吸烟严重危害人的身体健康。研究发现,癌症、心脏病和部分肺部疾病都与吸烟有关,暴露于香烟烟雾中还会增加患动脉粥样硬化和心血管疾病的风险。尼古丁（1-甲基-2-（3-吡啶基）吡咯烷）是烟草中的主要有机氮化合物之一。在气相环境中,尼古丁能与亚硝酸、羟基自由基和臭氧等发生化学转化反应,且相互作用机制很复杂,仅通过实验方法很难准确阐释其中的化学转化过程。而且实验研究成本高、耗时长,研究周期更长,研究结果对中间过程的判断精确度不高,对于反应过程中的重要中间体的检测也很困难。因此有必要发展理论计算方法,从分子水平上揭示尼古丁在气相环境下的化学转化机制。本研究拟使用量子化学计算方法深入研究尼古丁与亚硝酸和羟基自由基的反应机制,阐明完整的化学反应机理,明确优势反应路径和产物。研究结果有助于理解尼古丁在气相中的化学转化机制、反应动力学和反应热力学信息,为该环境污染物的环境转化、生态和健康风险评估提供科学提供理论基础。本文基于量子化学计算方法研究了尼古丁与亚硝酸和羟基自由基的反应机制。具体研究内容如下:一、尼古丁与亚硝酸形成烟草特异性亚硝胺（TSNAs）的研究。实验研究发现,大气中的部分亚硝酸能转化成高活性的氮氧正离子（NO+）,进而与尼古丁反应形成TSNAs。我们基于密度泛函理论（DFT）计算,我们模拟了NO+与尼古丁反应的化学过程。研究发现,NO+可以进攻尼古丁的3个碳位点（C1、C2、C3）,首先夺取氢负离子形成不稳定的阳离子中间体,首先夺取氢负离子形成不稳定的阳离子中间体,然后在亚硝酸根离子协助下发生C=N双键水解反应形成羟基化中间体,该中间体随后经历水分子协助的C-N单键裂解、胺基N原子的NO+攻击和质子离去反应分别形成3种TSNAs产物,即4-(N-甲基亚硝胺基-1-（3-吡啶基）-1-丁酮（NNK）、N-亚硝基降烟碱（NNN）和4-（N-甲基-N-亚硝基胺）-4-（3-吡啶基）丁醛（NNA）。其中,NO+攻击尼古丁C2位点所跨越的能垒最低（决速步能垒为8.38kcal/mol）,低于C₁和C₃位点的反应（决速步能垒为14.8 kcal/mol和9.8 kcal/mol）,表明NNN是尼古丁亚硝基化的主要转化产物。本研究在实验基础上进一步识别了尼古丁与亚硝酸反应的中间产物,完善了尼古丁在气相中化学转换反应的详细过程,为后续的相关实验研究提供有力的理论支持。二、尼古丁与羟基自由基反应形成甲酰胺和异氰酸的研究。实验研究发现在气相环境中羟基自由基（·OH）会与尼古丁反应生成异氰酸和甲酰胺。基于密度泛函理论（DFT）计算,我们模拟了尼古丁与·OH的反应过程。研究发现,·OH可攻击尼古丁吡咯烷上的5个C位,首先夺取C位上的氢原子,形成水分子和C-自由基中间体。自由基中间体可进一步与·OH反应形成羟基化尼古丁,后经由氢转移断键及循环的·OH夺氢/加成反应形成实验检测产物异氰酸和甲酰胺。异氰酸的形成路径中,·OH攻击尼古丁C5位点所跨越的能垒最低（14.23 kcal/mol）,反应最容易发生反应;其次是·OH攻击C4位点反应,反应决速步骤的能垒是16.4kcal/mol,表明脱甲基是尼古丁被·OH氧化的主要反应路径。本研究对于气相环境中的尼古丁与·OH反应的分子机制和中间产物进行了合理推测,研究结果有助于深入理解尼古丁在气相环境中的转化机制。本课题在研究尼古丁的化学转化反应中,应用量子化学计算方法构建反应模型,对其中的反应过程进行分析和描述,从而揭示完整的反应机理。对于尼古丁的气相转化反应,不同的反应位点会存在一定差异,反应所经历的能垒也不一样,优势路径也各不相同,研究结果会为后续相关领域的课题研究提供有效的理论支持,进一步提升相关研究的整体水平。