Quantum computational methodologies for the study of molecular crystals

by Davide Presti

Doctoral thesis in Chimie Physique et Chimie analytique

Under the supervision of Ledi Menabue and Hélène Gérard.

defended on 26-02-2015

in Paris 6 and the jointly supervising institution l'Università degli studi di Modena e Reggio Emilia , under the authority of École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....) , in a partnership with École nationale supérieure de chimie (Paris) (laboratoire) .

Thesis committee President: Alexis Markovits.

Thesis committee members: Carlo Adamo, Maria Cristina Menziani, Nino Russo.


  • Abstract

    Molecular crystals find relevant applications in electronics/optoelectronics, host-guest systems, or photo-activated mechanical systems. The properties mentioned above are severely affected by polymorphism, which influences the behaviour of each compound in a definite crystalline form. This is complicated by the dispersion and/or hydrogen bond interactions, which govern the molecular displacement within the solid. In order to describe accurately these interactions, and to predict advanced electronic properties, a quantum (QM) computational approach has been adopted, at the Density Functional Theory (DFT) level. The more notable advancements in the characterization of the studied crystals are: i) the demonstration that a wise combination of DFT and costless semiempirical corrections for dispersion leads to predict accurately the relative stability between polymorphs, almost at the same level of higher and costly methods; ii) The benchmarking carried out against these last can be exploited to design new dispersion-correction schemes for DFT iii) the structural prediction of four crystal forms of a solid host-guest compound previously synthetized, for that we addressed and clarified some lacks on the experimental NMR interpretation, through calculated NMR chemical shifts; iv) the optimization of a computational protocol for the study of the photophysical-photochemical processes of a thermochromic molecular crystal – based on the QM characterization of clusters of molecules extracted from the bulk crystal.

  • Alternative Title

    Méthodologies quantiques computationnelles pour l'étude des cristaux moléculaires


  • Abstract

    Les cristaux moléculaires présentent des applications importantes dans l'électronique/l'optoélectronique, les systèmes 'host-guest', ou encore pour des systèmes mécaniques photo-actifs.Les propriétés mentionnées ci-dessus sont sensiblement affectées par le polymorphisme, qui influence le comportement de chaque composé présent dans une forme cristalline définie. Ce phénomène est rendu difficile à étudier de par la présence d'interactions de dispersion et/ou liaisons hydrogène.Avec l'objectif de décrire précisément ces interactions, et pour prédire des propriétés électroniques, une approche de mécanique quantique (QM) a été adoptée, utilisant la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT).Les avancements les plus importants dans l'étude des cristaux examinées, sont: i) une prédiction correcte de la stabilité relative entre olymorphes, similaire aux résultats prévus par des méthodes plus coûteuses, peut être obtenue par l'utilisation d'une ombinaison entre la DFT et des corrections semi-empiriques moins coûteuses; ii) Le benchmark réalisé ici peut être utile dans le cadre de la création de nouveaux corrections pour la dispersion en DFT; iii) la rédiction de la structure de quatre formes cristallines d'un composé 'host-guest' précédemment synthétisé a été réalisée, notamment grâce aux calculs des déplacements chimiques (RMN) ayant permis de compléter et corriger l'interprétation RMN des résultats expérimentaux; iv) un protocole calculatoire pour l'étude des procédés photophysiques et photochimiques d'un cristal moléculaire thermochromique a été mis en place, basé sur la caractérisation des clusters de molécules extraits du cristal 'bulk' par la mécanique quantique.

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