生物正交反应被广泛用于生物标记、疾病诊断、药物释放等领域。随着生物正交反应的发展,稳定性好、生物兼容性高的悉尼酮分子成为新兴的生物正交试剂。人们合成了各种各样的悉尼酮分子,并将其用于蛋白质标记、荧光开关、材料合成等领域。已有的报道显示取代基效应对悉尼酮分子与张力炔烃的环加成反应活性影响巨大,然而目前人们还不了解取代基效应如何影响悉尼酮环加成活性。为了帮助人们快速理解取代基效应对悉尼酮活性的影响机制,我们将采用理论计算分析多种取代基的悉尼酮与张力炔烃之间的环加成反应。借助于理论计算的优势,我们也研究了硼试剂构建芳香杂环化合物时对底物的选择性。芳香杂环骨架广泛存在于天然产物、药物分子和光电材料中,高效构建芳香杂环骨架是人们研究的热点问题。目前,人们发现在无催化剂时硼试剂可以直接将芳香炔烃转化为硼化杂环化合物。此类反应成本低、效率高、步骤简便,吸引了人们的关注。然而,人们还不了解硼试剂与各种底物之间的作用机制,反应过程中硼试剂对底物的选择性等问题也没有得到解决。本文将利用理论计算研究三氯化硼和儿茶酚硼氯与底物发生环化反应过程的作用机制等问题。综上所述,本文的研究内容主要包括以下两个部分:第一部分,我们利用密度泛函理论研究卤素效应对悉尼酮生物正交环加成反应活性的影响。我们模拟了六种取代的悉尼酮与张力炔烃的过渡态,计算了它们的反应能垒和相应的二级反应速率,计算的能垒值与实验能垒值结果一致,这进一步证实了计算的准确性。我们利用前线轨道分析定性了解悉尼酮的反应性,发现在轨道相互作用过程中悉尼酮提供最低电子未占据轨道(LUMO),张力炔烃提供最高电子占据轨道(HOMO),悉尼酮LUMO值与反应能垒没有直接相关的关系。我们利用Distortion/lnteraction模型分析了悉尼酮环加成反应的过渡态,了解到取代基主要影响悉尼酮骨架的形变进而改变环加成反应活性。氟原子电负性较强,大大的降低了悉尼酮C4位从sp2C转变为sp3C所需的形变能,最终导致氟代悉尼酮活性极高。我们对六种悉尼酮进行氢化焓分析,氟代悉尼酮氢化反应释放能量最大,表明氟代悉尼酮最容易发生形变,这从热力学的角度证明了取代基主要影响形变来改变悉尼酮环加成活性的观点。为了更直观的了解形变过程,我们还对悉尼酮进行了二面角扫描,模拟底物从基态到过渡态的形变过程。这些分析都支持了取代基效应影响底物形变最终改变悉尼酮环加成活性的结论。氟代悉尼酮是反应速率极高的生物正交试剂,有很大的应用前景。我们预测了氟代悉尼酮等五种试剂与十二种生物正交反应中常见的张力炔烃张力烯烃的环加成反应速率。人们通过预测的反应速率可以快速筛选合适的生物正交试剂对。第二部分,我们利用密度泛函理论分析硼试剂与芳香炔烃发生环化反应的选择性。以三氯化硼和儿茶酚硼氯为研究对象,我们了解到硼试剂通过协同的机理来驱动反应,硼试剂活化炔烃的同时底物上的基团会亲核进攻炔烃上的碳正离子,最终形成芳香杂环中间体,中间体脱甲基化便可以得到目标产物。在了解上述机理的同时,我们了解到三氯化硼将酯类底物转化为酰氯的过程改变了硼试剂对芳香炔烃底物的选择性。我们意外地发现三氯化硼可以将酯一步转化为酰氯,这是一种新型的制备酰氯的方法。通过理论计算我们了解到羰基碳上取代基给电子能力越强越有利于反应进行,取代基位阻效应对反应活性影响不大。这一规律与经典酯水解规律截然不同,以往酯水解过程中羰基碳上取代基吸电子能力越强、位阻越小越有利于反应进行。经过研究我们发现三氯化硼与酯之间作用机制与经典酯水解不同,导致二者互为补充,我们发现三氯化硼将酯转化为酰氯的反应还具有很好的实用性,我们可以一锅法将酯转化为酰胺等物质。这一发现对经典有机化学进行了很好的补充,为人们设计新反应提供了新思路。