硼化学研究历史很长,是具有氢桥键体系的典型代表,对认识化学键本质有着重要的作用。近些年硼化学在化学键研究上又提供了新的案例,分别是硼硼多重键、2D硼材料中的硼多中心键和氮杂环卡宾硼烷中的配位键。氮杂环卡宾与硼烷形成配位键后,氮杂环卡宾的给电子效应和π共轭体系的离域效应使B-H键活化在热力学和动力学上更为有利,因此可以进行多种类型的有机反应,为构建B-C、B-N、B-O等含硼化学键提供了新方法和新途径。氮杂环卡宾硼烷的B-H易于活化,因此氢原子非常容易被自由基迁移,使氮杂环卡宾硼烷中可以作为优秀的氢给体或是硼中心自由基的来源,绝大多数类型的氮杂环卡宾硼烷参与的反应都是以此氢迁移步骤为基础的。氮杂环卡宾硼烷氰化反应是硼化学中具有代表性的反应,反应基元步骤多、影响因素多,机理问题较为复杂。为了更清楚地了解氮杂环卡宾硼烷氰化反应,本论文针对其反应机理和机理中的关键步骤––氢迁移反应––做了相关研究。研究中我们首先利用量子化学计算和数值模拟方法对氮杂环卡宾硼烷氰化反应的机理问题进行了探讨。在用量子化学方法获得的相关路径的反应热力学和反应动力学数据基础上进行了数值模拟,并利用数值模拟结果对该反应的反应机理进行了详细探讨,揭示了不同取代基影响下的优势反应通道、反应产物的分布、影响反应决速步骤的内在因素,以及温度对反应的影响等。研究结果揭示了使用不同底物和试剂时控制产物分布和产物分支比的主要因素。研究过程中建立的数值模型可以直接用于底物和试剂的筛选,为促进此类反应在有机合成中的应用提供了必要的理论数据和数学模型支持。氢迁移反应不仅是影响氮杂环卡宾硼烷氰化反应产物分布和产率分支比的关键基元反应,也是以氮杂环卡宾硼烷为底物或试剂的其它类型反应中的关键步骤,因此,了解氮杂环卡宾硼烷的氢原子迁移反应对于认识氮杂环卡宾硼烷化学的反应特性至关重要。在本论文研究的第二部分,我们使用量子化学计算和数学物理模型方法研究了氮杂环卡宾硼烷的氢迁移反应,揭示了反应自由能势垒和活化势垒的组成,探讨了自由能势垒、活化势垒和内禀势垒之间的相关性,同时也评估了利用进攻自由基的亲核/亲电特性和极化匹配规则在判断氢迁移反应势垒和反应活性时的适用性。此外,我们也考查了Evans-Polanyi线性关系模型和新提出的三变量线性模型在描述氢迁移反应自由能势、活化势垒和内禀势垒与反应热力学物理量––反应能和反应Gibbs自由能––之间相关性的适用性问题。结果表明,在描述氮杂环卡宾硼烷氢迁移反应动力学势垒和热力学推动力的相关性时,我们新提出的三变量线性模型比双变量Evans-Polanyi线性模型更准确,也比基于Marcus理论的三变量非线性模型要简单、直观。使用这个三变量线性模型可以清楚地描述氢迁移反应中起源于立体电子效应和空间效应的内禀势垒在两组数学物理关系中––自由能势垒和反应Gibbs自由能、活化势垒与反应能––所起的作用,为认识氢迁移反应动力学和热力学物理量的本质和相互关系提供了一个新的数学物理模型。