Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung des Hydratationsverhaltens von alkylsubstituierten Aminen und deren korrespondierenden Ammoniumionen mit Hilfe von Car-Parrinello-Moleküldynamik Simulationen (CPMD). Dabei konnten Fragestellungen hinsichtlich der Koordinationszahlen, des Lösungsmittelaustausches und der molekülspezifischen pKB-Werte beantwortet werden. Des Weiteren lässt die Arbeit Aussagen über einen Zusammenhang von Hydratation und anormaler Basiszitätsreihenfolge der Amine zu und ermöglicht zusätzlich die Beschreibung von Systemen mit mehreren Aminfunktionen durch die Anwendung der gewählten Bedingungen. Zur Simulation des Hydratationsverhaltens wurden Wasser enthaltende Lösungsmittelboxen erstellt, bei denen das zu untersuchende Molekül zentral angeordnet war. Nach dem Ausschluss dimensionsabhängiger Effekte durch die Equilibrierung auf Grundlage einer kraftfeldbasierten Moleküldynamik, konnte eine geeignete Boxgröße bestimmt werden, die neben der Berechnung der ersten Hydratationssphäre auch die Beschreibung einer möglichen zweiten Hydratationssphäre erlaubt. Anhand der erhaltenen CPMD-Trajektorien aus den erfolgreichen Simulation wurden Verteilungsfunktionen berechnet. Der Vergleich dieser Ergebnisse mit experimentell bekannten Werten und Berechnungen an reinem Wasser zeigte, dass das System real vorliegende Bedingungen wiedergibt. Die ermittelten gNO(r) -Verteilungsfunktionen der Amine bzw. deren korrespondierender Ammoniumionen weisen signifikante Unterschiede auf und spiegeln einen grundsätzlich verschiedenen Aufbau der Hydratationssphären wieder. Dabei besitzen alle freien Amine eine starke Wasserstoffbrückenbindung unter Einbeziehung des freien Elektronenpaares am Stickstoffatom, während sich an den Aminwasserstoffatomen nur sehr schwache Wechselwirkungen beobachten ließen. Abgesehen vom Trimethylamin sind die Hydratationssphären der Amine wenig strukturiert und der Wasseraustausch zwischen erster und zweiter Hydratationssphäre verläuft sehr schnell. Im Gegensatz dazu ist die Umgebung der Ammoniumionen stark strukturiert. Alle Ammoniumwasserstoffatome sind in Wasserstoffbrückenbindungen einbezogen und es existiert ein vergleichsweise langlebiger Käfig aus Wassermolekülen um das Ammoniumion. Zusätzlich befindet sich zeitweise ein weiteres, wesentlich mobileres Wassermolekül in der ersten Hydratationssphäre, das in der Lage ist einen Wasseraustausch einzuleiten. Dabei konnten für das Ammoniumion und das Methylammoniumion konkrete Mechanismen des Wasseraustausches bestimmt werden. Die Berechnung der pKB- bzw. pKA -Werte für die untersuchten Systeme war ein weiterer Bestandteil der Arbeit. Dazu wurde ein statistischer Ansatz zur Ermittlung der freien Energie herangezogen, bei dem die Mittelwerte der Verteilungsfunktionen verwendet werden, so dass die zu erwartende Genauigkeit eng mit der Simulationszeit verknüpft ist. Auf Grundlage von Strukturoptimierungen an Ammoniumionen, die mit wenigen Wassermolekülen umgeben waren, konnten unter Variation der NH-Bindungslängen Energiegradienten ermittelt werden, die eine Aussage über die möglichen Übergangszustände bei der Deprotonierung lieferten. Als gute Näherung des Übergangszustandes kann demnach für alle Methylammoniumionen eine NH-Bindungslänge von 1,22 Ǻ in Betracht gezogen werden. Mit Hilfe dieser Bindungslänge wurde die Wahrscheinlichkeit der Deprotonierung für alle Ammoniumionen berechnet, wobei Simulationen bei denen ein spontaner Protonenübergang auftrat keine Berücksichtigung fanden. Die Ergebnisse der methylsubstituierten Amine zeigen eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Werten mit einer Abweichung von maximal +0,3 pK-Einheiten. Diese Abweichung entspricht in etwa 1,5 kJ/mol, was für theoretische Arbeiten einen sehr kleinen Fehler darstellt. Auf Grund der gewählten Bedingungen ist beim Ammoniumion die Wahrscheinlichkeit für die Deprotonierung unterschätzt wurden. Dadurch ist der entsprechende pKB -Wert kleiner als der experimentell ermittelte Wert. Im Verlauf der Arbeit konnte weiterhin gezeigt werden, dass das Verfahren und die gewählten Bedingungen auch für ethylsubstituierte Alkylamine und deren korrespondierende Ammoniumionen angewendet werden können. Die Genauigkeit der Ergebnisse hängt dabei hauptsächlich von der Simulationszeit ab. Ein entscheidender Punkt der Arbeit ist der Nachweis, das mit Hilfe dieser Moleküldynamik-Simulationen auch Moleküle mit mehreren Aminfunktionen berechnet werden können. Es ist somit möglich Differenzierungen in der Protonierung und Hydratation der einzelnen Aminfunktionen vorherzusagen.

Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung des Hydratationsverhaltens von alkylsubstituierten Aminen und deren korrespondierenden Ammoniumionen mit Hilfe von Car-Parrinello-Moleküldynamik Simulationen (CPMD). Dabei konnten Fragestellungen hinsichtlich der Koordinationszahlen, des Lösungsmittelaustausches und der molekülspezifischen pKB-Werte beantwortet werden. Des Weiteren lässt die Arbeit Aussagen über einen Zusammenhang von Hydratation und anormaler Basiszitätsreihenfolge der Amine zu und ermöglicht zusätzlich die Beschreibung von Systemen mit mehreren Aminfunktionen durch die Anwendung der gewählten Bedingungen. Zur Simulation des Hydratationsverhaltens wurden Wasser enthaltende Lösungsmittelboxen erstellt, bei denen das zu untersuchende Molekül zentral angeordnet war. Nach dem Ausschluss dimensionsabhängiger Effekte durch die Equilibrierung auf Grundlage einer kraftfeldbasierten Moleküldynamik, konnte eine geeignete Boxgröße bestimmt werden, die neben der Berechnung der ersten Hydratationssphäre auch die Beschreibung einer möglichen zweiten Hydratationssphäre erlaubt. Anhand der erhaltenen CPMD-Trajektorien aus den erfolgreichen Simulation wurden Verteilungsfunktionen berechnet. Der Vergleich dieser Ergebnisse mit experimentell bekannten Werten und Berechnungen an reinem Wasser zeigte, dass das System real vorliegende Bedingungen wiedergibt. Die ermittelten gNO(r) -Verteilungsfunktionen der Amine bzw. deren korrespondierender Ammoniumionen weisen signifikante Unterschiede auf und spiegeln einen grundsätzlich verschiedenen Aufbau der Hydratationssphären wieder. Dabei besitzen alle freien Amine eine starke Wasserstoffbrückenbindung unter Einbeziehung des freien Elektronenpaares am Stickstoffatom, während sich an den Aminwasserstoffatomen nur sehr schwache Wechselwirkungen beobachten ließen. Abgesehen vom Trimethylamin sind die Hydratationssphären der Amine wenig strukturiert und der Wasseraustausch zwischen erster und zweiter Hydratationssphäre verläuft sehr schnell. Im Gegensatz dazu ist die Umgebung der Ammoniumionen stark strukturiert. Alle Ammoniumwasserstoffatome sind in Wasserstoffbrückenbindungen einbezogen und es existiert ein vergleichsweise langlebiger Käfig aus Wassermolekülen um das Ammoniumion. Zusätzlich befindet sich zeitweise ein weiteres, wesentlich mobileres Wassermolekül in der ersten Hydratationssphäre, das in der Lage ist einen Wasseraustausch einzuleiten. Dabei konnten für das Ammoniumion und das Methylammoniumion konkrete Mechanismen des Wasseraustausches bestimmt werden. Die Berechnung der pKB- bzw. pKA -Werte für die untersuchten Systeme war ein weiterer Bestandteil der Arbeit. Dazu wurde ein statistischer Ansatz zur Ermittlung der freien Energie herangezogen, bei dem die Mittelwerte der Verteilungsfunktionen verwendet werden, so dass die zu erwartende Genauigkeit eng mit der Simulationszeit verknüpft ist. Auf Grundlage von Strukturoptimierungen an Ammoniumionen, die mit wenigen Wassermolekülen umgeben waren, konnten unter Variation der NH-Bindungslängen Energiegradienten ermittelt werden, die eine Aussage über die möglichen Übergangszustände bei der Deprotonierung lieferten. Als gute Näherung des Übergangszustandes kann demnach für alle Methylammoniumionen eine NH-Bindungslänge von 1,22 Ǻ in Betracht gezogen werden. Mit Hilfe dieser Bindungslänge wurde die Wahrscheinlichkeit der Deprotonierung für alle Ammoniumionen berechnet, wobei Simulationen bei denen ein spontaner Protonenübergang auftrat keine Berücksichtigung fanden. Die Ergebnisse der methylsubstituierten Amine zeigen eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Werten mit einer Abweichung von maximal +0,3 pK-Einheiten. Diese Abweichung entspricht in etwa 1,5 kJ/mol, was für theoretische Arbeiten einen sehr kleinen Fehler darstellt. Auf Grund der gewählten Bedingungen ist beim Ammoniumion die Wahrscheinlichkeit für die Deprotonierung unterschätzt wurden. Dadurch ist der entsprechende pKB -Wert kleiner als der experimentell ermittelte Wert. Im Verlauf der Arbeit konnte weiterhin gezeigt werden, dass das Verfahren und die gewählten Bedingungen auch für ethylsubstituierte Alkylamine und deren korrespondierende Ammoniumionen angewendet werden können. Die Genauigkeit der Ergebnisse hängt dabei hauptsächlich von der Simulationszeit ab. Ein entscheidender Punkt der Arbeit ist der Nachweis, das mit Hilfe dieser Moleküldynamik-Simulationen auch Moleküle mit mehreren Aminfunktionen berechnet werden können. Es ist somit möglich Differenzierungen in der Protonierung und Hydratation der einzelnen Aminfunktionen vorherzusagen.

L'ADN est en permanence exposé à un grand nombre d'événements dommageables déclenchées par des agents endogènes et exogènes. De nombreux travaux expérimentaux ont fourni des informations cruciales sur les propriétés structurelles et la réparation de certains des lésions de l'ADN. Cependant, il manque une vision mécanistique ou énergétique sur leur formation. La biochimie computationnelle a émergé comme un outil puissant pour comprendre les réactions biochimiques et les propriétés électroniques de systèmes complexes.Dans cette thèse, nous étudions la formation de lésions complexes intra-brin et inter-brin. Ces lésions tandem constituent une puissant menace à l'intégrité du génome, en raison de leur haute fréquence mutagenique. Tout d'abord, nous discutons l'attaque d'une liaison covalente entre un radical pyrimidinique. En comparant avec les bases isolees, nos simulations hybrides Car-Parrinello demontrent que la reactivité de la thymine et de la cytosine radicalaires sont inversees dans l'environnement B-helical. De plus, nos resultats montrent egalement une deformation plus importante pour la lesion G[8-5]C.Nous rationalisons également la plus grande réactivité des cytosines par rapport aux purines vers la formation multi-etapes de lésions complexes inter-brins par condensation avec un site C4' abasique. Ces résultats bases sur des simulations avec solvatation explicite et combines a la théorie de la fonctionnelle de la densité sont en accord avec les données expérimentales. / DNA is continuously exposed to a vast number of damaging events triggered by endogenous and exogenous agents. Numerous experimental studies have provided key information regarding structural properties of some of the DNA lesions and their repair. However, they lack in mechanistic or energetic information pertaining to their formation. Computational Biochemistry has emerged as a powerful tool to understand biochemical reactions and electronic properties of large systems.In this thesis we study the formation of inter- and intra-strand cross-links. These tandem lesions pose a potent threat to genome integrity, because of their high mutagenic frequency. First, we discuss the formation of complex defects which arise from the attack of a pyrimidine radical onto guanine. In comparison with the reactivity of isolated nucleobases, our hybrid Car-Parrinello Molecular Dynamics simulations reveal that the reactivity of hydrogen-abstracted thymine and cytosine is reversed within a B-helix environment. Further, our data also suggest a more severe distortion of the B-helix for G[8-5]C.Second, we rationalize the higher reactivity of cytosine vs. purines toward the multistep formation of inter-strand crosslinks with a C4' oxidized a basic site, which is in qualitative agreement with experiments on isolated nucleobases, using explicit solvent simulations combined to density functional theory.

Dans notre laboratoire rémois, le travail sur les sucres est à la base de toutes les recherches, que ce soit pour la synthèse de molécules d'intérêt biologique telles que des analogues du KRN 7000 (un glycolipide présentant une activité antitumorale), ou encore la mise en place de stratégies de synthèse (avec par exemple la stratégie NOE : addition nucléophile stéréosélective suivie d'une ouverture intramoléculaire régiosélective d'un époxyde). Mon trravail a consisté à étudier la flexibilité, et donc les conformations stables ou moins stables, de petites molécules que sont les C-furanosides, le but étant d'établir un certain nombre de règles permettant d'anticiper les questions concernant à la fois l'entrée et la pose de la structure dans un site actif. J'ai donc débuté avec une étude théorique dans le vide, puis j'ai considéré le milieu solvaté, l'objectif à long terme étant la prise en compte d'un site actif. Durant ces études, jai aussi eu la possibilité de réaliser un certain nombre de travaux en synthèse organique, allant jusqu'à l'établissement d'une voie de synthèse vers différents C-furanosides possédant un bras alcyne pouvant être personnalisé par notre partenaire lyonnais via une réaction de chimie click, pour la synthèse de molécules actives contre le diabète. / In our laboratory (in Reims), working on sugars is the base of all researches, whether for biologically interesting molecules synthesis as analogues of KRN 7000 (a glycolipid showing antitumor effects), or for the development of strategies for synthesis (for example the NEO stragegy : stereoselective nucleophilic addition followed by a regioselective intramolecular epoxide opening). My work was about studying the flexibility, and consequently stable and less stable conformations of small molecules : C-furanosides, the aim being the establishment of several rules anticipating the questions concerning the entry and the pose of the structure in an active site. So I have started with a theoretical study in vacuum, then I have considered solvation. The long term goal being the consideration of an active site. During these stdies, I have also realized several works in the field of organic chemistry, going to the establishment of a synthetic pathway to different C-furanosides with an alkyne arm, which could be functionalized by our partner (in Lyon) with a click reaction, for the synthesis of bioactive molecules against diabetes.

This thesis employs experimental and theoretical methods to characterise carbon nitride solids and proposes a generalstructural model for amorphous carbon nitride (a-C:N). It finds that a-C:N deposited by several methods is essentially identical, with similar bonding environments for carbon and nitrogen atoms. Using evidence from several techniques, the saturation of nitrogen in an sp2 carbon matrix is discussed. The experimental studies on a range of carbon nitride solids show no evidence for a crystalline form of carbon nitride. In addition to the experimental characterisation of a-C:N, ab initio molecular dynamics were used to investigate bonding and structure in carbon nitride. These simulations show that the most common form of nitrogen bonding was three-fold sites with a lone pair of electrons. Two-fold nitrogen sites were also found in agreement with experimental findings. An increase of nitrogen in a-C:N decreases the sp3-carbon fraction, but this is not localised on the nitrogen and the effect is most severe at high densities. A simulation of a low density/high nitrogen content network shows that the nitrogen saturation seen experimentally may be due to the formation of N2 dimers and C-N molecules which are easily driven out of the structure. The ab initio simulations also explore the nature of charged nitrogen and carbon sites in a-C:N. An analysis based on Wannier Function centres provided further information about the bonding and allowed for a detailed classification of these sites. The removal of electrons from the networks caused structural changes that could explain the two-state conductivity in ta-C:N memory devices. Finally, a theoretical study of the electron energy-loss near-edge structure (ELNES) calculated using multiple scattering theory is presented. The calculated ELNES of diamond, graphite and boron, silicon and carbon nitride structures compare well to experiment and supports the experimental finding that no crystalline carbon nitride had (or has) been produced. These ELNES calculations will however, provide a means of identifying crystalline beta-C3N4 should it be synthesised.

This thesis employs experimental and theoretical methods to characterise carbon nitride solids and proposes a generalstructural model for amorphous carbon nitride (a-C:N). It finds that a-C:N deposited by several methods is essentially identical, with similar bonding environments for carbon and nitrogen atoms. Using evidence from several techniques, the saturation of nitrogen in an sp2 carbon matrix is discussed. The experimental studies on a range of carbon nitride solids show no evidence for a crystalline form of carbon nitride. In addition to the experimental characterisation of a-C:N, ab initio molecular dynamics were used to investigate bonding and structure in carbon nitride. These simulations show that the most common form of nitrogen bonding was three-fold sites with a lone pair of electrons. Two-fold nitrogen sites were also found in agreement with experimental findings. An increase of nitrogen in a-C:N decreases the sp3-carbon fraction, but this is not localised on the nitrogen and the effect is most severe at high densities. A simulation of a low density/high nitrogen content network shows that the nitrogen saturation seen experimentally may be due to the formation of N2 dimers and C-N molecules which are easily driven out of the structure. The ab initio simulations also explore the nature of charged nitrogen and carbon sites in a-C:N. An analysis based on Wannier Function centres provided further information about the bonding and allowed for a detailed classification of these sites. The removal of electrons from the networks caused structural changes that could explain the two-state conductivity in ta-C:N memory devices. Finally, a theoretical study of the electron energy-loss near-edge structure (ELNES) calculated using multiple scattering theory is presented. The calculated ELNES of diamond, graphite and boron, silicon and carbon nitride structures compare well to experiment and supports the experimental finding that no crystalline carbon nitride had (or has) been produced. These ELNES calculations will however, provide a means of identifying crystalline beta-C3N4 should it be synthesised.

Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre d'études théoriques ayant pour but l’établissement de la structure des chalcogénures binaires et ternaires sous différentes conditions thermodynamiques. Des techniques de modélisation numérique ab-initio ont été employées. En particulier, nous avons utilisé la dynamique moléculaire par premiers principes selon l’approche de Car et Parrinello ainsi que sa version dite "deuxième génération". La première partie est consacrée à l’étude des chalcogénures binaires, notamment les verres GeSe2 et GeSe4 sous pression ainsi qu'à l’étude des effets des forces de van der Waals et des fonctionnelles d’échange et corrélation DFT sur la structure de l’amorphe GeTe4. Dans la deuxième partie, l’intérêt a été porté à l’étude d'un matériau à changement de phase récemment proposé par les expérimentateurs comme un bon candidat pour le stockage de données, le ternaire Ga4Sb6Te3. / This thesis reflects efforts toward an accurate understanding of the atomic scale structure of chalcogenide glasses. These compounds have an impact on electronics, optoelectronics and memory devices. I resorted to the most advanced first-principles molecular dynamics simulations such as the standard Car-Parrinello method as well as its second generation version. In the first part of this thesis we provide a detailed study of the topological changes undergone under pressure by glassy GeSe2 and by glassy GeSe4. Structural transition and bonding features are described and compared to the results of neutron and X-ray diffraction experiments. Furthermore, in the case of glassy GeTe4 we demonstrated that the inclusion of van der Waals forces leads to substantial improvements in the description of the structure. In the second part of this thesis, we established the atomic-scale organization of a promising candidate for phase change memory applications, glassy Ge4Sb6Te3.

This thesis describes a computational investigation of the mutagenicity of 5-bromouracil (BrU). In Chapter 1, three models of spontaneous and BrU-induced base mispairing (rare tautomer, wobble pair, and ion) are reviewed. Chapter 2 presents the computational techniques used: electronic structure methods (Hartree–Fock-based and density functional theory) and molecular dynamics. Chapter 3 presents optimisations of the keto and enol tautomers of BrU and uracil (U) in water clusters. The enol tautomer of BrU is found to be more stable than that of U. Chapter 4 is a molecular dynamics study of the keto-enol tautomerism of BrU and U in a periodic water box. The pKₐ of BrU at N3 is found to be lower than that of U. Chapter 5 is a study of stacked base dimers containing BrU, U, or thymine (T) stacking with natural bases. Some structures were taken from the Protein Data Bank, while others were generated using an in-house methodology. BrU is found to stack more strongly than T in vacuo, but solvation and thermal effects nullify this difference. Chapter 6 discusses the significance of the results in Chapters 3–5 in terms of BrU-induced mutagenesis. Appendices A and B–D provide supplementary material to Chapters 2 and 5, respectively. Appendix E is an investigation of the “base flipping” pathway of 2-aminopurine (2AP). Both 2AP/N and A/N dinucleosides (N = thymine or guanine) are found to adopt a wide range of energy-minimum conformations – not only stacked and “flipped”, but also intermediate – and the stacked are not the most favourable by free energy. Appendix F is a list of publications and papers in preparation. One publication concerns BrU stacking. The other is a conformational study of the dipeptide tyrosine-glycine: the theoretical results are shown to be consistent with experiment (R2PI spectra) if thermal effects are taken into account.

Conductive polymers are also known as "organic metals" due to their semiconducting properties. They are found in a wide range of applications in the field of organic electronics. However, the growing number of experimental works is not widely supported with theoretical calculations. Hence, the field of conductive polymers is experiencing lack of understanding of mechanisms occurring in the polymers. In this PhD thesis, the aim is to increase understanding of conductive polymers by performing theoretical calculations.        The polymers poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) together with its selenium (PEDOS) and tellurium (PEDOTe) derivatives, poly(p-phenylene) (PPP) and naphthobischalcogenadiazoles (NXz) were studied. Several computational methods were applied for analysis of mentioned structures, including density functional theory (DFT), tight-binding modelling (TB), and Car-Parrinello molecular dynamics (CPMD) calculations. The combination of CPMD and DFT calculations was applied to investigate the PEDOT, PEDOS and PEDOTe. The polymers were studied using four different functionals in order to investigate the full picture of structural changes, electronic and optical properties. Temperature effects were studied using molecular dynamics simulations. Wide statistics for structural and molecular orbitals analysis were collected.         The TB method was employed for PPP. The formation and motion of the excitations, polarons and bipolarons, along the polymer backbone was investigated in presence of electric and magnetic fields. The influence of non-magnetic and magnetic impurities was determined.        The extended π-conjugated structures of NXz were computed using B3LYP and ωB97XD functionals in combination with the 6-31+G(d) basis set. Here, the structural changes caused by polaron formation were analyzed. The combined analysis of densities of states and absorption spectra was used for understanding of the charge transition. / <p>QC 20170928</p>