כימיה תאורטית

כימיה תאורטית היא ענף רחב בכימיה ותת-תחום בפיזיקה כימית שבוחנת את האנרגיה, הדינמיקה והתגובתיות של מערכות כימיות וביולוגיות. היא שואפת להציע השערות והצדקות לתצפיות כימיות ובמקביל להעלות שאלות שניסויים עתידיים יכולים לספק להן מענה. בדרך כלל, פיזיקה, מתמטיקה וקודי מחשב הם התחומים והשיטות שמסבירים את כל ההיבטים של הכימיה: התכונות של חומרים, התכונות של יסודות ומולקולות והאינטראקציות שלהם, הדמיה של תופעות מולקולריות, או חיזוי התכונות של מולקולות. כימיה תאורטית למעשה קשורה לפיזיקה תאורטית ולכן זהו תחום מדעי מהמאה ה-19. מתחילת המאה ה-20, עם פיתוחה של משוואת שרדינגר והתאוריה הקוונטית להסבר אטומים, התפתחה מאוד ההבנה של אטומים ומולקולות וחומרים ברמה המיקרוסקופית, כמו כן הבנה של ריאקציות. דוגמאות להישגיה של הכימיה התאורטית נייטרינו ובוזון היגס, בוזונים ופרמיונים, ראקציות רדיקליות, כמו בפצצה גרעינית (דוגמאות אלו קשורות גם לפיזיקה תאורטית). כמו גם קצב הראקציה של קרמר, הסבר הדיפוזיה הנורמלית של איינשטיין, תאוריה של פולמרים, תאוריית מעברי הפאזות, רשתות (דוגמאות אלו קשורות גם לפיזיקה וביופיזיקה). דרך שימוש במכניקת הקוונטים, במכניקה קלאסית ובמכניקה סטטיסטית, ובעזרת מגוון טכניקות, החל משיטות אמפיריות וסמי-אמפיריות (אמפיריות למחצה) ועד לכאלה המבוססות על כימיה קוונטית קומבינטורית, בהתאם לגודל ומורכבות המערכת הכימית, ניתן להסביר את המבנים והדינמיקה של מערכות כימיות, וכתוצאה, לתאם ולחזות את התכונות התרמודינמיות והקינטיות של המולקולות והמערכות. באופן כללי, ניתן להבחין בין שתי מגמות בכימיה תאורטית: השימוש במחשב לפתרון משוואות מורכבות השולטות בהתנהגות המולקולרית, ועוזרות לדמות מולקולות ומאפייניהן. ניסוח משוואות שמתארות התנהגותם של חומרים או מערכות כימיות בשימוש במכניקה קלאסית או קוונטית, כגון קצבי תגובות כימיות ותכונות ספקטרליות. אינטראקציה כימית מתרחשת בין מולקולות שניתן לתאר באמצעות תופעות קוונטיות. לפיכך, הנטייה הכללית היא להשתמש במונח "כימיה תאורטית" כמילה נרדפת ליישומים מכניים קוונטיים בכימיה. ערך מורחב – כימיה קוונטית כימיה קוונטית מטפלת בבעיות ובנושאים בכימיה באמצעות מכניקת הקוונטים ותורת השדות הקוונטית. אחד היישומים של כימיה קוונטית הוא תיאור ההתנהגות האלקטרונית של אטומים ומולקולות ביחס לסביבתם, היא חוקרת את המעברים המתרחשים במהלך תגובות כימיות, מצבים מעוררים ומצבי היסוד של אטומים ומולקולות בודדים. מדענים - פיזיקאים וכימאים - תורמים תרומה משמעותית לחקר הכימיה הקוונטית, הנמצאת בצומת של שתי הדיסציפלינות. כך שישנה חפיפה משמעותית ומתמשכת עם תחומי הכימיה הפיזיקלית, הפיזיקה האטומית והפיזיקה המולקולרית. מכיוון שלאטומים ולמולקולות יש אנרגיות שונות, כימיה קוונטית תאורטית שואפת לפתח תחזיות תאורטיות כמותיות. מינים רב-אטומיים מהווים אתגר לביצוע חישובים, וכתוצאה מכך, נהוג להשתמש בתוכנות מחשב כדי להתמודד עם אתגר זה. ערך מורחב – כימיה חישובית בתחום הכימיה החישובית ישנו שימוש בסימולציה ממוחשבת כדי לסייע בפתרון בעיות כימיות מורכבות. בה משתמשים בשיטות כימיות תאורטיות, המשולבות בתוכנות מחשב יעילות, כדי לחשב ולהבין את צורת האורביטלים האטומיים והמולקולריים, את המבנים, האינטראקציות והתכונות של המולקולות והאטומים. בכימיה חישובית ישנו יישום של מחשוב מדעי לכימיה, שיטות הכימיה החישובית נעות בין משוערות מאוד למדויקות מאוד; כך שבדרך כלל שיטות מדויקות משומשות עבור מערכות קטנות בלבד. שיטות ה־ab initio (אנ') מסתמכות לחלוטין על מכניקת הקוונטים ועל קבועים פיזיקליים בסיסיים. שיטות אלה כגון Hartree-Fock (אנ'),‏ Post-Hartree-Fock (אנ'), תורת פונקציונל הצפיפות (DFT), שיטות סמי-אמפיריות (כמו PM3) או שיטות שדה כוח. הצורה המולקולרית היא המאפיין הצפוי ביותר. המידול המולקולרי (אנ') מתאר את הדור, הייצוג והמניפולציה של המבנה התלת־ממדי של מולקולות כימיות וביולוגיות, יחד עם קביעת תכונות פיזיו-כימיות שעוזרות להסביר את יחסי הפעילות המבנית (SAR) של המולקולות הביולוגיות. כך שהתאמת הצורה והפוטנציאל החשמלי הם הכוחות המניעים בגישה גרפית זו. מידול מולקולרי כולל מגוון רחב של שיטות תאורטיות וחישוביות המשמשות לייצג ולחקות את ההתנהגות והמבנה של מולקולות, יונים וחלקיקים. בדרך כלל, השיטות משמשות בתחומי הכימיה החישובית, עיצוב תרופות, ביולוגיה חישובית ומדעי החומרים כדי לחקור מערכות מולקולריות הנעות ממערכות כימיות קטנות למולקולות ביולוגיות גדולות. ערך מורחב – דינמיקה מולקולרית דינמיקה מולקולרית היא טכניקה המשתמשת בסימולציה ממוחשבת שקובעת את התנועה ואת שיווי המשקל של כל אטום או מולקולה בודדים במגוון תחומי הנדסה ומדע, טכניקת סימולציה ממוחשבת זו בוחנת את התנועות הממשיות של אטומים ומולקולות. במשך פרק זמן קבוע מראש, האטומים והמולקולות מקיימים אינטראקציות ביניהם על מנת לספק תובנה על "האבולוציה" הדינמית של המערכת. בכדי לקבוע את המסלול של האטומים והמולקולות, פותרים את משוואות התנועה של ניוטון עבור מערכת של חלקיקים הפועלים באינטראקציה. ובכדי לחשב את הכוחות בין החלקיקים לבין האנרגיות הפוטנציאליות שלהם, עושים שימוש בפוטנציאלים בין-אטומיים או בשדות כוח מכניים מולקולריים. פיזיקה כימית, מדע החומרים, וביופיזיקה הם התחומים העיקריים שבהם נעשה שימוש בגישה זו. במכניקה מולקולרית (Molecular mechanics), פונקציות פוטנציאליות שנגזרות מהפיזיקה הקלאסית משמשות לחישוב משטח האנרגיה הפוטנציאלית של סידור אטומים מסוים, משוואות אלו ידועות בתור שדה כוח. ההנחות של מכניקה מולקולרית: הגרעין והאלקטרונים מסביבו הם כדור מושלם. קשרים בין מולקולות דמויי קפיצים. פונקציות פוטנציאליות מסתמכות על פרמטרים ניסיוניים. פונקציית האנרגיה הפוטנציאלית היא הסכום של פונקציות בודדות עבור מתיחה של קשר, כיפוף זווית, אנרגיות סיבוב ואינטראקציות לא-קושרות. כימיה מתמטית (Mathematical chemistry) תחום בו מיישמים טכניקות מתמטיות בכדי לחקור מערכות כימיות החל ממולקולות בודדות ועד למערכות כימיות מורכבות, ללא שימוש במכניקה קוונטית בהכרח. ניתן לחזות ולאפיין מבנה מולקולרי בעזרת שימוש בשיטות הנגזרות ממתמטיקה בדידה, כגון תורת הגרפים הכימיים וטופולוגיה, המאפשרים לחזות תכונות של גופים גמישים בגודל סופי. כימיה מתמטית מספקת בסיס תאורטי להבנת העקרונות שעומדות מאחורי האינטראקציות הכימיות. כמו כן, עוזרת לתכנן ולחזות תהליכים כימיים (אנ'). קינטיקה כימית תאורטית כוללת מחקר תאורטי המסביר כיצד תגובות כימיות מתרחשות, מתאר את המנגנון שלהן, איך קצב התגובה הכימית מושפע ממשתנים שונים, ואיך ניתן למדוד אותו. בנוסף לזה, תורת ההתנגשויות של מולקולות היא נושא בסיסי בהבנת הקינטיקה הכימית. הגורמים המשפיעים על קצב התגובה הכימית: הטמפרטורה, ריכוז המגיבים, המצב הפיזי של המגיבים ופיזורם, הממס והנוכחות של זרזים (קטליזטורים). ככל שריכוז המגיבים עולה קצב התגובה עולה, מכיוון שיש יותר חלקיקים מגיבים מתנגשים ביחידת זמן (אנ'), תדירות התרחשות התגובה תעלה. העלאת הטמפרטורה של המערכת הכימית מגבירה את האנרגיה הקינטית הממוצעת של החלקיקים המרכיבים אותה, ובכך קצב התגובה עולה. מגיבים שנמצאים בפאזה נוזלית מתנגשים בתדירות גבוהה יותר מאשר מגיבים מוצקים, ולכן קצב התגובה יהיה גבוה בפאזה הנוזלית לעומת המוצקה. בנוסף, פיזור המגיבים כן משנה את קצב התגובה במקרה של תגובה הטרוגנית, כאשר בו מספר ההתנגשויות מצטמצם באופן משמעותי ביחס למקרה ההומוגני, ולכן קצב התגובה ירד. אופי הממס של התגובה גם משפיע על קצב התגובה, בעיקר כאשר הצמיגות של הממס היא גבוהה משמע שיש פחות התנגשויות בין המגיבים, דבר שמוביל לקצב תגובה נמוך יותר. לבסוף, הכרת והבנת הקינטיקה של התגובה הכימית עוזרת להבין איך לשלוט בתנאי הניסוי בכדי להשיג את התוצאות הרצויות. ערך מורחב – כימואינפורמטיקה כימואינפורמטיקה (Chemoinformatics) היא תחום שבעזרת מחשב מתמקד באיסוף, אחסון וניתוח מידע כימי, בשביל לפתור בעיות בתחום הכימיה וגם הביולוגיה. בדרך כלל, המידע הכימי כולל מידע על נוסחאות כימיות, תכונות, מבנים של מולקולות וכו'. בעזרת הכימיאנפורמטיקה משתמשים בנתונים ובמידע על מנת לבצע תחזיות לגבי תופעות כימיות. ישנם שלושה סוגים של מסדי נתונים בכימיאינפורמטיקה: מסדי נתונים גלובליים, מאגרי מידע מיוחדים ומאגרי מידע מבניים. J. Simons, An Introduction to Theoretical Chemistry, Cambridge University Press, 2003. "Theoretical Chemistry" Chemistry: Foundations and Applications. Encyclopedia.com. 2023. Yaoquan Tu, Aatto Laaksonen "Combining Quantum Mechanics and Molecular Mechanics. Some Recent Progresses in QM/MM Methods" in Advances in Quantum Chemistry, 2010. https://doi.org/10.1016/S0065-3276(10)59001-4 Richards, W. G.; Walker, T. E. H.; Hinkley R. K. (1971). A bibliography of ab initio molecular wave functions. Oxford: Clarendon Press. Fischer, C F. 1977. "Hartree--Fock method for atoms. A numerical approach". United States. Kenny B. Lipkowitz and Donald B. Boyd “Reviews in Computational Chemistry” 1990 WILEY-VCH. Leach AR (2009). Molecular modeling: principles and applications. Pearson Prentice Hall. ISBN 978-0-582-38210-7. OCLC 635267533. Molecular Mechanics, chem.winthrop.edu Basak, Subhash C. "Philosophy of mathematical chemistry: A personal perspective." HYLE--International Journal for Philosophy of Chemistry 19.1 (2013): 3-17. Justi, Rosária. "Teaching and learning chemical kinetics." Chemical education: Towards research-based practice (2003): 293-315. 14.1: Factors that Affect Reaction Rates, Chemistry LibreTexts, ‏2015-02-06 (באנגלית) Engel, Thomas. "Basic overview of chemoinformatics." Journal of chemical information and modeling 46.6 (2006): 2267-2277. Wishart DS. Introduction to cheminformatics. Curr Protoc Bioinformatics. 2007 Jun;Chapter 14:Unit 14.1. doi: 10.1002/0471250953.bi1401s18. PMID 18428788.