Dichroprobe — Le dichroïsme circulaire comme sonde des interactions non covalentes

Le dichroïsme circulaire vibrationnel (VCD) est la faible différence d'absorption entre la lumière polarisée circulaire droite et gauche par une molécule chirale, dans le domaine des transitions vibrationnelles. Outre son utilisation pour la détermination des configurations absolues, le VCD est très sensible à l'isomérie conformationnelle, aux interactions moléculaires et à la solvatation, et fournit ainsi une sonde extrêmement sensible de ces effets. Toutefois, une description quantitative des spectres VCD de molécules complexes dans des environnements réalistes, comme c’est par exemple le cas pour une molécule d’intérêt pharmaceutique en solution aqueuse, se heurte toujours à deux difficultés majeures. D’une part, la flexibilité moléculaire doit être prise en compte à un coût de calcul acceptable. D’autre part, l’allure des spectres VCD en phase condensée peut être fortement altérée par les interactions moléculaires avec l’environnement, en particulier le solvant, ce dont les méthodes utilisées actuellement rendent compte de façon insuffisante. En effet, il est possible de reproduire les changements d'équilibre conformationnel avec le solvant grâce à des études structurelles précises, mais la sensibilité des spectres VCD aux interactions spécifiques avec l'environnement reste en revanche une question ouverte. Un cas particulièrement complexe est la liaison hydrogène, qui modifie les moments dipolaires électriques et magnétiques associés à un mode de vibration donné, et donc l’allure de la transition associée dans le spectre VCD. Le projet Dichroprobe vise à développer des méthodes dépendant du temps innovantes, qui reposent en particulier sur des simulations de dynamique moléculaire (MD), pour calculer les spectres IR et VCD à partir des fonctions de corrélation temporelle des moments dipolaires électriques et magnétiques, rendant ainsi compte de l'anharmonicité, des effets de température, et des effets d’environnement. Les calculs de dynamique moléculaire par champs de force polarisables et de MD premiers principes seront validés par comparaison avec les spectres VCD expérimentaux en phase condensée, obtenus dans différents solvants, non polaires comme le chloroforme ou polaire comme le DMSO ou des solvants protiques. La variation des spectres en fonction de la température informera directement sur les équilibres conformationnels. Les spectres obtenus par MD seront comparés à des méthodes statiques de type « cluster-in-a-bulk», qui décrivent l'interaction soluté-solvant comme un agrégat de taille finie, contenant le soluté et un petit nombre de molécules de solvant, dans un solvant traité comme un continuum polarisable. Les calculs de dynamique moléculaire par champs de force polarisables seront étendus au solide et aux systèmes supramoléculaires, pour lesquelles aucune théorie satisfaisante n’existe à l’heure actuelle. Les spectres simulés dans ce cadre seront comparés aux spectres expérimentaux. Des outils d'attribution de mode seront développés dans le cadre des simulations MD pour une description complète des modes de vibration. Cela sera spécialement utile dans le cas d’agrégats ou pour le solide dans lequel le couplage entre modes et les couplages excitoniques vibrationnels devraient avoir de fortes conséquences sur la forme des spectres VCD. Outre son intérêt spectroscopique fondamental, ce projet fournira des outils inestimables pour simuler les spectres VCD de systèmes flexibles de grande taille, dans des environnements réalistes, et à un coût acceptable. Ces outils innovants et fiables seront développés sur la base d’une politique « open access » et seront implémentés dans des logiciels d’accès libre. Ce travail sera donc bénéfique pour une large communauté dans le domaine de la chimie et de la pharmacologie où la chiralité est omniprésente et aidera à promouvoir le VCD comme outil analytique efficace.