活性氧自由基是生物体在正常生理代谢过程中和生存环境诱导下产生的不稳定中间产物。它是细胞信号转导的重要信使分子，与生物体内各种生理现象及病理反应密切相关。检测生命体系中自由基的变化情况可揭示细胞内信号调节机理，为疾病诊断提供重要信息，也为抗氧化剂清除体内过量自由基提供重要依据。自旋捕捉技术是目前检测自由基最重要的方法之一，而自旋捕捉剂的设计是该技术最关键的因素。因此，揭示捕捉剂的结构与捕捉活性的关系以及抗氧化剂与抗氧化活性之间的关系，从而有针对性地设计、合成自旋捕捉剂和抗氧化剂，这对于检测活性氧自由基及其控制具有重要的生物学意义，也是生物学、化学、医学等领域的重要热点研究课题。本论文旨在研究自旋捕捉剂和抗氧化剂的结构一活性关系，为捕捉剂和抗氧化剂的设计与合成提供理论指导，主要的研究内容包括以下几个方面：　　 1.以五种环状硝酮为模型化合物，研究了2，5取代基团对环状硝酮捕捉剂捕获超氧的能力及其加合物稳定性的影响，阐明了不同位置取代基的作用机制。首先，对捕捉过程的研究发现5位引入吸电子基团加快捕捉超氧速率，反应的自由能变化及捕捉剂的LUMO在一定程度上可以反映硝酮捕捉剂与超氧的加合反应速率，而2位引入给电子基团能降低捕捉剂捕捉超氧的速率。其次，超氧加合物结构的理论分析表明5位大位阻的强吸电子基团可以通过分子内氢键、分子内非键作用以及立体保护作用保护其超氧加合物，而2位甲基的作用机制则是主要通过影响N(1)-C(2)键实现的。最后，对加合物衰变过程的热力学分析表明，在三种可能的单分子衰变途径和一种可能双分子衰变途径中，5位引入大位阻的强吸电子基团可以降低加合物衰变的倾向性，而2位引入给电子甲基基团增加其倾向性，氮氧自由基的氮和氧原子上的电子自旋密度在一定程度上可以反映硝酮超氧加合物的稳定性。　　 2.基于一种新合成的B.磷酰化线性硝酮捕捉剂4-HOPPN和线形硝酮代表PBN的自旋捕捉ESR性质和单晶结构，从理论角度系统分析了它们捕捉超氧自由基两种可能的过程及其超氧加合物的结构和三种可能的衰变途径，全面阐述了β-磷酰基的作用机制。计算结果表明4-HOPPN和PBN对超氧自由基的自旋捕捉具有相同的机制和热力学变化趋势：4-HOPPN-OOH表现出更高的稳定性，这是由于它具有更强的分子内相互作用(分子内氢键、分子内非键相互作用)和更大的立体保护作用；在超氧加合物可能的衰变途径中，形成羟胺的单分子衰变机制被证明是热力学最适合的，并进一步从衰变动力学角度对4-HOPPN-OOH的高稳定性作出了理论解释。　　 3.运用组合的密度泛函理论方法初步揭示了五种非甾体抗炎药物(NSAIDs)清除过氧自由基的机理。结果表明在极性水介质中这些非甾体清除过氧自由基的机理是直接抽氢反应而非电子转移反应；在β-位或γ-位碳上的氢原子容易被抽取：最低的C-H解离焓(BDE)能够定量地解释这五种非甾体抗炎药物的活性差异。该研究加深了对非甾体抗炎药物活性的理解，并为设计以非甾体为母体的新型抗炎药物提供了一定的理论指导。　　 4.利用电子自旋共振光谱、紫外可见吸收光谱等实验方法来检测五味子酚和超氧反应后的中间产物，理论计算各种可能途径的自由能变，阐述了五味子酚在极性介质中清除超氧的可能机制。研究发现可能的机理主要有两种，一种是质子转移反应，超氧夺取五味子酚的质子后发生自歧化反应生成氧气和过氧化氢，而生成的酚负离子继续被氧气或被过氧化氢自由基所氧化生成中性自由基。另一种是超氧阴离子自由基把电子给五味子酚使其形成酚负离子自由基，而本身被氧化成氧气。五味子酚清除超氧的机理的明确不但为阐述五味子酚药理活性的作用机制提供了可能的线索，而且为研究酚类抗氧化剂清除超氧的机理提供了一定的理论指导。