卤代酰胺是一类新型的含氮消毒副产物(N-DBPs)。饮用水源水中含氮前体物的存在以及使用无机氯胺为消毒剂等，导致了该类消毒副产物在饮用水中的广泛检出。虽然卤代酰胺类N-DBPs在饮用水中的含量低于传统的含碳消毒副产物(C-DBPs)，如三卤甲烷(THMs)和卤乙酸(HAAs)等，但是许多体外细胞毒性分析表明，其慢性细胞毒性和急性遗传毒性均显著高于THMs和HAAs这两类受控的C-DBPs。N-卤代酰胺作为其中一类典型的卤代酰胺，得到全球范围的广泛关注。目前对其形成路径的研究，主要以水体中的氨基酸作为前体物，以氯或氯胺为消毒剂，提出了“脱羧”路径和“醛”路径两条典型的形成路径。在“脱羧”路径中，氨基酸的α-氨基经两步氯化反应后脱羧，而在“醛”路径中，α-氨基在经过一步氯化反应后直接脱羧，且后续过程中形成了醛。本课题组在这两种卤代酰胺的形成路径基础上，通过进一步的探索，又提出了一条新路径，即“一步氯化+脱羧”路径。在该反应路径中，α-氨基也是经一步氯化反应后直接脱羧形成亚胺，再进一步氯化，最终腈水解生成卤代酰胺。这三种反应路径的共同点都是通过腈水解形成N-卤代酰胺，但实验研究发现，腈在中性条件下较难发生水解反应。因此，可能存在其他尚未识别的新的卤代酰胺生成机制。近年来，量子化学计算方法在研究反应机理方面发挥了越来越重要的作用。因此，本论文采用理论计算和实验验证相结合的方法，以醛类物质作为前体物，系统探索了在氯胺消毒过程中，形成N-卤代酰胺的路径，分析了各路径之间的竞争关系，并讨论了前体物中卤素种类、数量、取代位置以及碳链长度对反应路径的影响。本论文的主要研究内容如下：
　　一、基于密度泛函理论(DFT)计算，研究了在无机氯胺消毒过程中乙醛形成N-氯乙酰胺的完整反应路径。在对此前实验中提出的“腈水解”路径进行理论计算的基础上，我们还发现了一条新的N-氯乙酰胺形成路径，即“酸”路径。计算结果表明，这两条反应路径可以同时存在，此外，“酸”路径不经过在中性条件下难以发生的腈水解反应，且整条反应路径中所需跨越的最高能垒远低于“腈水解”路径。因此，新发现的“酸”路径可能是乙醛形成N-氯乙酰胺的动力学优势路径。
　　二、开展以乙醛为前体物，氯胺为消毒剂的实验研究，验证计算结果。消毒反应后，使用氨水通过顶空水基液相微萃取将反应样品中的挥发性有机酸萃取出来，通过萃取样品和乙酸标准样品的高效液相色谱图对比，确认反应体系中有乙酸生成，证实了通过量子化学计算新发现的“酸”路径确实存在于乙醛经氯胺消毒的反应体系中。
　　三、进一步基于DFT计算研究了不同醛类前体物中的卤素种类、数量、取代位置以及碳链长度对N-卤代酰胺形成潜力的影响。选取了包括乙醛在内的共11种醛类化合物，分别对其经氯胺消毒形成N-卤代酰胺的“腈水解”路径和“酸”路径进行量子化学计算。结果表明，卤素数量对两条路径中的各个反应速度均有较显著的影响，并因此改变了反应路径的决速步骤；通过决速步骤的反应能垒可以总结出卤素数量不同的各醛类前体物经“腈水解”路径形成N-卤代酰胺的潜力为：乙醛<氯乙醛<二氯乙醛<三氯乙醛；而经“酸”路径形成N-卤代酰胺的潜力大小为：乙醛<氯乙醛<三氯乙醛<二氯乙醛。卤素种类对各个反应速度的影响不明显，但仍改变了“酸”路径的决速步骤，卤素种类不同的醛通过两条反应路径形成N-卤代酰胺的潜力依次为：氯乙醛>溴乙醛>碘乙醛。卤素取代位置的改变对“腈水解”路径和“酸”路径中的多数基元反应均产生了显著影响，但并未改变反应路径的决速步骤，并且在两条反应路径中，卤素取代位置不同的醛形成N-卤代酰胺的潜力大小均为：2-氯丁醛>4-氯丁醛>3-氯丁醛。不同的碳链长度对各个基元反应的活化能没有造成明显影响，也没有改变反应路径的决速步骤，碳链长度不同的醛经由两条反应路径形成N-卤代酰胺的潜力大小依次为：丙醛>丁醛>乙醛。
　　综上，本论文结合使用量子化学计算和实验检测两种方法，系统研究了醛类前体物在氯胺消毒下的形成N-卤代酰胺的路径，确定了潜在的反应中间产物，从分子水平上揭示了水体中的醛类前体物形成N-卤代酰胺类消毒副产物的分子机制以及分子结构对其形成潜力的影响。研究结果对该类消毒副产物在饮用水中的形成规律及潜力研究具有指导意义。