Générer des benzénoïdes à l’envi via l'intelligence artificielle

Résultats scientifiques

Les propriétés électroniques (conductivité, magnétisme…) des benzénoïdes, constitués de cycles de carbones hexagonaux et d’hydrogènes, fusionnés en structure de nids d'abeilles, permettent d’envisager l’utilisation de ces molécules en nanoélectronique. Mais leur synthèse étant complexe, des scientifiques de l’Institut des sciences moléculaires de Marseille en collaboration avec ceux du Laboratoire d'informatique et systèmes (CNRS/ Aix-Marseille Université) ont développé une application qui permet, quel que soit le nombre de cycles, de générer toutes les structures associées à une propriété recherchée. Une avancée qui devrait permettre aux chimistes d’orienter leurs synthèses vers des molécules prometteuses.

Les benzénoïdes, de la famille des HAP (hydrocarbures polycycliques aromatiques), sont des molécules formées de cycles de carbone hexagonaux fusionnés en structure de nids d'abeilles. Elles présentent un intérêt en nanoélectronique (on parle du graphène pour les batteries par exemple) et pourraient également intégrer des dispositifs magnétiques sous forme de nanoaimants. Mais leurs propriétés électroniques dépendent de la manière dont ces hexagones sont arrangés dans la structure. Par exemple, les deux molécules benzénoïdes représentés sur la figure 1 ont des structures très voisines car elles ils ne diffèrent que par la position d'un hexagone. Cependant, (1) peut être synthétisé et isolé alors que (2) est très instable. Savoir prédire quelles seront les propriétés électroniques en fonction de l’agencement que peuvent prendre les hexagones est indispensable au chimiste pour orienter ses synthèses vers des systèmes pertinents.

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Deux benzénoïdes de structures très voisines mais aux propriétés différentes. © Yannick Carissan

Pour cela, il est nécessaire, pour chaque famille de benzénoïdes, de générer tous les arrangements possibles des N hexagones qui le constituent et de prédire les propriétés de chacun d’eux pour ne retenir que les systèmes pertinents en nanoélectronique. Si la tâche est simple lorsque N est petit (3 solutions pour N=3), il est fastidieux, mais encore possible de le faire « à la main » pour N=6 (81 benzénoïdes). Au-delà, un traitement par ordinateur devient nécessaire.

C’est pourquoi des scientifiques de l’Institut des Sciences Moléculaires de Marseille et du Laboratoire d'informatique et systèmes (CNRS/ Aix-Marseille Université) ont développé BenzAI, un logiciel de calcul libre et gratuit, qui permet de générer toute forme de benzénoïdes et de déterminer leur structure électronique. En sélectionnant des contraintes, structurales par exemple, Benzai permet de trier les molécules d’intérêt qui possèderont des propriétés recherchées une fois insérées dans des dispositifs.

Cette nouvelle approche va permettre aux chimistes de synthèse mais aussi aux théoriciens de concentrer leurs efforts sur les systèmes pertinents comme les aimants moléculaires pressentis pour le stockage de l’information. Résultats à retrouver dans le Journal of Chemical Information and Modeling.

Télécharger BenzAI, logiciel libre et gratuit
https://benzai-team.github.io/BenzAI/

Référence

Adrien Varet, Nicolas Prcovic, Cyril Terrioux, Denis Hagebaum-Reignier et Yannick Carissan
BenzAI: A Program to Design Benzenoids With Defined Properties Using Constraint Programming

Journal of Chemical Information and Modeling 2022

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jcim.2c00353

Contact

Yannick Carissan
Enseignant-chercheur à l’Institut des sciences moléculaires de Marseille
Stéphanie Younès
Responsable Communication - Institut de chimie du CNRS
Anne-Valérie Ruzette
Chargée scientifique pour la communication - Institut de chimie du CNRS
Christophe Cartier dit Moulin
Chercheur à l'Institut parisien de chimie moléculaire & Chargé de mission pour la communication scientifique de l'INC