Коротко и по существу — сопоставление «классики» XIX в. и квантово‑химической картины XX в., какие экспериментальные факты старые модели не объясняли и какие практические последствия дал переход к квантовой парадигме для материаловедения и фармакологии.

1) Что было в XIX веке $классическиемодели$

Атомно‑молекулярная теория $Дальтон,Авогадро$: химические элементы — дискретные атомы; молекулы — сочетания атомов.Структурная формула $Кекуле,Лоусонидр.$: связь как «шарики‑палочки», валентность как целое число связей.Теории валентности и гибридизации $Франкленд,позжеПаули/ЛьюисвраннемXX$: «пары электронов» формируют химические связи; представления о локализованных связях.Эмпирические правила $правилооктета,теориярезонансакакэмпирическийприёмКекуле/Бендер$: объясняли стехиометрию, изомеризм, формулы и относительные энергоизменения.

Что эти модели хорошо объясняли: стехиометрию, простые реакции обмена, многие органические структуры, валентность и образование изомерных рядов.

2) Экспериментальные факты, которые классические модели не могли удовлетворительно объяснить

Спектры атомов и молекул $дискретныелинии,сложнаяструктураспектров$ — потребовали введения квантованных уровней.Магнитные свойства O2 $парамагнитностьдиоксидакислорода$ — классическая «двойная связь» с парными электронами давала противоположный вывод.Ароматичность бензола $эквивалентныесвязи,стабилизация$: простая схематическая «чередующаяся» одинарная/двойная связь не объясняла равные длины связей и энергию стабилизации.Цветность и магнитные свойства комплексов переходных металлов — классическая валентность не давала понятной картины d‑электронов, спиновых состояний и электронных переходов.Поведение металлов/полупроводников $проводимость,фотопроводимость,зависимостьотлегирования$ — «молекулярные» представления не объясняли плотность состояний и свободных носителей.Точные значения энергий связей, зависимость реакционной способности от электронной структуры, каталитические механизмы — «валентность = число связей» не позволяла количественно предсказывать барьеры и селективность.Инфракрасные, УФ/видимые, ЯМР, ЭПР спектры — нуждались в модели электронного распределения и его возбуждений.Кинетические изотопные эффекты, тонкие вопросы стереоспецифичности и катализа ферментов — требовали учёта масс, квантовых нулевых колебаний и электронных структур.

3) Квантово‑химическое представление XX века $коротко$

Базовая идея: электроны описываются волновыми функциями и заполняют квантовые орбитали; химическая связь — результат квантовых состояний $методы:ValenceBond,MolecularOrbital,H\ddot{u}ckel,Heitler–London$.Теоретические инструменты: уравнение Шрёдингера, молекулярные орбитали, теория возмущений, Hartree–Fock, post‑HF, Density Functional Theory $DFT$, квазиклассические и QM/MM методы для больших систем.Бандная теория кристаллов: объясняет переходы металл/диэлектрик/полупроводник, роль легирования, плотность состояний у Ферми.Лигандовое поле/теория поля кристалла: объясняет спектры и магнитные свойства комплексов переходных металлов.Концепты: делокализация/резонанс, орбитальные диаграммы, HOMO/LUMO, переходные состояния, туннелирование, квантовые нулевые колебания.

Примеры «решённых» аномалий:

Парамагнитность O2 — MO‑модель: два неспаренных электрона в π* орбиталях.Ароматичность бензола — делокализованные π‑MO дают равные длины связей и энергетическую стабилизацию $H\ddot{u}ckelMO$.Цвет переходных комплексов — d‑d и charge‑transfer переходы, объяснённые расщеплением d‑уровней в поле лигандов.Поведение проводимости — заполнение зон и наличие запрещённой зоны между валентной и проводимости.Спектры и химическая кинетика — квантованные уровни колебаний/вращений и электронные переходы дают предсказуемые частоты и селективность реакций.

4) Как это изменение парадигмы повлияло на развитие материаловедения

Появление и развитие полупроводниковой электроники: понимание зонной структуры лёгло в основу транзисторов, диодов, интегральных схем, оптоэлектроники $LED,лазеры$.Целенаправленный дизайн материалов: расчёт электронных структур $DFT$ позволяет предсказывать свойства проводимости, магнетизма, поверхностные свойства, коррозионную устойчивость, каталитическую активность.Катализ и катализаторы: квантово‑химический расчёт реакционных путей позволил понять механизмы на уровне электронов и оптимизировать каталитические поверхности $гетерогенныекатализаторы,топливныеэлементы,электрокатализдлябатарей$.Развитие новых классов материалов: сверхпроводники, наноматериалы $квантовыеточки,нанотрубки,графен$, материалы с контролируемыми дефектами и топологические изоляторы — все требуют квантового описания.Моделирование и высокопроизводительный скрининг: вычислительные методы ускоряют поиск новых сплавов, покрытий, фотоактивных и энергетических материалов $батарейныеэлектролиты,перовскитыдлясолнечныхбатарей$.

5) Как это повлияло на фармакологию $разработкалекарств$

Структурная $ориентированная$ разработка лекарств: квантово‑химические расчёты точнее оценивают энергию связывания, предсказывают положение водородных связей, заряды, протонирование $pKa$, таутомерные формы — всё это критично при докиринге по структуре белка.Понимание нековалентных взаимодействий $H‑связи,ван‑дер‑ваальса,\pi –\pi ,cation–\pi$ на квантовом уровне помогает оптимизировать селективность и аффинность лиганда.Моделирование переходных состояний и каталитики ферментов — позволяет разрабатывать ингибиторы переходного состояния $transition‑stateanalogs$.Ковелантные ингибиторы и металлорегулируемые средства лечения — расчёт реакционной способности, локальных электрофильностей/нуклеофильностей, механизмов образования связи с аминокислотами.Онлайн‑скрининг и оптимизация свойств ADMET: квантовые расчёты дают предсказания равновесных конформаций, энергетики переходов, параметров метаболизма и реакционной способности, что ускоряет отбор кандидатов и снижает число синтезов.Примеры практического эффекта: создание ингибиторов протеаз ВИЧ и многих современных kinase‑ингибиторов опиралось на детальные структуры белков и расчёты взаимодействий; понимание хиральности и селективности $энантиомернаячистота$ — критично для фармакодинамики и фармакокинетики.Комбинация квантовой химии и больших биомолекулярных моделей $QM/MM$ позволяет изучать механизмы ферментов и проектировать активные центры, а также фотодинамические агенты и препараты на основе металлов $например,пониманиедействиицисплатина$.

6) Краткий итог

Классические модели дали мощный качественный базис $атомы,валентность,структурныеформулы$, но не объясняли ряд ключевых явлений, связанных с электронной структурой.Квантово‑химическая парадигма дала физически обоснованные модели для электронов, орбиталей и зон, что разрешило многочисленные экспериментальные противоречия и открыло путь к предсказательному дизайну материалов и лекарств.Практический эффект — от транзисторов, солнечных элементов и новых каталитических систем до структуры‑ориентированной разработки лекарств и высокопроизводительных вычислительных протоколов в материаловедении и фармакологии.

Если нужно, могу сопроводить этот обзор конкретными примерами расчётов $DFT‑кейсыдлякатализатора,примерMO‑анализабензола,QM/MM‑примердлямеханизмафермента$ или привести хронологическую «линию» ключевых открытий и методов.