Ce travail présente une étude théorique des spectres RMN de molécules biologiques. Dans la première partie, les calculs DFT des paramètres RMN (déplacements chimiques et constantes de couplage spin-spin) pour les protons liés à des atomes de carbone ont été réalisés pour quatre métabolites de la prostate: la putrescine, la spermidine, la spermine, et la sarcosine, et trois métabolites du cerveau: l'acétate, l'alanine et la sérine. Une étude théorique systématique, dans l'approche DFT, des paramètres de RMN des métabolites a montré que la méthode B3LYP/6- 311++G** est un bon compromis entre la précision et les coûts. Les contributions du solvant ont été évaluées en utilisant le modèle PCM, les effets des isomères, pondérés dans l'approximation de Boltzmann, ont été pris en compte, et les corrections de vibration de point zéro ont été estimées en utilisant une approche perturbative au second ordre. La comparaison avec l'expérience a démontré que tous ces effets sont nécessaires pour améliorer l'accord entre les données calculées et expérimentales, aboutissant à des résultats de grande précision. Dans la deuxième partie, nous avons développé un nouveau modèle, BioShift, qui permet la prédiction des déplacements chimiques des différents noyaux (H, N, C ...) pour des molécules biologiques (protéines, ADN, ARN, polyamine ...). Il est simple, rapide, et comporte un nombre limité de paramètres. La comparaison avec des modèles sophistiqués conçus spécialement pour la prédiction des déplacements chimiques des protéines a montré que Bioshift est concurrentiel avec de tels modèles.

Perfluorinated sulfonic acid (PFSA) ionomer membranes demonstrate great potential for use in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) due to their favorable electronic properties and excellent efficiency. However, the assignment of key vibrational transitions such as the symmetric sulfonate and ether stretches is not yet fully understood depriving researchers of a quick and simple technique for analyzing morphological changes. The symmetric sulfonate stretch could be used to track changes in the ionic clusters formed within the membrane while the ether stretch will provide insight into the largely semi-crystalline PTFE phase. Alterations in either regime will affect both ion transport and mechanical properties and produce a major shift in device performance. This study focused on predicting the vibrational transitions for Aquivion, 3M PFSA, and Nafion using density functional theory (DFT) with the bulk being performed using the same functional and basis set combination, B3LPY/6-31+G*. For all three ionomers, the predicted vibrational transitions were affected by changes in both the conformer and solvation method with water being used as the solvent. Despite the noted changes, both vibrational transitions were determined to be within the range of 970-1100 cm-1 with the symmetric sulfonate stretch present at around 970-1010 cm-1 and the ether stretch observed at around 1050-1100 cm-1 with solvation present. While the calculated peak positions mirror those found in the experimental spectra within the literature, the traditional normal mode assignments do not match those predicted by our calculations. However, recent studies have hypothesized that these vibrational transitions are coupled, which could explain why they have been so difficult to assign. / Master of Science / Perfluorinated sulfonic acid (PFSA) ionomer membranes show great promise for use in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) due to their excellent efficiency. However, the current techniques used to determine changes in structural configurations require sophisticated equipment and trained personnel to operate. Simpler techniques exist wherein the vibrations of certain bonds can be measured upon exposure of the sample to measured amounts of infrared light. The problem with this technique is that researchers currently do not fully understand at what wavelengths certain portions of the polymer known as functional groups will vibrate. These vibrations are also known as vibrational transitions. This study was undertaken to predict through numerical solutions to the Schrödinger equation at what wavelengths two particular vibrational transitions would occur for three common ionomers, Aquivion, 3M PFSA, and Nafion. For all three structures, the positions of these transitions mirrored that observed within the literature although the functional groups assigned to these positions did not match with those identified by our calculations. However, recent studies have indicated that these vibrational transitions occur at the same positions, which could explain why they have been so difficult to assign.

Ce travail présente une étude théorique des spectres RMN de molécules biologiques. Dans la première partie, les calculs DFT des paramètres RMN (déplacements chimiques et constantes de couplage spin-spin) pour les protons liés à des atomes de carbone ont été réalisés pour quatre métabolites de la prostate: la putrescine, la spermidine, la spermine, et la sarcosine, et trois métabolites du cerveau: l'acétate, l'alanine et la sérine. Une étude théorique systématique, dans l'approche DFT, des paramètres de RMN des métabolites a montré que la méthode B3LYP/6-311++G** est un bon compromis entre la précision et les coûts. Les contributions du solvant ont été évaluées en utilisant le modèle PCM, les effets des isomères, pondérés dans l’approximation de Boltzmann, ont été pris en compte, et les corrections de vibration de point zéro ont été estimées en utilisant une approche perturbative au second ordre. La comparaison avec l'expérience a démontré que tous ces effets sont nécessaires pour améliorer l'accord entre les données calculées et expérimentales, aboutissant à des résultats de grande précision. Dans la deuxième partie, nous avons développé un nouveau modèle, BioShift, qui permet la prédiction des déplacements chimiques des différents noyaux (H, N, C ...) pour des molécules biologiques (protéines, ADN, ARN, polyamine ...). Il est simple, rapide, et comporte un nombre limité de paramètres. La comparaison avec des modèles sophistiqués conçus spécialement pour la prédiction des déplacements chimiques des protéines a montré que Bioshift est concurrentiel avec de tels modèles. / The present work presents a theoretical study of the NMR spectra of biological molecules. In the first part, DFT calculations of the spin-Hamiltonian NMR parameters (chemical shifts and spin-spin coupling constants) for protons attached to carbon atoms have been performed for four prostate metabolites: putrescine, spermidine, spermine, and sarcosine, and three brain metabolites: acetate, alanine, and serine. A theoretical investigation, within the DFT approach, of the NMR parameters of metabolites has shown that the B3LYP/6-311++G** level of calculation is a good compromise between accuracy and costs. Contributions from solvent were evaluated using the PCM model, Boltzmann weighted isomer effects were calculated, and zero-point vibrational corrections were estimated using a second order perturbation approach. Comparison with experiment has demonstrated that all these effects are necessary to improve the agreement between calculated and experimental data. In the second part, we have presented a new model, BioShift, that allows the prediction of chemical shifts of different nuclei (H, N, C…) for biological molecules (proteins, DNA, RNA, polyamine …). It is simple, fast, and involves a limited number of parameters. Comparison with well-known sophisticated models designed especially for the prediction of chemical shifts of proteins showed that Bioshift is competitive with such models.

Ce travail présente une étude théorique des spectres RMN de molécules biologiques. Dans la première partie, les calculs DFT des paramètres RMN (déplacements chimiques et constantes de couplage spin-spin) pour les protons liés à des atomes de carbone ont été réalisés pour quatre métabolites de la prostate: la putrescine, la spermidine, la spermine, et la sarcosine, et trois métabolites du cerveau: l'acétate, l'alanine et la sérine. Une étude théorique systématique, dans l'approche DFT, des paramètres de RMN des métabolites a montré que la méthode B3LYP/6-311++G** est un bon compromis entre la précision et les coûts. Les contributions du solvant ont été évaluées en utilisant le modèle PCM, les effets des isomères, pondérés dans l'approximation de Boltzmann, ont été pris en compte, et les corrections de vibration de point zéro ont été estimées en utilisant une approche perturbative au second ordre. La comparaison avec l'expérience a démontré que tous ces effets sont nécessaires pour améliorer l'accord entre les données calculées et expérimentales, aboutissant à des résultats de grande précision. Dans la deuxième partie, nous avons développé un nouveau modèle, BioShift, qui permet la prédiction des déplacements chimiques des différents noyaux (H, N, C ...) pour des molécules biologiques (protéines, ADN, ARN, polyamine ...). Il est simple, rapide, et comporte un nombre limité de paramètres. La comparaison avec des modèles sophistiqués conçus spécialement pour la prédiction des déplacements chimiques des protéines a montré que Bioshift est concurrentiel avec de tels modèles.