La química computacional ye una caña de la química qu'utiliza ordenadores p'ayudar a estudiar y resolver problemes químicos al traviés de l'aplicación de modelos y simulaciones computacionales de sistemes moleculares. Utiliza teoríes, conceutos y modelos de la química teórica, basaos en tratamientos físicos de la materia provenientes de la física clásica, cuántica y la mecánica estadística, incorporaos en software científicu especialmente diseñáu pa calcular la estructura y/o les propiedaes estátiques y dinámiques de molécules y agregaos moleculares n'estáu gaseosu y en solución y de cuerpos sólidos. Mientres les sos resultaos complementen la información que puede llograse n'esperimentos químicos, pueden, n'otros casos, predicir fenómenos químicos ensin reparar a la fecha, empobinando'l diseñu de nueva actividá esperimental o sustituyendo l'ausencia d'otru conocencia empírica en problemes onde'l diseñu esperimental tien acomuñáu un altu costu económicu y/o l'esperimentu empíricu resulta impracticable nos términos actuales. La química computacional ye llargamente utilizada dende va delles décades nel diseñu de nueves melecines y materiales.
Exemplos de propiedaes moleculares estudiaes nesti campu son la estructura molecular a nivel atómicu (i.e. la posición de los átomos constituyentes de les molécules nel espaciu, que definen la so arquiteutura molecular) y electrónicu (i.e., la distribución de carga electrónica na molécula, que completa la definición de la forma molecular), la enerxía absoluta y Interacción d'enerxía relativa (acomuñada a la estabilidá del sistema molecular n'estudiu), propiedaes llétrequiers como'l dipolo llétricu y los momentos multipolares d'orde cimeru, frecuencies vibracionales que dexen estudiar l'espectru infrarroxu de molécules y otres magnitúes espectrales y seiciones eficaces pal choque con otres partícules. Adicionalmente ye posible antemanar la capacidá d'interacción de les molécules que determinen la reconocencia molecular (esto puede describise con métodos clásicos o de mecánica molecular, MM y con métodos de la química cuántica, QM), antemanar la so reactividá químicaxeneral y específica con base en distintos indicadores derivaos de la estructura electrónica (esto requier métodos de la química cuántica QM o mistos QM/MM) y tamién analizar mecanismo de reacción.
Los métodos emplegaos cubren situaciones estátiques y dinámiques. En tolos casos, hai requerimientos computacionales asociaos (costu computacional del estudiu) qu'inclúin el tiempu de cálculu (qu'aumenta rápido a midida que el tamañu del sistema estudiáu crez y/o s'utilicen modelos y métodos más sofisticaos, que dexen llegar a describir el sistema con mayor grau de detalle, daqué que non siempres ye necesariu, dependiendo de les propiedaes que pretende estudiase) y la capacidá d'almacenamientu de la información nel hardware emplegáu. El sistema baxu estudiu puede ser una única molécula aisllada o un grupu d'éstes en distintos estaos d'agregamientu o un cuerpu sólidu. Polo xeneral esiste una tensión ente'l tamañu del sistema n'estudiu y el grau de detalle que puede algamar nel mesmu. Tolos métodos de la química computacional impliquen na so formulación dalgún grau d'aproximamientu, qu'implica polo tanto fortaleces y debilidaes que tienen de conocese a la d'escoyer un métodu fayadizu pa estudiar un sistema y propiedaes concretes del mesmu. Los métodos emplegaos pa estudiar la estructura pueden clasificase nuna primera gran división en métodos clásicos o de mecánica molecular (MM) y métodos cuánticos (QM). En tantu los primeres lleguen solamente hasta'l detalle atómicu, los segundos facer hasta'l nivel de detalle electrónicu. Dientro de los métodos cuánticos, pueden estremase los llamaos métodos ab initio, (a primeros principios) y los métodos semi-empíricos, qu'introducen un mayor númberu d'aproximamientos y parámetros (que pueden derivase d'información empírica o de cálculos de mayor nivel) na so formulación.
Historia Sobre la base de los descubrimientos y la teoría na historia de la mecánica cuántica, los primeros cálculos teóricos en química fueron los de Walter Heitler y Fritz London en 1927. Los llibros qu'influyeron los entamos de la química cuántica computacional inclúin: Introduction to Quantum Mechanics – with Applications to Chemistry de Linus Pauling y Y. Bright Wilson, 1935; Quantum Chemistry de Henry Eyring, John Walter y George Kimball, 1944; Elementary Wave Mechanics – with Applications to Quantum Chemistry de Walter Heitler, 1945 y más tarde el llibru Valence de Charles Coulson, que sirvieron de referencia primaria pa los químicos en décades posteriores.
Col desenvolvimientu d'eficiente teunoloxía computacional, nos 40' les soluciones d'ellaboraes ecuaciones d'onda para complexos sistemes atómicos empiecen a ser un oxetivu realizable. A empiezos de los 50' fueron llevaos a cabu los primeros cálculos orbitales atómicos semi-empíricos. Químicos teóricos convertir nuna gran cantidá d'usuarios de los primeros ordenadores dixitales. Una bien detallada descripción d'esi usu nel Reinu Xuníu ta dau por Smith y Sutcliffe.Smith, S. J.; Sutcliffe B. T., (1997). "The development of Computational Chemistry in the United Kingdom". Reviews in Computational Chemistry 70: 271 - 316. El primer cálculu ab initio foi'l métodu de Hartree-Fock sobre molécules diatómicas, que llevóse a cabu en 1956 nel MIT usando un conxuntu de funciones de base del tipu orbitales de Slater. Pa molécules diatómicas, un estudiu sistemáticu utilizando un conxuntu base mínimu y los primeros cálculos de les más grandes conxuntos bases fueron publicaos por Ransil y Nesbet respeutivamente en 1960.Schaefer, Henry F. III (1972). The electronic structure of atoms and molecules. Reading, Massachusetss: Addison-Wesley Publishing Co., 146. El primer cálculu poliatómico usando funciones Gaussianas fueron llevaos a cabu a finales de los 50'. Los primeru cálculos d'interacción de configuraciones fueron realizaes en Cambridge nel ordenador EDSAC nos 50' por S. Francis Boys y los sos compañeros de trabayu, usando funciones Gaussianas.Boys, S. F.; Cook G. B., Reeves C. M., Shavitt, I. (1956). "Automatic fundamental calculations of molecular structure". Nature 178 (2): 1207. En 1971, cuando una bibliografía de cálculos ab initio foi publicada,Richards, W. G.; Walker T. Y. H and Hinkley R. K. (1971). A bibliography of ab initio molecular wave functions. Oxford: Clarendon Press. les molécules más grandes incluyíes fueron la naftalina y el azuleno.Preuss, H. (1968). International Journal of Quantum Chemistry 2: 651.Buenker, R. J.; Peyerimhoff S. D. (1969). Chemical Physics Letters 3: 37. Resumes de munchos de los primeros desarrollos na teoría ab initio fueron publicaes por Schaefer.Schaefer, Henry F. III (1984). Quantum Chemistry. Oxford: Clarendon Press.
En 1964, cálculos del métodu Hückel, que son un simple métodu CLOA pa la determinación de la enerxía d'electrones d'órbites moleculares de electrones en sistemes conxugaos d'hidrocarburos, que van dende sistemes senciellos tales como'l butadieno o'l bencenu hasta'l ovaleno con 10 aniellos fundíos d'a 6, fueron xeneraos n'ordenadores en Berkeley y Oxford.Streitwieser, A.; Brauman J. I. and Coulson C. A. (1965). Supplementary Tables of Molecular Orbital Calculations. Oxford: Pergamon Press. Estos métodos empíricos fueron reemplazaos nos 60' por métodos semi-empíricos tales como CNDO.Pople, John A.; David L. Beveridge (1970). Approximate Molecular Orbital Theory. New York: McGraw Hill.
A empiezos de los 70', eficientes programes computacionales ab initio tales como ATMOL, Gaussian, IBMOL y POLYAYTOM empiecen a ser utilizaos p'acelerar los cálculos ab initio d'órbites moleculares. D'estos programes namái Gaussian, masivamente espandíu, ta entá n'usu, siendo unu de los tantos utilizaos anguaño. Coles mesmes, los métodos de mecánica molecular, tales como MM2, fueron desenvueltos principalmente por Norman Allinger.Allinger, Norman (1977). "Conformational analysis. 130. MM2. A hydrocarbon force field utilizing V1 and V2 torsional terms". Journal of the American Chemical Society 99: 8127-8134.
Una de les primeres vegaes que'l términu "química computacional" foi mentáu pue ser atopáu nel llibru Computers and Their Role in the Physical Sciences de 1970, escritu por Sidney Fernbach y Abraham Haskell Taub, onde dicen: "Paez, poro, que la 'química computacional' puede finalmente ser más y más una realidá".Fernbach, Sidney; Taub, Abraham Haskell (1970). Computers and Their Role in the Physical Sciences. Routledge. ISBN 0-677-14030-4. Mientres los 70', distintos métodos empiecen a ser vistos como parte d'una nueva disciplina emerxente de química computacional.Reviews in Computational Chemistry vol 1, preface. La primer publicación del jornal de química computacional foi publicáu en 1980.
Conceutos El términu "química teórica" puede ser definíu como una descripción matemática de la química o, en forma más amplia, tomando tol andamiaxe conceptual que traviesa les teoríes, concepto y modelos de la química (este ye una tema n'alderique dientro del terrén de la filosofía de la química), ente que'l términu "química computacional " ye usualmente usáu cuando un métodu físicu-matemáticu ta lo suficientemente bien desenvueltu pa la so aplicación a sistemes moleculares en forma relativamente automatizada, implementáu nun paquete computacional. Magar bien pocos aspeutos de la química pueden ser calculaos de manera exacta, estes metodoloxíes tienen errores abondo bien definíos contra los datos esperimentales esistentes, que dexen la determinación de propiedaes moleculares dientro de lo que se conoz como "precisión química". Sicasí, casi cualquier aspeutu de la química puede ser descritu de manera cualitativa, semi-cuantitativa o inclusive cuantitativamente por aciu un esquema computacional.
Les molécules tán conformaes por nucleos atómicos y electrones, de manera que la teoría y modelos de la mecánica cuántica pueden ser aplicaos a la so descripción. Lo más frecuente ye que los químicos computacionales planteguen y resuelvan la ecuación de Schrödinger non relativista, incorporando a posteriori correiciones relativistes cuando esto ye indispensable pa llograr una correuta descripción del sistma. Teóricamente, ye posible resolver en forma exacta la ecuación de Schrödinger molecular, yá sía na so forma dependiente del tiempu o na so forma independiente del tiempu, pero na práutica esto namái ye posible pa sistemes bien pequeños. Poro, desenvolviéronse una gran variedá de métodos averaos empobinaos a algamar el meyor equilibriu ente la viabilidá del cálculu, el so costu y la precisión de el resultáu llograos. La precisión puede siempres ser ameyorada amontando'l costu computacional. La química computacional actual dexa calcular con exactitú de manera rutinaria les propiedaes de les molécules que contienen cientos d'átomos (y los electrones correspondientes), con errores pa la enerxía que pueden tar per debaxo de 1 kcal/mol. Tocantes a los aspeutos estructurales a nivel atómicu (la xeometría molecular) ye posible predicir llargores d'enllaz con errores d'unos pocos picómetros (pm) y los ángulos d'enllaz con errores del orde de . El tratamientu de grandes molécules ye computacionalmente abordable por aciu otros métodos averaos tales como los basaos na teoría del funcional de la densidá (DFT, del inglés density functional theory). Esiste dalgún discutiniu nel campu sobre si los métodos teóricos son abondo exactos pa describir reacciones químiques complexes, como les arreyaes en problemes de la bioquímica. Les macromolécules pueden ser estudiaes per mediu de métodos cuánticos semi-empíricos o por métodos de la mecánica clásica, tamién llamaos métodos de mecánica molecular.(MM).