Surfactants, Ionic liquids and Ionosilicas : functional ionic systems for supramolecular chemistry and elaboration of materials by design (ion exchange and vectorization) Roza Bouchal To cite this version: Roza Bouchal. Surfactants, Ionic liquids and Ionosilicas : functional ionic systems for supramolecular chemistry and elaboration of materials by design (ion exchange and vectorization). Material chemistry. Université Montpellier, 2016. English. NNT : 2016MONTT203. tel-01758252 HAL Id: tel-01758252 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01758252 Submitted on 4 Apr 2018 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. Délivré par l’Université de Montpellier Préparée au sein de l’école doctorale Sciences Chimiques Balard Et de l’unité de recherche Chimie Moléculaire et Organisation du Solide (ICGM) Spécialité : Chimie et Physicochimie des Matériaux Présentée par Roza Bouchal Surfactants, Ionic liquids and Ionosilicas: Functional ionic systems for supramolecular chemistry and elaboration of materials by design (ion exchange and vectorization) Soutenue le 19 Octobre 2016 devant le jury composé de Mme Marie-Helène DELVILLE, DR, Université de Bordeaux Rapporteur M. Giang VO THANH, Professeur, Université Paris Paris-Sud 11 Rapporteur M. Jean-Olivier DURAND, DR, Université de Montpellier Président du jury M. Hocine DJIDJELLI, Professeur, Université de Béjaia Examinateur M. Peter HESEMANN, DR, Université de Montpellier Directeur de thèse Remerciements La préparation de ma thèse n’ a pas été un travail individuel mais plutôt un travail collectif qui a rassemblé un certain nombre de personnes venues d’horizons divers mais qui ont su mettre au profit du groupe, avec beaucoup de générosité, leur expérience et savoir-faire respectifs. Pour cela, e lle ne peut s’achever sans remercier tou s ceux qui, tout le long des trois années passées avec eux, n’ont jamais cessé de me soutenir par leur présence à mes côtés, m’encourager par la pertinence de leurs conseils, leur intérêt jamais démenti pour ma recherche, leur écoute et leur disponibilité à chaque fois renouvelées. En premier lieu, je tiens à remercier Marie-Helène Delville directeur de recherche à l’institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux et Giang Vo Thanh professeur à l’université Paris 11 de me faire l’honneur d’être les rapporteurs de cette thèse. J’exprime également toute ma gratitude au Professeur Hocine Djidjelli de l’université de Béjaia et au Directeur de recherche Jean-Olivier Durand de l’institut Charles Gerhardt de Montpellier d’avoir accepté d’être examinateurs au sein de ce jury. Je tiens à remercier, monsieur Peter Hesemann, directeur de recherche à l’institut Charles Gerhardt de Montpellier et directeur de la présente thèse , pour m'avoir fait confiance puis pour m'avoir guidé, encouragé, conseillé tout en me laissant une grande liberté. J’exprime aussi toute ma gratitude à monsieur Jerzy Zajac , professeur à l’université de Montpellier et Bénédict Prelot, directeur de recherche à l’institut Charles Gerhardt de Montpellier pour leur contribution dans la réalisation des caractérisations physico-chimiques des tensio-actifs guanidinium. Je remercie madame Gloria Berlier, directeur de recherche de l’université de Turin en Italie ainsi que Ivana Milletto pour m'avoir chaleureusement accueillie au sein de leur laboratoire, leur précieuse aide et les conseils stimulants que j'ai eu l'honneur de recevoir de leur part. Par la même, je remercie le réseau European COST Action MP1202 ‘Rational design of hybridorganicinorganic interfaces: 'the next step towards advanced functional materials’ d’avoir financé mon séjour en Italie et de m‘avoir permis de m’enrichi r. Tous mes remerciements vont également à monsieur Rénal Backov, professeur à l’université de Bordeaux pour son accueil chaleureux, son entrain et son savoir-faire dans le domaine la synthèse des monolithes qu’il n’a pas hésité à partag er avec moi avec beaucoup de générosité et de modestie. Je tiens à remercier Jean-Olivier Durand et Clarence Charnay, respectivement directeur de recherche à l’institut Charles Gerhardt de Montpellier et maitre de conférences à l’université de Montpellier, pour leur aide précieuse et leurs conseils avisés sur la partie nanoparticules, prodigués en toute simplicité et avec beaucoup d’amabilité chaque fois que sollicités. Mes sincères remerciements vont à madame Magalie Gary-Bobo, directeur de recherche à l’i nstitut de Biomolécules Max Mousseron de Montpellier et à son étudiante en Master, Morgane Daurat, pour leur bonne humeur et surprenante réactivité ainsi que pour toutes les expériences effectuées sur les nanoparticules au niveau biologique avec enthousiasme et sérieux. Les résultats de leurs travaux ont été d’un apport considérable pour ma thèse. Je remercie le mini stère de l’enseignement supérieu r et de la recherche scientifique du gouvernement algérien de m ’avoir octroyé cette bourse d’étude qui m’a permis d’entrer dans le monde de la recherche. Je remercie tous ceux sans qui cette thèse ne serait pas ce qu'elle est : aussi bien par les discussions que j'ai eu la chance d'avoir avec eux, leurs suggestions ou contributions. Au terme de ce parcours, je remercie enfin toute ma famille qui a plus particulièrement assuré le soutien affectif de ce travail doctoral. Je suis redevable à mes parents pour leur soutien moral et matériel et leur confiance indéfectible dans mes choix. « La plus belle chose que nous puissions éprouver, c'est le côté mystérieux de la vie. C'est le sentiment profond qui se trouve au berceau de l'art et de la science véritable ». Albert Einstein Abbreviations ALT Alanine amino transferase CMC Critical micellar concentration CSDA Co-structure directing agent CTM Cooperative templating mechanism DCF Diclofenac DCFDA Dichlorofluorescin diacetate ∆mic H° Enthalpy of micelle formation per mole F127 Triblock copolymer FITC Fluorescein isothiocyanate LCT True liquid-crystal template mechanism LPS Lipopolysaccharides NP is Ionosilica nanoparticle PEG Polyethylene glycol PMO Periodic mesoporous organosilicas RAW 264.7 Murine macrophage 264.7 cells ROS Reactive oxygen species SDS Sodium dodecyl sulfate SHS Sodium hexadecyl sulfate SUL Sulindac TEOS Tetraethoxyorthosilicate Tk Krafft temperature TTAB Tetradecyltrimethylammnoium bromide List of molecules synthesized in the thesis Guanidinium surfactant s · Decylguanidinium chloride (DGC) · Dodecylguanidinium chloride (DDGC) · Tetradecylguanidinium chloride (TDGC) Alk= n -C10 H21 , n-C12 H25 , n-C14 H29 , n-C16 H33 . · Cetylguanidinium chloride (CGC) Guanidinium ionic liquids · Hexylguanidinium bis-trifluoromethane sulfonimides (C 6Gua NTf 2). · Octylguanidinium bis-trifluoromethane sulfonimides (C 8Gua NTf 2). Alk= n -C6H13 , n-C8H17 , n-C10 H21 . · Decylguanidinium bis-trifluoromethane sulfonimides (C 10 Gua NTf 2). Tris(3 -(trimethoxysilyl)propyl)amine (TrisN). Methyl -(tris(3-trimethoxysilyl)propyl) ammonium iodide (MeTrisN). Summary General introduction 1 Chapter I 4 Introduction Chapter II 52 Alkylguanidinium based surfactants & ionic liquids: micellization behavior and adsorption properties Part I. Micellization behavior of long-chain substituted alkylguanidinium surfactants 54 Part II. Alkylguanidinium based ionic liquids in a screening study for the removal of anionic pollutants from aqueous solution 76 Chapter III 95 Ionosilica type hybrid materials bearing ammonium entities: structuration and ion exchange Part I. Ionosilicas as efficient adsorbents for the separation of diclofenac and sulindac from aqueous media 98 Part II. Biocompatible periodic mesoporous ionosilica nanoparticles with ammonium walls, application to drug delivery 116 Part III. Synthesis of hybrid silica monoliths bearing amine and ammonium functionalities 157 General conclusion 185 Annex 188 General introduction One of the major lines of development of chemical science resides in the ever clearer perception, deeper analysis, and more deliberate application of the information paradigm in the elaboration and transformation of matter, thus tracing the path from merely condensed matter to more and more highly organized matter toward systems of increasing complexity. 1 The properties of a material depend both on the nature of its constituents and the interactions between them. Supramolecular chemistry may thus be expected to have a strong impact on materials science by means of the explicit manipulation of the noncovalent forces that hold the constituents together. These interactions allow the design of materials and the control of their construction from suitable units by self-organization. 1 Supramolecular chemistry is by nature a dynamic chemistry in view of the lability of the interactions connecting the molecular components of a supramolecular entity. The reversibility of the association allows a continuous change in constitution, which may be either internal, by rearrangement of the components with modification of the connectivity between them, or external, by exchange, incorporation, or extrusion of components, therefore conferring constitutional