Développement de la fonctionnalité QMMM dans DeFT: Application aux calculs des énergies libres

Abstract

Depuis le début des années 1990, il y a eu beaucoup d'articles publiés sur le développement de la méthodologie QM/MM. Ces potentiels hybrides ont permis l'étude de la formation ou de la rupture de liaison pour des réactions en solution et pour des réactions enzymatiques. Dans cette thèse, nous avons interface le programme DeFT, utilisant la fonctionnelle de la densité, avec le module Roar de la suite AMBER. Dans notre fonctionnalité QM/MM, nous avons utilisé une contrainte sur l'atôme connecté (link atom) pour pouvoir redistribuer le gradient de l'atôme connecté sur les atômes réels du système. Ainsi, nous sommes moins affectés par les degrés de liberté additionnels qui sont présent dans le système, lors de l'optimisation de géometrie et de simulation de dynamique moléculaire, que lorsqu'il n'y a aucune contrainte sur les atômes connectés. Pour valider cette fonctionnalité, nous avons optimisé une serie de molécules pour examiner l'effet de la présence d'un atôme connecté sur la distance C-C. Nous avons démontré que l'utilisation de l'atôme connecté apportait une déviation moyenne de 0.020 A. Nous avons également évalue l'affinité de proton pour une série de bases organiques. Ces mesures montrent bien qu'il soit important d'avoir plus qu'un groupement methyle après le groupement fonctionnel pour obtenir une bonne comparaison avec des calculs complètement quantiques. Par la suite, nous avons regardé la stabilité de cinq conformères de la dipeptide Alanine auxquelles nous avons ajouté une hélice alpha de 20 glycines. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons implémenté dans DeFT la possibilité de faire des trajectoires de dynamique moléculaire qui sont contraintes à suivre un chemin réactionnel prédéfini. Ceci nous a permis d'obtenir le profil d'énergie libre le long du chemin réactionnel en utilisant la méthode de croissance lente. Cette fonctionnalité a été validée avec une série de réactions électrocycliques. Ces différentes simulations ont montré que l'on pouvait obtenir un profil d'énergie libre très lisse mais avec un coût de calcul très élevé. Dans la dernière partie, nous avons optimisé une méthode hybride (AM1/DFT) pour obtenir le profil d'énergie libre d'une réaction. En utilisant la méthode de perturbation thermodynamique non-Boltzmann, il est possible d'obtenir un profil d'énergie libre de niveau de la fonctionnel de la densité en diminuant le temps de calcul par un facteur d'environ 12.