Kimia organik fisik
Kimia organik fisik, suatu istilah yang diperkenalkan oleh Louis Plack Hammett pada tahun 1940, merujuk pada disiplin kimia organik yang berfokus pada hubungan antara struktur dan reaktivitas kimia, khususnya, menerapkan alat eksperimental kimia fisik untuk studi molekul organik. Titik fokus studi yang spesifik meliputi laju reaksi organik, stabilitas kimia relatif dari bahan awal, zat
antara reaktif, keadaan transisi, dan produk reaksi kimia, serta aspek solvasi non-kovalen dan interaksi molekul yang mempengaruhi reaktivitas kimia. Studi semacam itu memberikan kerangka teoretis dan praktis untuk memahami bagaimana perubahan struktur dalam konteks fasa larutan atau fasa padat mempengaruhi mekanisme reaksi dan laju reaksi untuk setiap reaksi organik yang menarik.
Ahli kimia organik fisik menggunakan pendekatan teoretis dan eksperimental untuk memahami masalah mendasar ini di kimia organik, termasuk kalkulasi kimia dan termodinamika klasik, kuantum dan kimia komputasi, serta eksperimen spektroskopi misalnya, NMR), spektrometri (misalnya, pendekatan MS), dan kristalografi. Oleh karena itu, bidang tersebut memiliki aplikasi ke
berbagai bidang yang lebih khusus, termasuk elektro dan fotokimia, polimer dan kimia supramolekuler, enzimologi, dan biokimia, serta untuk perusahaan komersial yang melibatkan proses kimia, teknik kimia, ilmu material dan nanoteknologi serta penemuan obat.
Selain itu, banyak penerima Hadiah Nobel dalam Kimia telah berkarya pada bidang kimia anorganik fisik, termasuk penerima pada tahun 2013: Martin Karplus (untuk studi teoretis-praktis mengenai struktur protein berkat aplikasi Persamaan Karplus dalam NMR, Michael Levitt dan Arieh Warshel untuk pengembangan model multiskala untuk sistem kimia kompleks.
Ahli kimia organik menggunakan alat termodinamika untuk mempelajari ikatan, stabilitas kimia, dan energetika sistem kimia. Hal ini mencakup percobaan untuk mengukur atau menentukan entalpi (H), entropi (S), dan energi bebas Gibbs (G) dari reaksi, transformasi, atau isomerisasi. Ahli kimia dapat menggunakan berbagai analisis kimia dan matematis, seperti plot Van 't Hoff, untuk menghitung nilai tersebut.
Konstanta empiris seperti energi disosiasi ikatan, panas pembentukan standar (H°), dan panas pembakaran (H°) digunakan untuk memprediksi stabilitas molekul dan perubahan entalpi selama reaksi. Untuk molekul kompleks, nilai H° mungkin tidak tersedia tetapi dapat diperkirakan dengan menggunakan fragmen molekuler dengan panas pembentukan. Jenis analisis ini sering disebut
sebagai teori kenaikan gugus Benson, setelah ahli kimia Sidney Benson yang menghabiskan kariernya untuk mengembangkan konsep tersebut.
Termokimia dari zat antara reaktif-karbokation, karbanion, dan radikal-juga menarik bagi ahli kimia organik fisik. Data penambahan kelompok tersedia untuk sistem radikal. Stabilitas karbokation dan karbanion dapat ditentukan menggunakan afinitas ion hidrida dan nilai pK, berturut-turut.
Salah satu metode utama untuk mengevaluasi stabilitas kimia dan energetika adalah analisis konformasi. Ahli kimia organik menggunakan analisis konformasi untuk mengevaluasi berbagai jenis regangan yang terdapat dalam molekul untuk memprediksi produk reaksi. Regangan dapat ditemukan baik pada molekul asiklik dan siklik, yang memanifestasikan dirinya dalam sistem yang beragam
seperti regangan torsional, regangan alilik, regangan cincin, dan regangan "syn"-pentana. Nilai A memberikan dasar kuantitatif untuk memprediksi konformasi kimia dari sikloheksana tersubstitusi, kelas penting dari senyawa organik siklik yang reaktivitasnya dipandu dengan kuat oleh efek konformasi. Nilai-A adalah perbedaan energi bebas Gibbs antara bentuk
aksial dan ekuatorial dari sikloheksana tersubstitusi, dan dengan menambahkan nilai-A berbagai substituen maka memungkinkan untuk secara kuantitatif memprediksi konformasi yang disukai dari turunan sikloheksana. Selain stabilitas molekuler, analisis konformasi digunakan untuk memprediksi produk reaksi. Satu contoh yang sering dikutip tentang penggunaan analisis konformasi
adalah reaksi eliminasi bi-molekuler (E2). Reaksi ini berlangsung paling cepat saat nukleofil menyerang spesi yang antiperiplanar ke gugus yang meninggalkannya. Sebuah analisis orbital molekul dari fenomena ini menunjukkan bahwa konformasi ini memberikan tumpang tindih terbaik antara elektron dalam orbital pengikat R-H  ikatan yang mengalami serangan nukleofilik dan orbital antiikatan *
kosong dari ikatan R-X yang sedang dirusak. Dengan memanfaatkan efek ini, analisis konformasi dapat digunakan untuk merancang molekul yang memiliki reaktivitas yang meningkat.
Proses fisik yang menimbulkan hambatan rotasi ikatan alkana bersifat kompleks, dan hambatan ini telah dipelajari secara ekstensif melalui metode eksperimental dan teoretis. Sejumlah artikel baru-baru ini telah menyelidiki keunggulan kontribusi sterik, elektrostatik, dan hiperkonjugasi kepada hambatan rotasi pada etana, butana, dan molekul yang lebih tersubstitusi.
Ahli kimia menggunakan studi pengikatan nonkovalen molekul intramolekuler dan antarmolekul dalam molekul untuk mengevaluasi reaktivitas. Interaksi semacam itu meliputi, namun tidak terbatas pada, ikatan hidrogen, interaksi elektrostatik antara molekul bermuatan, interaksi dipol-dipol, polar- dan kation-, -susun, donor-akseptor kimia, dan ikatan halogen. Selain itu,
efek hidrofobik- asosiasi senyawa organik dalam air- adalah interaksi elektrostatik non-kovalen bagi ahli kimia. Keadaan fisik yang tepat dari efek hidrofobik berasal dari banyak interaksi kompleks, namun diyakini merupakan komponen terpenting dari pengenalan air secara biologi. Contohnya, Xu dan Melcher "et al." mengelusidasi dasar struktural untuk pengenalan
asam folat oleh protein reseptor asam folat. Interaksi yang kuat antara asam folat dan reseptor folat dikaitkan dengan ikatan hidrogen dan interaksi hidrofobik. Studi tentang interaksi non-kovalen juga digunakan untuk mempelajari ikatan dan kooperativitas kimia dalam penyusunan supramolekul dan senyawa makrosiklik seperti eter mahkota, yang dapat bertindak sebagai tuan rumah bagi molekul tamu.
Sifat asam dan basa relevan dengan kimia organik fisik. Ahli kimia organik terutama berkaitan dengan asam/basa Brnsted-Lowry sebagai donor/akseptor proton dan asam/basa Lewis sebagai akseptor/donor elektron dalam reaksi organik. Ahli kimia menggunakan serangkaian faktor yang dikembangkan dari kimia fisik- elektronegativitas/induksi, kekuatan ikatan, resonansi, hibridisasi, aromatisitas, dan solvasi- untuk memprediksi keasaman dan kebasaan relatif.
Prinsip asam/basa keras/lembut digunakan untuk memprediksi interaksi molekuler dan arah reaksi. Secara umum, interaksi antara molekul dengan jenis yang sama lebih disukai. Artinya, asam keras akan berasosiasi dengan basa keras, dan asam lunak dengan basa lunak. Konsep asam dan basa keras sering dieksploitasi dalam sintesis anorganik kompleks koordinasi.
Ahli kimia organik menggunakan dasar matematika kinetika kimia untuk mempelajari laju reaksi dan mekanisme reaksi. Tidak seperti termodinamika, yang berkaitan dengan stabilitas relatif produk dan reaktan (G°) dan konsentrasi kesetimbangannya, studi tentang kinetika berfokus pada energi bebas aktivasi (G)-- Perbedaan energi bebas antara struktur reaktan dan struktur keadaan transisi-dari
sebuah reaksi, dan oleh karena itu memungkinkan ahli kimia untuk mempelajari proses kesetimbangan. Rumusan yang diturunkan secara matematis seperti Postulat Hammond, Prinsip Curtin-Hammett, dan teori keterbalikan mikroskopis sering diterapkan pada kimia organik. Ahli kimia juga telah menggunakan prinsip kendali termodinamika versus kinetik untuk mempengaruhi produk reaksi.