N-亚硝胺类化合物(NNCs)是一类重要的环境致癌物，其可以诱发动物包括人类在内的多种肿瘤。N-亚硝胺类化合物结构类型众多，致癌活性具有很大差异，且肿瘤发生部位也具有特异性。N-亚硝胺类化合物结构本身较为稳定，但进入体内经过细胞色素P450的代谢活化后，其代谢产物表现出明显的致癌活性。研究表明，N-亚硝胺的代谢途径主要是在细胞色素P450酶的催化下，首先发生α-羟基化反应后生成α-羟基烷基亚硝胺，接着α-羟基烷基亚硝胺分解后的产物与DNA结合，可以使DNA碱基烷基化，并最终导致肿瘤产生。N-亚硝胺代谢过程中的后半部分已经得到证实，而其羟基化反应过程则可能是其致癌特异性存在的主要原因。因此，本论文通过量子化学的方法对N-亚硝胺的羟基化反应进行了模拟，为N-亚硝胺类化合物致癌性的相关研究提供理论基础。一、在密度泛函理论下，对二甲基亚硝胺(NDMA)在细胞色素P450催化氧化活性中心Cpd I和Cpd0作用下的α-羟基化反应过程代谢机理进行了理论计算，结果表明，Cpd I作为催化活性中心具有优势：NDMA的羟基化反应过程中简并的高自旋态(HS)和低自旋态(LS)均参与反应。反应经过两个特征阶段，首先是NDMA中甲基中的H原子与Cpd I中氧原子通过氢键作用形成高低自旋态初始络合物，氢原子抽提并转移到Cpd I中与Fe相连的氧原子上，形成PorFe-OH与α-烷基自由基中间体络合物。紧接着高自旋态的中间体络合物发生反弹过程，自由基中间体反弹到羟基上，形成羟基化产物；而低自旋中间体不发生反弹过程，直接形成羟基化产物。其中，氢原子的抽提过程为此整个反应过程的控速步骤，反应能垒为17.56/17.46kcal/mol(HS/LS)，反应中没有呈现明显的自旋选择性，与烷烃羟基化反应过程类似，符合双态反应性(TSR)。该结果给出了NDMA在细胞色素P450作用下的羟基化反应过程机理，完善了NDMA的体内代谢过程，建立了亚硝胺类化合物羟基化反应代谢过程的机理模型，为后续相关实验提供了有力的理论支持。二、计算了甲基乙基亚硝胺(MENA)在细胞色素P450的两个催化氧化活性中心Cpd I和Cpd0作用下的羟基化反应过程代谢机理。结果表明，在催化甲基乙基亚硝胺代谢过程中，Cpd I显示出其优势，羟基化反应过程中的氢原子抽提过程为控速步骤。比较了顺反两种异构体两侧α-H的羟基化过程，其中顺式结构下长链端即乙基端C-H键的羟基化反应过程能垒最低，反应最易进行。甲基乙基的羟基化反应过程中没有明显的自旋选择性，反应符合双态反应性特征。进一步研究了细胞色素P450的两个氧化活性中心Cpd I和Cpd0的催化氧化活性，证明，Cpd I可能是N-亚硝胺在体内代谢活化的催化剂。三、计算了甲基丁基亚硝胺(MBNA)在细胞色素P450的催化氧化活性中心Cpd I作用下的羟基化反应过程代谢机理。结果表明，反应过程具有两个特这阶段，首先是C-H键的活化，氢原子从MBNA中α-甲基上转移到铁卟啉中与Fe原子相连的氧原子上形成ForFe-OH与烷基中间体络合物。接着烷基自由基中间体络合物反弹到在羟基上形成羟基化产物。氢原子抽提过程是反应的限速步骤，反应符合双态反应性。顺式结构下长链端即丁基侧C-H键的羟基化反应过程能垒最低，是优势反应路径。本研究阐明了N-亚硝胺的体内羟基化代谢过程机理，建立了N-亚硝胺化合物的代谢模型，证明Cpd I是N-亚硝胺体内代谢的主要催化剂。同时也得出初步结论，即对于各种不同类型的亚硝胺的体内代谢过程，其长链端的C-H键羟基化反应过程最易进行，为后续相关研究提供了重要的理论基础。