Kimia organik fisik
Studi kinetika kimia digunakan untuk menentukan hukum laju untuk sebuah reaksi. Hukum laju memberikan hubungan kuantitatif antara laju reaksi kimia dan konsentrasi atau tekanan dari spesi kimia yang ada. Hukum laju harus ditentukan dengan pengukuran eksperimental dan umumnya tidak dapat dijelaskan dari persamaan kimia. Hukum laju yang ditentukan secara eksperimental mengacu pada
stoikiometri struktur keadaan transisi relatif terhadap struktur keadaan dasar. Penentuan hukum laju secara historis dilakukan dengan memantau konsentrasi reaktan selama reaksi melalui analisis gravimetri, namun sekarang hampir secara eksklusif dilakukan melalui teknik spektroskopi yang cepat dan tidak ambigu. Dalam kebanyakan kasus, penentuan persamaan laju disederhanakan dengan menambahkan kelebihan yang besar ("banjir") kecuali pada salah satu reaktan.
Studi tentang katalisis dan reaksi katalitik sangat penting bagi bidang kimia organik fisik. Sebuah katalis berpartisipasi dalam reaksi kimia tetapi tidak dikonsumsi dalam proses. Suatu katalis menurunkan penghalang energi aktivasi (G), meningkatkan laju reaksi dengan menstabilkan struktur keadaan transisi atau mendestabilisasi reaksi kunci antara, dan karena hanya sejumlah
kecil katalis yang dibutuhkan, ia dapat memberikan akses ekonomi jika tidak mahal atau sulit untuk mensintesis molekul organik. Katalis juga dapat mempengaruhi laju reaksi dengan mengubah mekanisme dari reaksi.
Meskipun hukum laju menyediakan stoikiometri struktur keadaan transisi, hal tersebut tidak memberikan informasi apapun tentang pemutusan atau pembentukan ikatan. Substitusi isotop dekat posisi reaktif sering menyebabkan perubahan laju reaksi. Substitusi isotop mengubah energi potensial zat antara reaksi dan keadaan transisi karena isotop yang lebih berat membentuk ikatan yang
lebih kuat dengan atom lainnya. Massa atom mempengaruhi titik nol keadaan vibrasi dari molekul terkait, ikatan yang lebih pendek dan lebih kuat dalam molekul dengan isotop lebih berat dan ikatan yang lebih lemah dan lebih lemah pada molekul dengan isotop cahaya. Karena gerakan vibrasi sering akan berubah selama jalannya reaksi, karena pembuatan dan
pemutusan ikatan, maka frekuensi akan terpengaruh, dan substitusi isotop dapat memberikan wawasan ke dalam mekanisme reaksi dan hukum laju.
Pelarut dapat memiliki efek yang kuat terhadap kelarutan, stabilitas, dan laju reaksi. Perubahan pelarut juga memungkinkan ahli kimia untuk mempengaruhi kontrol termodinamika atau kinetik dari reaksi. Reaksi berlangsung pada tingkat yang berbeda dalam pelarut yang berbeda karena perubahan distribusi muatan selama transformasi kimia. Efek pelarut dapat beroperasi pada struktur keadaan dasar dan/atau keadaan transisi.
Contoh efek pelarut pada reaksi organik terlihat pada perbandingan reaksi S1 dan S2. Pelarut juga dapat memiliki pengaruh yang signifikan terhadap kesetimbangan termodinamika suatu sistem, misalnya seperti pada tautomerisasi keto-enol. Dalam pelarut non-polar aprotik, bentuk enol sangat disukai karena pembentukan ikatan ikatan intramolekul, sedangkan pada pelarut polar aprotik, seperti
metilena klorida, bentuk enol kurang disukai karena interaksi antara pelarut polar dan diketon yang polar. Dalam pelarut protik, kesetimbangan terletak pada bentuk keto karena ikatan intramolekul bersaing dengan ikatan hidrogen yang berasal dari pelarut.
Sebuah contoh modern dari studi efek pelarut pada kesetimbangan kimia dapat dilihat dalam sebuah studi dari epimerisasi dari siklopropilnitril kiral dari pereaksi Grignard. Studi ini melaporkan bahwa konstanta kesetimbangan untuk isomerisme dari "cis" ke "trans" dari pereaksi Grignard jauh lebih besar-preferensi untuk bentuk "cis" meningkat-dalam THF sebagai pelarut reaksi,
lebih dari dietil eter. Namun, laju isomerisme cis-trans yang lebih cepat dalam THF mengakibatkan hilangnya kemurnian stereokimia. Hal ini adalah kasus dimana pemahaman efek pelarut pada stabilitas konfigurasi molekul pereaksi penting berkaitan dengan selektivitas yang diamati dalam sintesis asimetris.
Banyak aspek terkait hubungan reaktivitas-struktur dalam kimia organik dapat dirasionalisasi melalui resonansi, elektron yang mendorong, induksi, aturan delapan elektron, dan hibridisasi orbital, tapi ini hanya formalisme yang membantu dan tidak mewakili realitas fisik. Karena keterbatasan ini, pemahaman sejati kimia organik fisik memerlukan pendekatan yang lebih
ketat yang didasarkan pada fisika partikel. Kimia kuantum menyediakan kerangka teoretis yang ketat yang mampu memprediksi sifat molekul melalui perhitungan struktur elektronik molekul, dan telah menjadi alat yang tersedia dalam kimia organik fisik dalam bentuk paket perangkat lunak populer. Kekuatan kimia kuantum dibangun di atas model gelombang atom, dimana nukleus inti atom adalah bola
bermuatan sangat kecil yang dikelilingi oleh awan elektron yang menyebar. Partikel didefinisikan oleh fungsi gelombang, sebuah persamaan yang berisi semua informasi yang terkait dengan partikel tersebut. Semua informasi tentang sistem terkandung dalam fungsi gelombang. Informasi ini diambil dari fungsi gelombang melalui penggunaan operator matematika.
Energi yang terkait dengan fungsi gelombang tertentu, mungkin informasi terpenting yang terkandung dalam fungsi gelombang, dapat diekstraksi dengan memecahkan persamaan Schrödinger (di atas,  adalah fungsi gelombang, E adalah energi, dan  adalah Operator Hamiltonian) dimana operator Hamiltonian yang tepat diterapkan. Dalam berbagai bentuk persamaan Schrödinger, ukuran keseluruhan distribusi
probabilitas partikel meningkat seiring dengan berkurangnya massa partikel. Untuk alasan ini, intimemiliki ukuran yang tidak berarti dalam kaitannya dengan elektron yang lebih ringan dan diperlakukan sebagai muatan titik dalam aplikasi praktis kimia kuantum.
Karena interaksi kompleks yang timbul dari penolakan elektron elektron, solusi aljabar dari persamaan Schrödinger hanya dimungkinkan untuk sistem dengan satu elektron seperti atom hidrogen, H, H, dll.; namun, dari model sederhana ini muncul orbital orbital orbital atom (s, p, d, f) dan ikatan (, ) yang baru. Dalam sistem dengan banyak elektron, fungsi gelombang multielektron secara keseluruhan menggambarkan
semua sifat mereka sekaligus. Fungsi gelombang tersebut dihasilkan melalui penambahan linear dari fungsi gelombang elektron tunggal untuk menghasilkan tebakan awal, yang berulang kali dimodifikasi sampai energi yang terkait diminimalkan. Ribuan tebakan sering dibutuhkan sampai ditemukan solusi yang memuaskan, jadi perhitungan semacam itu dilakukan oleh komputer yang kuat. Yang penting,
solusi untuk atom dengan banyak elektron memberi sifat seperti diameter dan elektronegativitas yang mencerminkan data eksperimental dan pola yang ditemukan di tabel periodik. Solusi untuk molekul, seperti metana, memberikan representasi yang tepat dari struktur elektronik mereka yang tidak dapat diperoleh dengan metode eksperimental. Alih-alih empat ikatan- diskrit dari karbon ke setiap atom hidrogen, teori memprediksi
satu set dari empat orbital molekul ikatan yang terdistribusi di seluruh molekul. Demikian pula, struktur elektronik 1.3-butadiena sebenarnya menunjukkan delokalisasi orbital molekul ikatan- yang merentang melalui keseluruhan molekul daripada dua ikatan rangkap terisolasi seperti yang diperkirakan oleh Struktur Lewis yang sederhana.
Struktur elektronik lengkap menawarkan daya prediktif yang hebat untuk transformasi dan dinamika organik, terutama dalam kasus molekul aromatik, sistem-, logam antara ion logam dan molekul organik, molekul yang mengandung heteroatom yang tidak biasa seperti selenium dan boron, dan konformasi dinamik molekul besar seperti protein dimana banyak perkiraan dalam formalisms kimia membuat prediksi struktur dan reaktivitas