Application of Quantum Chemistry and contribution of Electron Paramagnetic Resonance for the structural and dynamic characterization of molecular assemblies
Application des outils de la chimie quantique et apport de la spectroscopie de Résonance Paramagnétique Électronique pour la caractérisation structurale et dynamique d’Architectures Moléculaires
Résumé
The work that will be presented during this defense is dedicated to the application of quantum chemical tools based on Density Functional Theory (DFT) combined with the use of Electron Paramagnetic Resonance (EPR) spectroscopy for the structural and dynamic characterization of molecular compounds related to bioinorganic chemistry. Those research activities deal with the experimental and theoretical study of open-shell systems (organic and inorganic compounds) for applications in biology, environment and catalysis. The main goal of my work is to determine the structural and the dynamic features of the entities in order to find out the optimal conditions to set up the best model systems for reactivity and catalysis purposes. With this work we aim to establish specific relationships connecting the structures, the properties and the reactivities of the species, that will ultimately serve as a basis for predicting geometries, probing structures (in enzymes) and developing new systems (in catalysis or biochemistry). Our approach consist in coupling theoretical methods with experimental ones like those involving continuous-wave and pulse EPR techniques to study the systems from a macroscopic point of view. This approach has been successful to identify unknown species, rationalize their molecular properties and determining magneto-structural correlations. The oral presentation will summarize most of the research work that I have been conducting since I joined the Laboratory of Spectrochemistry Infrared and Raman in 2010. The first part of my presentation will give an overview of the methodological developments that have been done for modeling and predicting the magnetic and spectroscopic properties of hetero-oligomeric transition- metal clusters. In the second part, I will present the different studies I performed on bioinorganic compounds. I will show the relevance of the coupling approach combining experimental and theoretical investigations to characterize such systems. In the last part, I will discuss the perspectives and projects that are directly related to this work and that will use both our methodological developments and our combined approach.
Les travaux qui seront présentés dans le cadre de cette soutenance sont dédiés à l’application des outils de la chimie quantique tels que ceux basés sur la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT) et à l’apport de la spectroscopie de Résonance Paramagnétique Électronique (RPE) pour la caractérisation structurale et dynamique d’architectures moléculaires relevant du domaine de la chimie bio-inorganique. Ces activités de recherche concernent l’étude aussi bien sur le plan théorique que sur le plan expérimental de systèmes à couches ouvertes (composés organiques et inorganiques) pour des applications en biologie, en environnement et en catalyse. L’objectif principal de mes travaux est de déterminer les spécificités structurales (paramètres géométriques et électroniques) et dynamiques (observables magnétiques et spectroscopiques) des entités concernées dans le but de déterminer les conditions optimales pour réaliser les meilleurs systèmes modèles en termes de réactivité et d’activité catalytique. Ces travaux visent également à la mise en place de relations du type «structure-propriété-activité» dont les objectifs sont multiples : prédiction de structures, utilisation comme sonde structurale (dans les enzymes) et conception de nouveaux systèmes (pour la catalyse ou la biochimie). L’utilisation couplée des méthodes théoriques à celles de spectroscopies RPE en ondes continues et impulsionnelles pour les études de systèmes d’un point de vue macroscopique s’avère être une approche pertinente pour identifier des espèces inconnues, rationaliser leurs propriétés moléculaires et définir des corrélations magnéto-structurales. La présentation orale synthétisera l’essentiel des travaux de recherche que j’ai menés depuis mon doctorat et que j’ai poursuivis depuis mon intégration en 2010 au Laboratoire de Spectrochimie Infrarouge et Raman. La première partie présentera les développements méthodologiques qui ont été réalisés pour modéliser et prédire les propriétés magnétiques et spectroscopiques de systèmes polynucléaires à base de métaux de transition. Dans la seconde partie, je détaillerai les différentes études que j’ai effectuées sur des systèmes relevant du domaine de la chimie bio-inorganique. Je montrerai l’intérêt de l’utilisation d’une approche couplant théorie et expérience pour caractériser des systèmes complexes. Dans la troisième et dernière partie, j’aborderai les perspectives et extensions que je compte apporter à ces différents travaux. Je développerai les différents projets qui seront menés par la suite et qui utiliseront aussi cette double approche ainsi que certains des développements méthodologiques.
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