Copolymères poly(N-vinylamide) multi-stimuli-réactifs : agrégation contrôlée en milieu aqueux via déclencheurs thermiques et photoniques

Résumé

Un copolymère à double réactivité basé sur une chaîne principale de N-vinylamide a été conçu pour combiner réactivité thermique et photo-réactivité. Un substituant méthoxyéthyle a été introduit pour améliorer l'hydrophilie, tandis que des unités azobenzène ont été greffées pour conférer une sensibilité à la lumière. Le polymère résultant, N-(méthoxyéthyl)-N-vinylformamide, a été copolymérisé avec le N-vinylformamide par polymérisation radicalaire libre. La fixation subséquente d'azobenzène en position N adjacente à la chaîne principale a produit des dérivés de poly(N-vinylformamide) présentant une agrégation nanométrique contrôlée pilotée par des interactions hydrophobes en position N.

Contexte

En science des polymères, l'intégration de multi-réactivité aux stimuli — telle que thermo-redox, thermo-sel ou thermo-pH — est essentielle pour des applications avancées [1–3]. Le comportement de température critique de solution inférieure (LCST) a été largement étudié, et son association avec des motifs photo-réactifs, notamment des dérivés azobenzène, produit des polymères capables d'un contrôle environnemental précis [17–22]. L'agrégation contrôlée de tels polymères en solution aqueuse est un prérequis pour des applications allant de la libération ciblée de médicaments à la reconnaissance supramoléculaire [23–29].

Les dérivés de poly(N-vinylamide), d'abord synthétisés via une nouvelle voie pour le poly(N-vinylacétamide) (PNVA) [30], se sont avérés polyvalents : PNVA est amphiphile [32], PNVIBA est thermosensible [33], et PNVF sert de précurseur polycationique [34]. Importamment, PNVF peut être hydrolysé sous conditions alcalines pour générer du poly(N-vinylamine) cationique sans libérer d'amines toxiques [34], et reste stable sous irradiation UV [35]. Malgré ces avantages, la recherche sur les dérivés de poly(N-vinylamide) est en retard par rapport à celle sur les analogues de poly(acrylamide) [36–38] en raison de la faible réactivité des monomères vinyles non conjugués. Cette étude comble cette lacune en synthétisant un monomère substitué méthoxyéthyle pour améliorer l'hydrophilie, puis en incorporant des unités azobenzène photo-réactives pour atteindre une double réactivité.

Méthodes

Matériaux

Le N-vinylformamide (NVF) a été obtenu de Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. (Japon) et distillé avant utilisation. L'hydrure de sodium (NaH) 60 % dans l'huile, 1,2-dibromoéthane, 4-(phénylazo)phénol, et tétrahydrofurane (THF) anhydre provenaient de Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. (Japon). DMF (N,N-diméthylformamide) anhydre, acétone, toluène, acétate d'éthyle, sulfate de magnésium, azobisisobutyronitrile (AIBN) et hexane ont été achetés chez NACALAI TESQUE, INC. (Japon) et Wako Pure Chemical Industries Ltd. (Japon). L'éther diéthylique provenait de AZBIO CORP. (Japon).

Polymérisation

Le copolymère poly(N-vinylformamide-co-NOENVF) (1) a été préparé par copolymérisation radicalaire libre : MOENVF (1,03 g, 8 mmol), NVF (0,14 g, 2 mmol), toluène (5 mL) et AIBN (0,044 g, 0,25 mmol) étaient mélangés dans un ballon en verre de 50 mL, purgés à l'azote pendant 2 min, puis chauffés à 60 °C pendant 24 h. Le mélange était refroidi, précipité dans 500 mL d'éther diéthylique, lavé deux fois, et séché sous vide à 30 °C pendant 12 h, donnant 0,69 g (rendement 59 %).

Pour introduire des unités azobenzène, 0,20 g de polymère 1 et 0,4 mmol NaH (0,011 g) étaient dissous dans DMF (1 mL) à 100 °C sous azote. Après 15 min, 1-bromoéthane azobenzène (0,4 mmol, 0,12 g) était ajouté, suivi de 12 h d'agitation. De l'eau (1 mL) et DMF additionnel (2 mL) étaient alors ajoutés, et le mélange était précipité dans 500 mL d'acétone. Le produit, poly(N-vinylformamide-co-MOENVF-co-NVFazo) (2), était récupéré par centrifugation et séché à 30 °C pendant 12 h, donnant 0,29 g (rendement 43 %).

Mesures

La chromatographie d'exclusion stérique (SEC) était réalisée sur un système Chem NAV (JASCO) avec étalons polystyrène à 40 °C en utilisant DMF comme éluant. Les spectres de résonance magnétique nucléaire protonique (¹H RMN) étaient enregistrés sur un JEOL JNM-ECX 400 (400 MHz). La transmittance lumineuse versus température était surveillée sur un Shimadzu UV-2600. L'irradiation UV (330 nm, lampe Xénon 300 W) était appliquée pendant 10 min. La diffusion dynamique de la lumière (DLS) était conduite avec un Malvern ZEN3600 Zetasizer Nano ZS (laser 633 nm).

Résultats et discussion

Le polymère 1 a été synthétisé avec succès à 59 % de rendement. Sa composition correspondait au ratio d'alimentation (NVF:MOENVF = 20:80) comme confirmé par l'intégration RMN ¹H. Le polymère 2 a été obtenu à 43 % de rendement ; la RMN indiquait que ~72 % des unités NVF étaient converties en NVFazo portant azobenzène, donnant une moyenne de quatre groupes azobenzène par chaîne (M_n ≈ 4000).

Les traces SEC (Fig. 2) révélaient un pic large unique pour 1, tandis que 2 affichait un profil élargi avec une épaule de haut poids moléculaire, reflétant l'hétérogénéité introduite par le greffage d'azobenzène. La détection UV à 500 nm (Fig. 2d) confirmait que l'épaule de haut PM provenait de fractions riches en azobenzène, cohérente avec les interactions π–π favorisant l'agrégation.

La transmittance lumineuse dépendante de la température (Fig. 3) montrait que 1 restait transparent sur 20–90 °C, indiquant sa nature hydrophile. En contraste, 2 montrait une diminution de ~10 % de la transmittance, témoignant d'une agrégation pilotée par la température via interactions hydrophobes et π–π.

Les mesures DLS (Fig. 4, Tableau 2) révélaient que 2 formait des nanoparticules de 210 nm à 20 °C et 250 nm à 60 °C. Le 2 irradié UV (2’) formait des agrégats de 330 nm à 60 °C mais restait en dessous des limites de détection à 20 °C. La taille plus grande de 2’ est attribuée aux conformations trans-azobenzène améliorant l'empilement π–π, tandis que les isomères cis à températures plus basses réduisent l'agrégation.

Conclusions

Nous avons démontré une voie facile pour synthétiser des copolymères poly(N-vinylamide) à double réactivité qui s'agrègent de manière contrôlée via stimuli thermiques et photoniques. Le polymère 2 forme des assemblages de nanoparticules distincts (210–330 nm) selon la température et l'exposition UV, soulignant les rôles pivots des interactions hydrophobes et π–π ainsi que de l'isomérisation d'azobenzène. Cette plateforme offre une base prometteuse pour des systèmes d'administration intelligents où la taille d'agrégation peut être ajustée à la demande.

Abréviations

AIBN :

Azobisisobutyronitrile

LCST :

Température critique de solution inférieure

MOENVF :

N-Méthoxyéthyl-N-vinylformamide

NVFazo :

4-(2-N-Vinylformamide)éthoxyazobenzène

PNVA :

Poly(N-vinylacétamide)

PNVF :

Poly(N-vinylformamide)

PNVIBA :

Poly(N-vinylisobutylamide)