Mécanismes de transfert de proton d’une réaction acido-basique en phase aqueuse : une étude ab-initio

Les réactions de transfert de proton se retrouvent abondamment dans la nature et sont des processus cruciaux dans plusieurs réactions chimiques et biologiques, qui se produisent souvent en milieu aqueux. Les mécanismes régissant ces échanges de protons sont complexes et encore mal compris, suscitant un intérêt des chercheurs en vue d’une meilleure compréhension fondamentale du processus de transfert. Le présent manuscrit présente une étude mécanistique portant sur une réaction de transfert de proton entre un acide (phénol fonctionnalisé) et une base (ion carboxylate) en phase aqueuse. Les résultats obtenus sont basés sur un grand nombre de simulations de dynamique moléculaire ab-initio réalisées pour des systèmes de type « donneur-pont-accepteur », où le pont se trouve à être une unique molécule d’eau, permettant ainsi l’élaboration d’un modèle cinétique détaillé pour le système étudié. La voie de transfert principalement observée est un processus ultra-rapide (moins d’une picoseconde) passant par la formation d’une structure de type « Eigen » (H9O4+) pour la molécule d’eau pontante, menant directement à la formation des produits. Une seconde structure de la molécule d’eau pontante est également observée, soit une configuration de type « Zündel » (H5O2+) impliquant l’accepteur de proton (l’ion carboxylate) qui semble agir comme un cul-de-sac pour la réaction de transfert de proton.

Mécanismes de transfert de proton d’une réaction acido-basique en phase aqueuse : une étude ab-initio

Les réactions de transfert de proton se retrouvent abondamment dans la nature et sont des processus cruciaux dans plusieurs réactions chimiques et biologiques, qui se produisent souvent en milieu aqueux. Les mécanismes régissant ces échanges de protons sont complexes et encore mal compris, suscitant un intérêt des chercheurs en vue d’une meilleure compréhension fondamentale du processus de transfert. Le présent manuscrit présente une étude mécanistique portant sur une réaction de transfert de proton entre un acide (phénol fonctionnalisé) et une base (ion carboxylate) en phase aqueuse. Les résultats obtenus sont basés sur un grand nombre de simulations de dynamique moléculaire ab-initio réalisées pour des systèmes de type « donneur-pont-accepteur », où le pont se trouve à être une unique molécule d’eau, permettant ainsi l’élaboration d’un modèle cinétique détaillé pour le système étudié. La voie de transfert principalement observée est un processus ultra-rapide (moins d’une picoseconde) passant par la formation d’une structure de type « Eigen » (H9O4+) pour la molécule d’eau pontante, menant directement à la formation des produits. Une seconde structure de la molécule d’eau pontante est également observée, soit une configuration de type « Zündel » (H5O2+) impliquant l’accepteur de proton (l’ion carboxylate) qui semble agir comme un cul-de-sac pour la réaction de transfert de proton.

Elementary steps in aqueous proton transfer reactions : a first principles molecular dynamics study

La nature des acides dans un environnement aqueux est primordiale dans de nombreux aspects de la chimie et de la biologie. La caractéristique principale d'un acide est sa capacité à transférer un proton vers une molécule d'eau ou vers n'importe quelle base, mais ce procédé n'est pas aussi simple qu'il y paraît. Il peut au contraire être extrêmement complexe et dépendre de manière cruciale de la solvatation des différents intermédiaires de réaction impliqués. Cette thèse décrit les études computationnelles basées sur des simulations de dynamique moléculaire ab initio qui ont pour but d'obtenir une description à l'échelle moléculaire des divers procédés de transferts de proton entre acide et bases dans un milieu aqueux. Pour cela, nous avons étudié une serie de système, dont l'acide hydrofluorique aqueux, l'acide trifluoroacétique aqueux, et un système modèle constitué d'un phénol et d'une entité carboxylate reliés entre eux par une molécule d'eau en solution aqueuse. Deux états intermédiaires ont été identifiés pour le transfert d'un proton depuis un acide. Ces intermédiaires apparaissent stabilisés par un motif local de solvatation via des ponts H. Leurs signatures spectroscopiques ont été caractérisées au moyen de la spectroscopie infrarouge, en utilisant le formalisme de la dynamique moléculaire ab initio, qui inclut l'effet quantique nucléaire de manière explicite. Cette étude a aussi identifié trois chemins de réaction élémentaire, qui sont responsable pour le transfert d'un proton d'un acide à une base, ainsi que leurs échelles de temps caractéristiques. Les conclusions tirées de ces études sont discutées dans les détails, au niveau moléculaire, avec une emphase sur les comparaisons entre les résultats théoriques et les mesures expérimentales obtenues dans a littérature ou via des collaborateurs.

Calculs ab initio de structures électroniques pour un meilleur design de polymères photovoltaïques

La présente thèse porte sur l'utilité de la théorie de la fonctionnelle de la densité dans le design de polymères pour applications photovoltaïques. L'étude porte d'abord sur le rôle des calculs théoriques pour la caractérisation des polymères dans le cadre de collaborations entre la théorie et l'expérience. La stabilité et les niveaux énergétiques de certaines molécules organiques sont étudiés avant et après la sulfuration de leurs groupements carbonyles, un procédé destiné à diminuer le band gap. Les propriétés de dynamique électronique, de séparation des porteurs de charges et de spectres de vibrations Raman sont également explorées dans un polymère à base de polycarbazole. Par la suite, l'utilité des calculs théoriques dans le design de polymères avant leurs synthèses est considérée. La théorie de la fonctionnelle de la densité est étudiée dans le cadre du modèle de Scharber afin de prédire l'efficacité des cellules solaires organiques. Une nouvelle méthode de design de polymères à faible band gaps, basée sur la forme structurale aromatique ou quinoide est également présentée, dont l'efficacité surpasse l'approche actuelle de donneur-accepteur. Ces études sont mises à profit dans l'exploration de l'espace moléculaire et plusieurs candidats de polymères aux propriétés électroniques intéressantes sont présentés.

Étude ab initio des nanotubes de carbone

Le sujet de ce mémoire est l’étude ab initio des nanotubes de carbone. Premièrement, une introduction du sujet est présentée. Elle porte sur l’historique, la structure géométrique et électronique et les applications possibles des nanotubes de carbone. En deuxième lieu, la stabilité énergétique des nanotubes de carbones double parois ainsi que leur structure électronique sont étudiées. On trouve entre autres que le changement d’hybridation provoque une chute de l’énergie du dernier niveau occupé pour les petits nanotubes. Troisièmement, nous présenterons une étude sur la dépendance en diamètre et en métallicité du greffage d’unité bromophényle sur la surface des nanotubes. La principale conclusion est qu’il est plus facile de fonctionnaliser les nanotubes de petit diamètre puisque ceux-ci ont déjà une partie d’hybridation sp3 dans leur structure électronique. Finalement, le dernier chapitre aborde la combustion des nanotubes par le dioxyde de carbone. On constate que cette combustion ne peut pas débuter sur une surface intacte, ni par un pontage d’oxygène dû à la grande quantité d’énergie requise. La réaction privilégiée est alors la combustion par les extrémités du nanotube. Nous proposons une dynamique de réaction qui contient une sélectivité en diamètre.

C-BN Single-Walled Nanotubes from Hybrid Connection of BN/C Nanoribbons: Prediction by ab initio Density Functional Calculations

We demonstrated for the first time by ab initio density functional calculation and molecular dynamics simulation that C0.5(BN)0.5 armchair single-walled nanotubes (NT) are gapless semiconductors and can be spontaneously formed via the hybrid connection of graphene/BN Nanoribbons (GNR/BNNR) at room temperature. The direct synthesis of armchair C0.5(BN)0.5 via the hybrid connection of GNR/BNNR is predicted to be both thermodynamically and dynamically stable. Such novel armchair C0.5(BN)0.5 NTs possess enhanced conductance as that observed in GNRs. Additionally, the zigzag C0.5(BN)0.5 SWNTs are narrow band gap semiconductors, which may have potential application for light emission. In light of recent experimental progress and the enhanced degree of control in the synthesis of GNRs and BNNR, our results highlight an interesting avenue for synthesizing a novel specific type of C0.5(BN)0.5 nanotube (gapless or narrow direct gap semiconductor), with potentially important applications in BNC-based nanodevices.

Formation of single-walled carbon nanotube via the interaction of graphene nanoribbons : ab initio density functional calculations

The interaction of bare graphene nanoribbons (GNRs) was investigated by ab initio density functional theory calculations with both the local density approximation (LDA) and the generalized gradient approximation (GGA). Remarkably, two bare 8-GNRs with zigzag-shaped edges are predicted to form an (8, 8) armchair single-wall carbon nanotube (SWCNT) without any obvious activation barrier. The formation of a (10, 0) zigzag SWCNT from two bare 10-GNRs with armchair-shaped edges has activation barriers of 0.23 and 0.61 eV for using the LDA and the revised PBE exchange correlation functional, respectively, Our results suggest a possible route to control the growth of specific types SWCNT via the interaction of GNRs.

Hydrogen spillover mechanism on a pd-doped mg surface as revealed by ab initio density functional calculation

The hydrogenation kinetics of Mg is slow, impeding its application for mobile hydrogen storage. We demonstrate by ab initio density functional theory (DFT) calculations that the reaction path can be greatly modified by adding transition metal catalysts. Contrasting with Ti doping, a Pd dopant will result in a very small activation barrier for both dissociation of molecular hydrogen and diffusion of atomic H on the Mg surface. This new computational finding supports for the first time by ab initio simulationthe proposed hydrogen spillover mechanism for rationalizing experimentally observed fast hydrogenation kinetics for Pd-capped Mg materials.

Half metallicity in a zigzag double-walled nanotube nanodot : an Ab initio prediction

Ab initio density functional calculations were performed to study finite-length zigzag (7, 0) @ (16, 0) double-walled carbon nanotubes (DWCNTs) with H-termination at the open ends. We find that such a DWCNT nanodot displays a very large magnetic moment at the zigzag edges and the ground state displays symmetric anti-ferromagnetic coupling. When an external electric field is applied along the direction of tube axis, a gap is opened for one spin channel, whereas another spin channel remains metallic, i.e. half metallicity occurs. Our results suggest an important new avenue for the development of CNT-based spintronic materials with enhanced properties.

The catalytic role of an isolated-Ti atom in the hydrogenation of Ti-doped Al(001) surface : An ab initio density functional theory calculation

Recent work [S. Chaudhuri, J.T. Muckerman, J. Phys. Chem. B 109 (2005) 6952] reported that two Ti-substituted atoms on an Al(0 0 1) surface can form a catalytically active site for the dissociation of H2, but the diffusion barrier of atomic H away from Ti site is as high as 1.57 eV. By using ab initio density functional calculations, we found that two hydrogen molecules can dissociate on isolated-Ti atom doped Al(0 0 1) surface with small activation barriers (0.21 and 0.235 eV for first and second H2, respectively). Additionally, the diffusion barrier of atomic H away from Ti site is also moderate (0.47 eV). These results contribute further towards understanding the improved kinetics observed in recycling of hydrogen with Ti-doped NaAlH4.

The location of Ti atom in sodium alanate : an ab initio spin-polarised study

In this work, ab initio spin-polarised Density Functional Theory (DFT) calculations are performed to study the interaction of a Ti atom with a NaAlH4(001) surface. We confirm that an interstitially located Ti atom in the NaAlH4 subsurface is the most energetically favoured configuration as recently reported (Chem. Comm. (17) 2006, 1822). On the NaAlH4(001) surface, the Ti atom is most stable when adsorbed between two sodium atoms with an AlH4 unit beneath. A Ti atom on top of an Al atom is also found to be an important structure at low temperatures. The diffusion of Ti from the Al-top site to the Na-bridging site has a low activation barrier of 0.20 eV and may be activated at the experimental temperatures (∼323 K). The diffusion of a Ti atom into the energetically favoured subsurface interstitial site occurs via the Na-bridging surface site and is essentially barrierless.

Role of lithium vacancies in accelerating the dehydrogenation kinetics on a LiBH4(010) surface : an Ab initio study

In this work, ab initio density functional calculations were performed to explore the effect of surface lithium vacancies on the initial dehydrogenation kinetics of lithium borohydride. We found that some B−H bonds in neighboring BH4-1 complexes around the vacancy became elongated (weakened). The activation barriers for the recombination of H atoms to form H2 were decreased from 3.64 eV for the stoichiometrically complete LiBH4(010) surface to 1.53 and 0.23 eV in the presence of mono- and di-vacancies, respectively. Our results indicate that the creation of Li vacancies may play a critical role in accelerating the dehydrogenation kinetics of LiBH4.

Vacancy mediated desorption of hydrogen from a sodium alanate surface : An ab initio spin-polarized study

Ab initio spin-polarized density functional theory calculations are performed to explore the effect of single Na vacancy on NaAlH4(001) surface on the initial dehydrogenation kinetics. The authors found that two Al–H bond lengths become elongated and weakened due to the presence of a Na vacancy on the NaAlH4(001) surface. Spontaneous recombination from the surface to form molecular hydrogen is observed in the spin-polarized ab initio molecular dynamics simulation. The authors’ results indicate that surface Na vacancies play a critical role in accelerating the dehydrogenation kinetics in sodium alanate. The understanding gained here will aid in the rational design and development of complex hydride materials for hydrogen storage

Structural and electronic properties of diazonium functionalized (4, 4) single walled carbon nanotube : an ab initio study

In this work, ab initio density functional theory (DFT) calculations are performed to study the structural and electronic properties of diazonium reagent functionalized (4, 4) single-walled carbon nanotube (SWCNT). We find the aryl group covalently bonds with SWCNT and prefers to be perpendicular to the side wall of nanotube. It has a rotational barrier of 0.35 eV around the formed aryl-tube bond axis and should be thermodynamically stable at room temperature. Additionally, new peaks appeared around the Fermi energy in the density of state (DOS) due to the weak band dispersion. Increasing of the coverage of the functional group will result in significant upshift of the Fermi level.