自由基化学在生命科学和有机合成领域已经确立了其不可或缺的地位。目前,导向有机合成的自由基反应研究已成为自由基化学的主流,自由基方法在复杂天然产物合成中的应用成为自由基化学的重要发展方向。然而,自由基反应在有机合成中的应用还不够系统和深入。限制其应用的主要因素是对自由基反应的选择性和普适性研究不足。本论文从自由基反应的区域选择性着手,对导向有机合成的自由基环合反应进行理论研究。发展基于第一性原理的科学计算方法并将其用于自由基环合反应。论文第一章概述了自由基化学的历史背景、研究现状和发展前景,并对自由基环合反应的实验及理论背景进行了介绍。论文第二章简要介绍了计算化学的应用及一些常用的计算化学方法,如密度泛函理论、多体微扰理论、组态相关理论、耦合簇理论、模型化学方法及分子力场方法。对本论文使用的主要计算方法——密度泛函理论进行了详细介绍。论文的第三章,首次运用计算化学的方法对联烯自由基的环合反应进行了系统的研究。双层ONIOM(QCISD(T)/6-311+G(2df,2p):UB3LYP/6-311+G(2df,2p))方法得到的理论计算结果与实验值基本一致。利用Marcus理论进行分析,得到的结论是生成烯基自由基产物的本征能垒低于生成烯丙基自由基产物,而生成烯丙基自由基产物却是热力学有利的。4,5-二烯-己基自由基的联烯位置发生取代时,环合反应的区域选择性不受取代基的影响,环合主要生成五元环的烯丙基自由基产物。5,6-二烯-庚基自由基的联烯位置发生取代时,取代基效应对环合反应选择性的影响显著,CN和COMe等具有自由基稳定效应的取代基甚至可以完全改变环合反应的区域选择性。论文的第四章,对含C=N双键的亚甲氨及亚氨的自由基环合反应进行了研究。通过理论计算对影响自由基与C=N双键进行环合时亲氮或亲碳选择性的各种因素进行系统的讨论。结果表明4-亚甲氨基-丁基自由基倾向于得到亲碳的环合产物。双键末端的碳原子上连有不同取代基时,取代基效应对环合反应选择性的影响显著,Ph、CN和COOEt等具有自由基稳定效应的取代基使反应的选择性发生改变。5-亚氨基-戊基自由基环合反应的选择性与Baldwin-Beckwith规则一致,反应通过选择性的“亲碳”过程得到5=exo环合产物。论文的第五章,使用密度泛函方法在UB3LYP/6-311++G(3df,2p)水平上对自由基环化合成β-内酰胺的四种反应途径进行理论研究。结合Marcus理论对影响反应的热力学及动力学因素进行分析,发现氨基甲酰基自由基4-exo环合反应是理想的动力学控制过程;酰胺自由基的4-exo环合反应与5-endo环合反应相比是动力学有利的转化过程;单取代的酰胺烷基自由基的4-exo环合反应是一类动力学和热力学都较为不利的反应;羰基自由基加成亚胺N=C双键的4-exo环合反应与5-endo环合反应相比动力学不利而热力学有利。论文的第六章,我们首次对环丁基甲基自由基重排反应的选择性进行了系统的理论研究。双层ONIOM(QCISD(T)/6-311+G(2df,2p):B3LYP/6-311+G(2df,2p))方法的使用提高了预测环丁基甲基自由基开环及扩环过程的能垒的可靠性,精确度达到0.3 kcal/mol。单环环丁基甲基自由基重排反应的区域选择性很容易判断,只需要比较两种碳自由基产物的相对稳定性即可。双环环丁基甲基自由基既可能进行开环也可能发生扩环过程。当自由基中心位于双环的桥甲基时,扩环过程占主导地位,但是与桥甲基相邻的环丁基上存在能够稳定自由基的取代基时,重排以开环为主。另一方面,当自由基中心位于双环环丁基甲基自由基的2-位时,开环过程占主导地位,但是在双环的桥位上存在能够稳定自由基的取代基时,重排主要进行扩环反应。