活化分子氧并将氧原子直接插入有机分子的反应,是好氧生物最重要的基本生命过程。但是基态分子氧是三重态的双自由基结构,在与有机底物结合时需要很高的势垒,因而其固有的活性很低。金属加氧酶便能克服这种障碍,使分子氧得以活化,进而实现多种氧化反应。我们熟知的血红素因其含有加氧酶,在生命体中执行着很多至关重要的代谢反应,受到了人们的广泛关注。为了使加氧酶更好地服务于生物本身,也为了将这些环境友好、高效率的活性中间体推广到外部工业生产中,多年来,人们对其结构参数、作用机理等都进行了深入的探索。根据这些研究所得到的重要信息,人们通过调节金属种类,改变配体结构等方式设计合成出一系列的仿生金属加氧酶中间体,并将其应用到生物、化学、医药等各种重要领域中,取得了很好的成效。这又为人们进一步深入了解各种活性中间体的反应机理细节提供了基础。传统观点上普遍认为高价金属-氧复合物是执行各种氧化反应的唯一活性中间体,它也确实表现出了很好的反应性。但随着研究越来越广泛,人们发现,含有加氧酶的反应体系中可以存在多种活性中间体,它们在合适的环境中可以用于不同体系的加氧反应。基于金属加氧酶活性中间体的重要性和丰富性,本文通过量子化学方法对非血红素高价铁-氧活性中间体参与反应的机理细节,影响多种活性中间体之间平衡转化的因素,以及元素周期表后期元素中的代表元素钯的加氧反应活性中间体进行了理论计算,以期得到更精细的理论指导为设计合成出更有效的催化剂提供依据,具体研究内容如下:1.结合多态密度泛函理论和传统Kohn-Sham密度泛函理论探究仿生非血红素铁氧化剂Fe^IV（O）（N4Py）（ClO₄）₂参与的N,N-二甲基苯胺的氮-脱烷基反应在生物无机化学和氧化化学中,血红素、非血红素铁酶以及相关仿生物质参与的C-H键活化反应是最有意思的过程之一。尽管已经有大量相关的实验研究,尤其是在N,N-二甲基苯胺的氮-脱烷基反应方面,但由于牵涉到高活性、多自旋态的金属-氧中间体,这些反应机理一直是捉摸不透的。在本文中,我们课题组采用多态密度泛函理论（MSDFT）和传统的Kohn-Sham密度泛函理论（DFT）同时探究反应中间体Fe^IV（O）（N4Py）（ClO₄）₂参与的N,N-二甲基苯胺的氮-脱烷基反应机理。传统的Kohn-Sham密度泛函理论研究表明反应过程包含两步:第一步是氢转移步,这是整个反应的速控步;第二步是无势垒的氧回弹步。经过这两步反应,得到最终的甲醇产物。对于第一步的C-H活化过程,使用MSDFT方法做了进一步探究,并显示这一步是与CEPT和HAT机理都高度相关的氢原子剥离反应,就是说,在达到透热态交叉点之前,CEPT和HAT过程都对反应机理做出了重要的贡献,之后,绝热基态的价键特征转向CEPT过程的产物构型。本文中的发现很可能也适用于其他氢转移反应过程。2.调节金属亚碘酰苯氧化剂和高价金属氧试剂之间的化学平衡的因素金属亚碘酰苯复合物（1）和高价金属-氧复合物（2）是加氧反应过程中的两种关键活性中间体。研究者们已经进行了大量的实验研究来探索这两种不易捉摸的氧化剂的结构-功能关系,然而,基于这些实验结果所得到的有争议的假设以及遗失掉的机理细节,都需要理论方法来与这些现存的实验结论相互配合才能加深理解,尤其是研究调节氧化剂1和2之间化学平衡的因素。在这里,我们进行了密度泛函理论计算,结果证明了三氟甲烷磺酸盐抗衡离子（OTf-）的作用并不是人们所熟知的作为轴向配体,而是通过一种新颖的卤键相互作用来影响反应。相比于没有卤键作用的例子,这种卤键相互作用不仅提高了可逆反应的速率,也使反应平衡点向着金属-亚碘酰苯氧化剂的方向移动。我们通过计算得到,实验观测到的具有S=5/2信号的物种是OTf-抗衡离子通过卤键与铁（III）-亚碘酰苯相结合的物种（1d）。我们还研究了碘苯的取代效应,结果显示氟原子的取代数越多,1与2之间转化的势垒就越高,而且氧化体系里的金属-亚碘酰苯的数量就越少。我们的理论研究将会帮助仿生氧化领域的研究者在金属-亚碘酰苯化学中有更加深刻的认知,也能帮助他们设计出更加合理的催化剂。3.三价钯-过酸中间体捕获醛自氧化中的自由基使普通钯催化剂有效参与芳基哌啶C-H键羟基化反应的研究普通的钯催化剂通过捕获醛自氧化过程中产生的自由基而催化2-芳基哌啶C（sp2）-H键直接羟基化的反应拥有很多优势,比如操作条件简便,所用到的醛无毒又便宜,整个过程省原子、省步骤。本文中,我们报道了使用密度泛函理论对该催化循环机理的计算研究,揭示了一种新颖的催化循环过程。我们发现,整个过程的速控步是金属去质子化机理中的C-H活化步,并且该步会产生副产物布朗斯特酸HCl,它能促进六配位的Pd（III）-过酸中间体的形成。这个活性中间体就像一个蓄水池,通过O-O键均裂提供高活性的高价Pd（IV）-OH物种。没有布朗斯特酸HCl参与的反应在能量上也是可行的,但是不占优势。此外,除了nPr OO·自由基,还需要OOH·自由基参与反应,从而使得四配位的Pd（II）催化剂再生。本文中的计算研究阐明了这个难以捉摸的自由基参与的钯催化的加氧反应,并且为进一步设计合理的反应策略和新催化剂提供了积极作用。4.药物代谢2,2,6,6-四甲基哌啶缩环反应中通过协同质子耦合电子转移机理进行的P450催化N-H键活化过程的研究细胞色素P450酶催化氧化哌啶类药物的缩环反应是人体内极为重要的药物新陈代谢过程。然而,经过数十年的实验研究,其本质机理仍令人捉摸不透,存在着争议。我们通过传统密度泛函理论（KS-DFT）结合多参考密度泛函理论（MSDFT）研究了P450活性中间体Cpd I催化氧化的2,2,6,6,-四甲基哌啶缩环反应的化学性质。计算结果显示,缩环反应由N-H键活化引发。MSDFT结合KS-DFT的研究表明N-H键活化过程最开始在透热态交叉点之前通过紧密耦合的电子-质子对反应,本质上表现出氢原子转移（HAT）的特征,之后的机理由协同电子质子转移（CEPT）的产物态主导。本文中,多参考密度泛函理论（MSDFT）计算的卓越表现证明了它是研究难懂的质子耦合电子转移（PCET）过程的强有力的工具。同时,据我们所知,这是P450参与的缩环反应方面的研究中,第一个综合的理论报道,它所揭示的新颖的反应机理毫无疑问地使相关药物的设计更为合理化。