF] Parrenin | Low bandgap semiconducting copolymer nanoparticles by Suzuki cross-coupling polymerization in alcoholic dispersed media[END_REF]).

Figure 8 -

 8 Figure 8 -Structures des complexes PEDOT:PSS (gauche) et PEDOT:PSTFSI (droite).

l'actualité chimique -octobre-novembre 2017 -n°422-423

Polymères aux multiples fonctions

l'actualité chimique -octobre-novembre 2017 -n°422-423

l'actualité chimique -octobre-novembre 2017 -n°422-423Polymères aux multiples fonctions


Marie-Hélène Alvès

Huda Sfeir

Jean-François Tranchant

Emilie Gombart

Gilles Sagorin

Sylvain Caillol

Laurent Billon

Maud Save

Terpene and dextran renewable resources for the synthesis of amphiphilic biopolymers

Keywords: renewable resources, polysaccharide, terpene, thiol-ene chemistry

The present work shows the synthesis of amphiphilic polymers based on the hydrophilic dextran and the hydrophobic terpenes as renewable resources. The first step concerns the synthesis of functional terpene molecules by thiol-ene addition chemistry involving amino-or carboxylic acid thiols and dihydromyrcenol terpene. The terpene modified polysaccharides were subsequently synthesized by coupling the functional terpenes with dextran. A reductive amination step produced terpene end-modified dextran with 94 % of functionalization while the esterification step produced three terpene grafted dextrans with a number of terpene units per dextran of 1, 5 and 10. The amphiphilic renewable grafted polymers were tested as emulsifiers for the stabilization of liquid miniemulsion of terpene droplets dispersed in an aqueous phase. The average hydrodynamic diameter of the stable droplets was observed at ca. 330 nm.

INTRODUCTION

The fossil resources depletion is leading to a growing interest toward materials derived from sustainable resources. Polysaccharides and terpenes are two interesting classes of materials issued from renewable biomass. [1][2][3][START_REF] Figueiredo | Cellulose and Derivatives from Wood and Fibers as Renewable Sources of Raw-Materials[END_REF][START_REF] Wilbon | [END_REF][6] Polysaccharides are mainly hydrophilic and terpenes belong to hydrocarbon-rich biomass. Terpenes are either branched or cyclic unsaturated molecules which are extracted from the resin produced by conifer trees. Terpenes are an interesting class of molecules as they can represent an alternative to fossil molecules but also to hydrocarbon-rich biomass feedstock such as oilseeds and palm oil. Different terpene molecules are distilled from either turpentine or from paper oil, a by-product of the paper-making industry. Among the first recovered products, α and β-pinene are an important Page 2 of 22 ACS Paragon Plus Environment Biomacromolecules class of molecules which are industrially transformed into a series of valuable terpenes by various chemical reactions. Some terpene building blocks have been used for the synthesis of different hydrophobic polymers as recently reviewed in the literature. [START_REF] Wilbon | [END_REF][6][START_REF] Zhao | Synthesis of Terpene-Based Polymers[END_REF] Among the examples of terpene-based polymers, [START_REF] Wilbon | [END_REF][6][START_REF] Sharma | [END_REF][9][10][11][12] the synthesis of amphiphilic polymers were limited to the design of terpene end-modified poly(ethylene oxide) polymers by anionic ring-opening polymerization of ethylene oxide from terpene-based initiator. 13,14 In parallel, the increasing demand of materials with high performances requires modification of natural polymers. 15 Numerous examples of polysaccharide modification through synthetic polymer grafting via for instance controlled radical polymerization 16 or ring opening polymerization [17][18][19][20] techniques have been described in the literature. Hydrophobically modified polysaccharides with emulsifying properties have also been synthesized through the grafting of hydrophobic molecules coming from fossil resources. [21][22][23][24][25] In this context, the renewable feedstock of abundantly available terpenes and polysaccharides is attractive for the synthesis of new amphiphilic biopolymers.

To the best of our knowledge, the synthesis of amphiphilic dextrans hydrophobically modified by terpenes has never been reported. In the present work, the synthesis of functional terpenes by thiol-ene reactions will offer the possibility to synthesize both linear and grafted amphiphilic biopolymers (schemes 1 and 2). It is noteworthy that there are a few examples in the literature on the use of thiol-ene coupling involving terpenes. 12,26 Recently, Meier and coworkers made use of thiol-ene chemistry to produce limonene-based polyesters by polycondensation of difunctional modified terpenes. 12 Herein, we focused our attention on a linear low molar mass dextran as model polysaccharide, dextran being a glucose-based neutral bacterial polysaccharide. Among the fragrant terpenic molecules, dihydromyrcenol (2,6-Dimethyloct-7-ene-2-ol, DHM) was chosen as a non toxic terpene containing a mono-substituted vinylic function suitable for Page 3 of 22

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Biomacromolecules

applying the chosen thiol-ene addition chemistry (Scheme 1). 27 Dextran will be modified by either reductive amination of the chain end with amino-derivatized DHM (Scheme 1, route A) or by esterification of hydroxyl backbone with carboxylic acid derivatized DHM (Scheme 1, route B). The efficiency of the terpene grafted dextran as polymeric emulsifier will be assessed through its ability to stabilize liquid droplets of dihydromyrcenol fragrance in water.

The dispersion of such molecules by a renewable biopolymer is of interest for cosmetic field. Scheme 1. Synthetic approach followed to obtain amphiphilic biopolymers

EXPERIMENTAL PART

Materials. 3-mercaptopropionic acid (Aldrich, 99 %), 2,2′-Azobis(2-methylpropionitrile) (AIBN, Aldrich 98%), 2,6-Dimethyloct-7-ene-2-ol also named dihydromyrcenol (DHM, 99.5 %), was supplied by Dérivés Résiniques Terpéniques (DRT company), cysteamine hydrochloride (Fluka, 98 %), triethylamine (Aldrich, 99 %), sodium cyanoborohydride (Aldrich, 95 %), N,N′-Dicyclohexylcarbodiimide (DCC, Aldrich, 99 %), hexadecane (Sigma-Aldrich, 99 %). Dimethylsulfoxide (DMSO, Technical grade, VWR) was dried over molecular sieves which were previously dried under vaccum at 100 °C. Fractionated dextrans were purchased from Serva Electrophoresis (dextran 4 and dextran 8).

Synthesis of functional terpenes by thiol-ene addition chemistry (Scheme 2)

. Terpene 1 displayed in Scheme 2 was synthesized as follows: 2 g of DHM (1.3 × 10 -2 mol), 2.9 g of cysteamine hydrochloride (2.6 × 10 -2 mol) and 105 mg of AIBN (6.4 × 10 -4 mol) were mixed in a round bottom flask sealed with a rubber septum prior degassing 15 minutes with nitrogen flow. We should note that cysteamine hydrochloride was not initially soluble in DHM terpene but the solubility increased during the reaction performed at 80 °C. After 24 hours of reaction, the recovered product was an ammonium salt and the final amine (Terpene 1) was recovered in dichloromethane by 2 liquid-liquid extractions using a saturated sodium bicarbonate aqueous solution. The organic phase was dried over magnesium sulfate, filtered and evaporated to recover the pure Terpene 1 as pale yellow oil (Figure 1). Terpene 2 displayed in Scheme 2 was synthesized as follows: 20 g of DHM (1.3 × 10 -1 mol), 13.6 g of 3-mercaptopropionic acid (1.3 × 10 -1 mol) and 210 mg of AIBN (1.3 × 10 -3 mol) were mixed in a round bottom flask sealed with a rubber septum prior degassing for 15 minutes with nitrogen flow. The reaction was carried out at 80 °C for 4 hours and the final product (non colored oil, quantitative product, Figure 1) was used without purification.

Grafting of Terpene 2 for the synthesis of hydrophobically modified dextran. Dextran 8

(1 g, M n = 6600 g.mol -1 , 1.5 × 10 -4 mol) were mixed with 6 mL of dried DMSO and heated at 60 °C before adding N,N′-Dicyclohexylcarbodiimide (3.7 g, 1.8 × 10 -2 mol). A solution of Terpene 2 (3.9 g, 1.5 × 10 -2 mol) was prepared with 2 mL of DMSO and subsequently poured into the round bottom flask containing the dextran 8 and DCC solution. The initial number of moles of DHM terpene over the number of moles of anhydroglucose units (AGU), x = (m DHM,0 /M DHM )/(m dextran,0 /M AGU ), is equal to 0.24, 1.22 and 2.44 respectively for the synthesis of Dext-graft-DHM 1 , Dext-graft-DHM 5 and Dext-graft-DHM 10 grafted copolymers. After 18 hours at 60 °C, the modified dextran was precipitated three times into methanol in order to eliminate free terpene. The final amphiphilic polymer was recovered as a white powder after drying process.

Preparation of DHM liquid miniemulsion.

Dext-graft-DHM 10 (50 mg) was mixed with 9 mL of a phosphate buffer solution (pH 8) before adding a solution containing 1 g of dihydromyrcenol and 25 mg of hexadecane. The liquid emulsion was then subjected to high shear pressure using a Vibra Cell 72408 ultrasonicator for 5 min at amplitude of 30% (round bottom flask placed into an ice bath).

Instrumentation. Proton, carbon, and two-dimensional (COSY for COrrelation

SpectroscopY, HSQC for heteronuclear single quantum coherence) nuclear magnetic resonance (NMR) spectra were recorded at 25 °C on a Brüker 400 MHz spectrometer. The average droplet diameters (D h ) were measured using a Vasco DL135 dynamic light scattering.

The number average molar mass (M n ) and dispersity (M w /M n ) of dextran were measured by aqueous size exclusion using the following system: 2 columns Tosoh TSK PW 2500 et TSK PW 6000, Agilent 1260 Infinity pump, Waters 717 plus automatic injector, Multi-Angle Light Scattering MALS Wyatt EOS (laser λ = 690 nm, cellule K5), Wyatt Optilab T-rEX refractometer (λ = 658 nm, 25°C), ASTRA 6 software. Acetic acid 0.2 M and ammonium acetate buffer 0.15 M was used as eluent at 0.5 mL.min -1 flow rate. Samples of dextran at concentration of 5 g.L -1 were prepared and the value of refractive index increment of dextran (dn/dc = 0.147) was used for molar mass calculation by MALS.

RESULTS AND DISCUSSION

Synthesis of functional terpenes by thiol-ene coupling. In the present work, we started by studying the synthesis of functional terpenes by thiol-ene chemistry thermally initiated with AIBN initiator. Two types of molecules functionalized by either a carboxylic acid or an amino group were synthesized from the same initial dihydromyrcenol (DHM) terpene with two different thiol molecules as depicted in Scheme 2. As reported in literature, [27][28] the first step of thiol-ene radical reaction is the formation of thiyl radicals (RS ) obtained from transfer reaction of the carbon-centered radicals which are generated by the initiator decomposition. The reaction proceeds then via addition of the thiyl radical through the ene functional group to form a carbon radical. For ideal thiol-ene reactions, no homopolymerization is observed and chain transfer of the carbon radical to another thiol functional group follows the addition step, regenerating the thiyl radical and forming the thiol-ene addition product (see Scheme 2). For alkyl thiols and alkenes, the reaction is chaintransfer-limited and first order in thiol functional group concentration. [28][29] Scheme 2. (A) General principle of radical thiol-ene chemistry using an initiator (I-I) and a thiol transfer agent (RSH); (B) Derivatization of dihydromyrcenol (DHM) terpene by thiolene chemistry to produce functional Terpene 1 and Terpene 2.

The analysis of the proton NMR spectra of these products (Figure 1) confirmed the success of the thiol-ene reaction performed with either cysteamine hydrochloride or 3-mercaptopropionic acid acting as transfer agent for the coupling reaction (Scheme 2). Indeed, the disappearance

I-I 2I RSH R 1 R 2 RS RS R1 R2 ∆ or hν

A)

OH HS For the synthesis of Terpene 1, the matching of the NMR peak integrations of terpenic moiety (I i = 2.00 (2H) in Figure 1A) with the ones of the thiol moiety (I g = 3.00 (3H) in Figure 1A) The influence of both thiol and initiator concentrations on the double bond conversion was investigated and the results are reported in Table 1. We first observed that an excess of thiol transfer agent compared to alkene function is required for a complete coupling reaction.

Indeed, a stoichiometric amount of cysteamine hydrochloride versus dihydromyrcenol (entry 1). We could note that the cysteamine hydrochloride salt was not fully soluble in DHM at the beginning of the reaction but the final product became soluble. On the other hand, 3-mercaptopropionic acid being initially soluble in DHM, the stoichiometry between thiol and ene functional group was sufficient to provide 100 % of double bond conversion (see entries 4-5 in Table 1). Note that adding cysteamine instead of cysteamine hydrochloride resulted in the absence of coupling reaction, neither in bulk nor in DMSO solvent. In most of the previous studies, either Boc-cysteamine 32 or cysteamine hydrochloride [33][34][35][36] were involved in thiol-ene chemistry. Amine functionalities must be protected or masked by hydrochloric acid because otherwise the thiol is deprotonated and thiyl radical cannot be formed. 37 The proton NMR spectrum of terpene end-modified dextran (Figure 4) which was purified by several precipitations into methanol, shows the characteristic signals of terpene 1 protons. The functionalization degree of dextran chains was calculated from the ratio between the area corresponding to the signal of the 3 methylic protons of terpene 1 (δ g = 0.85 ppm) and those from the 15 anomeric protons in dextran (δ a = 4.7 ppm). A functionalization degree of 94 % proved the success of the reductive amination reaction. We should note that the absence of dextran degradation during reductive amination has been previously shown by the analysis of the molar mass of dextran before and after the reaction. 38 The hydrophilic lipophilic balance Griffin method proposed for non ionic surfactants (HLB = 20 × (molar mass hydrophilic moiety/molar mass hydrophobic moiety)). 39 The calculated HLB value of the synthesized Dext-DHM (HLB ∼ 18.5) is close to Tween 20 non-ionic surfactants (poly(ethylene oxide) sorbitan fatty acid esters with lauric acid hydrophobic group and 20 ethylene oxide units) 40 which are known for their wide range of emulsifying properties. [41][START_REF] Xin | Colloids Surf[END_REF][43][44][45] The efficient grafting of terpene 2 was evidenced by the presence of characteristic peaks of protons f and g in the NMR spectrum of the amphiphilic copolymer precipitated several times (Figure 5). The number of grafted DHM units per chain of dextran polymer was calculated from equation (1) using the NMR integrations of both DHM methylic protons (I g ) and dextran anomeric protons (I (a+a') ) (see Figure 5). Prior NMR analysis, the hydrophobically modified dextran was carefully precipitated three times into methanol to remove any unreacted terpene 2.

Biomacromolecules

As depicted in Table 2, we successfully synthesized three different terpene modified dextrans exhibiting 1, 5 and 10 grafted terpene molecules per polysaccharide chain corresponding to a degree of substitution (DS), ie. the number of terpene functions per glucosidic unit, ranging between 2.4 and 24.4 %. By applying the simplified Griffin method, 39 the HLB values of these grafted dextrans ranged between 15 and 19. well-known efficient hydrophobe co-surfactant which ensures stability of the liquid miniemulsion by suppressing the interdroplet mass diffusion, named Ostwald Ripening. 21,[46][47] The hydrophobic phase composed of DHM and hexadecane was mixed with a water phase containing the terpene modified dextran prior decreasing the oil droplet size by applying shear via ultrasonication (see experimental part). The stability of the liquid DHM miniemulsion (10 wt% DHM in water) was followed with time and the images of the emulsion are displayed in

CONCLUSIONS

The quantitative thiol-ene addition of molecular thiols to dihydromyrcenol led to two types of functional terpene molecules: an amino-terpene (Terpene 1) and a carboxylic acid terpene

ASSOCIATED CONTENT Supporting Information

analysis of dextran and Abdel Khoukh (IPREM-EPCP) for NMR analyses. ANR-10-EQPX-16 XYLOFOREST funding is acknowledged.

1 H

 1 NMR (400 MHz, DMSO-d6, δ in ppm) 2.57 (t, 2H, NH2-CH2-CH2-S), 2.48 (t, 2H, NH2-CH2-CH2-S), 2.45 (CH-CH2-CH2-S), 1.51 (m, 1H, (CH2)2-CH-CH3), 1.51 (m, 1H, CH-CHH-CH2-S), 1.30 (m, 1H, CH-CHH-CH2-S), 1.30 (t, 2H, HO-(CH3)2C-CH2-CH2), 1.25 (m, 1H, CH-CH2-CH2-CH2), 1.07 (m, 2H, CH-CH2-CH2-CH2), 1.05 (s, 6H, (CH3)2-C(OH)), 0.85 (d, 3H, CH3-CH).

  Synthesisof terpene chain end modified dextran. Dextran 4 (200 mg, M n = 2600 g.mol -1 , 7.7 × 10 -5 mol) were mixed with 0.6 ml of distilled water. A solution of Terpene 1 (333 mg, 1.4 × 10 -3 mol) was prepared with 0.4 mL of DMSO and subsequently added into the aqueous solution of dextran 4. After 2 hours of stirring, 22 mg of sodium cyanoborohydride (3.6 × 10 -4 mol) were added into the round bottom flask and the reaction proceeded overnight at room temperature. The initial cloudy solution became a clear, slightly yellow solution. The polymer was precipitated three times from an aqueous solution into methanol and finally dried under vaccum. The final Dext-DHM polymer is a white powder (yield 70 %).

  signals of dihydromyrcenol between 4.8 and 5.6 ppm (Figure 1) along with the chemical shift from 2.1 ppm to 1.5 ppm of the c proton in α position of the alkene group (Figure 1 and Figure SI-1), proves the complete addition reaction.

Figure 1 . 1 H

 11 Figure 1. 1 H NMR spectra Terpene 1 (A) and Terpene 2 (B) (in DMSO-d6).

Page 9 of 22 ACSFigure 2 .Figure 3 .

 2223 Figure 2. 13 C NMR spectra Terpene 1 (A) and Terpene 2 (B) in DMSO-d6.

Scheme 3 .

 3 Scheme 3. Synthesis of α-telechelic modified dextran (Dext-DHM) synthesized by reductive amination of dextran with terpene 1.

  of the end-modified dextran polymer (Dext-DHM) was calculated from the simplified

Figure 4 .Scheme 4 .

 44 Figure 4. 1 H NMR spectrum of Dext-DHM (in DMSO-d6)

Figure 5 . 1 H

 51 Figure 5. 1 H NMR spectrum of Dext-graft-DHM 10.4 in DMSO-d6.

= 41 b

 41 Initial number of moles of DHM terpene over number of moles of dextran polymer chains, x = (m DHM,0 /FW DHM )/(m dextran,0 /M n,dext ) c Average final number of DHM units per dextran polymer chain analyzed by proton NMR of the precipitated of Dext-graft-DHM (see Figure 5 and equation (1)). d Degree of substitution of the Dext-graft-DHM, ie. number of DHM functions per glucosidic unit .Stabilization of DHM Terpene Liquid miniemulsion. It was considered of interestfor cosmetic formulations to study the surface active properties of the terpene graft dextrans for emulsifying hydrophobic terpene droplets in water. The aim was to produce stable miniemulsion of dihydromyrcenol (DHM) in water stabilized by the amphiphilic biopolymers in order to facilitate the transfer of hydrophobic terpene molecules used as fragrance into aqueous formulations. For that purpose, the dihydromyrcenol was mixed with hexadecane, a

Page 18 of 22 ACSTable 3 .a 39 c

 22339 22 who showed a decrease of interfacial tension between dodecane and water by increasing the degree of substitution of hydrophobically modified dextrans from DS = 6 % to DS = 31 %. It was suggested that the interfacial tension lowering resulted from the preferential intramolecular aggregation with Paragon Plus Environment Biomacromolecules increasing DS, hence, reducing the availability of hydrophobic groups for adsorption at the oil-water interface. Results for the direct miniemulsion of DHM terpene in water. Weight percent of DHM terpene versus total volume of liquid miniemulsion = 10 %; weight percent of Dext-graft-DHM stabilizer versus terpene = 5 %; weight percent of hexacedane versus terpene = 5 %. b Hydrophilic lipophilic balance (HLB) calculated from the simplified Griffin method (HLB = 20 × (molar mass hydrophilic moiety/molar mass hydrophobic moiety)). Hydrodynamic diameter measured by dynamic light scattering 2 hours after sonication step. d Non stable emulsion.

Page 19 of 22 ACS Paragon Plus Environment Biomacromolecules 20 (

 2220 Terpene 2). Novel amphiphilic biomass-based polymers were successfully synthesized by coupling the functional terpenes with dextran polysaccharide, either by reductive amination or by esterification reactions. The chosen synthetic pathways offer the possibility to synthesize either terpene end-modified dextran or terpene-grafted dextrans. When using the grafted amphiphilic polymers as surface active macromolecular species, stable miniemulsion of dihydromyrcenol terpene in water can be obtained with average droplet hydrodynamic diameter of 320-340 nm. The most efficient emulsifier was the dextran hydrophobically modified with five terpene molecules per chain, ie a degree of substitution of 12 %. Studies of the stabilization efficiency for polymeric colloids are currently being in progress by comparing the stabilization properties of the terpene grafted dextran with terpene grafted poly(acrylic acid).

Table 1 . Thiol-ene chemistry reaction between dihydromyrcenol (DHM) terpene and functional thiols carried out at T = 80 °C in bulk. a

 1

	Entry	R-SH	[DHM] 0 mol.L -1	[R-SH] 0 mol.L -1	[AIBN] 0 mol.L -1	Time h	% Conversion	a	Terpene
	1	Cysteamine hydrochloride	5.5	5.5	5.5× 10 -1	24	50		1
	2	Cysteamine hydrochloride	5.5	16.5	5.5 × 10 -1	24	100		1
	3	Cysteamine hydrochloride	5.5	11	2.7 × 10 -1	24	100		1
	4	3-mercaptopropionic acid	3.6	3.6	3.6 × 10 -1	4	100		2
	5	3-mercaptopropionic acid	3.6	3.6	3.6 × 10 -2	4	100		2

a Conversion of double bond determined by 1 H NMR using the integrations of initial DHM and final terpene (see Figure

1

Table 2 . Synthesis of dextran-graft-DHM by esterification of dextran a with Terpene 2 carried out at 60°C for 18 h in DMSO.

 2 Dextran 8 polymer from Serva Electrophoresis: M n,dext = 6600 g.mol -1 , M w /M n = 2.2, N AGU

	Exp	Polymer	ݔ ൌ	n DHM,0 n dextran,0	b	ݕ ൌ	N DHM N dextran	c	DS d (%)
	1	Dext-graft-DHM 1.4		10			1.4		3.4
	2	Dext-graft-DHM 5.2		50			5.2		12.7
	2	Dext-graft-DHM 10.4		100			10.4		25.4

a

Table 3 .

 3 As expected, it was not possible to form any stable emulsion with the native hydrophilic dextran.While Dext-graft-DHM 1.4 polymer containing only one terpene molecule per dextran (degree of substitution = 2.4 %) showed poor stabilizing efficiency with evident creaming observed after 24 hours, Dext-graft-DHM 5.2 and Dext-graft-DHM 10.4 polymers gave rise to stable miniemulsions. The droplet sizes were measured by dynamic light scattering showing average hydrodynamic diameter of the main population centered at 320 -340 nm. A second population of larger droplet was observed with a non-negligible intensity as light scattering is more intense for larger colloids. Nevertheless, the liquid miniemulsion stabilized by Dextgraft-DHM 5.2 was composed of 98 % by number of the smallest 320 nm droplets. In conclusion, the renewable terpene modified dextrans are able to act as efficient stabilizer of direct terpene miniemulsion. The most efficient stabilizer is the dextran grafted with the intermediate number of terpene molecules, ie Dext-graft-DHM 5.2 (DS = 12 %), which is slightly more efficient stabilizer than Dext-graft-DHM 10.4 (DS = 24 %). This trend is consistent with previous results reported byDurand et al.

ACS Paragon Plus Environment Biomacromolecules

H and13 C NMR spectra of initial DHM terpene, 1 H NMR of Terpene

and COSY 2D-NMR spectra of both synthesized functional terpenes are provided. This material is available free of charge via the Internet at http://pubs.acs.org.

ACKNOWLEDGEMENTS

The authors are grateful to Région Aquitaine, LVMH and DRT for financial support. The authors thank Dr. Julien Bernard, Agnès Crepet from IMP@INSA Lyon for aqueous SEC

AUTHOR INFORMATION

Corresponding Author * E-mail: maud.save@univ-pau.fr

Author Contributions

All authors have given approval to the final version of the manuscript.