立体化学、结构化学、量子化学之间的区别什么?

立体化学、结构化学、量子化学之间的区别什么?
立体化学、结构化学、量子化学之间的区别什么?

立体化学、结构化学、量子化学之间的区别什么?
立体化学
stereochemistry
从立体的角度出发研究分子的结构和反应行为的学科.研究对象是有机分子和无机分子.由于有机化合物分子中主要的价键——共价键——具有方向性特征,立体化学在有机化学中占有更重要的地位.


立体化学简史
立体化学创立于19世纪初期.J.-B.毕奥最早观察到有机物的旋光现象（见旋光异构）.1848年L.巴斯德分离到两种酒石酸结晶,一种半面晶向左,一种半面晶向右.前者能使平面偏振光向左旋转,后者则使之向右旋转,角度相同.1874年J.H.范托夫和 J.-A.勒贝尔分别提出关于碳原子的四面体学说,他们认为：分子是个三维实体,碳的四个价键在空间是对称的,分别指向一个正四面体的四个顶点,碳原子位于正四面体的中心.当碳原子与四个不同的原子或基团连接时,就产生一对异构体,它们互为实物和镜像,这个碳原子称为不对称碳原子,这一对化合物互为旋光异构体.范托夫和勒贝尔的学说,是立体化学的基础.以后,E.费歇尔关于糖类化合物构型（见分子构型）的研究,O.哈塞尔和D.H.R.巴顿关于分子构象和构象分析的理论,C.K.英戈尔德关于亲核取代反应中的立体化学的研究,均对立体化学的发展作出了重要贡献.此外,A.韦尔纳关于配位化学的研究,使立体化学在无机化学的领域中得到发展.近年来出现的关于周环反应方向的伍德沃德-霍夫曼规则,使立体化学得到新的进展.
立体化学分类
立体化学主要分为静态立体化学和动态立体化学两部分.①静态立体化学研究分子中各原子或原子团在空间位置的相互关系 ,也就是研究分子结构的立体形象——构型和构象,以及由于构型异构（包括几何异构和旋光异构）和构象异构导致的分子之间的性质不同等问题.②动态立体化学研究构型异构体的制备及其在化学反应中的行为等问题.前者主要以不对称合成获得某一旋光异构体为目的；后者除包括构象分析外,还对各个经典反应类型,如加成反应、取代反应中的立体化学现象进行研究.
量子化学
1900年以前,物理学的发展处于经典物理学阶段,在力学方面有完整Newton（牛顿）力学（运动三大定律和万有引力定律）的学体系, 电、磁和光学方面有Maxwell（麦克斯韦）的电磁场理论,热现象方面有Gibbs（吉布斯）热力学,统计学方面有Boltzmann的统计物理学,这些理论构成一个相当完善的体系,对常见的物理现象都能进行解释.但在取得这些成就的同时,通过实验又发现了一些新现象,如黑体辐射、光电效应、原子光谱和电子衍射等,都是经典物理学理论无法解释的.随着这些实验结果的解释,一门研究微观粒子运动规律的新学科——量子力学就逐渐完善和建立起来.
1900年,Planck为解释黑体辐射现象,引入了能量量子化的概念,使与实验非常吻合.Planck能量量子化假设的提出,标志着量子理论的诞生.随后,人们逐渐把能量量子化的概念推广到所有微观体系.
1905年Einstein提出了光子学说,圆满的解释了光电效应,将光的波性和粒性统一了起来,即光具有波粒二象性.
1924年,de Broglie（德布罗意）受到光的波粒二象性启发,提出实物微粒（静止质量不为零的微观粒子）也具有波性的假设,即实物微粒也具有波粒二象性,以后人们称这种波为德布罗意波.1927年,和用单晶体电子衍射实验,用多晶电子衍射实验,证实了de Broglie的假设.
在经典物理学中,既没有具有粒性的波,也没有具有波性的粒子.宏观世界中总结出的概念并不完全适用与微观物体.要正确了解实物微粒的波粒二象性,必须摆脱和粒子的经典概念的束缚,用量子力学的概念去理解.在1925到1927年间,测不准原理（由Heisenberg,海森伯提出）和Schrodinger（薛定谔）方程的提出,标志着量子力学的诞生.
1927年海特勒和伦敦用量子力学基本原理讨论氢分子结构问题,说明了两个氢原子能够结合成一个稳定的氢分子的原因,并且利用相当近似的计算方法,算出其结合能.由此,使人们认识到可以用量子力学原理讨论分子结构问题,从而逐渐形成了量子化学这一分支学科.
量子化学的发展历史可分两个阶段：第一个阶段是1927年到20世纪50年代末,为创建时期.其主要标志是三种化学键理论的建立和发展,分子间相互作用的量子化学研究.在三种化学键理论中,价键理论是由鲍林在海特勒和伦敦的氢分子结构工作的基础上发展而成,其图象与经典原子价理论接近,为化学家所普遍接受.
分子轨道理论是在1928年由马利肯等首先提出,1931年休克尔提出的简单分子轨道理论,对早期处理共轭分子体系起重要作用.分子轨道理论计算较简便,又得到光电子能谱实验的支持,使它在化学键理论中占主导地位.
配位场理论由贝特等在1929年提出,最先用于讨论过渡金属离子在晶体场中的能级分裂,后来又与分子轨道理论结合,发展成为现代的配位场理论.
第二个阶段是20世纪60年代以后.主要标志是量子化学计算方法的研究,其中严格计算的从头算方法、半经验计算的全略微分重叠和间略微分重叠等方法的出现,扩大了量子化学的应用范围,提高了计算精度.
1928-1930年,许莱拉斯计算氦原子,1933年詹姆斯和库利奇计算氢分子,得到了接近实验值的结果.70年代又对它们进行更精确的计算,得到了与实验值几乎完全相同的结果.计算量子化学的发展,使定量的计算扩大到原子数较多的分子,并加速了量子化学向其他学科的渗透.
量子化学的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.
量子化学可分基础研究和应用研究两大类,基础研究主要是寻求量子化学中的自身规律,建立量子化学的多体方法和计算方法等,多体方法包括化学键理论、密度矩阵理论和传播子理论,以及多级微扰理论、群论和图论在量子化学中的应用等.应用研究是利用量子化学方法处理化学问题,用量子化学的结果解释化学现象.
量子化学的研究结果在其他化学分支学科的直接应用,导致了量子化学对这些学科的渗透,并建立了一些边缘学科,主要有量子有机化学、量子无机化学、量子生物和药物化学、表面吸附和催化中的量子理论、分子间相互作用的量子化学理论和分子反应动力学的量子理论等.
三种化学键理论建立较早,至今仍在不断发展、丰富和提高,它与结构化学和合成化学的发展紧密相联、互相促进.合成化学的研究提供了新型化合物的类型,丰富了化学键理论的内容；同时,化学键理论也指导和预言一些可能的新化合物的合成；结构化学的测定则是理论和实验联系的桥梁.
其它化学许多分支学科也已使用量子化学的概念、方法和结论.例如分子轨道的概念已得到普遍应用.绝对反应速率理论和分子轨道对称守恒原理,都是量子化学应用到化学反应动力学所取得的成就.
今后,量子化学在其他化学分支学科的研究方面将发挥更大的作用,如催化与表面化学、原子簇化学、分子动态学、生物与药物大分子化学等方面.
结构化学篇：
结构化学是在原子、分子水平上,研究物质原子、分子和晶体的微观结构,研究原子和分子的运动规律,研究物质的结构和性能关系的科学.它涉及原子和分子层次的空间排布,涉及微观粒子所遵循的量子力学规律,包括原子中电子的分布和能级、分子的化学组成、分子的空间构型和构象、分子中电子的分布、化学键的性质和分子的能量状态、晶体中原子的空间排布、晶体的能量状态等内容.
结构化学是一门直接应用多种近代实验手段测定分子静态、动态结构和静态、动态性能的实验科学.它要从各种已知化学物质的分子构型和运动特征中,归纳出物质结构的规律性；还要从理论上说明为什么原子会结合成为分子,为什么原子按一定的量的关系结合成为数目众多的、形形色色的分子,以及在分子中原子相互结合的各种作用力方式,和分子中原子相对位置的立体化学特征；结构化学还要说明某种元素的原子或某种基团在不同的微观化学环境中的价态、电子组态、配位特点等结构特征.
另一方面,从结构化学的角度还能阐明物质的各种宏观化学性能,和各种宏观非化学性能与微观结构之间的关系及其规律性.在这个基础上就有可能不断地运用已知的规律性,设法合成出具有更新颖、结构特点更不寻常的新物质,在化学键理论和实验化学相结合的过程中创立新的结构化学理论.与此同时,还要不断地努力建立新的阐明物质微观结构的物理的和化学的实验方法.
与其他的化学分支一样,结构化学一般从宏观到微观、从静态到动态、从定性到定量按各种不同层次来认识客观的化学物质.演绎和归纳仍是结构化学研究的基本思维方法.
早期的有关物质化学结构的知识可以说是来自对于物质的元素组成和化学性质的研究.当时人们对化学物质,只能从对物质组成的规律性认识,诸如定比定律、倍比定律等加以概括.随着化学反应当量的测定,人们提出了“化合价”的概念并用以说明物质组成的规律.那时,对于原子化合成分子的成因以及原子在分子中的排布方式可以说是一无所知.
结构化学的产生与有机物分子组成的研究密切相关.有机化学发展的初期,人们总结出许多系列有机物分子中碳原子呈四面体化合价的规律.为解释有机物组成的多样性,人们提出了碳链结构及碳链的键饱和性理论.随后的有机物同分异构现象、有机官能团结构和旋光异构现象等研究,也为早期的结构化学研究提供有力的实验证据,促使化学家从立体构型的角度去理解物质的化学组成和化学性质,并从中总结出一些有关物质化学结构的规律性,为近代的结构化学的产生打下了基础.
近代实验物理方法的发展和应用,为结构化学提供了各种测定物质微观结构的实验方法；量子力学理论的建立和应用又为描述分子中电子和原子核运动状态提供了理论基础.有关原子结构特别是原子中电子壳层的结构以及内力、外力引起运动变化的理论,确立了原子间相互作用力的本质,也就从理论上阐明了化学键的本质,使人们对已提出的高子键、共价键和配位键加深了理解有关杂化轨道的概念,也为众多化合物的空间构型作出了合理的阐明甚至预测.
近代测定物质微观结构的实验物理方法的建立,对于结构化学的发展起了决定性的推动作用.X射线衍射方法和原理上相当类似的中子衍射、电子衍射等方法的发现与发展,大大地丰富了人们对物质分子中原子空间排布的认识,并提供了数以十万种计的晶体和分子结构的可靠结构数据.此外,通过晶体衍射的研究,使人们能够从分子和晶体结构的角度说明这些物质在晶态下的物理性质.
另一类测定结构的方法是谱学方法.谱学方法在提供关于分子能级和运动的信息,尤其是更精细的和动态的结构信息方面起着重要的作用.如分子振动光谱是鉴定物质分子的构成基团的迅速和有力的工具.因而被称为化学物质的“指纹”,与电子计算机高速信息处理功能结合起来,人们已能通过计算机的检索和识别很快地查明未知物样品的分子结构.红外喇曼光谱的理论处理,还能提供有关振动力常数等有关化学键特征的一些数据.其他谱学法有：核磁共振谱、顺磁共振诺、电子能谱、质谱、穆斯堡尔谱学、可见—紫外光谱、旋光谱、圆二色性谱以及扩展 X射线吸收精细结构等.
物质的某些物理常数的测定,也能提供有关分子结构的某些整体信息,如磁化率、折射率和介电常数的测定等.此外,高放大率、高分辨率的电子显微镜还能提供有关物质表面的结构化学信息,甚至已能提供某些分子的结构形象.
量子化学是近代结构化学的主要理论基础.量子化学中的价键理论、分子轨道理论以及配位场理论等,不但能用来阐明物质分子构成和原子的空间排布等特征,而且还用来阐明微观结构和宏观性能之间的联系.由于量子化学计算方法的发展和逐步提高完善,加上高速电子计算机的应用,有关分子及其不同聚集状态的量子化学方法已有可能用于特殊材料的“分子设计”和制备方法的探索,把结构化学理论推向新的高度.
当今结构化学主要研究新构型化合物的结构化学,尤其是原子簇结构化学和金属有机化合物.这一类研究涉及“化学模拟生物固氮”等在理论研究上极其重要的课题,以及寻找新型高效的工业催化剂等与工农业生产息息相关的应用研究课题.
稀土元素的结构化学与中国丰富的稀土元素资源的综合利用的关系非常密切.有关的研究对于中国稀土工业的发展具有重要的意义.
表面结构和表面化学反应的研究与工业生产上的非均相催化反应关系极为密切,有关的研究对于工业催化剂,尤其是合成氨等工业生产用的新型催化剂的研制具有理论指导的作用.
激光光谱学和激光化学的研究,对于快速动态结构和快速化学反应动态过程等研究方法的建立有着深远的影响,并且可能导致新的结构化学研究手段的建立.激光作用下的化学反应过程更具有独特之处.
结构化学的信息工程的研究能充分利用电子计算机的高速、高效率,充分发挥结构化学数据库的作用,对于新的半经验理论和新的结构化学理论的提出将有重大的影响.有关方法的建立将对于“分子设计”的实现起着重要的作用.
目前,结构化学已成为一门不但与其他化学学科联系密切,而且与生物科学、地质科学、材料科学等各学科的研究相互关联、相互配合、相互促进.由于许多与物质结构有关的化学数据库的建立,结构化学也越来越被农学家和化工工程师所重视.

结构化学可以看成是 量子化学初步，包含的内容稍微广一些，但是程度比量子化学要浅一些。
立体化学强调的是空间结构，在有机里面用的比较多。