理論化学

理論化学は、化学結合、化学反応、原子価、位置エネルギー面、分子軌道、軌道相互作用、分子活性化などの概念など、現代化学の理論的武器の一部である理論的一般化を開発する化学の分野です。

理論化学は、化学のすべての分野に共通する原理と概念を統合します。理論化学の枠組みの中で、化学法則、原理、規則の体系化、それらの洗練と詳細化、階層の構築が行われます。理論化学の中心的な位置を占めているのは、分子システムの構造と特性の相互接続の理論です。これは、数学的および物理的方法を使用して、化学システムの構造とダイナミクスを説明し、それらの熱力学的および運動学的特性を相関させ、理解し、予測します。最も一般的な意味では、理論物理学の方法による化学現象の説明です。理論物理学とは対照的に、化学システムの高い複雑さに関連して、理論化学では、近似的な数学的方法に加えて、半経験的および経験的方法をよく使用します。

近年では、量子化学、すなわち量子力学を化学の問題に応用することが主な内容となっています。その他の主な構成要素には、分子動力学、統計熱力学、電解質溶液、反応ネットワーク、重合、触媒、分子磁性、分光法の理論などがあります。

現代の理論化学は、化学構造の研究と化学ダイナミクスの研究に大別できます。前者には、電子構造、ポテンシャルエネルギー面、力場、振動回転運動、凝縮相システムと高分子の平衡特性の研究が含まれます。化学ダイナミクスには、二分子速度論と反応およびエネルギー移動の衝突理論、単分子速度論と準安定状態、ダイナミクスの凝縮相と高分子の側面が含まれます。

量子化学

量子力学または基本的な相互作用を化学および物理化学の問題に適用します。分光学的特性と磁気的特性は、最も頻繁にモデル化される特性です。

計算化学

化学への科学的計算の応用。これには、ハートリー・フォック、ポストハートリー・フォック、密度汎関数理論、半経験的方法( PM3など)、力場法などの近似スキームが含まれます。分子の形状は、最も頻繁に予測される特性です。コンピューターは、振動スペクトルと振電結合も予測できますが、赤外線データを取得してフーリエ変換し、周波数情報に変換することもできます。予測された振動との比較により、予測された形状が裏付けられます。

分子モデリング

量子力学を必ずしも参照せずに分子構造をモデル化する方法。例としては、分子ドッキング、タンパク質間ドッキング、薬物設計、コンビナトリアル化学などがあります。形状と電位のフィッティングは、このグラフィカルなアプローチの原動力です。

分子動力学

原子と分子の集合体の核の動きをシミュレートするための古典力学の応用。集合体内の分子の再配置はファンデルワールス力によって制御され、温度によって促進されます。

分子力学

ポテンシャルによる分子内および分子間相互作用のポテンシャルエネルギー面のモデリング。後者は通常、第一原理計算からパラメータ化されます。

数理化学

必ずしも量子力学を参照することなく、数学的手法を使用して分子構造を議論および予測します。トポロジーは、研究者がクラスターのような柔軟な有限サイズの物体の特性を予測できるようにする数学の分野です。

化学反応速度論

反応性化学物質、活性化複合体、およびそれらに対応する微分方程式に関連する動的システムの理論的研究。

ケモインフォマティクス（ケモインフォマティクスとも呼ばれる）

化学の分野における問題を解決するために、作物情報に適用されるコンピューターと情報技術の使用。

化学工学

化学を工業プロセスに応用して研究開発を行うことで、新製品や既存製品、製造プロセスの開発と改善が可能になります。

化学熱力学

化学反応およびプロセスにおける熱、仕事、エネルギーの関係を研究し、反応の自発性と平衡を理解するためにエントロピー、エンタルピー、ギブスの自由エネルギーに焦点を当てます。

統計力学

分子の挙動とマクロな特性を結び付けて、化学システムの熱力学的特性を予測および説明するための統計力学の応用。

歴史的に、理論化学の主な応用分野は以下の研究分野にあります。

• 原子物理学：電子と原子核を扱う学問。
• 分子物理学: 分子核を取り囲む電子と分子核の運動に関する学問。この用語は通常、気相中の少数の原子から構成される分子の研究を指します。しかし、分子物理学は分子の観点から見た化学物質の全体的な特性の研究でもあると考える人もいます。
• 物理化学と化学物理学:レーザー技術、走査トンネル顕微鏡などの物理的方法によって研究される化学。両分野の正式な区別は、物理化学は化学の分野であり、化学物理学は物理学の分野であるということです。実際には、この区別は非常に曖昧です。
• 多体理論: 多数の構成要素を持つシステムに現れる効果を研究する学問。量子物理学(主に第二量子化形式論) と量子電気力学に基づいています。

そのため、理論化学は研究分野として登場しました。密度汎関数理論や分子力学などの他の方法の台頭により、生化学、凝縮物質物理学、ナノテクノロジー、分子生物学など、化学や物理学の他の分野に関連する化学システムにも応用範囲が広がりました。

• 化学における未解決問題のリスト

• Attila Szabo および Neil S. Ostlund、Modern Quantum Chemistry: Introduction to Advanced Electronic Structure Theory、Dover Publications、New Ed edition (1996) ISBN  0-486-69186-1、ISBN 978-0-486-69186-2 
• Robert G. Parr および Weitao Yang、「原子と分子の密度汎関数理論」、Oxford Science Publications、1989 年初版、ISBN 0-19-504279-4、ISBN 0-19-509276-7  
• DJ Tannor、V. Kazakov、V. Orlov、「光化学分岐の制御: 最適パルスと全体的上限を見つけるための新しい手順」、J. Broeckhove および L. Lathouwers 編著、時間依存量子分子動力学、347-360 ページ (Plenum、1992 年)