CE29 - Chimie : analyse, théorie, modélisation

Le dichroïsme circulaire comme sonde des interactions non covalentes – Dichroprobe

Le dichroïsme circulaire vibrationnel comme sonde des interactions non covalentes

Le projet Dichroprobe vise à étudier la conformation de molécules chirales flexibles en interaction avec un solvant ou en phase solide, par spectroscopie de dichroïsme circulaire vibrationnel (VCD). Il combinera une approche expérimentale et le développement de méthodes de dynamique moléculaire (MD) inédites, par champs de force polarisables ou basés sur les premiers principes, pour interpréter les spectres VCD.

Enjeux et objectifs

Le projet Dichroprobe combinera une approche expérimentale et le développement de méthodes de dynamique moléculaire (MD) inédites, par champs de force polarisables ou basés sur les premiers principes, pour interpréter les spectres VCD. Ces calculs incluent pleinement les effets d’anharmonicité et d’environnement.

Les calculs de dynamique moléculaire par champs de force polarisables et de MD premiers principes seront validés par comparaison avec les spectres VCD expérimentaux en phase condensée, obtenus dans différents solvants, non polaires comme le chloroforme ou polaire comme le DMSO ou des solvants protiques. La variation des spectres en fonction de la température informera directement sur les équilibres conformationnels. Les spectres obtenus par MD seront comparés à des méthodes statiques de type « cluster-in-a-bulk», qui décrivent l'interaction soluté-solvant comme un agrégat de taille finie, contenant le soluté et un petit nombre de molécules de solvant, dans un solvant traité comme un continuum polarisable. Les calculs de dynamique moléculaire par champs de force polarisables seront étendus au solide et aux systèmes supramoléculaires, pour lesquelles aucune théorie satisfaisante n’existe à l’heure actuelle. Les spectres simulés dans ce cadre seront comparés aux spectres expérimentaux.
Des outils d'attribution de mode seront développés dans le cadre des simulations MD pour une description complète des modes de vibration.

1) Implémentation de la suite de module Python ChiPy pour l’analyse des trajectoires et la simulation des spectres VCD par dynamique moléculaire ab initio.
2) Etude expérimentale des cis et trans 1 amino-2-indanol dans le DMSO
3) Exploration des surfaces de potentiel des cis et trans 1 amino-2-indanol et de leurs complexes avec le DMSO.
4) Première étape d’implémentation du calcul du moment magnétique en dynamique moléculaire par champs de forces polarisables.
4) Définition d’indicateurs permettant de classer les différentes structures moléculaires obtenues

Les spectres expérimentaux en phase solide vont être enregistrées pour les solides des molécules déjà étudiées en solution. Nous allons recueillir les données cristallographiques, soit sur les bases de données, soit expérimentalement pour avoir une structure de départ pour les calculs en solide, qui vont débuter dans un futur proche. La finalisation de l’implémentation du calcul des spectres VCD en FFMD est en cours. La précision des spectres obtenus dépendra de la qualité des surfaces de moments électriques et magnétiques calculées. Des comparaisons avec les surfaces obtenues par FPMD sont prévues. L’attribution des modes de vibration des spectres FFMD sera faite par le Partenaire 1 à partir des outils développés par le Partenaire 4.

Conférences national et internationales
1. Talk “Supramolecular Chirality and Vibrational Circular Dichroism based on Molecular Dynamics and Nuclear Velocity Perturbation Theory” by S. Jähnigen at EUCO CTC 2019, Perugia, Italy, 1-5 september 2019
2. «Gas-phase and circular dichroism studies of chiral molecules« Tokyo Institute of Technology Tokyo 12/2019 (Conférence dans un laboratoire, A. Zehnacker)
3. Clustering of Flexible Chiral Molecules: Supersonic Expansion vs. Solid-State spectroscopy.International Symposium Frontiers in Cluster Science: Structure and Dynamics (Technische Universitaet Berlin, 11/ 2019 A. Zehnacker)
4. “Finite temperature vibrational spectra with AMOEBA”. Conférence invitee par C. Clavaguéra. Tinker Developers Meeting Paris 07/2019
5. “Contribution of polarizable force fields to the physicochemical description of the interaction of ions with their environment” Conférence invitee par C. Clavaguéra. ICCSE Hô-Chi Minh City, Vietnam 07/2019
6. 1. Effet du mouvement de puckering et de la formation de liaison hydrogène sur le spectre de dichroïsme circulaire vibrationel d’une molécule flexible : le 1-Indanol. Réunion plénière du GDR 3533 Edifices Moléculaires Isolés et Environnés, Nouan-le-Fuzelier (France) K. Le Barbu-Debus

Le dichroïsme circulaire vibrationnel (VCD) est la faible différence d'absorption entre la lumière polarisée circulaire droite et gauche par une molécule chirale, dans le domaine des transitions vibrationnelles.
Outre son utilisation pour la détermination des configurations absolues, le VCD est très sensible à l'isomérie conformationnelle, aux interactions moléculaires et à la solvatation, et fournit ainsi une sonde extrêmement sensible de ces effets.
Toutefois, une description quantitative des spectres VCD de molécules complexes dans des environnements réalistes, comme c’est par exemple le cas pour une molécule d’intérêt pharmaceutique en solution aqueuse, se heurte toujours à deux difficultés majeures. D’une part, la flexibilité moléculaire doit être prise en compte à un coût de calcul acceptable. D’autre part, l’allure des spectres VCD en phase condensée peut être fortement altérée par les interactions moléculaires avec l’environnement, en particulier le solvant, ce dont les méthodes utilisées actuellement rendent compte de façon insuffisante. En effet, il est possible de reproduire les changements d'équilibre conformationnel avec le solvant grâce à des études structurelles précises, mais la sensibilité des spectres VCD aux interactions spécifiques avec l'environnement reste en revanche une question ouverte. Un cas particulièrement complexe est la liaison hydrogène, qui modifie les moments dipolaires électriques et magnétiques associés à un mode de vibration donné, et donc l’allure de la transition associée dans le spectre VCD.
Le projet Dichroprobe vise à développer des méthodes dépendant du temps innovantes, qui reposent en particulier sur des simulations de dynamique moléculaire (MD), pour calculer les spectres IR et VCD à partir des fonctions de corrélation temporelle des moments dipolaires électriques et magnétiques, rendant ainsi compte de l'anharmonicité, des effets de température, et des effets d’environnement.
Les calculs de dynamique moléculaire par champs de force polarisables et de MD premiers principes seront validés par comparaison avec les spectres VCD expérimentaux en phase condensée, obtenus dans différents solvants, non polaires comme le chloroforme ou polaire comme le DMSO ou des solvants protiques. La variation des spectres en fonction de la température informera directement sur les équilibres conformationnels. Les spectres obtenus par MD seront comparés à des méthodes statiques de type « cluster-in-a-bulk», qui décrivent l'interaction soluté-solvant comme un agrégat de taille finie, contenant le soluté et un petit nombre de molécules de solvant, dans un solvant traité comme un continuum polarisable. Les calculs de dynamique moléculaire par champs de force polarisables seront étendus au solide et aux systèmes supramoléculaires, pour lesquelles aucune théorie satisfaisante n’existe à l’heure actuelle. Les spectres simulés dans ce cadre seront comparés aux spectres expérimentaux.
Des outils d'attribution de mode seront développés dans le cadre des simulations MD pour une description complète des modes de vibration. Cela sera spécialement utile dans le cas d’agrégats ou pour le solide dans lequel le couplage entre modes et les couplages excitoniques vibrationnels devraient avoir de fortes conséquences sur la forme des spectres VCD.
Outre son intérêt spectroscopique fondamental, ce projet fournira des outils inestimables pour simuler les spectres VCD de systèmes flexibles de grande taille, dans des environnements réalistes, et à un coût acceptable. Ces outils innovants et fiables seront développés sur la base d’une politique « open access » et seront implémentés dans des logiciels d’accès libre.
Ce travail sera donc bénéfique pour une large communauté dans le domaine de la chimie et de la pharmacologie où la chiralité est omniprésente et aidera à promouvoir le VCD comme outil analytique efficace.

Coordinateur du projet

Madame Anne Zehnacker (Institut des Sciences Moléculaires d'Orsay)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LIPHY Laboratoire Interdisciplinaire de Physique
PASTEUR Processus d'Activation Sélectif par Transfert d'Energie Uni-électronique ou Radiatif
LCP Laboratoire de Chimie Physique
ISMO Institut des Sciences Moléculaires d'Orsay

Aide de l'ANR 389 586 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2018 - 36 Mois

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