量子化学（quantum chemistry）是理论化学的一个分支学科，是应用量子力学的基本原理和方法研究化学问题的一门基础科学。研究范围包括稳定和不稳定分子的结构、性能及其结构与性能之间的关系；分子与分子之间的相互作用；分子与分子之间的相互碰撞和相互反应等问题。
可以计算的体系包括但不限于：有机分子、无机分子、分子团簇、离子、自由基、低聚合物等。
常用软件有Gaussian, dmol3, ORCA, Turbomole等。
可以计算的内容包括但不限于：
电荷分布、静电势、福井函数、偶极矩、HOMO/ LUMO，空穴-电子分析
反应机理、过渡态、自由能、结合能、形成焓、激发态、键能、差分电荷密度
势能面扫描、拉曼光谱、红外光谱、荧光光谱、磷光光谱、圆二色谱、NMR
成键分析、极化率、振动耦合、Hirshfeld表面分析、独立梯度模型、构象搜索
激发态
静电势
HOMO-LUMO
反应路径
过渡态
福井函数
势能面扫描
Hirshfeld表面分析
拉曼光谱
圆二色谱
偶极矩
结合能
差分电荷密度
红外光谱
独立梯度模型
核磁共振谱
形成焓
紫外可见光谱
自旋密度
氢键
芳香性分析
空穴-电子分析
二面角
磁感应电流密度
激发态计算用于研究分子在吸收光能后电子从基态跃迁到高能态时的结构和电子性质变化，是光化学和光物理研究中的核心内容。通过激发态计算，可以获得激发能、跃迁类型、吸收波长、振子强度以及激发态轨道组成等关键信息。
该性质广泛应用于发光材料、光催化体系、染料分子、光敏剂、荧光探针和有机光电材料研究。它能够帮助解释分子的吸收峰来源、发光行为、电子跃迁本质以及不同取代基或构型对光学性能的影响，是涉及光响应和电子跃迁研究时非常重要的理论分析手段。
静电势是分子中电荷分布的体现。
静电势(Electrostatic potential)是指把一个整电荷从无穷远处拉到图上某个位置所需要做的功的大小，正值代表正功，负值代表负功。它对于考察分子间的静电相互作用、预测反应位点、预测分子性质等方面具有重要意义。
有助于理解分子的电子结构等性质。HOMO-LUMO能级，统称前线轨道，分别指分子中能量最高的占据轨道和能量最低的未占据轨道。LUMO电势越低越容易得电子发生还原反应，HOMO电势越高，越容易失去电子发生氧化反应。
有助于了解反应的反应机理。
通过量子化学可以计算反应过程中反应物、中间产物、最终产物的能量，从而进一步确认反应中间过程是否合理以及可以凭此判断反应的难易程度。
反应路径用于描述体系从反应物转化到产物过程中所经历的连续结构演化和能量变化，是理解反应机理的核心内容之一。通过构建反应路径，可以明确各中间态、过渡态及整个过程的能量分布，从而建立完整的反应机理图景。
该性质常用于有机反应、催化反应、异构化、分子解离和配位过程研究。通过反应路径分析，可以判断反应分几步进行、哪一步是速控步骤、是否存在中间体以及不同路径之间谁更有利。对于需要深入解释反应过程和动力学本质的SCI论文，反应路径计算具有非常高的价值。
福井函数是概念密度泛函理论中的重要指标，用于描述分子在发生电子得失时局部电子密度的变化情况，从而预测最可能发生化学反应的位置。它通常可以区分亲核攻击位点、亲电攻击位点以及自由基攻击敏感位点。
该性质常用于有机反应机理分析、活性位点判断、分子设计和药物先导筛选等研究。相比单纯依据电荷或轨道分布判断反应中心，福井函数能够更有针对性地反映分子在实际反应中的局部响应特征，因此在解释“哪个位置最容易反应”这一问题时具有较高参考价值。
势能面扫描是通过逐步改变分子中的某个键长、键角、二面角或分子间距离，考察体系能量随结构变化规律的方法。它能够帮助识别不同构型之间的稳定性差异，并初步寻找可能的过渡区域或反应趋势。
该性质常用于构象分析、旋转势垒评估、氢键变化、分子间相互作用研究以及反应坐标初步探索。通过势能面扫描，可以判断某种构象是否稳定、分子旋转是否容易发生、反应过程大致能量变化如何。它是建立反应机理、寻找过渡态初始猜测结构以及研究柔性分子构象行为时非常实用的计算方法。
有助于理解分子之间的相互作用力。
弱相互作用，是指强度明显弱于一般化学键的各种形式的相互作用，如范德华作用、pi-pi堆积、氢键等。分析弱相互作用的反应有Hirshfeld表面分析、独立梯度模型(IGM)、电子定域化函数(ELF)等。
拉曼光谱计算用于预测分子振动模式对应的拉曼活性及谱峰位置，是理论模拟实验表征的重要工具。通过计算得到的拉曼峰位和相对强度，可以辅助解析实验谱图并完成分子结构归属。
该性质广泛用于有机分子、配合物、晶体片段、催化中间体和功能材料模型研究。通过拉曼光谱分析，可以判断特定官能团是否存在、构型变化是否引起特征峰移动、反应前后分子结构是否发生改变。对于需要结合实验拉曼数据解释结构特征的研究，理论拉曼计算具有很强的辅助说明作用。
圆二色谱计算用于研究手性分子对左旋和右旋圆偏振光吸收差异的响应行为，是判断分子绝对构型和光学活性的重要理论方法。通过模拟CD光谱，可以将理论结果与实验谱图对比，从而辅助确定分子的立体化学结构。
该性质常用于天然产物、药物分子、手性配合物和有机手性材料研究。通过CD计算，可以帮助判断分子是左旋还是右旋构型、不同构象对光谱的影响以及实验归属是否合理。对于手性化学和立体构型鉴定相关SCI论文，圆二色谱计算常常是非常关键的结构佐证手段。
偶极矩用于表征分子内部正负电荷中心分离的程度，是衡量分子极性强弱的重要参数。偶极矩大小不仅反映分子的电荷分布特征，也会影响其溶解性、分子间作用力、取向行为以及外电场响应。
该性质常用于溶剂效应分析、分子极性比较、材料电学响应研究和构效关系分析。通过偶极矩计算，可以判断不同取代基对分子极性的影响，解释分子为何更容易与极性环境相互作用，或比较不同构型的电性差异。它虽然是一个基础参数，但在分子性质分析和结构解释中非常常用。
数值越小，分子间的结合能力越强。
结合能(Binding Energy)是指两个或多个原子结合成分子时释放的能量结合能强调的是形成一个稳定的化合物时放出的能量，反映了原子或分子间相互作用的强度，可用于分析分子的稳定性和化学键的强度。结合能越小，分子间的结合能力越强。
描述了分子之间的电荷的转移情况。
分子间的差分电荷密度是指在两个或多个分子相互作用的区域中，由于分子间相互作用导致的电荷密度的变化，可以帮助理解分子之间的相互作用机制。
分析分子中的官能团和化学键。
红外光谱计算，可以模拟分子在红外光谱范围内的振动模式，从而预测和分析分子中的官能团和化学键。这有助于更好地理解分子的结构和性质，并为相关领域的研究和应用提供支持。
分析分子间的弱相互作用。
核磁共振谱计算用于预测分子中不同原子核的化学位移信息，是辅助结构鉴定和构型分析的重要理论手段。通过计算1H、13C等核的屏蔽常数和化学位移，可以将理论结果与实验NMR谱图进行对比，从而支持分子结构归属。
该性质广泛应用于有机化学、天然产物、配合物、反应中间体和异构体研究。通过NMR计算，可以帮助判断目标结构是否合理、不同异构体哪一个更接近实验结果，以及特定官能团附近电子环境的变化趋势。对于结构确认类研究，理论NMR是非常实用的辅助分析工具。
判断化学反应是否能自发进行。
分子的形成焓是指在标准状态下，一个分子从其组成原子形成时的能量变化。这个概念通常用于化学反应和热力学分析中，以确定反应的方向和能量变化。
分析化合物的结构和组成。
紫外可见光谱（Ultraviolet-Visible Spectroscopy，UV-Vis Spectroscopy）是一种用于分析物质在紫外和可见光波长范围内的吸收特性的技术。这种技术基于物质对特定波长的光吸收，从而提供有关物质结构和组成的信息。
理解分子的结构和电子排布。
分子的自旋密度（Spin Density）是描述原子核和电子自旋分布的物理量。在量子化学中，自旋密度用于描述电子的自旋状态，它反映了电子在分子中的分布情况，以及分子中原子核和电子之间的相互作用。
分析不同分子之间的稳定性。
分子间的氢键（Intermolecular Hydrogen Bonding）是指两个或多个分子之间通过氢原子与带有电负性的原子（通常是氧、氮或氟）之间的相互作用。这种相互作用是由于氢原子与电负性原子之间的电负性差异引起的，形成了一个相对较弱的化学键。
描述某些有机分子是否具有芳香性质。
芳香性是指分子具有稳定的共轭π电子体系，这些π电子在分子中形成一个环状结构，使得分子具有特殊的稳定性和反应性。芳香性分析通常涉及计算分子的电子密度和分子轨道，以确定分子是否具有芳香性质。
分析分子中的电子激发特性。
在分子中，电子空穴对通常出现在分子的激发态中，当分子吸收能量时，一个电子可能会从基态跃迁到激发态，形成一个电子空穴对。这个电子空穴对的存在可以影响分子的光学性质，如吸收和发射光谱。
分析分子的三维空间内的构象。
分子的二面角（Dihedral Angle）是指分子中两个平面的夹角。在三维空间中，如果一个分子或离子中有两个平面，这两个平面之间的夹角就是二面角。二面角的大小可以影响分子的形状、电子结构和化学性质。
分析分子的磁性以及电子离域性。
分子的磁感应电流密度是指分子内部由于电子运动所产生的磁感应电流在单位面积上的分布，可以用来分析分子的磁性以及与电磁场的相互作用。
