Le but principal de ce travail est d'examiner la capacité des méthodes clusters couplés explicitement corrélées (CCSD(T)-F12) pour la génération des surface de potentiel (SEPs) multidimensionnelles à courte, moyenne et longue portée intermoléculaires et leur utilisation dans la détermination des spectres des systèmes van der Waals (vdW) et des données de collision sur une large gamme d'énergie de collision. Ceci a été fait par une comparaison directe des surfaces de potentiel et des résultats générés à partir de l'utilisation des méthodes clusters couplés standards avec simple, double et un traitement perturbatif des excitations triples (CCSD(T)) et explicitement corrélée CCSD(T)-F12. En effet, nous démontrons que la méthode CCSD(T)-F12 en connexion avec la base aug-cc-pVTZ est la méthode de choix pour la génération de ces surfaces de potentiel avec une très grande réduction du coût computationnel (temps CPU et occupation disque). Ceci est illustré à travers l'étude des systèmes vdW HCl/DCl-He et CO2 -CO2 qui sont importants pour l'astrophysique et les atmosphères planétaires. Pour HCl/DCl-He, nous avons comparé les résultats issus des SEPs explicitement corrélées et celles calculées avec les méthodes cluster couplés standards. Ces SEPs ont été générées le long des coordonnées intermonomères. A travers ces comparaisons, nous avons montré que l'utilisation des méthodes CCSD(T)-F12/aug-cc-pVTZ explicitement corrélées permet de dépasser la précision de l'approche CCSD(T)/CBS (prise comme référence) avec un coût computationnel très réduit. La qualité de la surface de potentiel explicitement corrélée a été vérifiée par le calcul des sections efficaces et des taux de collision d'excitation rotationnelle de HCl/DCl par He. Par la suite, Nous étendons, notre étude aux systèmes moléculaires plus larges à travers l'étude du dimère de dioxyde de carbone,(CO2 )2 . Ainsi, nous avons généré une SEP d'interaction à 4 dimensions pour le dimère de dioxyde de carbone (CO2 )2 en utilisant la méthode CCSD(T)-F12/aug-cc-pVTZ qui a été comparée avec d'autres surfaces et spécialement avec celle générée par les approches de référence CCSD(T)/CBS et SAPT. Cette comparaison a bien prouvé la performance des méthodes explicitement corrélées pour la description de la corrélation électronique. Ceci, a été validé par des calculs de dynamique qui ont permis de déterminer le second coefficient du viriel, le premier moment spectral et les niveaux vibrationnels du dimère de CO2 et leur comparaison aux résultats expérimentaux et théoriques existants. Nous recommandons donc l'utilisation de la méthode CCSD(T)-F12/aug-cc-pVTZ pour l'étude des interactions moléculaires impliquant des systèmes polyatomique-polyatomique faiblement liés / The main goal of this work is to examine the capabilities of explicitly correlated coupled cluster (CCSD(T)-F12) methods for the mapping of multidimensional potential energy surfaces (PESs) at short, medium and long intermolecular ranges and therefore their use in the determination of accurate collisional data for a wide range of collision energies after dynamical computations. This is done through close comparisons of these PESs and corresponding data to those deduced using standard coupled cluster approaches with perturbative treatment of triple excitations (CCSD(T)). Therefore, we definitely establish that CCSD(T)-F12 in connection with the aug-cc-pVTZ basis set is the method of choice for the generation of such accurate PESs with strong reduction of computational cost (CPU and disk occupancy). As a benchmark, we treated the rotational excitation induced by collision of HCl/DCl-He and CO2 -CO2 van der Waals molecular systems, which are relevant for astrophysics and planetary atmospheres, respectively. For HCl-He and DCl-He, we closely compared the results deduced from PESs calculated with explicitly correlated and standard coupled cluster methods. These PESs were generated over the intermonomer degrees of freedom. Through these comparisons, we have shown that the use of explicitly correlated CCSD(T)-F12/aug-cc-pVTZ method overcomes the accuracy of the reference approach CCSD(T) associated with the complete basis set (CBS) with a very low computational cost (2 orders of magnitude less). The quality of the explicitly correlated potential surface was verified by cross sections and collision rate calculations. Then, we extended our findings to the CO2 -CO2 larger molecular systems. Hence, we generated four-dimentional (4D) PES of the carbon dioxide dimer (CO2 )2 using the CCSD(T)-F12 method and we compared it with other surfaces specially with that generated by the CCSD(T)/CBS and SAPT approaches. Again, we established the performance of explicitly correlated method to account fully for electron correlation. This was validated after dynamical calculations, where second virial coefficient, first spectral moment and vibrational energies of the CO2 dimer were computed and compared to previous experimental and theoretical data. In total, we recommend the use of CCSD(T)/aug-cc-pVTZ method for the investigation of weak interactions occurring between polyatomic-polyatomic systems for a wide range of applications

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Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

L'analyse des conditions physico-chimiques régnant dans le milieu interstellaire(ISM) nécessité de connaître les constantes de vitesse de collision inélastique qui ont lieu plus fréquemment dans l'ISM. Nous avons à cettefin calculées les surfaces d'énergie potentielles ainsi que les états liés descomplexes CS-H2, HCN-H2, HCN-He et C3-He. Nous avons déterminé pour la collision CS-H2 les sections efficaces et les taux d'excitation collisionnels pour les premiers niveaux rotationnels. Des observations récentes suggérentque l'excitation des modes de pliage des molécules triatomiques doit êtreprise en compte dans les modèles astrochimiques. Nous présentons doncdeux nouvelles approches théoriques permettant d'effectuer un traitementClose Coupling des collisions inélastiques d'un atome avec une molécule triatomique. Le couplage entre les mouvements de rotation et de pliage de la molécule est traité soit exactement dans le cadre de l'approximation du rigid bender (RBCC) ou de façon approximée en moyennant le potentiel d'interaction atome-molècule sur le mode de pliage de la molécule (RBAA). La méthode RBCC est appliquée à l'étude des collisions HCN-He et C3-He pour lesquelles les sections efficaces de transition entre niveaux rotationnels appartenant à des modes de pliage différents sont obtenues. Les résultats sont comparés avec ceux fournis par l'opproximation du rotateur rigide linéaire. Dans le cas de la collision HCN-He ils sont aussi comparés avec ceux obtenus en utilisant l'approche RBAA. Nous montrons que les sections efficaces de transitions entre des niveaux rotationels appartenant à des niveaux de bending différents doivent être calculées au niveau RBCC. / Tha analysis of the physico-chemical conditons taking place in the interstellar medium (ISM) requires to know the inclastic rate coefficents of the detected interstellar molecules in collisions with the moste common colliders int the ISM. We have comuted the four dimensional potential energy surfaces, and the bound levels for the CS-H2, HCN-H2, HCN-He and C3 -He complexes. For the collisions of Cs with H2, we also determined the rst inelastic cross section and rate coefficeients<; Several recent observations suggest that the vibrational excitation of triatomic molecules in the ISM at least in the bending motion needs to be considered in the collision mechanismes. We present a nex theorical method to treat atom-rigid bender ineslastic collisions at close the coupling level (RBCC). The coupling between rotation and bending is treated exactly within the rigid bender approximation and we obtain the cross section for the rotational transition between levels belonging to dierent bending levels. This approach is applied to the study of HCN-He and C3-He. The results are compared with those obtained whenconsidering the molecules to be linear rigid rotors. In the case of HCN-He,they are also compared with the cross sections determined using the interactionpotential averaged over the bending wavefunction. We demonstratethat the cross sections involving vibrational transitions should be computedusing the RBCC method. For HCN-He, the linear rigid approach is foundto offer a good description of pure rotational transitions while for C3-Hethis method is shown to overestimate the cross section for collision energieshigher than the first excited bending threshold.

<p>Quantum chemical calculations have been performed to investigate radical cation rearrangement, radical carbonylation, and homolytic substitution reactions of organic molecules.</p><p>The rearrangement of the bicyclopropylidiene radical cation to the tetramethyleneethane radical cation is predicted to proceed with stepwise disrotatory opening of the two rings. Each ring opening is found to be combined with a striking pyramidalization of a carbon atom in the central bond.</p><p>The isomerization of the norbornadiene radical cation to the cycloheptatriene radical cation (<b>CHT</b><b>.+</b>), initialized by opening of a bridgehead–methylene bond, is investigated. The most favorable path involves concerted rearrangement to the norcaradiene radical cation followed by ring opening to <b>CHT</b><b>.+</b>. The barrier of this channel is found to be significantly reduced upon substitution of the methylene group with C(CH₃)₂.</p><p>Stepwise mechanisms are predicted to be favored over concerted isomerization for the McLafferty rearrangement of the radical cations of butanal and 3-fluorobutanal. The barrier for the concerted rearrangement is found to be lowered by 17.2 kcal/mol upon substitution, a result which is rationalized by the calculated dipole moments and atomic charges.</p><p>Recent experiments showed that photoinitiated carbonylation of alkyl iodides with [¹¹C]carbon monoxide may be significantly enhanced by using small amounts of ketones that have nπ* character of their excited triplet state. DFT calculations show the feasibility of an atom transfer type mechanism, proposed to explain these observations. Moreover, the computational results rationalize the observed differences in yield when using various alcohol solvents.</p><p>Finally, following photolysis of methyliodide, recent electron spin resonance spectroscopy experiments demonstrated that the S_H2 reaction ^•CD₃ + SiD₃CH₃ → CD₃SiD₃ + ^•CH₃ proceeds with high selectivity over the energetically more favorable D abstraction. The role of geometrical effects, especially the formation of prereactive complexes between methylsilane and methyliodide is studied, and a plausible explanation for the experimentally observed paradox is presented.</p>

Quantum chemical calculations have been performed to investigate radical cation rearrangement, radical carbonylation, and homolytic substitution reactions of organic molecules. The rearrangement of the bicyclopropylidiene radical cation to the tetramethyleneethane radical cation is predicted to proceed with stepwise disrotatory opening of the two rings. Each ring opening is found to be combined with a striking pyramidalization of a carbon atom in the central bond. The isomerization of the norbornadiene radical cation to the cycloheptatriene radical cation (CHT.+), initialized by opening of a bridgehead–methylene bond, is investigated. The most favorable path involves concerted rearrangement to the norcaradiene radical cation followed by ring opening to CHT.+. The barrier of this channel is found to be significantly reduced upon substitution of the methylene group with C(CH3)2. Stepwise mechanisms are predicted to be favored over concerted isomerization for the McLafferty rearrangement of the radical cations of butanal and 3-fluorobutanal. The barrier for the concerted rearrangement is found to be lowered by 17.2 kcal/mol upon substitution, a result which is rationalized by the calculated dipole moments and atomic charges. Recent experiments showed that photoinitiated carbonylation of alkyl iodides with [11C]carbon monoxide may be significantly enhanced by using small amounts of ketones that have nπ* character of their excited triplet state. DFT calculations show the feasibility of an atom transfer type mechanism, proposed to explain these observations. Moreover, the computational results rationalize the observed differences in yield when using various alcohol solvents. Finally, following photolysis of methyliodide, recent electron spin resonance spectroscopy experiments demonstrated that the SH2 reaction •CD3 + SiD3CH3 → CD3SiD3 + •CH3 proceeds with high selectivity over the energetically more favorable D abstraction. The role of geometrical effects, especially the formation of prereactive complexes between methylsilane and methyliodide is studied, and a plausible explanation for the experimentally observed paradox is presented.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Les travaux de cette thèse ont porté sur le développement de deux méthodes de modélisation des enzymes contenant des groupes prosthétiques de la famille des flavines.La première méthode, PredFace, permet de prédire la stéréochimie des produits d'une réaction catalysée par des enzymes contenant des groupes prosthétiques, en identifiant la face libre d'interaction avec les substrats. Le protocole mis en place pour cette méthode implique l'utilisation de huit complexes "sondes", obtenus par des opérations de symétrie à partir de l'état de transition de la réaction de transfert d'un atome d'hydrogène entre le nicotinamide et la lumiflavine. Ces complexes sont positionnés dans le site actif avec le groupe prosthétique comme référence et dans chaque cas l'énergie d'interaction protéine-ligand est évaluée par la fonction de score implémentée dans le logiciel de docking utilisé (AutoDock). L'énergie d'interaction la plus favorable permet d'identifier la face du groupe prosthétique accessible pour la réaction enzymatique dans le site actif. La méthode PredFace a été validée par l'analyse de l'ensemble des structures de la Protein Data Bank contenant des groupes prosthétiques de la famille des flavines (2170). Le protocole mis au point est très rapide (moins d'une minute), ce qui nous a permis de développer un site web afin de mettre cette méthode à la disposition de la communauté.La seconde méthode, ProsthDock, est une nouvelle méthode de docking basée sur le mécanisme d'une réaction enzymatique catalysée par un groupe prosthétique et guidée par la présence de ce groupe prosthétique dans le site actif de l'enzyme. Le développement de cette méthode a été motivé par le fait que les méthodes actuelles de docking, en présence de groupes prosthétiques, se révèlent incapables de produire des poses correctes pour des substrats, en accord avec les réactions enzymatiques. Afin de remédier à ce problème nous avons ajouté à la fonction de score classique un terme supplémentaire, qui rendra compte de l'interaction du ligand avec le groupe prosthétique. Dans un premier temps, nous avons construit un modèle simplifié du complexe NADH/FMN et calculé l'état de transition de la réaction de transfert d'hydrogène entre les deux partenaires. Des surfaces d'énergie potentielle pour cette réaction ont été calculées en variant la distance, l'angle et l'angle dièdre entre les deux réactifs. Un docking sous contrainte est ensuite réalisé et en fonction du positionnement de chaque pose de docking dans le site actif le terme supplémentaire de la fonction de score est calculé à partir des surfaces d'énergie potentielle, ce qui nous permet de modifier le classement des résultats de docking en favorisant les poses qui sont en accord avec la réaction enzymatique. / During this PhD thesis we developped two new molecular modeling methods applied to enzymes containing flavin-type prosthetic groups.The first method, PredFace, predicts the stereochemistry of products from a reaction catalyzed by enzymes containing prosthetic groups, by automatically identifying the solvent-exposed face of the prosthetic group. The protocol involves the use of eigth complexes as "probes", obtained by symmetry operations starting from the transition state of a hydrogen atom transfer reaction between nicotinamide and lumiflavin. These complexes are positioned in the binding site with the prosthetic group as reference and the energy of the protein-ligand interaction is evaluated by the scoring function implemented in the docking software (AutoDock). The most favorable interaction energy allows the identification of the prosthetic group face that is available for the enzymatic reaction in the binding site. The PredFace method has been validated by analyzing all the structures in the Protein Data Bank containing flavin-derived prosthetic groups (2170). This method is very fast (less than a minute), which allowed us to develop a web site open to the scientific community.The second method, ProsthDock, is a new mechanism-based molecular docking method guided by prosthetic groups present in the active sites of enzymes. The development of this method was motivated by the incapacity of the currently available docking methods to provide, in the presence of prosthetic groups, ligand conformations that are compatible with the enzymatic reactions. In this regard, we have added a new term to the classical scoring function, to take into account the interaction between ligand and prosthetic group. We have built a simplified model of the NADH/FMN complex and calculated the transition state of the hydrogen transfer reaction between the two partners. Potential energy surfaces have been calculated for this reaction by variating the angle, diedral angle and distance between the two reaction partners. A subsequent docking with constraints provides binding site conformations of the ligand for which the new term of the scoring function is calculated using the potential energy surfaces. This results in a new ranking of the docking poses, favoring those in agreement with the enzymatic reaction.

Les travaux réalisés au cours de cette thèse se décomposent en deux thèmes principaux, eux-même subdivisés enplusieurs projets. D'une part, des travaux ont été menés concernant l'analyse et le développement de fonctionnelles « doubles hybrides ». Une analyse des fonctionnelles « doubles hybrides » à séparation linéaire le long de la connexionadiabatique a été proposée. Une nouvelle fonctionnelle « double hybride » à séparation de portée basée sur uneséparation alternative de l'énergie d'échange et de corrélation, RSDHf, a été développée. D'autre part, des travaux quant au développement de surfaces d'énergie potentielle (SEP) analytiques ont été menés. Un nouveau potentiel analytique a été proposé pour la description de la SEP des systèmes triatomiques. La combinaison de ce potentiel avec un potentiel électrostatique a été utilisé pour le développement de SEP analytiques pour de petits systèmes en interaction faible : H2O···HF, HF2-, Ne···ClF. / Works done during this thesis split into two main themes, themselves subdivided in several projects. On the one hand, works have been led concerning the analysis and the development of double-hybrid functionals. An analysis of linearly-separated double-hybrid functionals along the adiabatic connection has been proposed. A new range-separated double-hybrid functional based on an alternative separation of the exchange-correlation energy, RSDHf, has been developed. On the other hand, works related to the development of analytic potential energy surfaces (PES) has been led. A new analytic potential has been proposed for the description of the PES of triatomic systems. The combinaition of this potential with an electrostatic potential has been used for the development of analytic PES for small systems in weak interaction : H2O···HF, HF2-, Ne···ClF.