The quantum simulation of large molecular systems is a formidable task. We explore the use of effective potentials based on the Feynman path centroid variable in order to simulate large quantum clusters at a reduced computational cost. This centroid can be viewed as the “most” classical variable of a quantum system. Earlier work has shown that one can use a pairwise centroid pseudo-potential to simulate the quantum dynamics of hydrogen in the bulk phase at 25 K and 14 K [Chem. Phys. Lett. 249, 231, (1996)]. Bulk hydrogen, however, freezes below 14 K, so we focus on hydrogen clusters and nanodroplets in the very low temperature regime in order to study their structural behaviours. The calculation of the effective centroid potential is addressed along with its use in the context of molecular dynamics simulations. The effective pseudo-potential of a cluster is temperature dependent and shares similar behaviour as that in the bulk phase. Centroid structural properties in three dimensional space are presented and compared to the results of reference path-integral Monte Carlo simulations. The centroid pseudo-potential approach yields a great reduction in computation cost. With large cluster sizes, the approximate pseudo-potential results are in agreement with the exact reference calculations. An approach to deconvolute centroid structural properties in order to obtain real space results for hydrogen clusters of a wide range of sizes is also presented. The extension of the approach to the treatment of confined hydrogen is discussed, and concluding remarks are presented.

The quantum simulation of large molecular systems is a formidable task. We explore the use of effective potentials based on the Feynman path centroid variable in order to simulate large quantum clusters at a reduced computational cost. This centroid can be viewed as the “most” classical variable of a quantum system. Earlier work has shown that one can use a pairwise centroid pseudo-potential to simulate the quantum dynamics of hydrogen in the bulk phase at 25 K and 14 K [Chem. Phys. Lett. 249, 231, (1996)]. Bulk hydrogen, however, freezes below 14 K, so we focus on hydrogen clusters and nanodroplets in the very low temperature regime in order to study their structural behaviours. The calculation of the effective centroid potential is addressed along with its use in the context of molecular dynamics simulations. The effective pseudo-potential of a cluster is temperature dependent and shares similar behaviour as that in the bulk phase. Centroid structural properties in three dimensional space are presented and compared to the results of reference path-integral Monte Carlo simulations. The centroid pseudo-potential approach yields a great reduction in computation cost. With large cluster sizes, the approximate pseudo-potential results are in agreement with the exact reference calculations. An approach to deconvolute centroid structural properties in order to obtain real space results for hydrogen clusters of a wide range of sizes is also presented. The extension of the approach to the treatment of confined hydrogen is discussed, and concluding remarks are presented.

La nature des acides dans un environnement aqueux est primordiale dans de nombreux aspects de la chimie et de la biologie. La caractéristique principale d'un acide est sa capacité à transférer un proton vers une molécule d'eau ou vers n'importe quelle base, mais ce procédé n'est pas aussi simple qu'il y paraît. Il peut au contraire être extrêmement complexe et dépendre de manière cruciale de la solvatation des différents intermédiaires de réaction impliqués. Cette thèse décrit les études computationnelles basées sur des simulations de dynamique moléculaire ab initio qui ont pour but d'obtenir une description à l'échelle moléculaire des divers procédés de transferts de proton entre acide et bases dans un milieu aqueux. Pour cela, nous avons étudié une serie de système, dont l'acide hydrofluorique aqueux, l'acide trifluoroacétique aqueux, et un système modèle constitué d'un phénol et d'une entité carboxylate reliés entre eux par une molécule d'eau en solution aqueuse. Deux états intermédiaires ont été identifiés pour le transfert d'un proton depuis un acide. Ces intermédiaires apparaissent stabilisés par un motif local de solvatation via des ponts H. Leurs signatures spectroscopiques ont été caractérisées au moyen de la spectroscopie infrarouge, en utilisant le formalisme de la dynamique moléculaire ab initio, qui inclut l'effet quantique nucléaire de manière explicite. Cette étude a aussi identifié trois chemins de réaction élémentaire, qui sont responsable pour le transfert d'un proton d'un acide à une base, ainsi que leurs échelles de temps caractéristiques. Les conclusions tirées de ces études sont discutées dans les détails, au niveau moléculaire, avec une emphase sur les comparaisons entre les résultats théoriques et les mesures expérimentales obtenues dans a littérature ou via des collaborateurs. / The nature of acids in an aqueous environment is fundamental to many aspects of chemistry and biology. The defining feature of an acid is its ability to transfer a proton to water or to any accepting base, but this seemingly simple process can be complex and highly dependent on the solvation involving different reaction intermediate species. This thesis describes computational studies based on first principles molecular dynamics simulations aimed at obtaining molecular-level descriptions of diverse proton transfer process involving acids and bases in liquid water. For that, we have investigated a variety of systems including aqueous hydrofluoric acid, aqueous trifluoroacetic acid and a model system comprising of a phenol and a carboxyate molecule bridged by a water molecule in aqueous solution. Two different intermediate stages of proton transfer from an acid were identified which are found to be stabilized by distinct local H-bond solvation pattern. Their spectroscopic signatures were characterized using infrared spectroscopy computed from first principles molecular dynamics simulations which incorporate nuclear quantum effects explicitly. This study also identified three elementary reaction pathways that are responsible for proton translocation from acid to the base and their characteristic time scales. Conclusions drawn from this study are discussed in molecular detail, highlighting experimental comparisons.

La nature des acides dans un environnement aqueux est primordiale dans de nombreux aspects de la chimie et de la biologie. La caractéristique principale d'un acide est sa capacité à transférer un proton vers une molécule d'eau ou vers n'importe quelle base, mais ce procédé n'est pas aussi simple qu'il y paraît. Il peut au contraire être extrêmement complexe et dépendre de manière cruciale de la solvatation des différents intermédiaires de réaction impliqués. Cette thèse décrit les études computationnelles basées sur des simulations de dynamique moléculaire ab initio qui ont pour but d'obtenir une description à l'échelle moléculaire des divers procédés de transferts de proton entre acide et bases dans un milieu aqueux. Pour cela, nous avons étudié une serie de système, dont l'acide hydrofluorique aqueux, l'acide trifluoroacétique aqueux, et un système modèle constitué d'un phénol et d'une entité carboxylate reliés entre eux par une molécule d'eau en solution aqueuse. Deux états intermédiaires ont été identifiés pour le transfert d'un proton depuis un acide. Ces intermédiaires apparaissent stabilisés par un motif local de solvatation via des ponts H. Leurs signatures spectroscopiques ont été caractérisées au moyen de la spectroscopie infrarouge, en utilisant le formalisme de la dynamique moléculaire ab initio, qui inclut l'effet quantique nucléaire de manière explicite. Cette étude a aussi identifié trois chemins de réaction élémentaire, qui sont responsable pour le transfert d'un proton d'un acide à une base, ainsi que leurs échelles de temps caractéristiques. Les conclusions tirées de ces études sont discutées dans les détails, au niveau moléculaire, avec une emphase sur les comparaisons entre les résultats théoriques et les mesures expérimentales obtenues dans a littérature ou via des collaborateurs. / The nature of acids in an aqueous environment is fundamental to many aspects of chemistry and biology. The defining feature of an acid is its ability to transfer a proton to water or to any accepting base, but this seemingly simple process can be complex and highly dependent on the solvation involving different reaction intermediate species. This thesis describes computational studies based on first principles molecular dynamics simulations aimed at obtaining molecular-level descriptions of diverse proton transfer process involving acids and bases in liquid water. For that, we have investigated a variety of systems including aqueous hydrofluoric acid, aqueous trifluoroacetic acid and a model system comprising of a phenol and a carboxyate molecule bridged by a water molecule in aqueous solution. Two different intermediate stages of proton transfer from an acid were identified which are found to be stabilized by distinct local H-bond solvation pattern. Their spectroscopic signatures were characterized using infrared spectroscopy computed from first principles molecular dynamics simulations which incorporate nuclear quantum effects explicitly. This study also identified three elementary reaction pathways that are responsible for proton translocation from acid to the base and their characteristic time scales. Conclusions drawn from this study are discussed in molecular detail, highlighting experimental comparisons.