Considerada como uma das maiores realizações intelectuais do século XX, a mecânica quântica provocou um grande impacto na química, permitindo uma compreensão mais profunda dos fenômenos, e posteriormente dando origem a Química quântica, que é uma extensão da mecânica quântica, sendo que aplicada a sistemas de interesse químico, como átomos e moléculas. E logo se tornou uma ferramenta teórica de enorme valia. Um grande destaque foi dado à química computacional em 1998, quando a Real Academia de Ciências da Suécia outorgou o Prêmio Nobel de Química aos pesquisadores: Walter Kohn e John A. Pople, pela contribuição no desenvolvimento da Teoria do Funcional de Densidade, e no desenvolvimento de métodos computacionais em química quântica, respectivamente.34
A química computacional proporciona uma melhor compreensão de informações relacionadas à estrutura eletrônica e molecular de sistemas químicos. O constante desenvolvimento de hardwares, algoritmos mais eficientes e pacotes computacionais, tornaram a química computacional uma área bastante promissora. Cada vez mais, técnicas computacionais vêm sendo aplicadas na pesquisa como, por exemplo, no planejamento racional de fármacos, no estudo de propriedades termodinâmicas, na interpretação de espectros, no ensino de química, na obtenção de informações que são complicadas de serem extraídas por experimentos e nas previsões de algumas propriedades. A IUPAC define a química computacional da seguinte forma:
“Uso de métodos matemáticos para o cálculo de propriedades moleculares ou para simular o comportamento molecular”35
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O ponto de partida foi dado em 1925, quando o físico austríaco Erwin Schrödinger explicou o espectro de sistemas hidrogenóides com sua famosa equação. Porém, o fato da equação ser resolvida exatamente apenas para sistemas com um elétron se tornou
uma barreira. Limitando a Química Quântica a se desenvolver com base nas aproximações. Não só era necessário desenvolver métodos matemáticos capazes de resolver aproximadamente a equação de Schrödinger para sistemas de muitos corpos, como também ter resultados comparados com a evidência experimental. Assim, surge as contribuições de Hartree e Fock, Roothaan e Hall, Slater, Mulliken e Pauling, que foram fundamentais para superar esse desafio.
Inicialmente, os cálculos quânticos aplicados aos sistemas químicos foram limitados às evidências posteriores ao experimento, ou seja, apenas na interpretação de alguma evidência. Mais tarde, começaram a ocorrer as primeiras divergências entre os experimentos e os cálculos da mecânica quântica, o que era visto pela maioria da comunidade científica como uma indicação clara das muitas limitações desta nova metodologia. Para a aprovação, era necessario que os resultados estivessem em acordo com os experimentos. No entanto, logo constatou-se vários casos que os cálculos estavam fornecendo a resposta correta e era o experimento que tinha de ser revisto. Assim, a quimica quântica passa de uma mera ferramenta para se tornar em um valor quantitativo36.
Um exemplo classico é o do metileno. Em 1960, Foster e Boys37 apresentaram os primeiros cálculos ab initio sobre a estrutura desta molécula concluindo que o metileno tem uma estrutura angular no seu estado fundamental. Mas, não havia nenhuma evidência experimental para comprovar este resultado. Um ano depois, Herzberg38 concluiu após a análise do espectro de eletrônico do metileno, que o estado fundamental tripleto é linear. Após vários trabalhos que mostraram, por meio de calculos ab initio, que o metileno tinha uma estrutura angular39; 40, fizeram Herzberg reanalisar seus espectros e concluir que estes indicavam uma estrutura angular para o metileno, de acordo com cálculos os ab initio.
Na década de 60, tem inicio o desenvolvimento de programas computacionais que aplicam o método de Hartree-Fock no estudo de propriedades moleculares. No entanto, essa fase inicial é complicada, e os primeiros resultados não proporcionam avanços significativos. A pesquisa em química quântica, em alguns grupos de pesquisa, é então vista como uma atividade incapaz de produzir resultados significativos para a química. Então, tem início a contribuição de John A. Pople. Em 1965, Pople e colaboradores distribuem o um programa computacional baseado em um método semi-empírico, o CNDO (Complete Neglect of Differential Overlap). Esse programa foi mundialmente utilizado, potencializando a importância da química quântica. Devido às simplificações
introduzidas, o programa apresentava algumas falhas. Mas estas deficiências mostraram a necessidade do desenvolvimento de metodologias que não recorressem aos dados experimentais prévios.41
Partindo do reconhecimento de que uma geometria de equilíbrio corresponde a um ponto de mínimo na superfície de energia do sistema, são desenvolvidos algoritmos para a determinação precisa desses pontos de mínimo. Mais tarde, surgem algoritmos que localizam estados de transição em transformações químicas, tornando a química quântica capaz de fornecer informações confiáveis sobre geometria molecular. Os programas de química quântica também se tornam capazes de fornecer dados confiáveis para a termoquímica, inclusive em situações não-acessíveis ao experimento. Na década de 70, Pople e colaboradores apresentam o programa Gaussian-70. Que foi amplamente utilizado para calcular propriedades moleculares, produzindo resultados em boa concordância com dados experimentais. Sabendo da dependência existente entre as funções gaussianas utilizadas e os resultados obtidos, Pople e colaboradores estudam um grande conjunto de funções de base que abrangem praticamente todos os elementos da tabela periódica, e avaliam a influência dos diferentes tipos de conjunto de base no resultado final, tornando a química computacional uma ferramenta útil e confiável para a pesquisa química42. No final da década de 80, os métodos de química quântica são gradativamente popularizados devido ao desenvolvimento dos computadores e de interfaces gráficas que permitem a visualização eficiente dos resultados numéricos obtidos. A química quântica então inicia a conquista de seu espaço entre as metodologias que investigam os fenômenos químicos.