Résumé :
La dynamique moléculaire ab initio est une méthode de simulation numérique qui permet d’accéder aux mécanismes des réactions chimiques en présence de molécules d’eau. Celles-ci peuvent jouer le rôle de réactifs ou intervenir comme auxiliaires dans la réaction, notamment en raison de leur capacité à former des chaînes dynamiques de liaisons hydrogène. Leur existence nécessite alors une description explicite du solvant.
Des exemples variés où l’eau coopère directement ou indirectement à des réactions seront présentés : échange d’eau dans des complexes de gadolinium utilisés en imagerie médicale, hydratation de petits acides organiques présents dans les aérosols, altération par hydrolyse de verres nucléaires borosilicatés, échange de proton dans des complexes d’europium utilisés comme agents PARACEST, désorption d’un acide aminé sur une surface de pyrite dans le cadre d’un scénario des origines de la vie sur Terre, échange d’un atome de xénon encapsulé dans des molécules cages.
A ces études déjà effectuées s'ajoutent d’autres applications en cours ou en développement portant sur des interfaces air-eau. Par ailleurs, les progrès de l’apprentissage machine pour mener des simulations à l'échelle atomique de réactions chimiques en présence d’eau dépendent de la qualité des simulations ab initio servant de base de données. Enfin, il convient de souligner que les développements algorithmiques et la puissance accrue des machines de calcul ont ouvert la voie à des trajectoires plus longues, sur des systèmes plus réalistes, ce qui améliore la valeur prédictive de ce type de simulations.
Mots clés : chimie théorique | réactivité chimique | simulations ab initio | expériences in silico
Cooperation of water to chemical reactions studied by ab initio molecular dynamics
Abstract:
Ab initio molecular dynamics is a method that can shed light on the mechanisms of chemical reactions in the presence of water molecules. Water can act as a reactant or assist the reaction, especially because of its ability to form dynamical chains of hydrogen bonds. Such a dynamical network thus requires an explicit description of the solvent.
Various examples where water directly or indirectly cooperates to reactions will be described: water exchange in gadolinium complexes used as a contrast agent in medical imaging, hydration of small organic acids present in aerosols, hydrolysis of nuclear glasses, proton exchange in europium complexes used as PARACEST agents, desorption of an amino acid from a pyrite surface in the framework of the origins of life on Earth, exchange of a xenon atom encapsulated in cage molecules.
New projects feature air-water interfaces. Moreover, the development of machine learning to perform atomic scale simulations of chemical reactions in the presence of water depends on the accuracy of ab initio simulations used as data sets. Recent progress obtained by code optimizations and more powerful hardware are also mentioned since they paved the way for longer trajectories and more realistic systems.
Keywords: theoretical chemistry | chemical reactivity | ab initio simulation | in silico experiment
