Interactions entres les sous-systèmes QM et MM
Le couplage entre les régions QM et MM constitue le cœur des méthodes hybrides QM : MM; ce couplage doit être capable de traiter simultanément :
les interactions entre atomes liés (élongation, pliage, torsion). les interactions entre atomes non-liés (interaction électrostatique et interaction de Van der Waals).
Généralement, l’élément clé du couplage est déterminé par les interactions électrostatiques. Dépendant du traitement de ce type d’interaction, l’approche QM : MM est classée en deux groupes, le groupe d’enfoncement mécanique et celui d’enfoncement électrique.
La voie d’enfoncement mécanique ME (Mechanical Embedding) effectue un calcul QM pour la partie PS en absence du sous-système secondaire SS, et traite les interactions dues au couplage entre les deux parties avec un niveau de calcul MM.
Le schéma IMOMM (Integrated Moleclar-Orbital Molecular-Mechanics) décrit par MOROKUMA et collaborateurs est un exemple de méthode appartenant au groupe d’enfoncement mécanique, qui est aussi désignée comme ONIOM (MO/MM).
Dans la méthode d’enfoncement électrique EE (Electrostatic Embedding), un calcul QM est exécuté sur la partie PS en présence du sous-système SS; les termes décrivant l’interaction électrostatique entre les deux régions sont inclus dans l’hamiltonien QM comme des opérateurs monoélectroniques.
Traitement de la région frontière QM/MM
La connexion des deux régions (QM, MM) est généralement déterminée à travers une (ou plusieurs) liaison(s) covalente(s) (enzymes, polymères) ou ionique (catalyseur état-solide). Dans certains cas ce type de connexion est absent, prenant l’exemple d’une molécule diluée (soluté-solvant).
Le traitement de la région frontière QM : MM a été décrit dans diverses travaux théoriques. Exemples de méthodes la version atome de lien « link atom» et la méthode des orbitales localisées.
Pour faciliter la description des atomes inclus dans la zone frontière entre les deux sous-systèmes (PS, SS) ou (QM, MM), on admet la nomenclature suivante .
Méthode de l’atome de lien : Dans cette approche, l’idée générale consiste à remplacer les groupes chimiques de la zone externe, reliée à la zone interne avec la liaison Q1-M1, par une liaison Q1-HL, HL pouvant être un hydrogène mais aussi un halogène ou n’importe quel pseudo-atome possédant les propriétés désirées .
La méthode de l’atome de lien est simple et fiable, mais le fait d’introduire un atome de lien artificiel (additionnel) dans le système moléculaire d’origine, rend la définition de l’énergie QM : MM plus compliquée. En plus la liaison entre l’atome frontière QM et l’atome de lien (Q1-HL) subit une polarisation non physique.
Méthodes des orbitales localisées : Un exemple de méthodes utilisant les orbitales localisées est la procédure du champ auto-cohérent local LSCF (Local Self-Consistent Field). Les liaisons reliant les sous-systèmes QM et MM sont représentées par un ensemble d’orbitales strictement localisées SLBOs (Strictly Localized Bond Orbitals). Ces orbitales assumées être transférables, sont déterminées à partir d’un calcul exécuté sur des molécules modèles .
Une autre approche appelée méthode d’orbitales hybrides généralisées GHO (Generalized Hybrid Orbital) dans laquelle un ensemble d’orbitales hybrides sp3 sont assignées à chaque atome frontière MM. L’orbitale hybride directement liée à l’atome frontière QM est nommé orbitale active, les trois autres orbitales sont appelées les orbitales auxiliaires. Tout ces orbitales sont inclus dans le calcul QM, mais, c’est uniquement l’orbitale active qui participe dans une optimisation SCF.
Détermination des charges partielles MM prés de frontière
La surpolarisation de la liaison (Q1-HL) est due essentiellement à la mauvaise approximation de la densité de charge de l’atome M1. Pour minimiser l’effet de surpolarisation, un chemin simple est adapté, il s‘agit d’ignorer la charge de l’atome M1 et l’admettre égale à zéro , cette procédure est nommée Z1.
Dans le cas où toutes les charges des atomes (M1, M2, M3) sont supposées nulles , le chemin est désigné Z3, qui est l’option par défaut dans un calcul ONIOM réalisé avec le logiciel Gaussian 03. ONIOM est implémenté dans le logiciel Gaussian pour les calculs de structures électroniques. Un nombre important de méthodes sont disponibles dans le logiciel et peuvent être utilisés dans ONIOM pour deux et trois couches de calculs.
Domaines d’applications des cyclodextrines
Le développement rapide des concepts de la chimie supramoléculaire vient de focaliser à nouveau l’attention sur les cyclodextrines comme en témoigne le grand nombre de revues et des publications décrites dans la littérature. Leur champ d’utilisation a fortement augmenté ainsi que leurs domaines d’applications, parmi celles-ci on note:
Stabilisateurs de substances sensibles à la lumière et à l’oxygène. Stabilisateurs de substances volatiles. Catalyseurs chimiques. Inducteurs chiraux en synthèse organique asymétrique. Séparateurs énantiomériques en électrophorèse capillaire, en chromatographie en phase gazeuse, en chromatographie liquide haute performance. Modèles d’enzymes artificielles. Vecteurs en industrie pharmaceutique (solubilisation, stabilisation, masquage d’effets secondaires, augmentation de la biodisponibilité de principes actifs). Stabilisateurs d’arômes dans les industries agro-alimentaires.
Forces impliquées dans les complexes d’inclusion des cyclodextrines
Comprendre les interactions non covalentes est d’une grande importance en chimie supramoléculaire et biochimie. A la différence des systèmes naturels, les systèmes « hôte-invitée » synthétiques peuvent être décrits et analysés, expérimentalement et théoriquement, d’une manière précise. Les cyclodextrines sont parmi les molécules hôtes les plus utilisées en chimie supramoléculaire.
Comme elles ont une cavité hydrophobique aux dimensions appropriées, elles peuvent former avec un certain nombre de molécules invitées des complexes, nommés « complexes d’inclusion ». Cette propriété a été largement utilisée en science pharmaceutique, catalyse, la séparation technologique et d’autres applications intéressantes. En plus, les complexes d’inclusion sont considérés comme le modèle idéal d’imitation des interactions « enzyme-substrat ».
Il est important de noter que la quantification des forces agissantes produites dans la reconnaissance moléculaire des CD’s est fondamentalement importante pas uniquement en chimie des CD mais aussi dans toute la chimie supramoléculaire. Cela s’est traduit par la réalisation de beaucoup de travaux sur le sujet. Malheureusement et malgré le nombre considérable d’études, les forces agissantes produites durant la complexation n’ont pas encore été bien identifiées et souvent les résultats publiés sont controversées.
Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
PARTIE I
CHAPITRE I : Modélisation moléculaire et méthodes de chimie théorique
I- Introduction
II-Méthodes de mécaniques quantiques
II-1 Généralités
II-1-1-Equation de Schrödinger
II-1-2-L’approximation Born-Oppenheimer
II-1-3-L’approximation spin-orbitale
II-2-Les méthodes Ab initio
II-2-1-La méthode Hartree-Fock (HF)
II-2-1-a-L’approximation LCAO et les équations de Hartree-Fock-Roothaan
II-2-2-Les méthodes post Hartree-Fock
II-3-Les méthodes de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT)
II-4-Les méthodes semi-empiriques
II-5-Les méthodes empiriques
III-Les fonctions de bases utilisées
IV-Mécanique moléculaire
V-Dynamique moléculaire
CHAPITRE II : La méthodologie ONIOM et analyse NBO
I-Mécanique quantique/Mécanique moléculaire (QM/MM)
II-Interactions entres les sous-systèmes QM et MM
III-Traitement de la région frontière QM/MM
III-1-Méthode de l’atome de lien
III-2-Méthodes des orbitales localisées
IV-La méthodologie ONIOM
IV-1-Calcul de l’énergie ONIOM
IV-2-Position de l’atome de lien
IV-3-Détermination des charges partielles MM prés de frontière
V-L’analyse NBO
V-1-Les orbitales naturelles NBO
V-2-Evaluation de l’énergie des orbitales NBOs
CHAPITRE III : Les Complexes d’inclusions
I- Les cyclodextrines
I-1-Structure et propriétés des cyclodextrines
I-2-Domaines d’applications des cyclodextrines
II- Venlafaxine
III-Les complexes d’inclusion
III-1-Forces impliquées dans les complexes d’inclusion des cyclodextrines
III-1-1-L’énergie électrostatique (interactions électrostatiques)
III-1-1-a-L’influence du moment dipolaire des CD’s
III-1-2-Interaction de Van der Waals
III-1-3-L’interaction hydrophobique
III-1-4-La liaison d’hydrogène
III-1-5-Relaxation de la contrainte conformationnelle
III-1-6-L’exclusion des molécules d’eau de la cavité des cyclodextrines
III-1-7-L’interaction par transfert de charge
PARTIE II
CHAPITRE I : Résultats et analyses
I-Construction du modèle
II-Analyse des résultats
II-1-Résultats de la mécanique moléculaire
II-2-Résultats du traitement semi-empirique PM3
II-3-Analyse des résultats ONIOM
II-3-1-La méthodologie ONIOM2
II-3-2-La méthodologie ONIOM3
III-Analyse NBO (Natural Bond Orbital)
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES
REFFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXE
