DNA光损伤的本质是生色团碱基分子吸收紫外光发生光化学反应。本论文主要围绕生物体系中一类重要的稀有核酸碱基——硫代核酸碱基展开研究，利用时间分辨傅立叶变换红外吸收光谱(TR-FTIR)技术，并结合量子化学计算，对这类核酸碱基独特的光化学反应动力学机理进行研究，在分子基元反应层次上阐述了这类分子光毒性产生和造成DNA光氧化损伤的微观机制。同时，本文还对一类大气中活性卤素的前体分子——多卤代甲烷在凝聚相中的光解反应进行了研究，证明了液相中光解多卤代甲烷分子的反应机理是一个水分子催化的机理，为进一步探讨这类反应对大气化学的影响提供基础。论文工作包括两大部分:　　（一）硫代核酸碱基光化学反应的研究　　在DNA光损伤反应中，UVA波段的紫外光引发的损伤危害很大，因而在光生物学及药物研究领域中受到广泛关注。生物体的重要组成部分脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)由五种基本核酸碱基组成。除了这五种常见的碱基分子外，生物体内还存在着一些稀有碱基，这些碱基与普通碱基具有相似的结构，但化学性质却截然不同。硫代碱基是一类重要的稀有碱基分子，这类分子具有独特的光化学和生物学性质，因而广泛应用于药物及光生物学研究领域中。由于硫代碱基具有独特的光化学性质，因而相对于普通碱基而言，这类分子具有更高的光化学活性，易于吸收UVA波段的紫外光，产生活性氧ROS、引发一系列ROS氧化性损伤反应。深入认识UVA光损伤发生的分子反应机制，需要从物理化学上研究这些反应发生的动力学机理。　　6-硫代鸟嘌呤与单态氧反应的研究　　我们首先选择了生物、医药等多个领域普遍关注的6-硫代鸟嘌呤（6-TG）分子作为研究对象。6-硫代鸟嘌呤（6-TG）作为一种广泛应用的抗癌、抗排异及消炎药物，在进入生物体后会通过新陈代谢作用接入到正常的DNA中。最近的研究表明6-TG能显著吸收UVA波段(320 nm-400 nm)光，同时敏化产生单态氧(1O2)。1O2氧化6-TG产生的氧化产物鸟嘌呤-6-磺酸(GSO3)会强烈的阻止DNA的复制和转录，从而造成体内DNA的氧化损伤。尽管对于6-TG与1O2的反应存在大量研究，其反应机理仍未能清楚的给出。该反应机理研究中存在的一个关键问题是:是否存在中间体鸟嘌呤-6-次磺酸(GSO)?该中间体在实验上并未观测到。　　我们利用量子化学计算与实验结合的方法对6-TG与1O2反应的机理进行研究。理论上，利用DFT方法优化得到6-TG与1O2生成最终氧化产物GSO3的能量最有利反应路径:GSOOH→ GSO2→ GSO4→ GSO3，这条路径仅需要跨越较低的能垒(8.7 kcal mol-1)即可进行。除去这条主要路径之外，同时优化得到了生成鸟嘌呤(G)的次要路径:GSOOH→G，该路径能垒稍高(14.3 kcal mol-1)。通过对涉及中间体GSO的反应路径的计算表明，该反应路径能垒较高(35.5 kcal mol-1)，室温下难以发生。因而可以确定6-TG与1O2反应的关键中间体为过氧化物中间体GSOOH，而并非以往文献中认为的GSO。　　6-TG与1O2反应的最终氧化产物GSO3具有强荧光，实验上，利用荧光光谱方法测定了1O2氧化6-TG的反应速率常数为4.9×109 M-1 s-1，如此迅速的反应速率与计算得到的低能垒的反应路径相吻合;同时利用荧光光谱方法测定反应化学计量比为0.58，恰好位于反应机理GSOOH→GSO2→ GSO4→ GSO3所涉及到的两条路径（化学计量比分别为0.5和0.67）的反应化学计量比之间，因而可以确定GSO3的生成同时涉及这两条路径（GSO2参与路径和和H2O参与路径），直接印证了理论计算所预测的反应途径中溶剂H2O分子的参与。　　我们采用量子化学计算结合光谱实验，阐明了1O2氧化6-TG的基元反应途径和关键反应中间体GSOOH，发现并提出了新的反应机理:GSOOH→GSO2→GSO4→GSO3，新机理澄清了以往对于反应机理的困惑，同时也很好的解释了实验上观测到的反应产物的分布。研究结果对深入理解DNA中6-TG的光毒性提供了动力学和机理层面上的新观点，同时也为利用6-TG作为高灵敏、特异性的1O2荧光探针提供了理论基础。　　4-硫代尿嘧啶光物理和光化学性质的研究　　4-TU通常作为生物光学探针、细胞抑制剂及转录调控剂而应用于生物学和药物学领域。利用4-TU三重态与其他碱基之间发生光致交联反应这一特性，通常将其作为位点特异性光学探针来探测DNA/RNA的结构及相互作用。　　我们利用时间分辨傅立叶变换红外吸收光谱、荧光光谱结合DFT计算方法对4-TU独特的光物理和光化学性质进行深入研究。实验上，在氮气饱和条件下观测到4-TU在355 nm激光激发下首先生成三重态4-TU，三重态寿命为0.23±0.02μs，三重态量子产率约为0.9。随后，活泼的三重态4-TU主要和基态4-TU发生交联反应，生成(5-4)/(6-4)嘧啶-嘧啶酮产物，产率约为0.19。在氧气饱和的条件下，观测到三重态4-TU主要通过三重态-三重态能量传递敏化氧气产生单态氧，生成的单态氧进一步与基态的4-TU发生反应，生成产物尿嘧啶(U，产率0.2)和荧光产物尿嘧啶-4-磺酸(USO3，λem～390 nm)。　　在B3LYP/6-311+G(d，p)水平上对有氧条件下4-TU与1O2反应机理进行计算，优化得到了生成U以及USO3的能量最优路径。U的生成是通过1O2直接加成到4-TU的C=S键上进行，USO3的生成是通过USOOH→USO2→USO4→USO3这样一条涉及过氧化物中间体的路径进行的。计算结果表明生成USO3的能垒要比生成U的能垒低。　　这部分工作利用时间分辨红外吸收光谱和荧光光谱方法观测到UVA光照下4-TU发生光化学反应的产物，并结合量子化学计算的方法揭示了4-TU与1O2的反应机理。研究结果阐明了4-TU作为活性前体同1O2发生光化学反应的反应机制，对设计和使用4-TU类型的光学探针具有一定的指导意义，同时也为深入理解DNA光氧化损伤和光动力学治疗机制提供了理论基础。　　（二）多卤代甲烷在溶液中的光解反应研究　　多卤代甲烷类分子是大气中导致臭氧层消耗的活性卤素的主要来源，同时也是光催化剂领域及有机合成领域普遍关注的分子。多卤代甲烷类分子在气相中的光解主要导致碳卤键的直接断裂;而在凝聚相中，光解产生的成对的卤代烷基自由基和卤素原子则会在溶剂的作用下重新结合，生成卤代甲烷分子的同分异构体—isopolyhalomethane。研究表明，isopolyhalomethane能够与水分子发生O-H插入反应，且水分子在此过程中具有催化作用。　　利用时间分辨傅立叶变换红外光谱方法对液相中的三种卤代甲烷分子—三溴甲烷、四溴甲烷和三碘甲烷在紫外光照射下的光解反应机理进行研究。在266nm激光激发下，卤代甲烷分子可以在溶剂的作用下形成isopolyhalomethane，该结构随后在水分子的催化下生成一系列中间产物，最终生成氢卤酸和小分子碳氧化物。实验上，观测到了卤代甲烷分子在溶液中光解反应的中间体之一——卤代甲醛。通过测定中间产物卤代甲醛在体系中不同重水含量(1％-5％)存在下的衰减动力学，发现卤代甲烷光解的后续反应（即卤代甲醛的反应）同样是一个受水分子催化的反应，且存在两条衰减路径。这两条衰减路径分别对应于卤代甲醛的卤化氢消去反应和O-H插入反应。通过对不同卤代甲烷的研究表明，由于C-Br和C-I键解离能存在差别，导致溴代甲烷和碘代甲烷光解反应中间产物的衰减路径存在着一定的差别。　　通过瞬态红外光谱实时探测溶液中多卤代甲烷分子光解的反应中间体及其动力学，证实了溶液中多卤代甲烷光解反应具有水分子催化机理，补充并完善了溶液中多卤代甲烷分子的光解反应机理。由于多卤甲烷类分子在自然界中多存在于非均相或多相体系中，因而对溶液中多卤甲烷分子光解动力学的研究，为我们更好的理解自然界中紫外光解多卤甲烷分子对于自然环境的影响提供了理论基础。