Présentation de ma thèse d’exercice

L’objectif de cette thèse d’exercice en pharmacie est la mise en place d’un outil interactif en ligne, dans le domaine de la chimie, permettant la visualisation de molécules chimiques couramment étudiées au cours des Enseignements Dirigés de chimie analytique à l’ISPB. L’outil mis en place permet de visualiser pour les molécules choisies, l’interactivité entre un modèle moléculaire 3D issu de données théoriques et un spectre infrarouge obtenu expérimentalement.

De plus, la thèse permet, au travers d’un guide intégré à cette dernière, de reproduire toute la démarche avec de nouvelles molécules. Toutes les étapes sont détaillées, du choix de la molécule jusqu'à son intégration sur le site web.

Avec cette page de documentation, nous souhaitons présenter le projet pédagogique derrière ce projet de thèse d’exercice, ainsi que les outils utilisés au cours de ce dernier.

Présentation de l’outil en tant que tel

Cet outil permet à toute personne qui le souhaite, de visualiser simultanément une représentation 3D des molécules disponibles, obtenue de manière théorique par calcul, ainsi que les spectres IR expérimentaux de ces molécules.

L’interactivité proposé par l’outil permet, lorsque l’on sollicite une bande d’absorption sur le spectre IR d’une molécule, d’obtenir l’animation de la partie de la molécule 3D liée à cette bande. De plus, est indiqué pour les bandes d’absorption, quel est le type de vibration (élongation ou déformation), ainsi que le nombre d’onde correspondant.

Projet pédagogique

L’objectif pédagogique est la réalisation d’un outil interactif en ligne, à destination des étudiants en pharmacie de Lyon, appliqué à la spectrophotométrie dans le moyen infrarouge.

Nous avons sélectionné neuf molécules chimiques présentant un intérêt pédagogique. Cinq de ces molécules sont notamment étudiés au travers d’enseignements dirigés en deuxième année de pharmacie au sein de l’ISPB Lyon 1.

Le travail de thèse s’est articulé en trois points :

• La mesure expérimentale des spectres Infrarouges des molécules chimiques, à l’aide du spectromètre Spectrum Two au laboratoire.
• La construction de fichiers hybrides, au format JCAMP-DX, composés à la fois de données théoriques obtenus par calcul avec des logiciels de chimie physique, et de données expérimentales infrarouge.
• La création de ce site web, afin d’y insérer l’outil interactif et les données sur les molécules d’intérêts.

La mesure expérimentale est réalisée au laboratoire pour les dix molécules. Nous utilisons le Spectrum Two de Perkin-Elmer, un spectrophotomètre à transformée de Fourier. Il nous permet d’obtenir les spectres infrarouges de manière expérimentale en format numérique.

À noter que pour trois des molécules chimiques de ce travail de thèse (Acide propanoïque, 4-ethyltoluène, 2-Methyl-2-propen-1-ol), il n'a pas été possible d'obtenir les matières premières afin de mesurer les spectres infrarouges au laboratoire. Nous avons donc récupérer des spectres infrarouges expérimentaux en format numérique directement sur la base de données du NIST.

Pour la construction des fichiers hybrides, nous sommes passés par plusieurs étapes :

• Nous obtenons sur le site web ChemSpider, appartenant à la Royal Society of Chemistry, les coordonnées 3D, sous forme de fichier au format MOL, des dix molécules d’intérêts.
• À l’aide du logiciel Avogadro, on optimise géométriquement les coordonnées 3D, puis on sauvegarde en un fichier XYZ contenant les coordonnées optimisées de chaque atome composant chacune des molécules.
• Par la suite, à l’aide du logiciel Orca, nous utilisons le fichier XYZ, dans un fichier d’entrée, permettant le calcul des modes vibrationnels de la molécule.
• Nous obtenons un fichier de sortie, qui contient l’intégralité des données sur les molécules chimiques dont les modes vibrationnels prédits.
• Nous choisissons les modes vibrationnels à animer pour les différentes molécules à l’aide du logiciel Gabedit, en visualisant les données théoriques précédemment obtenues.
• On compile les données théoriques et les données expérimentales pour chacune des molécules dans un fichier au format JCAMP-MOL avec extension .dx.

Le site web a quant à lui été réalisé en format HTML pour la création des pages. L’utilisation du langage javascript a été nécessaire pour la mise en place de l’outil interactif. C’est cet outil qui permet de visualiser l’interactivité entre les données théoriques et les données expérimentales.

Nous allons maintenant présenter les outils utilisés, ainsi que les liens vers les sites des concepteurs de ces différents outils.

Présentation des outils

La réalisation de ce projet pédagogique passe par l’utilisation de plusieurs logiciels, que l’on va maintenant présenter.

ORCA

Le logiciel Orca est un logiciel libre de chimie physique développé par Frank Neese et al. Ce logiciel permet de réaliser des calculs concernant la chimie des molécules. Dans notre cas, il nous a servi à calculer de manière théorique les modes vibrationnels des molécules. Il est disponible pour plusieurs plateformes, dont Windows, macOS et Linux.

Neese, F. “The ORCA program system” Wiley interdisciplinary Reviews - Computational Molecular Science, 2012, Vol 2., Issue 1, Pages 73–78

Avogadro

Le logiciel Avogadro est un logiciel libre permettant de construire et visualiser des molécules. Il permet de visualiser des modèles moléculaires en 3D à partir de différentes sources de données. Dans notre cas, il nous a servi à optimiser la géométrie des molécules chimiques étudiées. Il nous a également servi à choisir quels modes vibrationnels animer pour les molécules. Il est disponible pour plusieurs plateformes, dont Windows, macOS et Linux.

Avogadro: an open-source molecular builder and visualization tool. Version 1.XX.

Gabedit

Le logiciel Gabedit est un logiciel libre de visualisation et de modélisation de molécules. Il est développé par Allouche, A.-R., enseignant-chercheur en chimie de l’université de Lyon 1, en France. Dans notre cas, le logiciel nous a aidé à choisir les modes vibrationnels à animer pour les molécules. Il est disponible pour plusieurs plateformes, dont Windows, macOS et Linux.

Gabedit—A graphical user interface for computational chemistry softwares. Allouche, A.-R., Journal of Computational Chemistry, 32 (2011) 174–182.

JSmol

Le logiciel JSmol est un logiciel de visualisation et de modélisation de molécules. Dans notre cas, le logiciel JSmol nous permet d’afficher les molécules sous formes 3D. L’utilisation de ce logiciel dans sa version Javascript permet à notre site web d’afficher dans le même temps la structure moléculaire 3D, et le spectre IR correspondant. Il est également disponible en tant qu’application seule sous le nom de JSpecView, pour plusieurs plateformes, dont Windows, macOS et Linux.

Jmol: an open-source Java viewer for chemical structures in 3D.

Format de fichier JCAMP-MOL

Afin de pouvoir visualiser conjointement le modèles et les spectres IR, nous avons dû utiliser un fichier hybride. C’est dans cette optique qu’a été développé le fichier hybride JCAMP-MOL, un fichier permettant l’interactivité entre les données moléculaires 3D théorique et les données de spectroscopie IR expérimentale d’une molécule. Le fichier JCAMP-MOL est une extension du format JCAMP-DX standard. JCAMP-DX est le format de fichier couramment utilisé pour les données de spectroscopie. Il a été créé par la Jcamp (Joint Committee on Atomic and Molecular Physical Data), et permet le stockage des données de spectroscopie, aussi bien celle de RMN que d’ IR par exemple. Ce type de fichier a été retravaillé par les deux auteurs R. Hanson et R. Lancashire, afin de pouvoir faire interagir les données expérimentales du spectre IR avec les données théoriques du modèle molécule 3D.

JCAMP-DX: A Standard Form for the Exchange of Infrared Spectra in Computer Readable Form OBERT S. McDONALD and PAUL A. WILKS, JR

JCAMP-MOL: A JCAMP-DX extension to allow interactive model/spectrum exploration using Jmol and JSpecView Robert M. Hanson Robert J. Lancashire