Теоретическая химия: структура, динамика и методы исследования

Введение

Теоретическая химия — это раздел химии, разрабатывающий теоретические обобщения, составляющие теоретический инструментарий современной химии: например, понятия химической связи, химической реакции, валентности, поверхности потенциальной энергии, молекулярных орбиталей, орбитальных взаимодействий и активации молекул.

Обзор

Теоретическая химия объединяет принципы и понятия, общие для всех отраслей химии. В рамках теоретической химии происходит систематизация химических законов, принципов и правил, их уточнение и детализация, а также построение иерархии. Центральное место в теоретической химии занимает учение о взаимосвязи структуры и свойств молекулярных систем. Она использует математические и физические методы для объяснения структуры и динамики химических систем, установления взаимосвязей, понимания и прогнозирования их термодинамических и кинетических свойств. В самом общем смысле, это объяснение химических явлений методами теоретической физики. В отличие от теоретической физики, из-за высокой сложности химических систем, теоретическая химия, помимо приближенных математических методов, часто использует полуэмпирические и эмпирические методы. В последние годы она в основном состоит из квантовой химии, то есть применения квантовой механики к задачам химии. Другие основные компоненты включают молекулярную динамику, статистическую термодинамику, теории растворов электролитов, реакционных сетей, полимеризации, катализа, молекулярного магнетизма и спектроскопии. Современная теоретическая химия может быть условно разделена на изучение химической структуры и изучение химической динамики. Первое включает исследования: электронной структуры, поверхностей потенциальной энергии и силовых полей; колебательно-вращательного движения; равновесных свойств конденсированных фаз и макромолекул. Химическая динамика включает: бимолекулярную кинетику и теорию столкновений в реакциях и при передаче энергии; теорию унимолекулярной скорости и метастабильные состояния; аспекты динамики конденсированных фаз и макромолекул.

Отрасли теоретической химии

Квантовая химия – Применение квантовой механики или фундаментальных взаимодействий к химическим и физико-химическим проблемам. Спектроскопические и магнитные свойства – одни из наиболее часто моделируемых. Вычислительная химия – Применение научных вычислений в химии, включающее схемы приближения, такие как Hartree–Fock, post Hartree–Fock, теория функционала плотности, полуэмпирические методы (такие как PM3) или методы силового поля. Наиболее часто предсказываемым свойством является молекулярная форма. Компьютеры также могут предсказывать вибрационные спектры и виброническое взаимодействие, а также получать и преобразовывать инфракрасные данные в частотную информацию. Сравнение с предсказанными вибрациями подтверждает предсказанную форму. Молекулярное моделирование – Методы моделирования молекулярных структур без обязательного обращения к квантовой механике. Примеры включают молекулярный докинг, докинг белок-белок, разработку лекарств, комбинаторную химию. Соответствие формы и электрического потенциала является определяющим фактором в этом графическом подходе. Молекулярная динамика – Применение классической механики для моделирования движения ядер в ансамбле атомов и молекул. Перемещение молекул в ансамбле контролируется силами Ван-дер-Ваальса и стимулируется температурой. Молекулярная механика – Моделирование внутри- и межмолекулярных потенциальных энергетических поверхностей посредством потенциалов. Последние обычно параметризуются на основе расчетов ab initio. Математическая химия – Исследование и прогнозирование молекулярной структуры с использованием математических методов без обязательного обращения к квантовой механике. Топология – это раздел математики, позволяющий исследователям предсказывать свойства гибких тел конечного размера, таких как кластеры. Теоретическая химическая кинетика – Теоретическое изучение динамических систем, связанных с реакционноспособными химическими веществами, активированным комплексом и соответствующими дифференциальными уравнениями. Химиоинформатика (также известная как хемоинформатика) – Использование компьютерных и информационных технологий для обработки данных и решения проблем в области химии. Химическая инженерия – Применение химии к промышленным процессам для проведения исследований и разработок, что позволяет разрабатывать и совершенствовать новые и существующие продукты и производственные процессы.

Quantum chemistry The application of quantum mechanics or fundamental interactions to chemical and physico chemical problems. Spectroscopic and magnetic properties are between the most frequently modelled. Computational chemistryThe application of scientific computing to chemistry, involving approximation schemes such as Hartree–Fock, post Hartree–Fock, density functional theory, semiempirical methods (such as PM3) or force field methods. Molecular shape is the most frequently predicted property. Computers can also predict vibrational spectra and vibronic coupling, but also acquire and Fourier transform Infra red Data into frequency information. The comparison with predicted vibrations supports the predicted shape. Molecular modelling Methods for modelling molecular structures without necessarily referring to quantum mechanics. Examples are molecular docking, protein protein docking, drug design, combinatorial chemistry. The fitting of shape and electric potential are the driving factor in this graphical approach. Molecular dynamics Application of classical mechanics for simulating the movement of the nuclei of an assembly of atoms and molecules. The rearrangement of molecules within an ensemble is controlled by Van der Waals forces and promoted by temperature. Molecular mechanics Modeling of the intra and inter molecular interaction potential energy surfaces via potentials. The latter are usually parameterized from ab initio calculations. Mathematical chemistry Discussion and prediction of the molecular structure using mathematical methods without necessarily referring to quantum mechanics. Topology is a branch of mathematics that allows researchers to predict properties of flexible finite size bodies like clusters. Theoretical chemical kinetics Theoretical study of the dynamical systems associated to reactive chemicals, the activated complex and their corresponding differential equations. Cheminformatics (also known as chemoinformatics) The use of computer and informational techniques, applied to crop information to solve problems in the field of chemistry. :
Chemical engineering The application of chemistry to industrial processes to conduct research and development. This allows for development and improvement of new and existing products and manufacturing processes.