Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Ce travail se situe dans le contexte de la chimie des organolithiens, qui a fait l’objet de nombreuses études théoriques et expérimentales pendant ces dernières années. Il concerne plus particulièrement l’étude de la structure et de la réactivité des systèmes superbasiques monométalliques lithiés à l’aide de différents outils de la chimie théorique. Dans un premier temps, la dynamique moléculaire et les méthodes mixtes QM/MM ont été utilisées pour modéliser l’effet d’un solvant coordinant sur les différents types d’agrégats. Ensuite, le rôle de la solvatation sur la contribution entropique et enthalpique à l’énergie libre des agrégats n-BuLi, LiPM (LiPM= (S)-N-méthyle-2-pyrrolidine méthylate de lithium) et des agrégats mixtes n-BuLi / LiPM a été discuté en détail. Enfin, nous avons réalisé quelques calculs d’états de transition qui ont permis de discuter les mécanismes réactionnels possibles lors de la réaction de la 2-chloropyridine avec la superbase n-BuLi / LiPM dans différents solvants. / In this work, we report computational investigation intended to get a deeper insight on the structure and reactivity of organolithium compounds and the role of solvent on aggregation. Briefly, we have investigated : (1) The structure and the dynamics of simple aggregates in ethereal solvents. (2) The structure of n-BuLi, LiPM and mixed n-BuLi/LiPM aggregates in gas phase, hexane and THF. (3) The reaction mechanisms of n-BuLi/LiPM aggregates with pyridine making a comparison between the reaction rates for a-, ortho-metallation and nucleophilic addition. Several solvent models have been used. Molecular Dynamics simulations have been carried out using a previously developed QM/MM approach. Quantum mechanical calculations have been carried out at density functional theory and ab initio levels.

<div>Computational Chemistry has proven to be an effective means of solving chemical problems. The two main tools of Computational Chemistry - quantum mechanics and molecular mechanics, have provided viable avenues to probe such chemical problems at an electronic or molecular level, with varying levels of accuracy and speed. In this work, attempts have been made to combine the speed of molecular mechanics and the accuracy of quantum mechanics to work across multiples scales of time and length, effectively resulting in simulations of large chemical systems without compromising the accuracy.</div><div><br></div><div>The primary tool utilized for methods development and application in this work is the Effective Fragment Potential (EFP) method. The EFP method is a computational technique for studying non-covalent interactions in complex systems. EFP is an accurate \textit{ab initio} force field, with accuracy comparable to many Density Functional Theory (DFT) methods, at significantly lower computational cost. EFP decomposes intermolecular interactions into contributions from four terms: electrostatics, polarization, exchange-repulsion and dispersion.</div><div><br></div><div>In the first chapter, the possibility of applying EFP method to study large radical-water clusters is probed. An approximate theoretical model in which the transition dipole moments of excitations are computed using the information from the ground state orbitals is implemented.</div><div><br></div><div>A major challenge to broaden the scope of EFP is to overcome its limitation in describing only small and rigid molecules such as water, acetone, etc. In the second chapter, the extension of EFP method to large covalently bound biomolecules and polymers such as proteins, lipids etc., is described. Using this new method, referred to as BioEFP/mEFP, it is shown that the effect of polarization is non-negligible and must be accounted for when modeling photochemical and electron-transfer processes in photoactive proteins.</div><div><br></div><div>Another area of interest is the development of novel drug-target binding models, in which a chemically active part of the ligand is modified via functional group modification, while the rest of the system remains intact. In the third chapter, the development and application of a drug-target binding model is explained.<br></div><div><br></div><div><div>Lastly, in the fourth and final chapter, we show the derivation for working equations corresponding to the coupling gradient term describing the dispersion interactions between quantum mechanical and effective fragment potential regions.</div><div><br></div><div>The primary focus of this work is to explore and expand the boundaries of multiscale QM/MM simulations applied to chemical and biomolecular systems. We believe that the work described here leads to exciting pathways in the future in terms of modeling novel systems and processes such as heterogeneous catalysis, QSAR, crystal structure prediction, etc.</div></div>

Cette thèse a apporté une contribution au défi de la caractérisation des canaux radios en bandes millimétriques ainsi que la validation d'un outil de simulation déterministe à travers un grand nombre de campagnes de mesures réalisées dans divers scénarios représentatives. Des questions de recherche liées à la caractérisation des canaux radio en bandes millimétriques et sa prédiction à travers un outil de simulation déterministe ont été abordées. Fournir des résultats précis et reproductibles est nécessaire dans le développement d'un système de communication. Ce défi peut être relevé en réalisant des campagnes de mesures qui capturent la réalité du canal de propagation constituant le point de départ. Dans cette thèse, les principales motivations scientifiques derrière ces campagnes de mesures étaient d'étudier la variabilité dans le temps et l'effet de l'environnement sur le canal de propagation dans les bandes millimétriques. Les bandes de fréquences adressées dans cette thèse sont identifiées comme étant importantes par l'UIT en vue d'un futur déploiement de la 5G à savoir 15, 28, 32 et 83 GHz. Les environnements considérés sont une conférence room, bureau, bibliothèque et micro-cellulaire. Les campagnes de mesures ont été menées en utilisant un sondage de canal fréquentiel avec l'utilisation d'un analyseur de réseau. L'exploitation des résultats de mesures ont permis d'apporter des éléments de réponses concernant le canal de propagation dans ces bandes de fréquences. D'autre part, les données de mesures ont été utilisés pour évaluer les performances et contribuer à la calibration d’un simulateur de canal radio à tracé de rayons (RT) reposant sur une approche déterministe. Le simulateur de canal déterministe utilisé dans cette thèse incorpore les mécanismes de propagation tels que le LOS, la réflexion et la diffraction. Le RT a permis de prédire le canal de propagation dans les bandes millimétriques avec une concordance acceptable avec les données de mesures. Ces résultats démontrent que le canal de propagation en bandes millimétriques a pour avantage d'être prédit avec de simple outil déterministe. / This thesis has contributed to the challenge of the radio channel characterizations in millimeter wave bands as well as the validation of a deterministic simulation tool through a large number of measurement campaigns carried out in various representative scenarios. Research questions related to the characterization of radio channels in millimetric bands and its prediction through a deterministic simulation tool were discussed. Providing accurate and repeatable results is necessary for the development of a communication system. This challenge can be meet by conducting measurement campaigns that capture the reality of the propagation channel and therefore constituting the starting point. In this thesis, the main scientific motivations behind these measurement campaigns were to study the time variability and the effect of the scattering environment of the propagation channel in the millimetric bands. The frequency bands addressed in this thesis are identified as important by the ITU for a future deployment of 5G, namely 15, 28, 32 and 83 GHz. The environments considered are a conference room, office, library and microcellular. The measurement campaigns were conducted using a frequency channel sounding technique with the use of a vector network analyzer. The exploitation of the measurement data provided some answers about the radio chennel propagation in these frequency bands. On the other hand, the measurements data were used to evaluate the performance and to contribute to the calibration of the ray-tracing tool (RT) based on a deterministic approach. The RT used in this thesis incorporates propagation mechanisms such as LOS, reflection and diffraction. The RT predicted the propagation channel in the millimeter bands with an acceptable level of agreement with respect to the measurement data. These results demonstrate that the propagation channel in millimetric bands has the advantage of being predicted with a simple deterministic tool.

Ces dernières années les bandes de fréquence millimétriques et térahertz (THz) on tmontrées un fort potentiel pour de nombreuses applications telles que l’imagerie médicale et ,biologique, le contrôle de qualité ou les communications à très haut débit. Les principales raisons de cet intérêt sont les nombreuses propriétés intéressantes des ondes THz et millimétriques, telles que leur capacité traverser la matière et ceci de manière inoffensive ou le large spectre disponible à ces fréquences. Les applications visées nécessitent des sources de signaux énergétiquement efficaces, à forte puissance de sortie et, pour certaines applications, à faible bruit de phase. De plus, la demande croissante pour des applications dans ces bandes de fréquence imposent l’utilisation de technologie de hautes performances à coût métrisé et permettant une intégration à très grande échelle, telle que la technologie28nm CMOS FD-SOI. Dans ce contexte, cette thèse propose une solution innovante pour la génération de fréquence millimétrique et THz en technologie CMOS : l’oscillateur distribué verrouillé par injection. Les travaux présentés dans ce manuscrit englobent l’analyse détaillé de l’état de l’art et de ses limites, l’étude théorique approfondie de la solution proposée pour une intégration en ondes millimétriques, le développement d’une méthodologie de conception spécifique en technologie CMOS ainsi que la conception de démonstrateurs technologique. Les différents oscillateurs intégrés en technologie 28nm FDSOI et opérant à des fréquences respectivement de 134 GHz et 200 GHz ont permis de démontrer la faisabilité de sources de signaux millimétrique et THz, à forte efficacité énergétique, forte puissance de sortie et faible bruit de phase en technologie CMOS à très grande échelle d’intégration. Enfin, la capacité de verrouillage par injection de tels oscillateurs distribués a été démontrée expérimentalement ouvrant la voie à de futurs systèmes THz totalement intégrés sur silicium. Les solutions intégrées démontrées dans cette thèse ont, à l’heure actuelle, la plus grande fréquence d’oscillation dans un noeud Silicium 28nm CMOS. / In recent years, millimeter-wave (mm-wave) and terahertz (THz) frequency bands haverevealed a great potential for many applications such as medical and biological imaging,quality control, and very-high-speed communications. The main reasons for this interestare the many interesting properties of THz and millimeter waves, such as their ability toharmlessly penetrate through matter or the broad spectrum available at these frequencies.Targeted applications require energy efficient signal sources with high power outputand, for some applications, low phase noise. In addition, the increasing demand in mmwave/THz applications requires the use of a cost-optimized, high-performance, and verylarge scale integration (VLSI) technologies, such as the 28nm CMOS FD-SOI technology.In this context, this thesis proposes an innovative solution for mm-wave and THz frequencygeneration in CMOS technology: the injection locked distributed oscillator (ILDO). Thework presented in this manuscript includes the detailed analysis of the state-of-the-artand its limitations, the detailed theoretical study of the proposed millimeter-waves bandsolution, the development of a specific design methodology in CMOS technology as well asthe design of technological demonstrators. The several 28nm FDSOI integrated distributedoscillators at 134 GHz and respectively 200 GHz have demonstrated the feasibility ofmm-wave and THz signal sources with high-energy efficiency, high output power, and lowphase noise in a VLSI CMOS technology. Finally, the injection locking capability of suchdistributed oscillators has been demonstrated experimentally paving the way for a futuresilicon-based fully integrated THz systems. The proposed circuits are as of today thehighest oscillation frequency solutions demonstrated in a 28nm CMOS Silicon technology.

Ordinal response variables abound in scientific and quantitative analyses, whose outcomes comprise a few categorical values that admit a natural ordering, so that their values are often represented by non-negative integers, for instance, pain score (0-10) or disease severity (0-4) in medical research. Ordinal variables differ from rational variables in that its values delineate qualitative rather than quantitative differences. In this thesis, we develop new statistical methods for variable selection in a high-dimensional cumulative link regression model with an ordinal response. Our study is partly motivated by the needs for exploring the association structure between disease phenotype and high-dimensional medical covariates. The cumulative link regression model specifies that the ordinal response of interest results from an order-preserving quantization of some latent continuous variable that bears a linear regression relationship with a set of covariates. Commonly used error distributions in the latent regression include the normal distribution, the logistic distribution, the Cauchy distribution and the standard Gumbel distribution (minimum). The cumulative link model with normal (logit, Gumbel) errors is also known as the ordered probit (logit, complementary log-log) model. While the likelihood function has a closed-form solution for the aforementioned error distributions, its strong nonlinearity renders direct optimization of the likelihood to sometimes fail. To mitigate this problem and to facilitate extension to penalized likelihood estimation, we proposed specific minorization-maximization (MM) algorithms for maximum likelihood estimation of a cumulative link model for each of the preceding 4 error distributions. Penalized ordinal regression models play a role when variable selection needs to be performed. In some applications, covariates may often be grouped according to some meaningful way but some groups may be mixed in that they contain both relevant and irrelevant variables, i.e., whose coefficients are non-zero and zero, respectively. Thus, it is pertinent to develop a consistent method for simultaneously selecting relevant groups and the relevant variables within each selected group, which constitutes the so-called bi-level selection problem. We have proposed to use a penalized maximum likelihood approach with a composite bridge penalty to solve the bi-level selection problem in a cumulative link model. An MM algorithm was developed for implementing the proposed method, which is specific to each of the 4 error distributions. The proposed approach is shown to enjoy a number of desirable theoretical properties including bi-level selection consistency and oracle properties, under suitable regularity conditions. Simulations demonstrate that the proposed method enjoys good empirical performance. We illustrated the proposed methods with several real medical applications.

Les processus réactionnels des systèmes biologiques sont désormais modélisés par des méthodes de plus en plus précises de mécanique quantique (MQ) associées aux champs de force de mécanique moléculaire (MM). Cette amélioration induit des complications dans le traitement habituel des interactions électrostatiques MQ/MM. Dans la première partie de cette thèse, nous avons développé une approche plus cohérente pour le calcul de ces interactions. Dans une seconde partie, nous avons appliqué certaines méthodes de simulation numérique aux protéines fluorescentes. Une étude de dynamique moléculaire a révélé de fines interactions de van der Waals qui conditionnent l'amélioration des propriétés de fluorescence dans la Cerulean par rapport à l'ECFP (Enhanced Cyan Fluorescent Protein). Nous avons également étudié le mécanisme de photoconversion de la protéine fluorescente EosFP par l'utilisation de potentiels MQ/MM appropriés au traitement des états excités. Finalement, la stabilité thermodynamique des différents états structuraux de la protéine IrisFP a été évaluée. Ces études de modélisation moléculaire améliorent notre compréhension des protéines fluorescentes afin de contribuer à leur développement pour l'imagerie cellulaire.

<p>Syftet med uppsatsen var att undersöka om det fanns något samband i kapitalstrukturen hos fastighetsbolagen på stockholmsbörsen. Samt att se hur införandet av IAS 40/IFRS har påverkat företagens kapitalstruktur.</p><p>Författarna valde att göra en totalundersökning för att belysa problemställningen på bästa sätt. Vidare letade författarna i företagens årsredovisningar för att hitta de siffror som behövdes för att räkna ut de relevanta nyckeltalen. De nyckeltal som författarna ansåg lämpliga för undersökningen var soliditet, avkastning på eget kapital, avkastning på sysselsatt kapital och skuldsättningsgraden. På vissa av nyckeltalen ansåg författarna att det fanns ett intresse av att se hur korrelationen och standardavvikelsen såg ut, därför räknades dessa också ut. Undersökningen har utgått från Modigliani och Millers teorier om kapitalstruktur samt från Trade-off teorin. Modigliani och Millers teori med skatt förklarar hur den optimala kapitalstrukturen ser ut, den menar att företag ska låna så mycket kapital som möjligt. Detta eftersom kostnaderna för skulder minskar på grund av att räntor är en avdragsgill kostnad för företaget. Trade-off teorin menar att det beror på vilken bransch företaget agerar i som avgör den optimala kapitalstrukturen. Företag i samma bransch bör alltså ha en liknande kapitalstruktur.</p><p>Det författarna kom fram till i undersökningen var att efter införandet av IFRS så har företagen en mer liknande kapitalstruktur. Modigliani och Millers teori om kapitalstruktur på en marknad med skatt stämmer inte överens med de företag som ingår i undersökningen och deras kapitalstruktur. Trade-off teorin däremot ansåg författarna stämde bra överens med företagen i studien dock med någon utstickare.</p><p>Med införandet av IAS 40/IFRS så förändrades företagens kapitalstruktur. Detta beror mycket på att IAS 40 direkt förändrar det egna kapitalet, då den tvingar företagen att värdera sina förvaltningsfastigheter till antingen verkligt värde eller till anskaffningsvärdet.</p>

Syftet med uppsatsen var att undersöka om det fanns något samband i kapitalstrukturen hos fastighetsbolagen på stockholmsbörsen. Samt att se hur införandet av IAS 40/IFRS har påverkat företagens kapitalstruktur. Författarna valde att göra en totalundersökning för att belysa problemställningen på bästa sätt. Vidare letade författarna i företagens årsredovisningar för att hitta de siffror som behövdes för att räkna ut de relevanta nyckeltalen. De nyckeltal som författarna ansåg lämpliga för undersökningen var soliditet, avkastning på eget kapital, avkastning på sysselsatt kapital och skuldsättningsgraden. På vissa av nyckeltalen ansåg författarna att det fanns ett intresse av att se hur korrelationen och standardavvikelsen såg ut, därför räknades dessa också ut. Undersökningen har utgått från Modigliani och Millers teorier om kapitalstruktur samt från Trade-off teorin. Modigliani och Millers teori med skatt förklarar hur den optimala kapitalstrukturen ser ut, den menar att företag ska låna så mycket kapital som möjligt. Detta eftersom kostnaderna för skulder minskar på grund av att räntor är en avdragsgill kostnad för företaget. Trade-off teorin menar att det beror på vilken bransch företaget agerar i som avgör den optimala kapitalstrukturen. Företag i samma bransch bör alltså ha en liknande kapitalstruktur. Det författarna kom fram till i undersökningen var att efter införandet av IFRS så har företagen en mer liknande kapitalstruktur. Modigliani och Millers teori om kapitalstruktur på en marknad med skatt stämmer inte överens med de företag som ingår i undersökningen och deras kapitalstruktur. Trade-off teorin däremot ansåg författarna stämde bra överens med företagen i studien dock med någon utstickare. Med införandet av IAS 40/IFRS så förändrades företagens kapitalstruktur. Detta beror mycket på att IAS 40 direkt förändrar det egna kapitalet, då den tvingar företagen att värdera sina förvaltningsfastigheter till antingen verkligt värde eller till anskaffningsvärdet.

In this thesis, based on the indoor channel measurements and ray-tracing modeling for the indoor mm-wave wireless communications, the challenges of the design of the radio in this band is studied. Considering the recently developed standards such as IEEE 802.15.3c, ECMA and WiGig at 60 GHz, the link budget of the system design for different classes of operation is done and the requirement for the antenna and other RF sections are extracted. Based on radiation characteristics of mm-wave and the fundamental limits of low-cost Silicon technology, it is shown that phased-array is the ultimate solution for the radio and physical layer of the mobile millimeter wave multi-Gb/s wireless networks. Different phased-array configurations are studied and a low-cost single-receiver array architecture with RF phase-shifting is proposed. A systematic approach to the analysis of the overall noise-figure of the proposed architecture is presented and the component technical requirements are derived for the system level specifications. The proposed on-chip antennas and antenna-in-packages for various applications are designed and verified by the measurement results. The design of patch antennas on the low-cost RT/Duroid substrate and the slot antennas on the IPD technologies as well as the compact on-chip slot DRA antenna are explained in the antenna design section. The design of reflective-type phase shifters in CMOS and MEMS technologies is explained. Finally, the design details of two developed 60 GHz integrated phased-arrays in CMOS technology are discussed. Front-end circuit blocks such as LNA, continuous passive reflective-type phase shifters, power combiner and variable gain amplifiers are investigated, designed and developed for a 60 GHz phased-array radio in CMOS technology. In the first design, the two-element CMOS phased-array front-ends based on passive phase shifting architecture is proposed and developed. In the second phased-array, the recently developed on-chip dielectric resonator antenna in our group in lower frequency is scaled and integrated with the front-end.