Détermination d’un protocole de calcul pour la prédiction de spectres UV-vis de molécules en solution

Abstract

The present work focuses on the development and application of low-cost computational protocols for predicting and studying spectral features and photoinduced chemical transformations of dyes in solution. The purpose of our study is to develop computational tools for understanding and modelling complex processes that will support the PILI company in its goal of designing new eco-friendly dyes.Briefly, Chapter 1 and Chapter 2 focus on the thesis topic and on the methods. After that, we propose three procedures designed for both rigid and flexible metal-free chromophores, namely anthraquinones, indigos and merocyanines. For the first two molecular classes we present computational scheme for obtaining the colors of these dyes by modelling their absorption spectra by means of empirical and non-empirical methods. This will be the topic of Chapter 3.For the merocyanine dyes we try to disentangle the complex node between structure and properties of this class of flexible systems employing a multiscale approach based on Monte Carlo sampling and electronic structure methods. This will be discussed in Chapter 4.In Chapter 5, we model a photochemical reaction via linear synchronous transit interpolation and we follow the excited state evolution by employing both the density based indexes and spin-orbit data in order to quantitatively describe the reaction mechanism with the goal of improving the synthesis of anthraquinone dyes.Finally, in Chapter 6, we draw conclusions and perspectives.Overall, with the protocol proposed we are able to partially overcome some relevant computational challenges for predicting the spectroscopic signatures of industrial dyes. The schemes developed offer a robust, reliable and cost-effective strategy for the computational modelling of processes which involve the excited states.Le présent travail se concentre sur le développement et l'application de protocoles de calcul à faible coût pour prédire et étudier les caractéristiques spectrales et les transformations chimiques photoinduites des colorants en solution. Le but de notre étude est de développer des outils informatiques pour comprendre et modéliser des processus complexes qui aideront la société PILI dans son objectif de concevoir de nouveaux colorants écologiques.Brièvement, le Chapitre 1 et le Chapitre 2 se concentrent sur le sujet de la thèse et sur les méthodes. Ensuite, nous proposons trois procédures conçues pour les chromophores organiques rigides et flexibles, à savoir les anthraquinones, les indigos et les mérocyanines. Pour les deux premières classes moléculaires, nous présentons un schéma de calcul pour obtenir les couleurs de ces colorants en modélisant leurs spectres d'absorption au moyen de méthodes empiriques et non empiriques. Ce sera le sujet du Chapitre 3.Pour les colorants mérocyanines, nous essayons traiter la complexité entre la structure et les propriétés de cette classe de systèmes flexibles en utilisant une approche multi-échelle basée sur l'échantillonnage de Monte Carlo et des méthodes de structure électronique. Cette approche sera discutée au Chapitre 4.Dans le Chapitre 5, nous modélisons une réaction photochimique par interpolation linéaire de transit synchrone et nous suivons l'évolution de l'état excité en utilisant à la fois des indices basés sur la densité et des données de spin-orbite afin de décrire quantitativement le mécanisme de réaction dans le but d'améliorer la synthèse des colorants anthraquinones.Enfin, dans le Chapitre 6, nous tirons des conclusions et des perspectives.Dans l'ensemble, avec le protocole proposé, nous sommes en mesure de surmonter en partie certains défis informatiques clés pour prédire les signatures spectroscopiques des colorants industriels. Les schémas développés offrent une stratégie robuste, fiable et rentable pour la modélisation computationnelle des processus qui impliquent les états excités