物理有機化學是LouisHammett于1940年創造的一個術語，是指有機化學的一門學科，重點研究化學結構與反應性之間的關系，特別是將物理化學的實驗工具應用于有機分子的研究。具體的研究重點包括有機反應的速率、起始材料、反應性中間體、過渡態和化學反應產物的相對化學穩定性，以及影響化學反應性的溶劑化和分子相互作用的非共價方面。這些研究提供了理論和實踐框架，以了解溶液或固態環境中結構的變化如何影響每個感興趣的有機反應的反應機制和速率。

物理有機化學家使用理論和實驗方法來理解有機化學中的這些基礎問題，包括經典和統計熱力學計算、量子力學理論和計算化學，以及實驗光譜學（例如NMR）、光譜學（例如MS）、和晶體學方法。因此，該領域可應用于各種更專業的領域，包括電化學和光化學、聚合物和超分子化學、生物有機化學、酶學和化學生物學，以及涉及過程化學、化學工程、材料科學的商業企業和納米技術，以及通過設計發現藥物的藥理學。

物理有機化學是研究有機分子的結構和反應性之間的關系。更具體地說，物理有機化學將物理化學的實驗工具應用于有機分子結構的研究，并提供了一個理論框架來解釋結構如何影響有機反應的機制和速率。它可以被認為是連接有機化學和物理化學的一個子領域。物理有機化學家使用光譜學、光譜學、晶體學、計算化學和量子理論等實驗和理論學科來研究有機反應的速率和起始材料、過渡態和產物的相對化學穩定性。該領域的化學家致力于了解現代有機化學的物理基礎，因此物理有機化學在聚合物化學、超分子化學、電化學和光化學等專業領域具有應用。

物理有機化學這個術語本身是由路易斯·哈米特在1940年創造的，當時他用這個短語作為他的教科書的標題。

有機化學家使用熱力學工具來研究化學系統的鍵合、穩定性和能量學。這包括測量或確定反應、轉化或異構化的焓(ΔH)、熵(ΔS)和吉布斯自由能(ΔG)的實驗。化學家可以使用各種化學和數學分析，例如范特霍夫圖來計算這些值。諸如鍵解離能、標準形成熱(ΔHf°)和燃燒熱(ΔHc°)等經驗常數用于預測分子的穩定性和反應過程中的焓變化(ΔH)。對于復雜分子，ΔHf°值可能不可用，但可以使用具有已知形成熱的分子片段進行估計。這種類型的分析通常被稱為Benson群增量理論，在化學家SidneyBenson的職業生涯中開發了這一概念。反應性中間體——碳正離子、碳負離子和自由基——的熱化學也是物理有機化學家感興趣的。組增量數據可用于激進系統。碳正離子和碳負離子的穩定性可以分別使用氫陰離子親和力和pKa值來評估。

評估化學穩定性和能量學的主要方法之一是構象分析。物理有機化學家使用構象分析來評估分子中存在的各種類型的應變以預測反應產物。應變可以在無環和環狀分子中找到，表現為扭轉應變、烯丙基應變、環狀應變和順戊烷應變等多種系統。A值為預測取代環己烷的構象提供了定量基礎，這是一類重要的環狀有機化合物，其反應性受構象效應的強烈指導。A值是取代環己烷的軸向和赤道形式之間吉布斯自由能的差異，除了分子穩定性外，構象分析還用于預測反應產物。使用構象分析的一個常用例子是雙分子消除反應(E2)。當親核試劑攻擊與離去基團相反的物質時，該反應最容易進行。對這種現象的分子軌道分析表明，這種構象提供了正在經歷親核攻擊的RHσ鍵合軌道中的電子與正在被破壞的RX鍵的空σ*反鍵合軌道之間的最佳重疊。通過利用這種效應，構象分析可用于設計具有增強反應性的分子。產生鍵旋轉勢壘的物理過程很復雜，這些勢壘已通過實驗和理論方法進行了廣泛的研究。最近的一些文章研究了空間位阻、靜電和超共軛對乙烷、丁烷和更多取代分子中的旋轉勢壘的主要貢獻。

化學家使用分子內和分子間非共價鍵/相互作用的研究來評估反應性。這樣的相互作用包括但不限于氫鍵、帶電分子之間的靜電相互作用、偶極-偶極相互作用、極性-π和陽離子-π相互作用、π-堆積、供體-受體化學和鹵素鍵合。此外，疏水效應——水中有機化合物的締合——是化學家感興趣的靜電、非共價相互作用。疏水效應的精確物理起源源于許多復雜的相互作用，但它被認為是水中生物分子識別的最重要組成部分。例如，Xu和Melcher等人。闡明了葉酸受體蛋白識別葉酸的結構基礎。葉酸和葉酸受體之間的強相互作用歸因于氫鍵和疏水相互作用。非共價相互作用的研究還用于研究超分子組裝體和大環化合物（如冠醚和隱窩）中的結合和協同性，它們可以作為客體分子的主體。

酸和堿的性質與物理有機化學有關。有機化學家主要關注作為質子供體/受體的Br?nsted-Lowry酸/堿和作為有機反應中電子受體/供體的路易斯酸/堿。化學家使用從物理化學發展而來的一系列因素——電負性/感應、鍵強度、共振、雜交、芳香性和溶劑化——來預測相對酸度和堿度。硬/軟酸/堿原理用于預測分子相互作用和反應方向。一般來說，相同類型的分子之間的相互作用是優選的。也就是說，硬酸與硬堿結合，軟酸與軟堿結合。硬酸和堿的概念經常用于無機配位化合物的合成。

物理有機化學家使用化學動力學的數學基礎來研究反應速率和反應機制。與關注產物和反應物的相對穩定性（ΔG°）及其平衡濃度的熱力學不同，動力學研究側重于活化自由能（ΔG?）——反應物結構之間的自由能差異以及反應的過渡態結構，因此允許化學家研究平衡過程。數學派生的形式主義，如哈蒙德公設、科廷-哈米特原理和微觀可逆性理論經常應用于有機化學。化學家還使用熱力學與動力學控制的原理來影響反應產物。

化學動力學的研究用于確定反應的速率定律。速率定律提供了化學反應速率與存在的化學物質的濃度或壓力之間的定量關系。速率定律必須通過實驗測量來確定，通常不能從化學方程式中闡明。實驗確定的速率定律是指過渡態結構相對于基態結構的化學計量。歷史上，速率定律的確定是通過重量分析監測反應過程中反應物的濃度來完成的，但今天它幾乎完全是通過快速和明確的光譜技術來完成的。在大多數情況下，

催化和催化反應的研究對物理有機化學領域具有重要意義。催化劑參與化學反應，但在該過程中不被消耗。催化劑降低了活化能壘（ΔG?），通過穩定過渡態結構或使關鍵反應中間體不穩定來提高反應速率，并且由于只需要少量催化劑，因此它可以經濟地獲得原本昂貴的或難以合成有機分子。催化劑也可以通過改變反應機理來影響反應速率。

盡管速率定律提供了過渡態結構的化學計量，但它沒有提供任何關于斷裂或形成鍵的信息。在反應位置附近取代同位素通常會導致反應速率發生變化。同位素取代改變了反應中間體和過渡態的勢能，因為較重的同位素與其他原子形成更強的鍵。原子質量影響相關分子的零點振動狀態，具有較重同位素的分子中的鍵較短和較強，而具有較輕同位素的分子中的鍵較長、較弱。因為在反應過程中振動運動經常會發生變化，由于鍵的形成和斷裂，頻率會受到影響，

化學家對取代基如何影響分子的反應性或反應速率的研究具有重要意義。取代基可以通過空間和電子相互作用發揮作用，后者包括共振和感應效應。分子的極化率也會受到影響。大多數取代基效應通過線性自由能關系(LFER)進行分析。其中最常見的是哈米特圖分析。該分析比較了各種取代基對苯甲酸電離的影響及其對不同化學系統的影響。Hammett圖的參數是sigma(σ)和rho(ρ)。σ值表示取代苯甲酸相對于未取代形式的酸度。正的σ值表示化合物更酸，而負值表示取代版本的酸性較低。ρ值是反應對取代基變化的敏感性的量度，但僅測量誘導效應。因此，產生了兩個新的尺度，通過共振評估局部電荷的穩定性。一個是σ+，它涉及通過共振穩定正電荷的取代基，另一個是σ-，它涉及通過共振穩定負電荷的基團。Hammett分析可用于幫助闡明反應的可能機制。例如，如果預測過渡態結構相對于基態結構具有負電荷的積累，則預期給電子基團會增加反應速率。ρ值是反應對取代基變化的敏感性的量度，但僅測量誘導效應。因此，產生了兩個新的尺度，通過共振評估局部電荷的穩定性。一個是σ+，它涉及通過共振穩定正電荷的取代基，另一個是σ-，它涉及通過共振穩定負電荷的基團。Hammett分析可用于幫助闡明反應的可能機制。例如，如果預測過渡態結構相對于基態結構具有負電荷的積累，則預期給電子基團會增加反應速率。ρ值是反應對取代基變化的敏感性的量度，但僅測量誘導效應。因此，產生了兩個新的尺度，通過共振評估局部電荷的穩定性。一個是σ+，它涉及通過共振穩定正電荷的取代基，另一個是σ-，它涉及通過共振穩定負電荷的基團。Hammett分析可用于幫助闡明反應的可能機制。例如，如果預測過渡態結構相對于基態結構具有負電荷的積累，則預期給電子基團會增加反應速率。產生了兩個新的尺度，通過共振評估局部電荷的穩定性。一個是σ+，它涉及通過共振穩定正電荷的取代基，另一個是σ-，它涉及通過共振穩定負電荷的基團。Hammett分析可用于幫助闡明反應的可能機制。例如，如果預測過渡態結構相對于基態結構具有負電荷的積累，則預期給電子基團會增加反應速率。產生了兩個新的尺度，通過共振評估局部電荷的穩定性。一個是σ+，它涉及通過共振穩定正電荷的取代基，另一個是σ-，它涉及通過共振穩定負電荷的基團。Hammett分析可用于幫助闡明反應的可能機制。例如，如果預測過渡態結構相對于基態結構具有負電荷的積累，則預期給電子基團會增加反應速率。Hammett分析可用于幫助闡明反應的可能機制。例如，如果預測過渡態結構相對于基態結構具有負電荷的積累，則預期給電子基團會增加反應速率。Hammett分析可用于幫助闡明反應的可能機制。例如，如果預測過渡態結構相對于基態結構具有負電荷的積累，則預期給電子基團會增加反應速率。已經開發了其他LFER量表。通過Taft參數分析空間和極性效應。改變溶劑而不是反應物可以深入了解反應過程中的電荷變化。Grunwald-Winstein圖提供了對這些影響的定量分析。

溶劑對溶解度、穩定性和反應速率有很大的影響。溶劑的變化也可以讓化學家影響反應的熱力學或動力學控制。由于化學轉化過程中電荷分布的變化，反應在不同溶劑中以不同的速率進行。溶劑效應可作用于基態和/或過渡態結構。在SN1和SN2反應的比較中可以看到溶劑對有機反應的影響的一個例子。溶劑也可以對系統的熱力學平衡產生顯著影響，例如在酮-烯醇互變異構的情況下。在非極性非質子溶劑中，由于形成分子內氫鍵，烯醇形式受到強烈青睞，而在極性非質子溶劑（如二氯甲烷）中，由于極性溶劑和極性二酮。在質子溶劑中，由于分子內氫鍵與源自溶劑的氫鍵競爭，因此平衡朝向酮形式。在手性環丙腈格氏試劑差向異構化的研究中可以看到溶劑對化學平衡影響研究的一個現代例子。該研究報告說，在作為反應溶劑的THF中，格氏試劑從順式到反式異構化的平衡常數比乙醚大得多——順式形式的偏好增強了。然而，THF中順反異構化的速度較快會導致立體化學純度下降。在這種情況下，了解溶劑對試劑分子構型穩定性的影響對于不對稱合成中觀察到的選擇性很重要。

有機化學中結構-反應關系的許多方面可以通過共振、電子推力、感應、八電子規則和sp雜化來合理化，但這些只是有用的形式，并不代表物理現實。由于這些限制，對物理有機化學的真正理解需要以粒子物理學為基礎的更嚴格的方法。量子化學提供了一個嚴謹的理論框架，能夠通過計算分子的電子結構來預測分子的性質，并以流行的軟件包形式成為物理有機化學家中現成的工具。量子化學的力量建立在原子的波動模型上，其中原子核非常小，被漫射電子云包圍的帶正電球體。粒子由它們相關的波函數定義，波函數是一個包含與該粒子相關的所有信息的方程。關于系統的所有信息都包含在波函數中。該信息是通過使用數xxx算符從波函數中提取的。與特定波函數相關的能量，也許是波函數中包含的最重要的信息，可以通過求解薛定諤方程（上式，Ψ是波函數，E是能量，?是哈密頓算子）來提取，其中適當的應用哈密頓算子。在薛定諤方程的各種形式中，粒子概率分布的總體大小隨著粒子質量的減小而增加。出于這個原因，與更輕的電子相比，原子核的大小可以忽略不計，并且在量子化學的實際應用中被視為點電荷。由于電子-電子排斥產生的復雜相互作用，薛定諤方程的代數解僅適用于具有一個電子的系統，例如氫原子、H2+、H32+等；然而，從這些簡單的模型中會出現所有熟悉的原子(s,p,d,f)和鍵合(σ,π)軌道。在具有多個電子的系統中，一個整體的多電子波函數一次描述了它們的所有屬性。這樣的波函數是通過單電子波函數的線性相加產生的，以產生一個初始猜測，該猜測被反復修改，直到其相關能量最小化。在找到令人滿意的解決方案之前，通常需要進行數千次猜測，因此此類計算由功能強大的計算機執行。重要的，具有多個電子的原子的解決方案給出了直徑和電負性等特性，這些特性與實驗數據和元素周期表中發現的模式密切相關。分子（如甲烷）的解決方案提供了其電子結構的精確表示，這是實驗方法無法獲得的。理論預測一組四個鍵合分子軌道，而不是從碳到每個氫原子的四個離散σ鍵，它們在整個分子上離域。類似地，1,3-丁二烯的真實電子結構顯示出在整個分子中延伸的離域π鍵分子軌道，而不是簡單的路易斯結構所預測的兩個孤立的雙鍵。分子（如甲烷）的解決方案提供了其電子結構的精確表示，這是實驗方法無法獲得的。理論預測一組四個鍵合分子軌道，而不是從碳到每個氫原子的四個離散σ鍵，它們在整個分子上離域。類似地，1,3-丁二烯的真實電子結構顯示出在整個分子中延伸的離域π鍵分子軌道，而不是簡單的路易斯結構所預測的兩個孤立的雙鍵。分子（如甲烷）的解決方案提供了其電子結構的精確表示，這是實驗方法無法獲得的。理論預測一組四個鍵合分子軌道，而不是從碳到每個氫原子的四個離散σ鍵，它們在整個分子上離域。類似地，1,3-丁二烯的真實電子結構顯示出在整個分子中延伸的離域π鍵分子軌道，而不是簡單的路易斯結構所預測的兩個孤立的雙鍵。理論預測了一組四個鍵合分子軌道，它們在整個分子上離域。類似地，1,3-丁二烯的真實電子結構顯示出在整個分子中延伸的離域π鍵分子軌道，而不是簡單的路易斯結構所預測的兩個孤立的雙鍵。理論預測了一組四個鍵合分子軌道，它們在整個分子上離域。類似地，1,3-丁二烯的真實電子結構顯示出在整個分子中延伸的離域π鍵分子軌道，而不是簡單的路易斯結構所預測的兩個孤立的雙鍵。完整的電子結構為有機轉化和動力學提供了強大的預測能力，特別是在涉及芳香分子、擴展π系統、金屬離子和有機分子之間的鍵、含有非標準雜原子（如硒和硼）的分子以及大分子的構象動力學（如作為蛋白質，其中化學形式的許多近似使得結構和反應性預測變得不可能。電子結構測定如何成為物理有機化學家的有用工具的一個例子是金屬催化的苯脫芳構化。由于電子密度從填充的鉻d軌道撤回到反鍵CO軌道，三羰基鉻具有高度親電性，并且能夠通過離域分子軌道共價鍵合到苯分子的表面。CO配體通過鉻原子感應地從苯中吸取電子密度，并顯著激活苯進行親核攻擊。然后親核試劑能夠反應生成六環二烯，其可用于進一步的轉化，例如DielsAlder環加成。量子化學還可以在不收集任何實驗數據的情況下提供對有機轉化機制的深入了解。因為波函數提供了給定分子狀態的總能量，所以可以優化猜測的分子幾何形狀以提供與通過實驗方法發現的非常相似的松弛分子結構。然后可以模擬反應坐標，并求解過渡態結構。因此，求解給定反應的完整能量面是可能的，并且這種計算已應用于有機化學中的許多問題，其中動力學數據不可用或難以獲得。

物理有機化學通常需要確定反應過程中的分子結構、動力學和反應物濃度。分子與光的相互作用可以通過無損光譜實驗提供有關此類特性的大量數據，當光子的能量與分子中兩個狀態之間的能量差相匹配時，光被吸收，當分子中的激發態崩潰時發射到較低的能量狀態。光譜技術根據所探測的激發類型廣泛分類，例如振動、旋轉、電子、核磁共振(NMR)和電子順磁共振光譜。除了光譜數據，

物理有機化學中xxx大的工具之一是核磁共振光譜。施加在順磁核上的外部磁場產生兩個離散狀態，正負自旋值在能量上發散；然后可以通過確定激發給定磁場的自旋狀態變化所需的光頻率來探測能量差異。在給定分子中無法區分的核在不同頻率下吸收，并且NMR光譜中的積分峰面積與響應該頻率的核數成正比。可以簡單地通過光譜中的積分峰來量化不同有機分子的相對濃度，并且可以通過跟蹤一個NMR樣品中的反應進程來輕松快速地進行許多動力學實驗。合成有機化學家經常使用質子核磁共振，因為與某些官能團相關的質子會產生特征吸收能量，但核磁共振光譜也可以對氮、碳、氟、磷、硼和許多其他元素的同位素進行。除了簡單的吸收實驗外，還可以通過抑制交換測量來確定快速原子交換反應的速率，通過多維核Overhauser效應實驗來確定原子間距離，通過同核相關光譜來確定通過鍵的自旋-自旋耦合。除了原子核的自旋激發特性外，還可以通過相同的基本技術研究有機自由基的特性。不成對的電子也有凈自旋，

振動光譜或紅外(IR)光譜允許識別官能團，并且由于其低成本和穩健性，通常用于教學實驗室和在難以到達的環境（高壓）中實時監測反應進程、高溫、氣相、相界）。分子振動以類似于電子波函數的方式量化，頻率的整數增加導致更高的能量狀態。振動狀態之間的能量差異幾乎是恒定的，通常落在對應于紅外光子的能量范圍內，因為在常溫下分子振動非常類似于諧振子。它允許粗略識別有機分子中的官能團，但是光譜由于復雜分子中附近官能團之間的振動耦合而變得復雜。因此，它在結構測定中的應用通常僅限于簡單的分子。更復雜的事情是，一些振動不會引起分子偶極矩的變化，并且不會用標準的IR吸收光譜觀察到。這些可以改為通過拉曼光譜進行探測，但這種技術需要更復雜的設備并且不太常見。然而，由于拉曼光譜依賴于光散射，因此它可以在微觀樣品上進行，例如非均相催化劑的表面、相界或較大液體體積內的一微升(μL)子樣品。

電子激發光譜或紫外-可見(UV-vis)光譜在電磁光譜的可見和紫外區域進行，可用于探測最高能量占用(HOMO)和最低未占用能量(LUMO)之間的能量差異)分子軌道。該信息對物理有機化學家在設計有機光化學系統和染料時很有用，因為吸收不同波長的可見光會賦予有機分子顏色。因此，詳細了解電子結構有助于解釋電子激發，并且通過仔細控制分子結構，可以調整HOMO-LUMO間隙以提供所需的顏色和激發態特性。

質譜法是一種允許測量分子質量并為光譜技術提供補充數據以進行結構鑒定的技術。在典型的實驗中，有機材料的氣相樣品被電離，產生的離子物質通過外加電場加速進入磁場。磁場產生的偏轉通常與分子到達檢測器所需的時間相結合，然后用于計算分子的質量。通常在樣品電離過程中，大分子會分解，結果數據顯示一個母體質量和一些較小的碎片質量；這種片段化可以深入了解蛋白質和核酸聚合物的序列。除了分子及其碎片的質量，還可以確定同位素變體質量的分布，并確定某些元素的定性存在，因為它們具有特征性的天然同位素分布。碎片質量群與母離子群的比率可以與經驗碎片數據庫進行比較，并與已知的分子結構相匹配。氣相色譜和質譜聯用用于定性識別分子和定量測量濃度，具有很高的精度和準確性，廣泛用于檢測血液樣本中的少量生物分子和非法麻醉品。對于合成有機化學家來說，它是表征新化合物和反應產物的有用工具。

與光譜方法不同，X射線晶體學始終允許明確的結構確定，并提供通過光譜完全無法獲得的精確鍵角和長度。它常用于物理有機化學中以提供xxx分子構型，是改進純對映體物質合成的重要工具。這也是識別缺乏NMR活性核（如氧）的元素的位置和鍵合的xxx方法。事實上，在20世紀初X射線結構測定方法可用之前，所有有機結構都完全是推測性的：例如，四面體碳僅由金剛石的晶體結構證實，苯的離域結構由六甲基苯的晶體結構雖然晶體學為有機化學家提供了非常令人滿意的數據，但它并不是有機化學中的日常技術，因為必須生長目標化合物的完美單晶。只有不能明確解釋核磁共振數據的復雜分子才需要這種技術。在下面的例子中，如果沒有單晶結構，主客體復合物的結構將很難解決：富勒烯上沒有質子，并且有機復合物光譜的兩半之間沒有共價鍵無法證明假設的結構。對于不能明確解釋NMR數據的情況，需要這種技術。在下面的例子中，如果沒有單晶結構，主客體復合物的結構將很難解決：富勒烯上沒有質子，并且有機復合物光譜的兩半之間沒有共價鍵無法證明假設的結構。對于不能明確解釋NMR數據的情況，需要這種技術。在下面的例子中，如果沒有單晶結構，主客體復合物的結構將很難解決：富勒烯上沒有質子，并且有機復合物光譜的兩半之間沒有共價鍵無法證明假設的結構。