Введение

Квантовая химия, также называемая молекулярной квантовой механикой, является отраслью физической химии, ориентированной на применение квантовой механики к химическим системам, в особенности на квантово-механический расчёт электронного вклада в физические и химические свойства молекул, материалов и растворов на атомном уровне. Эти расчёты включают систематически применяемые приближения, предназначенные для обеспечения вычислительной реализуемости, сохраняя при этом максимально возможный объём информации о важных вкладах в вычисленные волновые функции, а также об наблюдаемых свойствах, таких как структуры, спектры и термодинамические свойства. Квантовая химия также занимается расчётом квантовых эффектов на молекулярную динамику и химическую кинетику. Химики широко используют спектроскопию, позволяющую получать информацию о квантовании энергии в молекулярном масштабе. Распространёнными методами являются инфракрасная (ИК) спектроскопия, спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и сканирующая зондовая микроскопия. Квантовая химия может применяться для предсказания и верификации спектроскопических данных, а также других экспериментальных данных. Многие исследования в области квантовой химии сосредоточены на электронном основном и возбуждённых состояниях отдельных атомов и молекул, а также на изучении реакционных путей и переходных состояний, возникающих в ходе химических реакций. Возможно также предсказание спектроскопических свойств. Как правило, в таких исследованиях предполагается, что электронная волновая функция адиабатически параметризуется ядерными координатами (то есть используется приближение Борна — Оппенгеймера). Используется широкий спектр подходов, включая полуэмпирические методы, теорию функционала плотности, расчёты Хартри — Фока, методы квантовой Монте-Карло и методы сопряжённых кластеров. Понимание электронной структуры и молекулярной динамики посредством разработки вычислительных решений уравнения Шрёдингера является центральной задачей квантовой химии. Прогресс в этой области зависит от преодоления ряда проблем, включая необходимость повышения точности результатов для малых молекулярных систем и увеличения размера больших молекул, которые могут быть реалистично подвергнуты вычислениям, что ограничено масштабированием — время вычислений возрастает как степень от числа атомов.

История

Некоторые считают, что зарождение квантовой химии началось с открытия уравнения Шрёдингера и его применения к атому водорода. Однако статья Уолтера Гейтлера (1904–1981) и Фрица Лондона, опубликованная в 1927 году, часто признаётся первой вехой в истории квантовой химии. Это было первое применение квантовой механики к двухатомной молекуле водорода и, следовательно, к феномену химической связи. Однако до этого критическую концептуальную основу заложил Гилберт Н. Льюис в своей статье 1916 года «Атом и молекула», где он разработал первую рабочую модель валентных электронов. Важный вклад также внесли Ёсикацу Сугиура и С. С. Ван. Серия статей Лайнуса Полинга, написанных в 1930-х годах, объединила работы Гейтлера, Лондона, Сугиуры, Ванга, Льюиса и Джона Слейтера по концепции валентности и её квантовомеханической основе в новую теоретическую структуру. Многие химики познакомились с областью квантовой химии благодаря тексту Паулинга 1939 года «Природа химической связи и структура молекул и кристаллов: введение в современную структурную химию», в котором он обобщил эти работы (в настоящее время широко известную как теория валентных связей) и объяснил квантовую механику таким образом, чтобы она была понятна химикам. Вскоре этот текст стал стандартным учебником во многих университетах. В 1937 году Ханс Хеллман, по-видимому, первым опубликовал книгу по квантовой химии на русском и немецком языках. В последующие годы эта теоретическая база постепенно начала применяться к химической структуре, реакционной способности и связям. Помимо вышеупомянутых исследователей, важный прогресс и существенный вклад в первые годы развития этой области внесли Ирвинг Лангмюр, Роберт С. Мулликен, Макс Борн, Дж. Роберт Оппенгеймер, Ханс Хеллман, Мария Гёпперт-Майер, Эрих Хюккель, Дуглас Хартри, Джон Леннард-Джонс и Владимир Фок.

Электронная структура

Электронная структура атома или молекулы – это квантовое состояние его электронов. Первым шагом в решении квантово-химической задачи обычно является решение уравнения Шрёдингера (или уравнения Дирака в релятивистской квантовой химии) с электронным молекулярным гамильтонианом, как правило, с использованием приближения Борна — Оппенгеймера (B O). Это называется определением электронной структуры молекулы. Точное решение нерелятивистского уравнения Шрёдингера возможно только для атома водорода (хотя точные решения для энергий связанных состояний молекулярного иона водорода в рамках приближения B O были найдены в терминах обобщённой функции Ламберта W). Поскольку все остальные атомные и молекулярные системы включают движение трёх или более "частиц", их уравнения Шрёдингера нельзя решить аналитически, и поэтому необходимо искать приближённые и/или вычислительные решения. Процесс поиска вычислительных решений этих задач является частью области, известной как вычислительная химия.

Теория молекулярных орбит

Альтернативный подход к теории валентных связей был разработан в 1929 году Фридрихом Хундом и Робертом С. Мулликеном, в котором электроны описываются математическими функциями, делокализованными по всей молекуле. Подход Хэнда–Мулликена или метод молекулярных орбиталей (MO) менее интуитивно понятен химикам, но оказался способен лучше предсказывать спектроскопические свойства, чем метод VB. Этот подход является концептуальной основой метода Хартри–Фока и последующих методов, основанных на методе Хартри–Фока.

Функциональная теория плотности

Модель Томаса–Ферми была разработана независимо Томасом и Ферми в 1927 году. Это была первая попытка описать многоэлектронные системы на основе электронной плотности, а не волновых функций, хотя она оказалась не очень успешной применительно к целым молекулам. Этот метод заложил основу для того, что сейчас известно как теория функционала плотности (DFT). Современная DFT использует метод Кона–Шама, в котором функционал плотности разделяется на четыре компонента: кинетическая энергия Кона–Шама, внешний потенциал, энергии обмена и корреляции. Значительная часть усилий, направленных на развитие DFT, сосредоточена на улучшении членов, описывающих обмен и корреляцию. Несмотря на то, что этот метод менее разработан, чем методы, следующие за Хартри–Фоком, его значительно меньшие вычислительные затраты (масштабирование обычно не превышает n³ относительно n базисных функций для чистых функционалов) позволяют применять его к более крупным полиатомным молекулам и даже макромолекулам. Эта вычислительная эффективность и часто сопоставимая точность с MP2 и CCSD(T) (методами, следующими за Хартри–Фоком) сделали его одним из самых популярных методов в вычислительной химии.

Химическая динамика

Дальнейший шаг может заключаться в решении уравнения Шредингера с полным молекулярным гамильтонианом для изучения движения молекул. Прямое решение уравнения Шредингера называется квантовой динамикой, а его решение в рамках полуклассического приближения – полуклассической динамикой. Чисто классическое моделирование движения молекул называется молекулярной динамикой (МД). Другой подход к динамике – это гибридный подход, известный как смешанная квантово-классическая динамика; еще один гибридный подход использует интегральное представление Фейнмана для добавления квантовых поправок к молекулярной динамике, которое называется молекулярной динамикой на основе интегралов траекторий. Статистические методы, использующие, например, классические и квантовые методы Монте-Карло, также возможны и особенно полезны для описания равновесных распределений состояний.

Адиабатическая химическая динамика

В адиабатической динамике межатомные взаимодействия описываются одиночными скалярными потенциалами, называемыми поверхностями потенциальной энергии. Это приближение Борна — Оппенгеймера, предложенное Борном и Оппенгеймером в 1927 году. Первопроходные применения этого подхода в химии были выполнены Райсом и Рамспергером в 1927 году и Касселем в 1928 году, а в 1952 году Маркусом было обобщено в теорию RRKM с учетом теории переходного состояния, разработанной Эйрингом в 1935 году. Эти методы позволяют проводить упрощенные оценки скоростей одномолекулярных реакций на основе нескольких характеристик поверхности потенциальной энергии.

Неадиабатическая химическая динамика

Неадиабатическая динамика заключается в рассмотрении взаимодействия между несколькими сопряженными поверхностями потенциальной энергии (соответствующими различным электронным квантовым состояниям молекулы). Члены, описывающие это взаимодействие, называются виброническими связями. Пионерские работы в этой области были выполнены Стукельбергом, Ландау и Зенером в 1930-х годах в их исследованиях, ныне известных как переход Ландау — Зенера. Их формула позволяет рассчитать вероятность перехода между двумя адиабатическими потенциальными кривыми вблизи точки избежания пересечения. Спиново запрещенные реакции являются одним из типов неадиабатических реакций, при которых происходит как минимум одно изменение спинового состояния в процессе перехода от реагентов к продуктам.