Cours 2020-2021

Advanced Theoretical Chemistry [SCHIM102]

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

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

Y. Olivier

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).

 

For the quantum chemistry part, the course is divided into two main parts:

A) The presentation of all chapters (by the teacher), 1°) highlighting the essential methods of modern quantum chemistry, 2°) pointing out their strengths and weaknesses in the context of selected applications. For each chapter, simple exercises will be proposed and their solutions will be possible by using the computing resources of the PTCI.   

B) the realization of a mini-project, calling for the application of one/several methods of quantum chemistry

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.

 

For the quantum chemistry part, the evaluation is based on a mini-project that will necessitate the use of the computational resources of the PTCI

1°) 50% for the written report (length: 4 pages/student). The reports will be submitted by November 20th at the latest. The report should include the presentation and critical discussion of the results.  

2°) 50% for the presentation (length: 20 minutes/student) and discussion.  Questions will be asked on the methodological aspects associated with the methods used in the project.  

 
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