Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Il est à présent possible d’évaluer avec une bonne précision par le calcul quantique différentes propriétés moléculaires et de simuler des processus réactionnels complexes. On présente différentes méthodes de résolution de l’équation de Schrödinger, celles basées sur la théorie de Hartree-Fock ainsi que les toutes dernières techniques qui permettent d’atteindre des solutions précises de l’équation. Celles basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et la DFT dépendante du temps (TD-DFT) sont parmi les principaux outils de la chimie computationnelle actuelle. Des aspects techniques sont également abordés telles que les bases d’orbitales atomiques à utiliser, la solvatation, les méthodes mixtes mécanique quantique-mécanique moléculaire (QM/MM), la dynamique moléculaire.
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It is currently possible to use quantum computation to evaluate, with high accuracy, different molecular properties and simulate complex reaction processes. Different methods for solving the Schrödinger equation are presented, those based on the Hartree-Fock theory (HF) together with the latest techniques that yield accurate solutions of the equation. Those based on density functional theory (DFT) and time-dependent DFT (TD-DFT) are among the main tools of current computational chemistry. Technical aspects are also addressed, such as the atomic orbital base sets to be used, solvation, quantum mechanics-molecular mechanics (QM/MM) hybrid methods, and molecular dynamics.
Auteur(s)
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Ghania BOUCEKKINE : Docteur es-sciences
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Abdou BOUCEKKINE : Professeur émérite Institut des sciences chimiques de Rennes, UMR 6226 CNRS Université de Rennes 1, Rennes, France
INTRODUCTION
Le développement sans cesse croissant de la technologie des ordinateurs a permis l’essor des méthodes de simulation numérique et de modélisation dans tous les domaines, allant de l’économie, à la météorologie, la biochimie et la physique nucléaire. Dans ce contexte, et pour ce qui concerne les propriétés physico-chimiques de la matière, les méthodes de la chimie quantique permettent, par le calcul, d’étudier un grand nombre de propriétés moléculaires, et, en particulier, de simuler des réactions chimiques voire même des processus biochimiques. Ainsi, on peut accéder actuellement par le calcul, pour tout système moléculaire :
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à des grandeurs énergétiques : l’énergie totale, l’énergie d’ionisation, l’affinité électronique ;
-
à des grandeurs géométriques : longueurs et angles de liaison, conformations ;
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aux propriétés spectroscopiques : spectres ultraviolet-visible, infrarouge et micro-onde, spectres de luminescence ;
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aux propriétés électriques : moments dipolaires, multipolaires, les polarisabilités et hyperpolarisabilités ;
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aux propriétés magnétiques : déplacements chimiques et constantes de couplage de RMN, susceptibilités et couplages magnétiques, tenseurs g et A de résonance paramagnétique électronique (RPE).
Dans le présent article, on expose différentes méthodes de résolution de l’équation de Schrödinger, celles basées sur la théorie de Hartree-Fock (HF) ainsi que les techniques corrélées dites post-HF qui permettent d’atteindre des solutions précises de l’équation, et aussi celles basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et la DFT dépendante du temps (TD-DFT) qui sont parmi les principaux outils de la chimie computationnelle actuelle. Des aspects techniques sont également abordés telles que les bases d’orbitales atomiques à utiliser, la solvatation, les méthodes mixtes mécanique quantique-mécanique moléculaire (QM/MM), la dynamique moléculaire. Un exemple détaillé de calcul d’orbitales moléculaires est également présenté.
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MOTS-CLÉS
équation de schrödinger théorie de Hartree-Fock corrélation électronique orbitales atomiques solvatation TD-DFT
KEYWORDS
schrödinger equation | Hartree-Fock theory | electronic correlation | atomic orbitals | solvation | TD-DFT
VERSIONS
- Version archivée 1 de janv. 2007 par Ghania BOUCEKKINE
DOI (Digital Object Identifier)
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Calcul de propriétés
En anglais
6. Solvatation, calculs QM/MM et dynamique moléculaire
6.1 Solvatation
Dans la plupart des cas, les molécules étudiées ne sont pas en phase vapeur, et ne peuvent donc être traitées comme étant des molécules isolées. Elles sont le plus souvent solvatées. Il existe plusieurs façons de traiter un soluté dans un solvant. Lorsqu’il y a des interactions spécifiques entre soluté et solvant, telles que des liaisons hydrogène, il faut traiter explicitement le couple soluté-molécules de solvant, comme une « supermolécule ». Dans le cas contraire, pour décrire l’effet du solvant sur les propriétés du soluté, il suffit généralement de considérer le soluté à l’intérieur d’une cavité plongée dans un continuum de constante diélectrique égale à celle du solvant. À l’origine d’une telle méthodologie, dite du continuum polarisable, se trouve le modèle de Born-Kirkwood-Onsager . Onsager a montré en 1936 que le vecteur champ électrique E R créé à l’intérieur d’une cavité sphérique de rayon a (champ de réaction) renfermant une molécule de moment dipolaire μ, est donné par :
ε r étant la constante diélectrique du solvant. L’opérateur associé à l’énergie d’interaction entre E R et μ égal à – μE R doit être ajouté à l’opérateur hamiltonien décrivant la molécule solvatée. Comme le moment dipolaire du soluté augmente sous l’effet d’un solvant polaire, le champ de réaction va évoluer en conséquence. La méthode généralement utilisée pour décrire cette interaction est celle appelée SCRF (Self-Consistent Reaction Field) dans laquelle l’autocohérence entre moment dipolaire du soluté et champ de réaction est obtenue à l’issue...
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Solvatation, calculs QM/MM et dynamique moléculaire
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - HÜCKEL (E.) - Quantentheoretische Beitrage zum Benzolproblem. - Z. Phys., 70, p. 204-286 (1931).
-
(2) - SCHRÖDINGER (E.) - The non relativistic equation of the De Broglie waves. - Ann. Physik, 79, p. 361-376 (1926).
-
(3) - BORN (M.), OPPENHEIMER (R.) - Zur Quantentheorie der Molekeln. - Ann. Physik, 84, p. 457-484 (1927).
-
(4) - HARTREE (D.R.) - The wave mechanics of an atom with a non-coulomb central field. Part I. Theory and methods. - Proc. Cambridge Phil. Soc., 24, p. 89-132 (1928).
-
(5) - FOCK (V.) - Näherungsmethoden zur Lösung des Quantenmechanischen Mehrkörperproblems. - Zeit. Physik, 61, p. 126-148 (1930).
-
(6) - SLATER (J.C.) - The theory of complex spectra. - Phys. Rev., 34, p. 1293-1322...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Base de données de fonctions gaussiennes à l’usage de la chimie quantique http://bse.pnl.gov/bse/portal
Logiciel Molden http://www.cmbi.ru.nl/molden
Logiciel Molekel https://www.chemeurope.com/en/encyclopedia/Molekel.html
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