Modification des propriétés du polypropylène par mise en oeuvre réactive / Modification of polypropylene properties by reactive processing

Ce travail s'inscrit dans le cadre d'un projet soutenu par la Région wallonne et a été réalisé en collaboration entre les unités de Chimie Organique et Médicinale (CHOM), de Chimie Structurale et des Mécanismes Réactionnels (CSTR), et de Chimie et Physique des Hauts Polymères (POLY). Il concerne la modification des propriétés du polypropylène (PP) isotactique par mise en oeuvre réactive, et plus particulièrement le contrôle de sa cristallinité par l'action d'un composé bromé (N-bromosuccinimide) en présence d'un initiateur de radicaux libres à haute température (entre 180 et 260°C). L'objectif principal de cette étude est de parvenir à identifier et à contrôler les modifications induites au sein des produits, ce qui implique une compréhension fine des mécanismes chimiques intervenant lors de la mise en oeuvre réactive du PP. Ces connaissances permettraient en outre de substituer la N-bromosuccinimide (qui génère des sous-produits toxiques et polluants) par un autre additif en vue d'une meilleure valorisation du procédé et des produits. La stratégie repose sur une double approche, basée d'une part sur une étude des divers paramètres qui influencent la réaction sur polymère, et d'autre part sur la synthèse d'un composé modèle du PP : le 2,4,6,8,10-pentaméthylundécane (PMU). Par extrusion réactive du polymère, nous avons obtenu des PP à cristallinité contrôlée (PPCC ; de semi-cristallin à amorphe), dont certains présentent un caractère élastomère marqué. Des études effectuées principalement par analyse thermique et par résonance magnétique nucléaire ont permis de corréler ces propriétés macroscopiques à une microstructure à stéréoblocs isotactiques/atactiques (épimérisation des carbones tertiaires du PP), combinée à la présence de branchements longs (recombinaison de macroradicaux). Par ailleurs, nous avons mis en évidence les différents paramètres susceptibles d'influencer la réaction d'épimérisation du PP. Bien que les informations découlant de ces études nous aient permis de proposer les principaux mécanismes qui entrent en jeu lors de la réaction, seule une étude sur composé modèle peut néanmoins donner accès aux méthodes d'analyses nécessaires à la confirmation de ces mécanismes. Nous avons par conséquent entrepris la synthèse d'un oligomère de propylène pour permettre cette étude sur composé modèle. La synthèse du PMU telle que rapportée dans la littérature s'est avérée plus difficile que prévu, principalement du fait d'un manque de reproductibilité au niveau de l'étape clé. Nous avons donc établi une voie de synthèse originale permettant l'obtention du PMU (mélange de stéréoisomères) avec un rendement global de 45% sur 7 étapes (à l'échelle de plusieurs grammes de produit). En outre, cette voie nous a donné accès au 6-hydroxyméthyl-2,4,8,10-tétraméthylundécane et au 6-p-toluènesulfonyloxyméthyl-2,4,8,10-tétraméthylundécane, pour lesquels des techniques chromatographiques ont permi une séparation des diastéréoisomères. La transposition de ces expériences à plus grande échelle permettra d'envisager l'obtention du (4R,6s,8S)-PMU, en vue de futures études mécanistiques relatives à l'épimérisation du PP de configuration initialement isotactique.This work is part of a project supported by the Walloon Region, and it was performed in collaboration between the Chimie Organique et Médicinale (CHOM), Chimie Structurale et des Mécanismes Réactionnels (CSTR), and Chimie et Physique des Hauts Polymères (POLY) laboratories. Its object is the modification of the isotactic polypropylene (PP) properties by reactive processing, and more especially the control of PP crystallinity by means of a brominated additive (N-bromosuccinimide) in presence of a free radical initiator at high temperatures (between 180 and 260°C). The main objective of this study is to identify and to control the modifications induced in the products, which implies a fine understanding of the chemical mechanisms occuring during the PP reactive processing. This knowledge would allow us, subsequently, to substitute another additive for the N-bromosuccinimide (which yields toxic and polluting by-products), in order to achieve a better applicability of both the process and the products. The strategy relies on a double approach : on one side, on a study of the various parameters affecting the reaction on the polymer, and on the other side on the synthesis of a model compound of PP : 2,4,6,8,10-pentamethylundecane (PMU). By means of reactive extrusion of the polymer, we obtained controlled crystallinity PP's (from semi-crystalline to amorphous), including some with an elastomeric behaviour. Studies carried out mainly by thermal analysis and nuclear magnetic resonance allowed us to correlate these macroscopic properties to an isotactic/atactic stereoblock microstructure (epimerization of the PP tertiary carbons), combined with the presence of long chain branchings (recombination of macroradicals). Moreover, we highlighted the various parameters that are able to influence the yield of the epimerization reaction. Even if the informations arising from these studies allowed us to propose the main mechanisms involved in the PP modification, only a mechanistic study carried out on a model compound would give us access to the characterization methods required for the confirmation of these mechanisms. We undertook, subsequently, the synthesis of a propene oligomer. The PMU synthesis, as stated in the litterature, revealed itself more difficult than initially foreseen, mainly due to a lack of reproducibility concerning the key step. Therefore we established a new synthesis pathway for the PMU (as a mixture of stereoisomers) with a global yield of 45% over 7 steps (multigram scale). Moreover, this pathway gave us access to 6-hydroxymethyl-2,4,8,10-tetramethylundecane and 6-p-toluenesulfonyloxymethyl-2,4,8,10-tetramethylundecane, for which chromatographic techniques allowed a separation of the diastereoisomers. The transposition of these experiments on a larger scale would allow us to obtain the (4R,6s,8S)-PMU for future mechanistic studies relative to the epimerization reaction of initially isotactic PP.(CHIM 3)--UCL, 200