Thèse Étude des Signatures Vibrationnelles des Solutés dans leur Environnement Liquide H/F - Université Paris-Saclay GS Chimie

Établissement : Université Paris-Saclay GS Chimie
École doctorale : Sciences Chimiques : Molécules, Matériaux, Instrumentation et Biosystèmes
Laboratoire de recherche : Institut de Chimie Physique
Direction de la thèse : Carine CLAVAGUERA ORCID 0000000155312333
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-03-22T23:59:59

L'objectif de ce projet est d'étudier les signatures vibrationnelles, plus particulièrement celles du dichroïsme circulaire vibrationnel (VCD) et de l'activité optique Raman (ROA) pour les systèmes chiraux complexes. Dans ce projet, les systèmes complexes sont des molécules entourées d'au moins une couche de solvant, qui peuvent être des acides aminés ou des peptides dans l'eau [1]. En effet, ces deux techniques chiroptiques sont connues pour être très sensibles aux conformations des molécules et à leur environnement. Pour tenir compte de ce dernier dans la simulation, l'approche la plus simple consiste à considérer implicitement l'effet du solvant, à travers un modèle de continuum polarisable (PCM). Cependant, il a été démontré que le traitement de l'environnement des molécules étudiées est très important pour reproduire le spectre expérimental, que le modèle de solvant implicite n'est pas suffisant et que des molécules de solvant explicites doivent être prises en compte pour modéliser les interactions intermoléculaires [2-6].
Les stratégies de simulation des spectroscopies vibrationnelles peuvent être divisées en deux catégories principales. Dans l'approche dite « statique », une ou plusieurs structures moléculaires (conformères ou clusters) sont trouvées par optimisation de géométrie, c'est-à-dire par identification des minima locaux de la surface d'énergie potentielle (PES). Ensuite, l'approximation harmonique est souvent utilisée pour trouver les modes normaux vibrationnels (fréquences). Enfin, les dérivées du premier ordre des différentes propriétés (les réponses moléculaires aux perturbations du champ électromagnétique) par rapport aux coordonnées normales vibrationnelles (Qp) sont évaluées (intensités) à un niveau théorique donné, le plus souvent à l'aide de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT). Cependant, pour les systèmes en phase condensée soumis à des interactions intramoléculaires et intermoléculaires complexes, les simulations de dynamique moléculaire sont apparues comme une méthode intéressante pour la simulation des signatures vibrationnelles [7]. Celles-ci sont obtenues par l'évaluation des fonctions de corrélation temporelle le long des trajectoires de dynamique moléculaire (MD). Là encore, différents niveaux de théorie peuvent être utilisés pour obtenir les trajectoires ainsi que pour l'évaluation des propriétés moléculaires le long de ces trajectoires [8-9].
Dans cette optique, notre objectif est d'évaluer les performances et la fiabilité d'un large éventail de méthodologies, allant de la méthode classique complète à des simulations de premiers principes, pour simuler les spectres VCD et ROA des molécules de soluté dans leur environnement. Pour ce faire, nous proposons de mettre en commun les expertises des deux directeurs de thèse dans ce domaine afin de proposer un cadre unique de recherche entre l'Université de Namur en Belgique et l'Université Paris-Saclay en France.

For molecules in the gas phase, at the harmonic approximation, the simulation of non-resonance vibrational spectroscopies (IR, VCD, Raman, ROA) requires the evaluation of first-order derivatives of the various properties (the molecular responses toward the electromagnetic field perturbations) with respect to the vibrational normal coordinates (Qp) as well as the calculation of the Hessian. All these quantities are calculated within a given level of approximation: Hartree-Fock, Density functional theory (DFT), Moller-Plesset (MP), coupled cluster (CC), ... Along with the developments of the spectroscopies, methods have been developed to evaluate these molecular quantities using the Time-Dependant Hartree Fock iterative cycle [10-13], the quasienergy formulation [14], the Lagragian approach [15], and even coupled cluster response theory [16]. For VCD, it is worth mentioning that one needs to go beyond the Born-Oppenheimer approximation using the so-called nuclear velocity perturbation theory (NVPT) introduced by Nafie [17] which incorporating the dependency of the electronic wave function on the nuclear velocities perturbatively in the complete adiabatic approximation.
For condensed phase systems, one needs to consider the effects of the environments (such as the solvent). The simplest way to consider its effects is via an implicit approach using a polarizable continuum model (PCM) [18-20] where the effect of the solvent is mimicked by a cavity possessing an electric permittivity. However, this model lack of direct interactions between solute and solvent such as hydrogen bonds. For ROA, several studies have demonstrated that many solvent molecules are required to reproduce the experimental spectrum [21]. For these reasons, some researchers advocate a molecular dynamics (MD) simulation approach and sample several thousand snapshots to catch dynamics in modelling water solvent effects [21-23]. For VCD, the NVPT approach has recently been implemented into CP2K package [24] which employs Density Functional Perturbation theory combined Gaussian and plane-wave (GPW) approach. This GPW approach allows for efficient VCD simulations of large systems in the condensed phase as well as the use of periodic boundary conditions.
The second category of methods relies on the sampling of the PES during MD trajectories. The vibrational signatures are then obtained from time-correlation functions of various molecular properties. The MD and/or the instantaneous molecular properties can be evaluated at the classical level or at the ab-initio level, mainly DFT. For instance, ROA spectroscopy has been implemented using ab initio molecular dynamics (AIMD) approach [25-26]. Similarly, AIMD coupled with the NVPT approach has been used to calculate VCD spectra in condensed phases [6,27]. One of the advantages of this dynamic approach is that it considers the influence of the entire bulk solvent as well as some anharmonic effects. But, to treat the whole system at the DFT level require quite a lot of resources.
Recently, a new methodology has been proposed based on classical molecular dynamics simulations associated to the AMOEBA polarizable force field to calculate VCD spectra of flexible molecules in their environment [9,28]. The explicit treatment of polarization effects is required to achieve a precise description of electrostatic interactions, many-body effects and the hydrogen-bonding network. Furthermore, long MD simulations (up to the nanosecond scale) are essential to obtain reliable structural organization of the solvents and to predict their vibrational spectroscopic properties.

In this study, we propose a mixed approach combining classical molecular dynamics simulations in a polarizable force field and accurate static quantum chemistry calculations and AIMD to calculate the vibrational signatures of flexible molecules (amino acids, small peptides) in solution. It consists in simulating the VCD and ROA signatures from the time-correlation functions of the different molecular properties computed using ab-initio method along a classical MD trajectory. By combining the classical force-field with ab-initio molecular properties, we hope to reduce the computational cost while keeping accurate description of the solute environment. The mixed classical - quantum approach will be implemented step-by-step.
In Task 1, classical MD simulations will be performed using the AMOEBA polarizable force field for systems in solution (including periodic boundary conditions). The electric and magnetic dipole moments will be also collected directly from MD to compute the VCD spectra on the full solvated system. The role of solvation shells will also be considered. The model systems will consist of small peptides and amino acids.
In Task 2, ab-initio MD trajectories of solute molecule surrounded by a first shell of explicit solvent molecules will be computed with CP2K code [29]. Then, the trajectories will be analyzed using TRAVIS software [30] and VCD and ROA spectra will be simulated. The same set of systems as in Task 1 will be used to facilitate the comparison of the two approaches (Task 4).
The mixed classical - quantum approach will be implemented in Task 3. Snapshots at regular time steps will be extracted from the classical MD simulation. Then, the molecular properties for each snapshot will be evaluated at the DFT level of theory. Some software developments are envisioned in this task to parallelize as much as possible this process. The VCD and ROA spectra will then be computed by taking the time-correlation functions.
The different approaches will be compared in Task 4. In task 4a, the organization of the solvent around a solute molecule will be compared between the classical and ab initio simulations. This should confirm the assumption that classical MD is enough to properly sample the solvent - solute interactions. The role of the functionals and the influence of the solvent molecules will also be investigated. In Task 4b, we will compare the VCD and ROA spectra simulated with the full classical approach (only for VCD), the full ab-initio (AIMD) approach and the mixed-one. The results will also be compared to the static approach where the solvent is considering either implicitly (PCM) or explicitly via the first solvation shell.
In addition to model systems, Task 5 will focus on systems where experimentalists have opened questions. This will depend on the literature and on the collaborations that both groups already have.

The ultimate goal of this project is to access the performance of the different methods and to better understand the influence of the solvent on the vibrational signatures.

Titulaire d'un diplôme d'un Master 2 en chimie-physique ou chimie ou physique
Compétences et motivation pour :
- Mise en oeuvre de simulations moléculaires et de calculs de chimie quantique
- Programmation et développement de codes de calculs
- Intérêt pour les expériences de spectroscopie vibrationnelle
- Savoir restituer en français ou en anglais ses résultats de recherches à l'oral et à l'écrit
- Co-encadrement de stagiaires durant la thèse