分子轨道理论是量子化学价键理论进一步发展的结果,也是量子化学所取得的最大成就.本世纪30年代,美国化学家R.X.莫立肯(1896- )运用量子力学的方法,计算了分子内电子运动的途径,为分子轨道理论的建立作出了贡献.他主张把轨道看成是围绕原子核散开的电子云.轨道面向空间,可以互相重叠形成化学键.分子轨道理论可以用来描述任何复杂性事物分子结构.从而为后来人类揭示蛋白质和DNA分子的结构奠定了科学的理论基础.另外,分子轨道理论认为原子合成分子后就消失了原子的个性,而将分子看作是一个整体,这个整体的功能完全取决于分子中电子运动的规律.即取决于遍及整个分子范围的电子运动所形成的化学键.这种把结构和功能联系起来,部分与整体联系起来研究分子结构的科学观念,无疑在人类探索复杂性的过程中,具有科学观念更新的意义.
分子轨道理论在本世纪50年代,由于电子计算机的运用,得到了迅速的发展.1952年日本科学家福井谦一(1918- )提出了“前线轨道”理论.1965年美国科学家R.B.伍德瓦德(1917-1979)和R.霍夫曼(1937- )提出了“分子轨道对称性”原理,从而使量子化学开始了从研究分子结构的静态深化到分子结构的动态的研究,并在有机化学结构分析和指导有机物的合成方面,有着广泛的应用.从而揭开了探索复杂性事物化学变化、化学反应的内在本质和规律的新篇章.根据这一理论,无须进行复杂的计算,只要考察反应物和生成物结构的对称性质,就可以说明和预见一系列化学反应的方向和条件,特别是对于立体定向反应具有十分有效的指导作用.例如维生素B12的人工合成过程中,一般说来,情况相当复杂.有9个不对称的碳原子和512个可能的主体异构体.但依靠这个原理,合成反应生成了指定的立体结构,使维生素B12人工合成取得了成功.不仅如此,这一原理对于高分子化学中,对于人造材料的人工设计,也有着普遍的指导意义.因此,分子轨道对称性守恒理论,在人类对宏观______微观复杂性的探索中,具有十分重大的理论价值和实用功能.
量子化学理论体系形成后,加上计算方法的发展和大型电子计算机的广泛运用,使人们对原子、分子与晶体的电子轨道、电子能级、电荷分布和其它复杂性事物的物理化学性质的计算逐步成为可能.因此,量子化学在现代化学中,日益成为重要的理论基础.在有机反应、无机反应、生化反应、光化反应等研究领域中,由于量子化学的广泛运用,都取得了重大的突破,同时也促进了结构化学、高分子化学、分子生物学、量子生物学、材料化学及有关工艺的形成和发展.当然,量子化学的出现,也并不意味着人类对复杂性的认识,已经到了晴空万里、洞察秋毫的境界.事实上,现代化学仍然没有摆脱出化学的经验性或半经验性的发展阶段.但人类的认识毕竟走到了这里,它代表着一个新的方向,并沿着科学的定量分析和定性分析的系统综合途径,从经验性或半经验性的认识向理论性、实践性的科学阶段过渡.近年来,分子设计学或分子工程学的出现,就是这种过渡的一个重要标志.