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
分析分子吸收能量后的电子跃迁。
原子或分子吸收一定的能量后，电子被激发到较高能级但尚未电离的状态。通常分子的荧光磷光等特性无法通过简单的激发态计算。并不是所有的S0到S1的跃迁都是HOMO LUMO占主导的。对于晶体内分子聚集状态（J聚集 H聚集），系间窜越等的研究更是应该在激发态研究的方法下进行分析，不可以简单用HOMO LUMO分析。
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。
分析对比反应过程的难易程度。
从反应物到生成物之间形成了势能较高的活化络合物，活化络合物所处的状态叫过渡态，过渡态搜索是研究化学反应机理的重要组成部分。
分析化学反应的位点、类型等。
福井函数（Fukui function）是在化学中用来描述分子中某个原子对化学反应活性的贡献的量。福井函数分为f+，f-，f0，分别对应于亲核反应，亲电反应和自由基反应。
有助于进行反应机理的阐述。
势能面扫描用来考察体系能量随着一个或多个几何变量的改变而发生的改变。扫描分为刚性扫描(rigid scan)和柔性扫描(relaxed scan)。通过分析势能面，有助于进行反应机理的阐述。
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。
用于分析分子的振动、旋转等特性。
拉曼光谱是一种基于拉曼散射的物理现象的光谱技术，用于分析物质的分子振动、旋转和振动-电子耦合等特性。拉曼光谱在材料科学、化学、生物学、环境科学、医学和许多其他领域有着广泛的应用。
推断分子在不同条件下的构象变化。
圆二色谱（Circular Dichroism, CD）是一种光谱技术，用于研究含有不对称碳原子（手性中心）的化合物或具有螺旋结构的生物大分子的光学活性。这种技术基于一个基本原理：手性分子对左旋和右旋圆偏振光的吸收不同，因此在CD谱中会表现出差异性的吸收带。
描述分子中电荷分布的极性。
偶极矩（dipole moment）是分子的基本的电子性质，它可以用来描述分子中电荷分布的极性。偶极矩的计算通常是基于分子的电子密度分布来得到的。
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。
体现原子核对射频辐射的吸收情况。
核磁共振谱（NMR）是一种用于研究物质结构、动态和组成的物理化学技术，可以提供关于分子中原子种类、连接方式、立体化学和构象的信息，也可以用来研究分子内部的运动，如旋转、振动和翻转等。
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。
