Chimie théorique et modélisation

La première partie du cours présente les connaissances fondamentales de la chimie organométallique des métaux de transition. Il commence par la description de la liaison Métal-C permettant la compréhension de sa stabilité et de sa réactivité chimique.  Dans un deuxième temps, on montrera la puissance de cet outil de synthèse pour la formation de liaison C-H, C-C, …Des exemples de leurs applications dans différents domaines permettront l’acquisition de ces réactions et de leurs champs d’applications : chimie fine, transformations catalytiques d'importance industrielle, synthèse de produits naturels, préparation de matériaux.

La deuxième partie de ce cours est dédiée à la chimie des hétéro-éléments centrée sur les éléments Silicium, Etain et Bore. Cette partie vise à présenter les différentes méthodes de préparation des réactifs à base de bore, d'étain et de silicium ainsi que les principales transformations réalisées avec ces composés, avec des applications en synthèse organique et synthèse de matériaux.

CM : 13 H 

TD :  7 H

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Wavefunction of an excited electron trapped in a cubic box: model for a quantum dot state

- Introduction to basic concepts in quantum physics and its relation to chemistry, modern materials science and engineering of nanodevices.
- To achieve the goals of this course, a mathematically-rigorous approach is combined with the physical interpretation of the concepts, and the application of the most important QM models to electronic and magnetic spectroscopies and chemistry is illustrated.

Volumes horaires* :

            CM (Lectures) : 24H

            TD (Tutorials) : 12H

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Cette unité d’enseignement est dédiée à l’approfondissement des bases de chimie organique et de chimie de coordination vues en L3 et à l’acquisition de notions liées à l’ingénierie moléculaire et en chimie moléculaire. L’UE comporte des enseignements dispensés en cours magistraux et travaux dirigés. Les étudiants travailleront en amont de certains cours et travaux dirigés avec des documents de cours fournis permettant que les enseignements en cours et en TD puissent leur permettre d’être pleinement acteurs de la formation, de comprendre les notions présentées ainsi que les compétences à acquérir. Le programme de progression et les activités seront proposés. Pour les étudiants qui n’ont pas vu les bases élémentaires de la chimie de coordination et de la chimie organique, les documents seront mis à disposition.

Chimie de coordination : L’enseignement abordera les différents aspects des complexes de métaux de transition et des lanthanides, des matériaux moléculaires (complexes polynucléaire et polymères de coordination ayant de structures étendues (MOFs, etc.)) ainsi que leurs propriétés et applications. Les aspects structuraux, la description de la liaison, les propriétés, ainsi que les aspects liés à la stabilité et la réactivité seront abordés. Un accent sera mis sur l’effet de complexation et sur la stabilité des complexes des métaux, des lanthanides et des actinides avec certains ligands en vue d’applications dans les domaines biomédical (imagerie et thérapie), de la décontamination (domaine nucléaire), etc. Les propriétés électroniques (relaxivité, magnétisme) et optiques (absorption, luminescence) de ces complexes seront abordées et mises dans le contexte des applications dans divers domaines, tel que l’imagerie, l’électronique, les capteurs, etc.

Chimie Organique : L’enseignement s’appuie sur les connaissances acquises en Licence et abordera au travers d’une étude raisonnée les principaux mécanismes réactionnels de la chimie organique et permettra de donner un socle commun à l’ensemble des étudiants du Master Chimie. Les principaux processus (substitution, addition, élimination, transposition…) et leurs caractéristiques essentielles et applications aux séquences mécanistiques seront examinés. Ce cours doit permettre à l’étudiant de disposer d’outils généraux d’analyse des mécanismes (ioniques, radicalaires, concertés) pour appréhender ces mécanismes dans leur variété.

Volumes horaires* :

CM : 13 H

TD : 7 H

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Cette UE abordera les notions fondamentales et outils pratiques relatifs à la chimiométrie au travers de :             -     l’analyse statistique de données ;

• les lois de probabilité ;
• l’estimation par intervalle de confiance ;
• les tests paramétriques et non paramétriques.

Une initiation aux plans d’expériences sera proposée en fin de module.

Volumes horaires* :

CM : 7h

TD : 13h

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Le programme de cette UE est centré sur la description des principes et des applications des principales méthodes pour la caractérisation structurale de solides, films minces, surfaces et interfaces, ainsi que plusieurs exemples d’applications en chimie des matériaux. Il comprend les techniques suivantes.

• Introduction en RMN solide (Signal RMN, Interactions en RMN solide, Rotation à l’angle magique, Séquences RMN, Polarisation croisée, Instrumentation, etc.)
• Microscopie électronique : principe et application des microscopies électroniques à balayage et en transmission et des techniques corrélées (microanalyse EDS).
• Méthodes spectroscopiques : spectroscopie Raman, spectroscopie de photoélectrons, spectroscopies des rayons X (XAS, XRF, etc.), spectrométrie Mössbauer.

Volumes horaires* :

            CM : 10 h

            TD : 10 h

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Le module HAC720C traite, en 5 grandes parties, des « matériaux inorganiques avancés ». La 1^ère partie est dédiée aux généralités sur les matériaux inorganiques et aborde les relations structure-propriétés ; une attention particulière est apportée à la liaison chimique, le cristal réel, et le solide polycristallin ; les différentes classes de matériaux inorganiques sont décrites. La 2^nde partie porte sur les matériaux céramiques (définitions et propriétés) et leurs synthèses (matières premières dont argiles, mise en forme, séchage et déliantage, frittage) ; une distinction est faite entre les céramiques traditionnelles et les céramiques techniques (voies de synthèse des céramiques oxydes et non oxydes). La 3^ème partie concerne les verres (classification et voies de synthèse) et les vitrocéramiques (dévitrification et chimie douce) ; leurs propriétés et leurs applications sont également traitées. La 4^ème partie est dédiée aux métaux : propriétés des métaux et des alliages métalliques ; nanoparticules métalliques ; et, matériaux catalytiques. La 5^ème partie est consacrée aux matériaux inorganiques développés pour l’énergie ; céramiques (oxydes et non oxydes ; nanostructurés) et hydrures métalliques sont décrits (propriétés et synthèses) au travers de plusieurs exemples et dans le contexte de leurs applications (accumulateurs, stockage de l’hydrogène et captage du dioxyde de carbone).

Volumes horaires* :

CM : 13h

TD : 7h

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- Rappel de thermodynamique des systèmes monocomposants.

- Notions de base de thermodynamique des systèmes multicomposants. Potentiel chimique, relation de Gibbs-Duhem, variance.

- Notions sur les techniques d’analyses thermiques qui permettent la construction des diagrammes binaires/ternaires: ATG, ATD et DSC

- Construction et interprétation des diagrammes de phases binaires à partir de grandeurs thermodynamiques. Diagrammes d’enthalpie libre de Gibbs, pression et température en fonction de la composition du mélange binaire. Mélanges liquide-liquide, liquide-vapeur, solide-liquide.

- Transformation de phases : transitions de premier et deuxième ordre, points critiques. Exemples.

- L’état supercritique : définition, propriétés thermodynamiques, applications industrielles les plus étendues.

- Construction et interprétation des diagrammes de phases ternaires : variance, définitions eutectique ternaire, péritectique premier et second ordre, coupe isotherme, étude du refroidissement des alliages.

Volumes horaires* :

CM :13

TD :7

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Le projet professionnalisant assure la jonction entre les travaux pratiques classiques et le stage en laboratoire ou en entreprise. Il est réalisé sous la forme d’un projet tuteuré consistant en une mise en situation professionnelle de l’étudiant à travers un travail collaboratif (de groupe) basé sur la réalisation d’un projet en réponse à une problématique fixée par une entreprise, collectivité, association ou un universitaire. Il fait partie du tronc commun du Master Chimie et s’effectue sous la responsabilité d’un membre de l’équipe pédagogique tuteur (universitaire ou industriel). Mené tout au long du semestre, ce projet vise à mettre en relation et ancrer les connaissances/savoir-faire acquis dans le cadre de la formation universitaire de Licence et de début de Master à travers cette mise en situation professionnelle. Ces mises en situation seront en lien direct avec le parcours de Master choisi par les étudiants. En plus des compétences disciplinaires de la chimie, d’autres compétences relationnelles, organisationnelles et en communication, intrinsèquement liées à la conduite de projets, seront également acquises et armeront les étudiants pour leur future vie professionnelle.

Répondre à une problématique de recherche : exemple de synthèse de nouveau matériaux phosphorescents.

Volumes horaires* :

CM : 5h

TD : 5h

TP : 40h

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This lecture, entirely provided in English, gives a basic introduction into crystallography and electron diffraction for beginners. X-ray diffraction is an important characterization technique in modern chemistry the majority of crystalline structures in inorganic and organic solids have been solved by this method. It is therefore of importance for all students to have an understanding of its basic concepts and instrumentation. The course provides explanations and principles of X-ray diffraction together with the geometry and symmetry of X-ray patterns. Beside interaction principles of X-rays and matter, it treats how to obtain quantitative intensities for single crystal and powder diffraction patterns. It naturally includes the understanding of lattice planes and the reciprocal lattice concept together with the Ewald sphere construction. Further on it gives a basic understanding of the Fourier transform relation between the crystalline structure and the diffracted intensities as well as the reciprocal lattice concept.

Electron diffraction is a complementary technique to X-rays that provides information in terms of symmetry and geometry on the materials studied. In this course, we will therefore approach the description of the method for obtaining electron diffraction pattern and their interpretation. We will be able to obtain the lattice parameters, the reflection conditions as well as the groups of possible spaces.

This lecture serves also as the introductory part to the lecture Electron Microscopy and Crystallography II

CM :14

TD :6

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RMN :

La RMN (Résonance Magnétique Nucléaire) en phase liquide est une méthode spectroscopique d'analyse incontournable pour le chimiste, permettant notamment de déterminer la structure de petites molécules organiques ou macromolécules en solution, l'étude des phénomènes dynamiques... Cette UE a pour objectif de comprendre les phénomènes mis en jeu dans cette technique et de les relier aux différentes informations structurales accessibles par cette méthode. Le but est d'être capable d'exploiter les données spectrales issues de cette analyse pour élucider la structure et la stéréochimie de molécules organiques ou les structures de polymères, ou encore, pour réaliser le suivi de réaction.

Diffraction des rayons X :

La diffraction des rayons X est une technique puissante et non-destructive de caractérisation de la structure cristalline des matériaux mais également, capable de fournir des informations cristallographiques et structurales comme les paramètres de maille et les positions des atomes. Ceci comprend tous les matériaux cristallisés comme les céramiques, les matériaux pour le stockage et la transformation de l’énergie et de l’information ainsi que les molécules organiques et les complexes métalliques (distances et angles interatomiques, stéréochimie (chiralité, stéréoisomérie…), liaisons intra et intermoléculaires…). L’objectif de cette UE est une initiation à la cristallographie et à la diffraction, dont le but est de comprendre le fonctionnement et les caractéristiques d’un diffractomètre à rayons X, ainsi qu’interpréter des diagrammes de diffraction (analyse structurale, paramètres de maille).

Volumes horaires* :

            CM : 10

            TD : 10

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Les objectifs du cours sont d’expliquer le comportement macroscopique des systèmes par leur description microscopique et de présenter les caractéristiques universelles dans l’étude des systèmes thermodynamiques.

1. Rappels de thermodynamique
2. Une approche plus générale de la thermodynamique statistique

III. Généralités sur les systèmes de particules identiques sans interaction

1. Applications de la statistique de Boltzmann
2. Un exemple d’utilisation d’une autre statistique : le rayonnement du corps noir.

Volumes horaires* :

CM : 30

TD : 10

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Cet enseignement fournit les bases théoriques d’analyse de l’origine microscopique de propriétés physico-chimiques insolites.

Sont abordées des propriétés cruciales par l’intensité des recherches qu’elles suscitent et leurs applications technologiques : transfert électronique, magnétisme, photomagnétisme, bistabilité, conduction, etc. Plusieurs types de composés seront étudiés : interrupteurs moléculaires, molécules aromatiques mono et multi-radicalaires et stratégie d’assemblage de structures organiques ordonnées à haut spin, composés à transition de spin, molécules aimants, complexes poly-métalliques couplés ferro-, antiferro- ou ferrimagnétiquement.

1. Dérivation de modèles simples pour les systèmes fortement corrélés (Heisenberg).
2. Composés hydrocarbonés : aromaticité et propriétés magnétiques de systèmes cycliques et polycycliques polyradicalaires.
3. Complexes monométalliques : composés à transition de spin (théories du champ cristallin et du champ de ligand, concept de bistabilité). Composés anisotropes magnétiquement (couplage spin orbite), vers les aimants moléculaires (hystérèse)...
4. Complexes bimétalliques : transfert électronique (interrupteur moléculaires) dans les composés à valence mixte et échange de spin dans les composés magnétiques (couplages ferro- et antiferromagnétique), photomagnétisme.

Volumes horaires* :

CM : 24

TP : 8

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Les propriétés électroniques et optiques des solides sont au cœur de nombreuses applications dans le domaine de l’énergie (panneaux photovoltaïques, réfrigérants passifs…), de la production de lumière (diodes blanches, lasers…), de l’électronique (composants, microprocesseurs…). Après une introduction sur ces différents champs d’application, cette UE a pour objectif de définir les différents concepts nécessaires à la maitrise à la fois des propriétés électroniques et optiques des matériaux indispensables à la compréhension des technologies les plus modernes.

Volumes horaires* :

            CM : 11H

            TD : 9H

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Un stage d’une durée de 2 à 4 mois doit être effectué dans un laboratoire de recherche ou de recherche et développement spécialisé en chimie théorique. Ainsi, les étudiants auront la possibilité d’effectuer ce stage au sein de laboratoires de recherche académiques ou privés. Sous réserve de l’acceptation préalable de l’équipe pédagogique (sujet de stage en lien avec les enseignements du master et environnement/moyens adéquats), l’étudiant pourra rechercher une équipe d’accueil en milieu académique dans les instituts du Pôle Chimie de l’Université de Montpellier, dans des laboratoires académiques hors de l’Université de Montpellier (en France ou à l’étranger) ou en secteur privé (industries chimiques, pharmaceutiques, …).

Ce stage d’une durée de 2 à 4 mois pourra débuter à partir de mi-mai après la session d’examen et ne pourra excéder 4 mois.

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In this course a complete description of the structural, electronic and vibrational properties of molecules is given together with the quantum treatment of these properties in computer simulations.

In parallel the structural and electronic properties of solids is addressed with an emphasis on the properties of metals and semiconductors.

Volumes horaires* :

            CM : 42H

            TD : 21H

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Ce cours vise à approfondir et compléter les connaissances acquises d’un point de vue théorique en
spectroscopie par les étudiants lors de leur licence.

Volumes horaires* :

CM : 15

TD : 9

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Une approche générale de la chimie de coordination des éléments f sera développée au travers des notions d’atomistique, de degré d’oxydation et de polyèdre de coordination dans le but de mettre en lumière les caractéristiques spécifiques des éléments f. Des comparaisons directes seront faites avec la chimie de coordination des éléments de transition et des applications en lien avec la chimie du nucléaire seront abordées.

Volumes horaires* :

            CM : 12h

            TD : 8h

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Cette UE abordera en petits groupes ou de manière personnalisée les outils pédagogiques et bonnes pratiques relatifs à la communication et à l’insertion professionnelle, au travers de :

• bilans de connaissances, savoirs, compétences, savoir être et motivations ;
• sensibilisation aux techniques de recherche d’emploi ;
• rédaction de CV et lettre de motivation ;
• règles de communications orales et écrite ;
• simulations d’entretiens d’embauche.

Des mises en situation en lien direct avec les secteurs d’activités ciblés par les parcours des étudiants concernés seront proposées.

TP : 20h

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Ce module d’enseignement a pour but de fournir et d’appréhender les bases théoriques associées à certaines méthodes de modélisation que l’on trouve dans différents domaines, des « petites molécules » au vivant et aux matériaux. Ce module se propose de répondre, pour partie, à trois questions : 1) Pourquoi modéliser ? 2) Quoi modéliser ? 3) Comment modéliser ?

Volumes horaires* :

CM : 14

TP : 6

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Ce module est une préparation à la poursuite d’études doctorales dans le domaine de la chimie théorique et spécialement dans le domaine de la chimie quantique. Les développements méthodologiques récents et le développement de logiciels de plus en plus performants ont démocratisé l’usage des logiciels de chimie quantique.

Le module contient des enseignements dans les domaines de la structure électronique et de la dynamique moléculaire . Le formalisme des différentes méthodes et leur domaine d’application seront détaillés pour permettre une utilisation éclairée des logiciels de chimie théorique et notamment quantique.

(1) structure électronique

– Hartree-Fock

– corrélation électronique, interaction de configurations, coupled cluster

– Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT)

(2) dynamique nucléaire

– dynamique classique et ab initio (Car Parrinello, Born-Oppenheimer, « propagateurs », ensembles thermodynamiques, calcul d’énergie libre)

– dynamique quantique des processus photos-induits (paquet d’ondes, dynamique adiabatique et non-adiabatique, lien avec le spectre d’absorption, représentation diabatique, dynamique mixte classique-quantique)

Volumes horaires* :

CM : 10

TD : 20

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Présenter les méthodes qui permettent d’explorer les propriétés physico-chimiques des matériaux par le calcul numérique. Donner les fondements mathématiques des outils numériques présentés dans le cadre de l’UE «Modélisation » au M1 et compléter les applications abordées dans le cadre de cette UE.

Volumes horaires* :

CM : 28

TD : 12

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Présenter les méthodes qui permettent d’explorer les propriétés physico-chimiques des matériaux par le calcul numérique. Donner les fondements mathématiques des outils numériques associés.

I- Introduction

II- Approche quantique : méthodes moléculaires : Mécanique quantique, équation de Schrödinger, méthodes DFT.

III- Approche quantique : les systèmes périodiques

IV- Dynamique moléculaire : approche classique

Volumes horaires* :

CM : 30

TD : 10

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Au cours de cet enseignement, les étudiants verront les principales méthodes numériques utilisées dans les logiciels scientifiques et plus particulièrement dans les programmes de chimie théorique.

Volumes horaires* :

CM : 21

TD : 9

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L’objectif est d’acquérir des compétences fortes en chimie théorique par la découverte ou l’approfondissement de diverses thématiques.

Ce module est organisé en deux phases : (i) des cours-séminaires en ligne, délivrés tout au long du premier semestre ; (ii) une semaine de formation intensive au début du mois de janvier, sur l’un des sites du pôle Sud- Ouest du Réseau Français de Chimie Théorique (Bordeaux, Montpellier, Pau, Toulouse).

Les thèmes abordés sont :

– chimie quantique et relativité

– méthodes Monte-Carlo

– exploration des surfaces d’énergie potentielle

– calcul de la structure électronique de systèmes périodiques

– dynamique quantique

– calcul de propriétés spectroscopiques

Volumes horaires* :

CM : 40

TD : 20

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Des exemples de réactions de la catalyse homogène seront présentés en insistant sur les concepts sous-jacents et les limitations des approches théoriques (DFT principalement). La métathèse des oléines et des exemples de polymérisation illustreront la catalyse supportée, en insistant sur l’influence du support.

Divers exemples illustreront la spécificité des nanocatalyseurs, en distinguant le rôle respectif des facteurs électroniques et géométriques.

Volumes horaires* :

CM : 20

TD : 10

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Un stage d’une durée de 5 à 6 mois doit être effectué dans un laboratoire de recherche ou de recherche et développement spécialisé en chimie théorique. Ainsi, les étudiants auront la possibilité d’effectuer ce stage de fin d’étude au sein de laboratoires de recherche académiques ou privés. Sous réserve de l’acceptation préalable de l’équipe pédagogique (sujet de stage en lien avec les enseignements du master et environnement/moyens adéquats), l’étudiant pourra rechercher une équipe d’accueil en milieu académique dans les instituts du Pôle Chimie de l’Université de Montpellier, dans des laboratoires académiques hors de l’Université de Montpellier (en France ou à l’étranger) ou en secteur privé (industries chimiques, pharmaceutiques, …).

Ce stage d’une durée de 5 à 6 mois pourra débuter à partir de mi-janvier après la session d’examen et ne pourra excéder 6 mois pour une période au semestre 10 comprise durant la validité de l’inscription universitaire.

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