运用量子化学的计算方法研究有机分子静态和动态性质的学科。又称量子有机化学。现代有机化学理论主要包括物理有机化学和理论有机化学两大分支，前者以现代实验方法为主，后者则以理论计算方法为主。但二者的划分众说不一。 理论有机化学主要是运用量子化学和化学统计力学的基本理论预示和阐明有机化学中的某些规律。
例如分子的电子结构和立体构型、与结构相关的性能等。理论有机化学在方法论上以近似方法为主。近似方法主要包括杂化轨道理论、分子轨道的线性组合和从头算法。杂化轨道理论和分子轨道的线性组合已为大多数有机化学家所接受。例如，最早出现的休克尔分子轨道法，由于计算方法简便，在有机化学中被普遍应用来定性描述有机分子的结构和反应性能。
60年代起，一些半定量的自洽场近似方法，例如，由J。A。波普尔引入的全略微分重叠法、间略微分重叠法和M。J。S。杜瓦的改进间略微分重叠法等，应用也日益增长。70年代起，所谓从头算法计算精确度大为提高。不过这种计算只能由大型快速计算机和专门的计算程序来实现。
理论有机化学的研究对象主要有：①分子中的电子构型和分布，化学键的类型及其有关参数，例如，电子密度分布可推断分子中的反应活性中心所在；由化学键类型可推知有关反应性能和分子的微观立体化学特征。②分子和价键的性质，包括键能、电离势、亲合能、离解能、极性参数、取代基常数，以及各种电、磁和力学常数等的计算。
③电子运动能级和分子光谱特性，可在理论上估计电子各种运动的基态和激发态的能级，以及与各种分子光谱峰相应的电子运动规律。④反应活化能，应用量子化学方法沿反应坐标计算反应物参与反应的各个原子的能量变化，确定反应物分子处于过渡态的活化势能面和势垒，由此也可估计活化配合物的立体构型。
⑤反应动态学的理论，人们已了解到许多有机分子在参与反应时，往往先发生一系列极其迅速的初级变化过程，了解这些微观的迅速电子运动所涉及的分子结构和性能上的变化规律，对认识有机反应宏观规律起因是很重要的。
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