Thèse soutenue

Calculs électrostatiques rapides dans l'analyse énergétique : Développement de la méthode, applications aux études de cristaux organiques et organométalliques et de complexes protéine/ligand
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Auteur / Autrice : Vedran Vuković
Direction : Christian Jelsch
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique
Date : Soutenance le 20/09/2021
Etablissement(s) : Université de Lorraine
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Cristallographie, Résonance Magnétique et Modélisation (Nancy)
Jury : Président / Présidente : Emmanuel Fromager
Examinateurs / Examinatrices : Christian Jelsch, Paulina Maria Dominiak, Bertrand Fournier, Francesca Ingrosso, Alessandro Genoni
Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Fromager, Paulina Maria Dominiak

Résumé

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La nature électrostatique des atomes est généralement prise en compte pour explorer les interactions intermoléculaires. Le modèle multipolaire de Hansen-Coppens est largement utilisé pour obtenir une description détaillée de la distribution des électrons. Il s'agit donc d'un point de départ pour étudier le comportement de systèmes chimiques. Le choix du système donne accès à des informations microscopiques qui permettent d'élucider les propriétés des matériaux à l'échelle macroscopique. L'une de ces propriétés est l'énergie d'interaction électrostatique, qui indique la force avec laquelle deux charges s'attirent ou se repoussent. Le modèle multipolaire donne une image claire de la distribution des charges à l'intérieur des molécules. Les énergies obtenues à partir de ce modèle sont plus fiables que celles provenant de méthodes traditionnelles (comme les charges ponctuelles). Des méthodes existent déjà pour calculer l'énergie d'interaction électrostatique à partir du modèle multipolaire, mais leur point faible est qu'elles prennent du temps pour calculer les intégrales sous-jacentes. La méthode discutée dans cette thèse (potentiel analytique exact / moments pseudo-multipolaires, aEP/pMM) propose une intégration analytique rapide à la place de l'intégration numérique de l'ancienne méthode. Cette nouvelle méthode a été intégrée dans le programme Charger. Le gain de vitesse provient du remplacement d'une cubature 3D par une intégrale unidimensionnelle, grâce aux propriétés mathématiques du modèle multipolaire. Ce gain varie d'un facteur 4 à 200, et les énergies résultantes sont presque indiscernables de celles obtenues par l'ancienne méthode. L'objectif était également d'estimer le potentiel de Charger en termes d'application. Il a été testé sur des complexes protéine-ligand, des molécules organiques et des complexes métal-organique impliquant de nombreux éléments des trois premières rangées du tableau périodique. Un complexe organométallique contenant des atomes de nickel dans son cœur a également été analysé. Dans toutes ces applications, Charger domine sur l'ancienne approche en termes de temps de calcul, tout en conservant une précision exceptionnelle. L'analyse du complexe protéine/ligand a permis de distinguer les environnements favorables et défavorables à la fixation du ligand. Elle a également révélé un candidat possible à la mutation qui confère un pouvoir prédictif à l'approche Charger. Le complexe métal-organique contenait un contact particulier que Charger a aidé dans sa caractérisation. Il a également permis le calcul de l'énergie électrostatique de la maille cristalline pour un composé organique et un composé organométallique. L'auteur espère que la nouvelle approche aEP/pMM recevra un accueil positif et contribuera à de nombreuses découvertes dans divers domaines qui reposent sur la modélisation moléculaire.