Kimia organik fisik
Kimia kuantum

Artikel utama: Kimia kuantum
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, di mana 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, Ψ adalah fungsi gelombang, E adalah energi, dan Ĥ adalah Operator Hamiltonian) di mana 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, H2+, H32+, dll.; namun, dari model sederhana ini muncul orbital orbital orbital atom (s, p, d, f) dan ikatan (σ, π) 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-σ 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-π 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-π, 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 tidak mungkin dilakukan. Contoh bagaimana penentuan struktur elektronik adalah alat yang berguna untuk kimia organik fisik adalah katalisisasi katalis logam benzena. Kromium trikarbonil sangat elektrofilik karena penarikan kerapatan elektron dari orbital kromium yang terisi menjadi CO antiikatan. Orbital, dan mampu berikatan kovalen ke permukaan molekul benzena melalui delokalisasi orbital molekul. Ligan CO secara induktif menarik kerapatan elektron dari benzena melalui atom krom, dan secara dramatis mengaktifkan benzena pada serangan nukleofilik. Nukleofil kemudian dapat bereaksi untuk membuat heksasiklodiena, yang dapat digunakan dalam transformasi lebih lanjut seperti sikloadisi Diels Alder.
Kimia kuantum juga dapat memberikan wawasan tentang mekanisme transformasi organik tanpa pengumpulan data eksperimen apapun. Karena fungsi gelombang memberikan energi total dari keadaan molekul tertentu, geometri molekuler yang dapat diperkirakan dapat dioptimalkan untuk memberi struktur molekul santai yang sangat mirip dengan yang ditemukan melalui metode eksperimental. Koordinat reaksi kemudian dapat disimulasikan, dan struktur keadaan transisi dipecahkan. Memecahkan permukaan energi yang lengkap untuk reaksi tertentu oleh karena itu dimungkinkan, dan perhitungan tersebut telah diterapkan pada banyak masalah dalam kimia organik dimana data kinetik tidak tersedia atau sulit diperoleh.