Cours
2024-2025
Advanced Theoretical Chemistry
- Code de l'UE SCHIM102
-
Horaire
36 24Quadri 1
- Crédits ECTS 6
- Langue
- Professeur
Acquis d'apprentissage
For the quantum chemistry part: see below the description in English
The students are introduced to advanced concepts and methods of theoretical chemistry and finally to computer modeling and simulations, including links with various computer algorithms. A key aspect of the course is to allow students to understand the role of the input parameters necessary for the calculations. Some specific issues that are treated in the course are the determination of molecular and bulk properties, of molecular reactivities, as well as aspects of electron correlation.
Pour la partie modélisation moléculaire :
- comprendre les bases et certains développements propres aux méthodes de simulation en mécanique statistique, aux algorithmes génétiques et réseaux de neurones artificiels, aux techniques de comparaison moléculaire
- pouvoir élaborer les paramètres d'entrée d'un calcul de base en modélisation moléculaire
- pouvoir comprendre les termes utilisés dans des articles scientifiques sur le sujet
Objectifs
Initier les étudiants aux concepts fondamentaux et techniques de base des méthodes de modélisation et simulation par ordinateur. Ils pourront comprendre l'influence des paramètres essentiels d'un programme de modélisation. Ils seront également initiés aux méthodes de détermination des propriétés moléculaires de même qu'aux techniques permettant la prise en compte de la corrélation électronique. L'objectif est également d'amener les étudiants à concevoir des protocoles de simulations numériques de sorte à répondre, de façon critique, à des questions de chimie.
Contenu
Y. Olivier
Partie I :
1. Approches de la structure moléculaire
2. Energie d'interaction et champs de force
3. Introduction aux méthodes d'optimisation de géométrie
Partie II :
1. Introduction aux techniques de simulation en mécanique statistique
a. Rappels de mécanique statistique
b. Monte Carlo
c. Dynamique moléculaire
d. Recuit simulé
e. Calcul de l'énergie libre
2. "Soft Computing"
a. Algorithmes génétiques
b. Réseaux de neurones artificiels
3. "Comparative modelling"
a. QSAR
b. Alignements moléculaires
B. Champagne
For the quantum chemistry part: see below the description in English
Density functional theory
1. Introduction and densities within wavefunction approaches
2. The Thomas-Fermi model
3. The Hohenberg and Kohn theorems
4. The Kohn-Sham approach
4.A. Kohn-Sham equation
4.B. XC functionals and their performance for determining geometries, vibrational spectra, optical properties, interaction energies
4.C. Self-Interaction
4.D. Conceptual DFT
Time-Dependent Density functional theory
5.A. TDDFT equations
5.B. Approximate TDDFT schemes
5.C. GW and BSE methods
5.D. Simulating UV/vis absorption and CD spectra
Table des matières
Partie I : 1. Approches de la structure moléculaire 2. Energie d'interaction et champs de force 3. Introduction aux méthodes d'optimisation de géométrie Partie II : 1. Introduction aux techniques de simulation en mécanique statistique a. Rappels de mécanique statistique b. Monte Carlo c. Dynamique moléculaire d. Recuit simulé f. Problématique de S, G 2. "Soft Computing" a. Algorithmes génétiques b. Réseaux de neurones artificiels 3. "Comparative modelling" a. QSAR b. Alignements moléculaires
Part II, quantum chemistry part: see below the description in English
Density functional theory
1. Introduction and densities within wavefunction approaches
2. The Thomas-Fermi model
3. The Hohenberg and Kohn theorems
4. The Kohn-Sham approach
4.A. Kohn-Sham equation
4.B. XC functionals and their performance for determining geometries, vibrational spectra, optical properties, interaction energies
4.C. Self-Interaction
4.D. Conceptual DFT
Time-Dependent Density functional theory
5.A. TDDFT equations
5.B. Approximate TDDFT schemes
5.C. GW and BSE methods
5.D. Simulating UV/vis absorption and CD spectra
Exercices
Les différentes méthodes de prédiction et d'interprétation des propriétés moléculaires seront mises en oeuvre en utilisant des codes de chimie quantique et plus particulièrement le code GAMESS (http://www.msg.chem.iastate.edu/gamess/). Des exemples simples seront fournis en guise d'illustration des cours successifs. Ref. M.W. Schmidt, K.K. Baldridge, J.A. Boatz, S.T. Elbert, M.S. Gordon, J. Jensen, S. Koseki, N. Matsunaga, K.A. Nguyen, S. Su, T.L. Windus,Chem. 14, 1347 (1993) and Gaussian16
Diverses techniques vues au cours "Modélisation Moléculaire" sont illustrées lors des TPs. Par exemple, des exercices abordant des techniques de types "réseaux de neurones artificiels", "dynamique moléculaire", "optimisation de géométrie", ... sont proposés aux étudiants.
Méthodes d'enseignement
Pour la partie modélisation moléculaire :
Description des fondements, avantages, limites, des techniques/algorithmes les plus répandus en modélisation moléculaire avec présentation d'applications dans les divers domaines de la chimie (chimie du vivant, chimie des matériaux).
For the quantum chemistry part: see below the description in English of the three sections:
A) The presentation of the content (by the teacher), 1°) highlighting the essential aspects of DFT and TDDFT 2°) pointing out their strengths and weaknesses in the context of selected applications.
B) For each chapter, simple exercises will be proposed and their solutions will be possible by using the computing resources of the PTCI.
C) The realization of a mini-project, calling for the application of DFT/TDDFT
Méthode d'évaluation
Pour la partie "Modélisation Moléculaire", le mode d'évaluation peut consister en un examen écrit suivi d'un examen oral, portant sur l'ensemble de la matière. L'évaluation porte également sur les TPs (questions, présentations, calculs à effectuer, ...). La note de TP inclut, notamment, l'évaluation orale qui en est faite ainsi que le comportement durant l'année. Aucune dispense de TP ne sera accordée si, entre autres, cette note est inférieure à la moyenne et/ou si l'examen n'a pas été présenté.
For the quantum chemistry part:
1°) 1/3 for an oral presentation (10 minutes, 10 slides Max) at the end of the semester about a critical reading of a scientific publication on DFT/TDDFT
2°) 2/3 for the written exam on the essential aspects of DFT and TDDFT, followed by a oral discussion (Questions will be asked on the methodological DFT and TDDFT aspects).
La note finale est la moyenne arithmétique entre les parties "chimie quantique" et "modélisation moléculaire". Si une des notes est inférieure à 10/20, la note finale sera au maximum de 9/20.
Sources, références et supports éventuels
Les lectures suggérées et/ou recommandées sont precisées lors des cours.
Ouvrages généraux
A. Szabo and N.S. Ostlund, Modern Quantum Chemistry (MacMillan, New York), (1982). R.G. Parr and W. Yang, Density-Functional Theory of Atoms and Molecules, (Oxford University Press, Oxford, 1989). R. McWeeny, Methods of Molecular Quantum Mechanics, (Academic, San Diego, 1992). W. Koch and M.C. Holthausen, A Chemist's Guide to Density Functional Theory, (Wiley-VCH, Weinheim, 2001).