在过去的三十年里，我们已经看到胺离子化学已经成为一个十分活跃的科研领域。而对该领域的研究兴趣主要源于胺离子在最大的一类化学致癌剂-芳香胺和酰胺致癌进程中所发挥的重要中间体作用。通常为人们接受的观点是，胺离子是在芳香胺的新陈代谢过程中产生的，并且这些中间体通过与关键的细胞成分(核酸和蛋白质等)的亲核残基反应而导致癌症的发生。然而这种反应所导致的真正后果是极端复杂的，也是很少为人所知的。因此，研究涉及芳香胺离子的反应，对于理解芳香胺的致癌作用，或者可能，对于抗癌药物的研发都是非常有价值的。 本论文在合理构建的理论模型基础上，使用高水平的从头计算(ab initio)、密度泛函理论(DFT)和ABEEM/MM-MD分子动力学模拟方法，研究了芳香胺离子参与的一系列致癌性生物分子反应，为理解芳香胺离子的致癌机理提供了一些新的理论见解，其主要内容如下： (1)对芳香胺离子与嘌呤核酸反应中得到的最重要的C8加成物的生成机理提供了详细可靠的理论见解。芳香胺是最大的一类化学致癌剂，而C8加成物是由这种致癌剂导致的最重要的诱发癌症的产物。在第三章中，我们使用从头计算、密度泛函理论和ABEEM/MM-MD分子动力学模拟方法，以两个模型反应和一个实际的致癌性反应为基础，研究了C8加成物的生成机理。首次对这些重要的C8加成物的生成机理给出了详细的理论见解，即，这些C8加成物的生成是芳香胺离子直接进攻DNA中嘌呤核酸C8位置的结果。这个理论发现被大量的实验数据所支持，如反应的理论速率常数与实验结果具有很好的一致性，除此之外，理论所评估的C8中间体的N1位置pKα值和NMR化学位移值也都与实验的测量数据一致。进一步的，实验中所观察到的黄苷与芳香胺离子反应中生成等量的O6和C8加成物现象，以及腺苷与芳香胺离子反应中没有观测到C8加成物的实验现象都根据我们的理论研究结果得到了合理的解释。 (2)揭示了芳香胺离子与嘌呤核酸反应中N7和C8加成物间的直接转换机理。在实验建议的三个关于芳香胺离子与鸟苷和脱氧鸟苷反应而生成C8加成物的机理中，最重要并且最关键的区别是N7和C8加成物问的直接转换能否发生。HKG和KNK实验方案都支持最终生成的C8加成物来自于一个初始形成的N7加成物的转换，而MDL方案则支持C8加成物的直接生成机理。很明显，为了得出一个关于C8加成物生成的一致性结论，首要的事是研究这个N7和C8加成物问的直接转换过程。 在第四章中，以高水平的从头计算的形式，我们研究了芳香胺离子与嘌呤核酸反应中N7和C8加成物的直接转换过程。这个研究第一次揭示了该直接转换机理的存在，并且首次在理论上证明了C8加成物在液相中要比N7加成物更稳定。这些发现从侧面证明了第三章中发现的C8加成物直接生成机理的正确性，即，在这些复杂的生物分子反应中，C8加成物的生成是芳香胺离子直接进攻DNA中嘌呤核酸C8位置的结果。这两个重要的结论也合理的解释了芳香胺离子与嘌呤核酸反应中观测到的丰富的C8加成物和稀少的N7加成物的实验现象。 (3)使用从头计算、密度泛函理论和ABEEM/MM-MD分子动力学模拟相结合的方法(QM-MM)，研究了芳香胺离子与嘌呤核酸反应中产生的中间体的C8去质子化过程。我们已经在第三和第四章中提供了芳香胺离子与DNA中的嘌呤核酸反应而生成C8加成物的机理。但是该机理中还涉及一个中间体的C8去质子化过程，阐明该过程也是十分必要的，有意义的，同时也是我们的兴趣。因此，在第五章中，我们首先以ABEEM/MM-MD分子动力学模拟的形式展现了与C8去质子过程相关的质子线的结构特征，然后在这些动力学模拟结果的基础上，构建了三个合理的理论模型，并使用从头计算和密度泛函方法研究了这个C8去质子化过程。研究结果表明，这个C8去质子化过程是一个速率极限的步骤，这一发现与实验观测一致。此外，根据分子动力学对C8加成物生成过程的模拟，我们发现过渡态在液相中比在气相中需要更高的激发能的现象是液相中过渡态的反应中心与水的相互作用比反应物的这些位置与水的相互作用更弱的结果所导致的。所有的这些发现也都间接的支持了芳香胺离子与DNA中的嘌呤核酸反应中的C8加成物的直接生成机理。 (4)研究了N7位置质子化的嘌呤基对于芳香胺离子与这些嘌呤反应中C8加成物直接生成机理的影响。为了阐明质子化的嘌呤基对C8加成物直接生成机理的影响，在第六章中，我们研究了四个N7质子化的嘌呤基同苯和4-联苯胺离子间的反应。首先是四个嘌呤基N7位置的pKα值被评估，所得到的结果很好的一致于实验数据。接下来，我们发现在涉及N7质子化和N7未质子化的嘌呤基两种致癌性反应时，C8加成物的生成机理是基本相同的。第三，ABEEM/M-MD分子动力学模拟展现出了N7质子化的鸟嘌呤与苯胺离子反应中所有反应种类的溶解结构特征，并且发现了导致过渡态在气相和液相中存在巨大的能量差的本质原因。最后，我们模拟了在更复杂的反应中，N7质子化对C8加成物生成机理的影响。 根据以上的研究，我们得到了四个重要的结论，(Ⅰ)这个研究再一次的支持了芳香胺离子与DNA中嘌呤核酸反应时C8加成物的直接生成机理。(Ⅱ)嘌呤基的N7质子化将使这些致癌性反应的速率常数大大的降低，这与实验的观察是一致的，并且证实了实验的假设。(Ⅲ)芳香胺离子的复杂性可能会使有N7质子化的嘌呤基参与反应的速率常数降低。(Ⅳ)当N7质子化的嘌呤基参与这种致癌性反应时，中间体的C8去质子化过程仍旧是一个速率极限的步骤，并且其速率常数要比N7未质子化的嘌呤基参与反应的速率常数大。 (5)模拟了芳香胺离子与腺苷反应中得到的特殊的Imine N6加成物的生成机理。在第七章中，我们使用高水平的从头计算和密度泛函理论方法研究了芳香胺离子与腺嘌呤反应中的特殊的ImineN6加成物的生成机理。所有使用的DFT计算方法都表明由腺嘌呤对4-联苯胺离子邻位(ortho)初始进攻所导致的反应路径是Imine加成物生成的最可行路径，而由腺嘌呤对4-联苯胺离子对位初(para)始进攻所导致的反应路径是一个竞争性反应路径。然而，高水平的MP2和QCISD从头计算却提供了与DFT计算相反的结论，即，由腺嘌呤对4-联苯胺离子对位初(para)始进攻所导致的反应路径是Imine加成物生成的最可行路径。与实验所评估的数据相比，来自于高水平的从头计算的结论最终被支持。我们的这个研究也显示，融入一个额外的水分子到所研究的反应体系能够大大的加速反应路径中涉及的一些氢迁移进程。这个研究也对所研究反应的最终产物给出了一个理论预言，即除了Imine加成物外，还应该包含Azepine加成物，这个理论预言也与实验的推测是一致的。除此之外，该研究也对类似的致癌性反应中，芳香胺离子进攻嘌呤和嘧啶中的氨基基团现象的解释提供了一些灵感。 总之，芳香胺是最大的一类化学致癌剂，而C8加成物是由这种致癌剂导致的最重要的诱发癌症的产物。我们的研究为致癌剂研究领域的化学家和生物学家回答了一个重要问题，即，什么是C8加成物生成的机理?除此之外，这篇论文也对所研究的致癌性反应中得到的少量加成物，如鸟苷N2加成物，黄苷O6加成物和腺苷N6 Imine等加成物的生成机理，提供了详细可靠的理论见解。目前的理论探索为将来使用分子力场(MM)和量子力学与分子力学结合的方法(QM/MM)来研究真实的致癌性生物分子反应和致癌加成物的结构特性奠定了一定的基础。