近年来,有机小分子催化因其成本低、选择性高、环境友好等特点,已经吸引了越来越多的注意。而对于有机小分子催化的反应机理及其高立体选择性的探索更是得到了理论化学家们的广泛关注。按催化剂在反应中的作用可以将有机小分子催化分为四类,即路易斯酸催化、路易斯碱催化、质子酸催化和质子碱催化。本论文用密度泛函理论(DFT)方法研究了其中两类最常见的有机小分子催化反应的反应机理,即路易斯酸催化和路易斯碱(氮杂环卡宾)催化,从理论上揭示了路易斯酸/碱催化剂在不同反应中的具体作用,为设计更高效的有机小分子催化剂提供有价值的理论参考。论文的第二章至第五章从理论上对五个有机小分子催化反应的反应机理进行了深入研究。1.路易斯酸催化的烯酮和烯烃的[2+2]环加成反应的反应机理及其非对映选择性。本章一共研究了四条可能的反应通道,包括两条非催化的反应通道(通道A和B)和两条路易斯酸二氯乙基铝(Et Al Cl2)催化的反应通道(通道C和通道D)。对于非催化通道来说,计算结果表明通道A(生成R构型的环丁酮类产物)要比通道B(生成S构型的环丁酮类产物)在能量上更占优势。在路易斯酸催化条件下,生成S构型产物的反应通道D要比生成R构型产物的反应通道C在能量上占优势。以上的计算结果与实验观测结果相一致,说明路易斯酸不仅能够大大降低烯酮的环加成反应能垒,而且能有效改变反应的立体选择性。为了进一步探索路易斯酸催化剂在这类烯酮与C=X(X=O,CH2和NH)的[2+2]环加成反应中的作用,我们分别跟踪并比较了在非催化条件下和路易斯酸催化条件下的[2+2]环加成反应涉及到的前线轨道重叠方式的变化。计算结果表明,路易斯酸催化剂是通过改变前线轨道的重叠模式来降低烯酮和C=X(X=O,CH2和NH)[2+2]环加成反应的能垒。2.NHC催化的烯醛和α-羰基胺的[3+2]环化反应机理及其立体选择性。计算结果表明,能量最占优势的反应通道主要由七个步骤构成:催化剂的吸附、Breslow中间体的生成、Enolate中间体的生成、C-C成键过程、质子转移过程、闭环反应和催化剂的再生。在质子转移过程中,除了直接的质子转移机理,我们同样也研究了碱TMEDA和原位生成的Br?nsted酸TMEDA·H+帮助的质子转移机理。研究发现,TMEDA·H+能够显著降低质子转移这一关键转移步骤的反应能垒。结果表明C-C成键这一步是立体选择性决定步骤。全局反应指标分析结果证实催化剂NHC在反应过程中的角色是路易斯碱催化剂。除此之外,变形/相互作用能分析、NCI分析、NBO分析的结果说明分子间弱相互作用和反应活性位点的电子离域作用决定了反应的立体选择性,从而导致RR构型产物的优先生成。3.NHC催化的γ-氧化烯醛和偶氮二甲酸酯的[4+2]环加成反应。计算结果表明整个催化循环可以概括为三个阶段。第一阶段包括两个步骤:第一步是NHC亲核进攻烯醛,第二步是分子内的氢转移生成Breslow中间体。在这一阶段中,除了直接的氢转移机理,我们还研究了水和碳酸氢根帮助的氢转移机理;经计算研究发现对于第一阶段中这一关键的质子转移过程,碳酸氢根帮助的质子转移机理的能垒是最低的。第二阶段包括离去基团的脱去和C-C单键的旋转从而生成cis-Dienolate中间体两个步骤。第三阶段则包括endo/exo的[4+2]环加成和催化剂从产物中脱去两个过程。计算结果证明[4+2]环加成步骤是立体选择性决定步骤,CH-π相互作用是产生立体选择性的关键因素,并导致优先生成R构型产物。4.NHC催化的环丁烯酮的C(sp2)-C(sp3)键活化及其与亚胺的[4+2]环加成反应机理及其立体选择性。根据计算结果,整个反应机理包含四步:NHC与环丁烯酮的亲核加成、C-C键的活化生成Enolate中间体、Enolate中间体与亚胺的[4+2]环加成反应和催化剂与产物的解离。此外,计算结果表明第二步是速率决定步骤,第三步是区域选择性和立体选择性决定步骤。对于区域选择性和立体选择性决定步骤来说,我们考虑了四种可能的进攻模式。亚胺中的C=N键与Enolate中间体的[4+2]环加成反应要比C=O双键与Enolate中间体的环加成反应更占优势。而且,亚胺的Re面与Enolate中间体的Re面加成生成SS构型的含氮杂环产物是最占优势的进攻模式,这主要是由于SS构型的过渡态有着更大的离域稳定化能。更进一步地说,通过跟踪速率决定步骤的C-C键断裂过程的前线轨道变化,我们发现该过程遵循分子轨道对称性守恒原理。5.NHC和Br?nsted酸/碱(BA/BB)协同催化的N,O-缩醛和α,β-不饱和醛的氨基甲酰化反应机理及其立体选择性。计算结果显示该反应包含如下七个步骤:N,O-缩醛中的C-O键活化,伴随着生成真正的活性催化剂NHC和Br?nsted酸Et3N·H+;NHC亲核进攻α,β-不饱和醛;Breslow中间体生成;β-质子化反应生成Enolate中间体;活化的亚胺阳离子从Re面或者Si面亲核进攻Enolate中间体;酯化反应并伴随着Et3N·H+的重新生成;催化剂NHC和产物的解离。亚胺阳离子从不同方向亲核进攻Enolate中间体是立体选择性的控制步骤,并在这一步中形成了α-碳手性中心。此外,NBO分析、GRI分析和FMO分析揭示了催化剂在整个反应过程中的作用以及立体选择性的起源。同时,我们的计算结果还表明该反应是NHC-BA/BB多重协同催化而不是实验中推测的NHC-BA的双重协同催化。本论文的第六章总结了上述研究并展望了未来工作。