pKa是衡量R-H键异裂失去质子能力的化学参数,在化学领域扮演着十分重要的角色。以平衡酸度为基础的Bronsted关系是有机化学中最早确立的定量结构-活性关系,它将化学热力学和化学动力学有机联系了起来,为利用pKa知识来研究、推断和预测反应动力学性质提供了理论依据。基于Bronsted关系,运用酸度知识来调控化学反应、诊断反应机理、设计新反应和催化剂已取得了很大的成功,但也遇到了一些新问题。已有通过调控催化剂酸度成功提高立体选择性的报道,但是酸度与立体选择性间是否存在关联、存在什么关联目前尚不清楚,无法用经典的Bronsted关系来解释或预测。此外,困扰物理有机化学家多年,至今仍处于争论中的硝基烷烃质子转移动力学的反常现象,亦无法用Bronsted关系来解释。揭示酸度调控化学反应的内在原因,无疑将会为酸度-活性／立体选择性关系提供十分宝贵的信息,有助于今后成功设计和优化反应。欲用酸度-活性关系成功设计和优化反应,还需要对溶剂效应有较好的认识,因为化合物的酸度极大依赖于溶剂性质。离子液体作为一类新型绿色溶剂,有着独特的溶剂性质,已被广泛应用于合成及催化,但对其独特溶剂效应的认识却十分有限。从分子层面理解离子液体究竟如何影响重要的化学参数pKa是实验和理论化学家共同面临的巨大挑战。更为遗憾的是,离子液体中的实验pKa数据目前极为稀少,并且还没有预测离子液体中pKa的理论方法。因此,合理设计研究离子液体溶剂效应的计算策略,并以此为基础发展预测pKa及其它热力学参数的理论方法,对研究离子液体中的化学问题,理解其独特的溶剂效应具有十分重要的意义。受上述问题驱动,本论文以量子化学计算为工具,系统研究了R-H键酸度对若干重要有机反应的调控及离子液体对平衡酸度的介质效应：一、研究利用电子效应改变手性催化剂中O-H键酸度调控立体选择性。理论计算了催化模型存在争议、立体选择性来源尚不明确的金鸡纳碱衍生物仿生催化不对称烯烃异构反应的机理,发现催化位点的酸度改变可诱导催化机理的转换和产生催化剂变种。其次,通过对立体控制步过渡态中弱相互作用的定性表征和定量估计,发现了多重C.H…O氢键协同作用是诱导该反应立体选择性的来源。最后,揭示了催化位点酸度增强,选择性提高的原因,即催化位点酸性增强,引起催化剂与底物间的氢键结合强度增加、使得底物与催化剂在过渡态中结合更紧密、增强了诱导立体选择性的弱相互作用,从而诱导了更高的立体选择性。二、评估共催化剂通过分子识别调控手性催化剂中O-H键酸度的能力。首次建立了气相和溶液相中多种氢键共催化剂诱导脯氨酸的羧酸基团shift的标度。此外,考察了氢键共催化剂在过渡态中的行为,发现其不仅与催化剂作用,还与底物发生作用。三、研究非手性催化剂中O-H键酸度对Bronsted酸催化反应的影响。理论评估了乙酸催化分子内氧化还原氨化合成烷基吡咯的两种争议机理。计算结果表明直接1,3-负氢迁移和酸辅助包含亚胺正离子的分步机理所需的活化能都过高。基于计算结果,并结合已有实验事实,提出了一种不含亚胺正离子的新催化机理。该催化反应包含多个基元步骤是Bronsted关系无法适用于该反应的原因。四、研究通过底物的C-H键酸度调控反应。理论计算了硝基烷烃及硝基环烷烃与氢氧根负离子水相质子转移反应,首次发现扭转效应是导致其违背Bronsted关系的重要原因。五、基于本课题组近期实验测定的纯离子液体中碳酸(carbon acids)的绝对酸度,首次设计了一种计算离子液体中化合物平衡酸度的理论方法。采用SMD隐性-显性溶剂模型,理论预测离子液体中不同结构碳酸pKa的平均绝对误差仅为1.28个pKa单位,其可与分子溶剂中的pKa计算精度媲美,填补了离子液体中pKa理论计算的空白。