Нерешённые проблемы химии

• Сольволиз норборнильного катиона: Почему норборнильный катион так устойчив? Является ли симметричным? Если да, то почему? Для незамещённого норборнильного катиона ответы на все поставленные вопросы уже были найдены. Ситуация с замещённым катионом остаётся неясной.
• В водных реакциях: Почему некоторые органические реакции ускоряются на водно-органических поверхностях? Современные исследования объясняют этот феномен совокупностью факторов, среди которых важную роль играют образование водородных связей, гидрофобные эффекты (концентрирующие реагенты и создающие эффект высокого давления), а также активное участие молекул воды в каталитическом процессе^[5][6].
• Каково происхождение барьера вращения вокруг связи в этане — стерические препятствия или гиперконъюгация (сверхсопряжение)?
• Каково происхождение альфа-эффекта? Нуклеофилы с электроотрицательным атомом или же одной и более неподелённой парой, смежной нуклеофильному центру, особенно реакционноспособны.
• Многие механизмы, предложенные для каталитических процессов, с трудом поддаются пониманию и зачастую не объясняют природу всех сопровождающих явлений.

• «Лучше, чем идеальные» энзимы: Почему скорость реакций с некоторыми энзимами выше, чем скорость диффузии? См. Кинетика энзимов.
• Каково происхождение гомохиральности в аминокислотах и сахарах?
• Фолдинг белка: Предсказание статической 3D-структуры белка по его аминокислотной последовательности в значительной степени решено с помощью искусственного интеллекта (в частности, AlphaFold), однако предсказание динамики белков, путей их сворачивания и структуры сложных мультибелковых комплексов остаётся нерешённой задачей^[7].^[8][9].

• Фолдинг РНК: Можно ли в точности предсказать вторичную, третичную или же четвертичную структуру полирибонуклеиновой кислоты, основываясь на первичной последовательности и условиях среды?
• Химическая картина происхождения жизни: Как неживые химические соединения образовали сложные, самовоспроизводящиеся формы жизни? Современные исследования значительно продвинулись в этом направлении благодаря экспериментальным подтверждениям гипотезы РНК-мира, разработке гибридных РНК-пептидных моделей и новым данным о формировании протоклеток^[10].^[11][12].

• Что представляет собой электронная структура высокотемпературных сверхпроводников в различных точках фазовой диаграммы? Несмотря на открытие новых материалов (например, никелатов), точный механизм явления остаётся предметом дискуссий (в частности, между сторонниками теории резонансных валентных связей и спин-флуктуационного механизма)^[13]. Можно ли довести переходную температуру до комнатной температуры? См. Сверхпроводимость.
• Ионная сверхпроводимость электролитов или сверхпроводимость второго рода. Явление остаётся гипотетическим, а современные практические исследования сосредоточены на достижении суперионной проводимости для разработки эффективных твердотельных аккумуляторов^[14].
• Фейнманиум: Является ли элемент 137 последним химическим элементом, способным существовать физически? Современные расчёты показывают, что из-за релятивистских эффектов теоретический предел существования стабильной электронной оболочки сдвигается к атомному номеру Z ≈ 172—173, а практический предел синтеза новых элементов связан со стабильностью самих атомных ядер^[15][16].
• Как можно наиболее эффективно преобразовать электромагнитную энергию (фотоны) в химическую? (Например, путём расщепления воды на водород и кислород, используя солнечную энергию)
• Какова природа связей в гипервалентных молекулах?
• Возможно ли создание Единой теории катализа (ЕТК)? На данный момент всеобъемлющая теория не создана^[17], однако наблюдается значительный прогресс в предсказании свойств катализаторов за счёт квантово-механического моделирования и применения искусственного интеллекта^[18][19].
• Структура воды: По данным Science Magazine (2005), одной из 100 главных нерешенных проблем науки является вопрос о том, как одни молекулы воды формируют водородные связи с другими своими соседями там, где их много. См. Водный кластер.
• Какой процесс создает септарию в септарных узлах?

• Предсказание структуры и свойств материалов (Materials by Design): отсутствие надёжного метода, позволяющего точно предсказать кристаллическую структуру и физико-химические свойства неорганического соединения, исходя только из его химической формулы.
• Создание и управление свойствами квантовых и двумерных (2D) материалов: понимание экзотических электронных свойств (например, в топологических изоляторах и сильно коррелированных электронных системах), а также крупномасштабное производство и интеграция 2D-материалов в функциональные устройства.
• Направленный синтез металл-органических каркасов (MOFs): управление синтезом для получения материалов с заданными свойствами, необходимыми для катализа, хранения газов и сенсорики.

К актуальным прикладным химическим вызовам относятся:

• Разработка дешёвых катализаторов для производства водорода^[20].
• Создание материалов для безопасного и компактного хранения водорода (например, гидридов металлов)^[21].^[22]
• Разработка стабильных твёрдых электролитов для твердотельных аккумуляторов^[23].

К основным нерешённым вычислительным проблемам химии относятся:

• Точное и масштабируемое квантовое моделирование сложных молекулярных систем^[24].
• Преодоление проблемы шума в квантовых компьютерах для достижения практической пользы в химии^[25].
• Интеграция искусственного интеллекта (в частности, использование машинно-обученных потенциалов) для ускорения расчётов^[4].^[26]

В физико-химии полимерных систем сохраняется ряд фундаментальных нерешённых проблем:

• Отсутствие единой теории стеклования, которая могла бы точно описать переход в стеклообразное состояние и математически связать его с молекулярной массой и структурой полимера^[27].
• Точное описание динамики запутанных макромолекул, включая строгое теоретическое и экспериментальное определение параметров зацепления длинных полимерных цепей^[28].
• Предсказание макроскопических свойств полимерного материала (механических, термических, оптических) на основе его химического строения и надмолекулярной структуры^[29].