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氯化氨基酸不仅能在体内中性粒细胞中,通过髓过氧化物酶利用过氧化氢和氯离子产生的有效氯氯化氨基酸生成;也能在体外水消毒处理过程中,通过氨基酸与含氯消毒剂生成。研究表明,氯化氨基酸本身及其代谢降解产物都具有较高的细胞毒性和遗传毒性,因此,有关氯化氨基酸及其代谢降解的研究引起了广泛关注。然而,受目前的分析检测手段所限,对于氯化氨基酸降解机制的认识还存在不足。为此,本论文运用量子化学方法,以甘氨酸、丙氨酸和缬氨酸为模型氨基酸,系统探讨了一氯及二氯氨基酸在中性及碱性条件下的降解机制,并在此基础上,选取了十余种取代基,深入研究了这些取代基在不同位点上对氯化氨基酸降解反应的影响。具体研究结果如下:1.计算方法的筛选与pKa线性自由能关系的建立本论文选取M06-2X、B3LYP、CAM-B3LYP、B1B95、BMK和M05-2X六种泛函及高精度的CCSD（T）从头算方法,6-31+G（d）、6-311+G（d）和6-311++G（d,p）三种基组,CPCM和SMD两种溶剂化模型分别对一氯甘氨酸（N-Cl-Gly）的碎片化降解机制（GCF）进行了计算。计算结果表明,选取SMD模型,并在CCSD（T）/6-311+G（d）//M06-2X/6-311+G（d）水平下计算得到的反应活化自由能（?G≠）为23.4 kcal/mol,与实验速率常数k=1.67～2.3×10-6s-1换算的?G≠值约为25 kcal/mol非常一致。因此,本论文选取如上方法进行后续的氯化氨基酸降解机制的研究。对于pKa的计算,应用CBS-QB3方法得到气相反应自由能（?G*）,在M05-2X-SMD/6-31G（d）//CBS-QB3水平下得到溶剂化反应自由能(?G*solv),通过热力学循环得到了液相反应自由能(?G*soln),最终获得未修正的量子化学pKa值。且根据选取的七种胺中-NH+部分的实验pKa值与未修正的量子化学pKa值得到的量子化学线性自由能关系（LEFR）,预测了体系中各中间体的pKa值。2.氯化氨基酸降解机理的研究对三种模型氨基酸氯化降解机理的研究发现,在中性条件下,一氯氨基酸在经过CGF反应和水解反应生成醛和氨类化合物,控速步骤为第一步的CGF反应,?G≠在19～23 kcal/mol范围内。在碱性条件下,一氯氨基酸首先与OHˉ反应发生β-C的消除反应（β-E）生成羧基亚胺,羧基亚胺经历两步水解反应生成酮酸,控速步骤?G≠在19～23 kcal/mol范围,估算的速率常数在5.6×10-5～1.5×10-2M-1s-1范围,与实验的速率常数10-4～10-3M-1s-1一致。二氯氨基酸在中性且Cl/N≤2时,通过CGF反应生成氯亚胺（15～19 kcal/mol）,氯亚胺水解生成醛（控速步骤?G≠大约40 kcal/mol）;也可以经过CGF反应和β-E反应生成腈（控速步骤?G≠大约32 kcal/mol）,这说明此时生成的氯亚胺是主要产物,与实验结果一致。当在碱性条件或Cl/N>2时,二氯氨基酸会与OHˉ或者OClˉ发生β-E反应生成羧基氯亚胺,其再经过一个快速的CGF反应生成腈。此外,还发现OHˉ和OClˉ都能够显著促进氯亚胺再次发生β-E消除反应生成腈（?G≠小于10 kcal/mol）。这说明在碱性条件或Cl/N>2时,腈是二氯氨基酸降解的主要产物,这与观察的实验结果一致。同时能够解释当Cl/N由2.8增加到4.4时,腈的产率增加,氯亚胺的产率减小的实验现象。此外,腈生成氯化腈是OClˉ协同的氯化反应机理,并且随着腈碳上的甲基或Cl原子个数的增加,分别抑制或促进了氯化反应的发生。3.氯化氨基酸降解过程中取代效应的研究本论文也以N-Cl-Gly为研究对象,选取了吸电基团（EWG）和供电基团（EDG）共13种,系统探讨了在N-Cl-Gly的α-C和N-terminal位点时,对其CGF和OClˉ促进的β-E两种降解反应的影响。对于CGF反应,无论何种基团取代在α-C和N-terminal位点,所得到的?G≠值都低于N-Cl-Gly,并且发现N-terminal位点上为具有共轭效应的EDG（-NH2、-NHCH3和-OCH3）时,?G≠值仅为5.7～7.7kcal/mol,远远低于N-Cl-Gly的值（21.8 kcal/mol）,与实验测得的速率常数一致,这表明其反应活性都高于N-Cl-Gly,会显著促进CGF反应。对于β-E反应,当α-C取代-CN基团时,?G≠为7.4 kcal/mol,是因为-CN提高了C-H的酸性并稳定了阴离子中间体。N-terminal取代-OCH3基团时,?G≠为4.9 kcal/mol。以上数据都说明α-C取代共轭EWG和N-terminal取代共轭EDG会显著促进β-E反应的发生。此外,研究还发现,-CH3和-OCH3的二取代与三取代的?G≠逐级比一取代的?G≠低,说明N-Cl-Gly随着取代的甲基和甲氧基个数增多,CGF反应越容易发生。本论文的研究深入揭示了氯化氨基酸的降解机理,进一步发现了不同反应条件及不同取代基对氯化氨基酸降解机理及产物的影响,研究成果不但为深入了解氯化氨基酸在生理和环境条件下的降解机制提供了理论基础,也为识别具有毒性降解产物的前体、开发防控毒性副产物形成的水处理工艺提供了理论指导,对维护人类健康具有重要价值。