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围绕上述目标，实验室确定了以下五个主要研究方向：
1）激发态理论方法与光电材料设计
发展新的激发态理论方法，拓展组态相互作用和相对论效应研究方法的应用，研究金属配合物光电材料、有机光电材料等的激发态电子结构和性质，揭示发光、光电转换以及双光子吸收等过程的本质规律，并设计新型的发光材料、光电转换材料和非线性光学材料。
2）化学微观过程及反应控制规律
发展含时动力学理论和方法以及非基元化学反应速率的计算方法，研究与环境、材料和星际物质密切相关的分子、自由基及离子等参与的复杂化学过程的微观机理，为治理环境污染、设计和开发新型功能材料、探测星际物质等提供理论依据。
3）从团簇到纳米体系的结构与性能及分子设计
深入研究分子体系的各种相互作用（包括弱相互作用、新型原子簇的成键规律等），探索结构与性质间的内在联系，阐明纳米粒子独特的量子效应及其对纳米材料性能的影响，通过分子的裁剪与组装设计新型分子与功能材料。
4）聚合物多尺度结构与动力学模拟
发展联接微观、介观与宏观的多尺度计算机模拟方法，研究聚合物材料在不同尺度的复杂结构及演化过程，总结规律，为聚合物材料的制备及控制提供科学依据。
5）复杂生物体系的计算机模拟
结合量子力学、分子力学和分子动力学方法，研究蛋白质、核酸等生物大分子所参与的相互作用，模拟相关生物功能体系的微观作用机制，为蛋白质组学、基因组学和药物设计提供理论线索。
上述研究方向涉及从基础理论到程序设计、从化学的弱相互作用到强相互作用、从分子到材料的一系列理论化学重大问题，充分体现了化学、计算机科学、数学、物理学、材料科学、生命科学等多学科交叉和融合的特点。
通过首次国家评估后，实验室进行了换届，原重点实验室主任为封继康教授，换届后主任由李志儒教授担任，副主任为李泽生教授和李慎敏副教授。学术委员会由国内著名理论化学家17人组成，其中中科院院士8人，中科院院士孙家钟教授和张乾二教授任主任和副主任，中科院院士唐敖庆教授和徐光宪教授任顾问。实验室现有固定人员22人（院士2人，具有博士学位13人，45岁以下14人），其中教授13人（博士生指导教师10人），副教授2人，讲师2人，助教1人，高级工程师1人，工程师1人，助理工程师1人，技术员1人 。
碱土金属—含氮羧酸配合物的合成和性质研究
在过去几十年间,在超分子化学和材料科学中的有机金属框架结构的合成与调查引起了人们的极大的兴趣,尤其是它们在分子识别,气体吸附,离子交换和催化等方面的潜在应用。至今为止,设计这些有机金属框架结构最基本的组装方法就是直接将金属离子与有机配体进行反应,在各种各样的有机配体当中,芳香羧酸(含氧原子)和含氮杂环由于它们的刚性结构和柔性配位模式等优点常被用作有机配体连接器来构筑超分子结构,其中含氮羧酸的优点就在于其配位点较多,可以在自组装过程中产生高维数的结构甚至是贯穿、螺旋等特殊结构,近几年来,已经有很多文献报道了关于含氮羧酸配体的一维,二维和三维超分子结构的合成与性质,除此之外,像氢键和π···π键这类弱的非共价键在构筑分子的自组装过程中也同样起着非常重要的作用。然而,很多微妙的因素比如反应物的比例,pH值,抗衡离子和溶剂等都可能对最终结构产生影响,因此,在这个伟大的工程实现之前,想要在自组装过程中预测配合物的结构还有很漫长的路要走。 随着配位化学和主客体化学引起的广泛兴趣,文献中也出现了一定数量的IIA族金属即碱土金属配合物的结构。碱土金属的氧化态以及原子半径同二价的过渡金属和稀土金属有一定的可比性,所以原则上,碱土金属也可以与有机配体产生类似的框架结构。本论文主要内容如下: 1.以3-吡啶酸和4-吡啶酸为有机配体,碱土金属为中心离子,以反应釜煅烧为实验条件,初步探索了反应条件,反应温度等对配合物结构的影响。 2.以3-氨基-1,2,4-三氮唑-5-羧酸为有机配体,碱土金属为中心离子,用分层的实验方法,探索了不同配体对结构产生的影响。 3.为了与碱土金属进行对比,采用过渡金属与有机配体进行反应,探索金属离子对结构的影响。
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