Cours 2019-2020

Advanced Theoretical Chemistry [SCHIM102]

  • 6 crédits
  • 37.5h+30h
  • 1er quadrimestre
Langue d'enseignement: Anglais / English
Enseignant: Champagne Benoit

Acquis d'apprentissage

Pour la partie chimie quantique :

- la maitrise 1°) des méthodes de prédiction des propriétés moléculaires (polarisabilités, fréquences de vibration, intensités IR et Raman, déplacements chimiques) et 2°) du concept de corrélation électronique ainsi que des différentes méthodes pour en évaluer les contributions à l'énergie électronique.  

- Savoir concevoir une série de simulations numériques afin de répondre, de façon critique, à un problème de chimie. Pour effectuer ces simulations numériques, il sera nécessaire de savoir élaborer des protocoles de simulations numériques de détermination des propriétés structurales, électroniques, optiques, et vibrationnelles de molécules ainsi que de détermination des énérgies de réaction en prenant en compte les effets de la corrélation électronique

 

Pour la partie modélisation moléculaire :

- comprendre les bases et certains développements propres aux méthodes de simulation en mécanique statistique, aux algorithmes génétiques et réseaux de neurones artificiels, aux techniques de comparaison moléculaire

- pouvoir élaborer les paramètres d'entrée d'un calcul de base en modélisation moléculaire

- pouvoir comprendre les termes utilisés dans des articles scientifiques sur le sujet

 

Objectifs

Initier les étudiants aux concepts fondamentaux et techniques de base des méthodes de modélisation et simulation par ordinateur. Ils pourront comprendre l'influence des paramètres essentiels d'un programme de modélisation. Ils seront également initiés aux méthodes de détermination des propriétés moléculaires de même qu'aux techniques permettant la prise en compte de la corrélation électronique. L'objectif est également d'amener les étudiants à concevoir des protocoles de simulations numériques de sorte à répondre, de façon critique, à des questions de chimie.  

Contenu

L. Leherte

Partie I :

1. Approches de la structure moléculaire

2. Energie d'interaction et champs de force

3. Introduction aux méthodes d'optimisation de géométrie 

Partie II :

1. Introduction aux techniques de simulation en mécanique statistique

a. Rappels de mécanique statistique

b. Monte Carlo

c. Dynamique moléculaire

d. Recuit simulé

e. Problématique de S, G

2. "Soft Computing"

a. Algorithmes génétiques

b. Réseaux de neurones artificiels

3. "Comparative modelling"

a. QSAR

b. Alignements moléculaires

 

B. Champagne

0. Rappels

0.A. Densité électronique et schémas d'analyse des charges

 

I. La méthode Hartree-Fock couplée-perturbée

I.A. L'énergie Hartree-Fock et ses dérivées premières et deuxièmes

I.B. Forces, constantes de force et fréquences de vibration

I.C. Polarisabilités et hyperpolarisabilités

I.D. Déplacements chimiques

 

II. La méthode Hartree-Fock non restreinte

 

III. La méthode d'interactions de configurations

 

IV. La théorie des perturbations et la corrélation électronique

 

Table des matières

Partie I : 1. Approches de la structure moléculaire 2. Energie d'interaction et champs de force 3. Introduction aux méthodes d'optimisation de géométrie Partie II : 1. Introduction aux techniques de simulation en mécanique statistique a. Rappels de mécanique statistique b. Monte Carlo c. Dynamique moléculaire d. Recuit simulé f. Problématique de S, G 2. "Soft Computing" a. Algorithmes génétiques b. Réseaux de neurones artificiels 3. "Comparative modelling" a. QSAR b. Alignements moléculaires 0. Rappels I. La méthode Hartree-Fock couplée-perturbée II. La méthode Hartree-Fock non restreinte III. La méthode d'interactions de configurations IV. La théorie des perturbations et la corrélation électronique 

Description des exercices

Les différentes méthodes de prédiction et d'interprétation des propriétés moléculaires seront mises en oeuvre en utilisant des codes de chimie quantique et plus particulièrement le code GAMESS (http://www.msg.chem.iastate.edu/gamess/). Des exemples simples seront fournis en guise d'illustration des cours successifs. Ref. M.W. Schmidt, K.K. Baldridge, J.A. Boatz, S.T. Elbert, M.S. Gordon, J. Jensen, S. Koseki, N. Matsunaga, K.A. Nguyen, S. Su, T.L. Windus,Chem. 14, 1347 (1993).

Diverses techniques vues au cours "Modélisation Moléculaire" sont illustrées lors des TPs.  Par exemple, des exercices abordant des techniques de types "réseaux de neurones artificiels", "dynamique moléculaire", "optimisation de géométrie", ... sont proposés aux étudiants.

Disciplines

Chimie théorique
Physico-chimie générale
Chimie quantique

Méthodes d'enseignement

Pour la partie modélisation moléculaire :

Description des fondements, avantages, limites, des techniques/algorithmes les plus répandus en modélisation moléculaire avec présentation d'applications dans les divers domaines de la chimie (chimie du vivant, chimie des matériaux).

 

Pour la partie chimie quantique:

Exposés des chapitres du cours réalisés par les étudiants et l'enseignant complétés par des illustrations spécifiques exposées par l'enseignant.  

 

Mode d'évaluation

Pour la partie "Modélisation Moléculaire", le mode d'évaluation peut consister en un examen écrit suivi d'un examen oral, portant sur l'ensemble de la matière. L'évaluation porte également sur les TPs (questions, présentations, calculs à effectuer, ...).  La note de TP inclut, notamment, l'évaluation orale qui en est faite ainsi que le comportement durant l'année.  Aucune dispense de TP ne sera accordée si, entre autres, cette note est inférieure à la moyenne et/ou si l'examen n'a pas été présenté.

 

Pour la partie "Chimie Quantique", l'évaluation comprend: 

- la présentation (par groupe de deux) des chapitres du cours.  L'étudiant est amené à creuser la théorie d'un morceau de chapitre de cours, en s'aidant d'ouvrages de référence et en interagissant avec les enseignants/assistants.  (un tiers)

- la réalisation d'un projet de simulation numérique pour répondre à une question de chimie (par groupe de deux). L'évaluation portera sur le rapport et la présentation orale (10 minutes par étudiant). Le projet sera en partie lié au/centré sur le chapitre de cours qui aura été présenté. Les "2 jours de TPs" permettront de compléter la formation à la mise au point de protocoles de simulations numériques. Les simulations numériques pourront être effectuées sur les ordinateurs du cluster étudiant de la plateforme technologique en calcul intensif entre le 12 octobre et le 30 novembre. Les rapports de TP (5 pages maximum) devront être rentrés pour fin novembre et les présentations seront réalises dans la première quinzaine de décembre. (deux tiers)
 
La note finale est la moyenne arithmétique entre les parties "chimie quantique" et "modélisation moléculaire". Si une des notes est inférieure à 10/20, la note finale sera au maximum de 9/20. 

 

Sources, références et supports éventuels

Les lectures suggérées et/ou recommandées sont precisées lors des cours.

Ouvrages généraux

A. Szabo and N.S. Ostlund, Modern Quantum Chemistry (MacMillan, New York), (1982).

J.-M. André, D. H. Mosley, M.-C. André, B. Champagne, E. Clementi, J.G. Fripiat, L. Leherte, L. Pisani, D. Vercauteren et M. Vracko, Exploring Aspects of Computational Chemistry, Concepts and Exercices (P.U.N., 1997).

T. Helgaker, P. Jørgensen et J. Olsen, Molecular Electronic-Structure Theory, (Wiley, New York, 2000).

E. Bright Wilson Jr., J.C. Decius et P. Cross, Molecular Vibrations, The Theory of Infrared and Raman Vibrational Spectra (Dover, New York, 1955).

R. McWeeny, Methods of Molecular Quantum Mechanics, (Academic, San Diego, 1992).

Y. Yamaguchi, Y. Osamura, J.D. Goddard et H.F. Schaefer III, A New Dimension to Quantum Chemistry - Analytic Derivative Methods in Ab Initio Molecular Electronic Structure Theory, (Oxford University Press, Oxford, 1994). 

Optical, Electric and Magnetic Properties of Molecules - A Review of the work of A.D. Buckingham, edited by D.C. Clary et B.J. Orr (Elsevier, Amsterdam, 1997). 

 

Langue d'enseignement

Anglais / English

Lieu de l'activité

NAMUR

Faculté organisatrice

Faculté des sciences
Rue de Bruxelles, 61
5000 NAMUR

Cycle

Etudes de 2ème cycle