Static and dynamic modelling of lanthanide and actinide cations in solution
Modélisation statique et dynamique de cations lanthanides et actinides en solution
Résumé
We propose a theoretical approach, based on both quantum analyses (energy decomposition analysis and topological analysis of the chemical bond) and classical molecular dynamics, for the study of f-element complexes. First, we introduce the different QM methods adapted to the study of f-elements and use them for geometry optimization and interaction energy calculations of the model system [M (OH2)]m+ where M is a lanthanide or actinide cation. We then perform energy decomposition analysis to quantify the physical nature of the metal-ligand interaction in terms of the different contributions. Furthermore, the different energy contributions will be used as reference curves for the parameterization of the polarizable force fields AMOEBA and SIBFA. Next, starting from the optimized geometries, we establish the reference diabatic dissociation curves at high level of theory so as to take into account the multi-reference nature of the systems. These dissociation curves will also be used for parameterization of the AMOEBA potential. We then propose a three step validation protocol as well as a first application, it being the computation of Gibbs hydration free energies for the f-element cations. We also propose an extension of the SIBFA force field to trivalent lanthanide ions and tetravalent actinide ions. Last, we use the topological analysis approaches of ELF and NCI to investigate the nature of the different interactions in Gadolinium(III) model and real systems. The aim of the whole study was to develop and apply different theoretical approaches so as to be able to discriminate between lanthanide and actinide cations
Dans cette thèse nous proposons une stratégie de modélisation intégrée, basée sur des approches quantiques d'analyse et des approches classiques de simulations de dynamique moléculaire pour l'étude de complexes d'éléments-f. Dans une première partie, nous introduisons les différentes méthodes de chimie quantique adaptées à l'étude des éléments-f et les utilisons pour le calcul de géométrie et d'énergie d'interaction de systèmes [M-(OH2)]m+. Nous utilisons ensuite des techniques d'analyse de décomposition de l'énergie d'interaction afin de quantifier la nature physique de l'interaction métal-ligand en fonction des différentes contributions énergétiques. Ces contributions seront utilisées pour la paramétrisation des champs de forces polarisables AMOEBA et SIBFA. Dans un deuxième temps, nous établirons des courbes de dissociation diabatique de référence qui seront utilisées pour la paramétrisation du champ de forces AMOEBA. Nous proposons ensuite un protocole de validation des paramètres en trois étapes ainsi qu'une première application qui est le calcul de l'énergie libre d'hydratation de Gibbs des cations d'éléments-f. Nous apportons de plus une extension du potentiel SIBFA à des cations trivalents et tétravalents lanthanides et actinides. Enfin dans une dernière partie, nous utilisons des outils d'analyse topologique de la liaison chimique covalente (ELF) et non covalente (NCI) afin d'investiguer la nature des interactions en jeu, d'une part dans des systèmes modèles et d'autre part sur un complexe réel de Gadolinium(III). Le but de cette thèse est de développer et d'employer différentes approches théoriques afin de pouvoir discriminer entre eux les différents cations
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