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众所周知，在许多合成反应和催化过程中，C-H键的活化是重要的步骤。乙烯作为最简单的烯烃化合物，已经广泛的被应用于化学合成、生成氢气、产生能量等领域。在过去的几十年，由于过渡金属在诸多领域如有机化学、生物化学，特别是催化化学中发挥着极其重要的作用，所以它们与碳氢化合物的气相化学已被实验和理论工作者广泛研究，这为人们研究类似反应提供了重要的机理信息和反应模型。因此，实验科学家和理论化学家都对乙烯活化作了广泛的研究。研究中发现，这类反应不遵守“自旋守恒定律”。反应过程中往往涉及到两个或多个势能面，反应始终保持在能量较低的势能面上进行，这类反应通常被称为“两态反应”。如今，出于对催化反应过程中精确反应机理进行探讨的需要，两态反应已经引起了许多化学家的广泛关注。本文采用密度泛函理论，耦合簇（CCSD(T)）等计算方法及其相应的基组，应用Gaussian、Gamess等系列程序，对含有过渡金属活化乙烯中C-H键的反应机理进行了比较深入的理论研究。通过详细分析各重态势能面以及各静态点的结构，并解释和补充了他人的实验结果。采用B3LYP/6-311++G(3df,3pd)方法对反应中各静态点的几何构型进行优化，并在CCSD(T)/6-311++G(3df,3pd)理论水平下对各结构进行单点能计算。通过比较一些具有代表性的、与反应相关结构结合能的实验值和计算值，对所使用理论方法的准确性进行评估。为了更深入地了解官能团之间的相互作用，对部分极小值在B3LYP/6-311++G(3df,3pd)理论水平下进行自然键轨道（NBO）分析。全文共分为四章。第一章综述了量子化学的发展、应用，两态反应理论的研究进展和现状及本文主要工作。第二章概述了本文主要研究工作的理论基础，主要包括密度泛函理论、自然键轨道理论、自旋-轨道耦合理论等。前两章主要概括了本文的理论背景和理论依据，为我们的研究提供了可靠的量子化学知识。第三章和第四章，我们分别选取了第五过渡金属(V、Ta、Nb)及Th与乙烯在气相中的反应作为研究对象，使用密度泛函理论，着重分析了第五过渡金属原子对C-H键的活化作用和不同自旋态势能面交叉机理,通过自旋-轨道耦合矩阵元的深入探讨来进一步理解“系间窜越”机理。同时还报道了可能的自旋翻转过程及SOC的重要性进行了深入探讨。研究目的在于分子水平上以便更深入理解电子结构对反应机理作用，澄清主产物通道，本文所有理论研究结果均与前人实验观测结果相吻合。