pK_a值是有机化合物分子的基本性质之一。一些重要的物理化学性质,如溶解度,渗透性,吸收和运输等生物化学进程本质上均取决于其pK_a值。常见化合物的pK_a值可以从数据库中获得,或者通过实验的手段来测定。但对于反应中间体、新化合物以及难以分离和纯化的化合物分子,其pK_a值往往无法直接测定。因此各种经验关系式应运而生,用于预测化合物的pK_a值。然而,现有的经验关系式需要大量的经验参数才能实现准确预测。本文利用多种量子化学方法计算了有机酸、胺类以及酮类化合物酸性质子的~1H NMR化学屏蔽值,并利用最小二乘法将这些化学屏蔽值与相应的pK_a实验值进行线性拟合,获得了一系列经验关系式。误差分析表明,这些关系式均具有较高的相关性系数(R~2>0.9)以及较低的标准偏差(RMSD<1.0),具有较强的pK_a预测能力。此外,这些关系式只需要计算出化合物酸性质子的化学屏蔽值即可实现预测,无需其他参数,适用的化合物类型较为广泛。本论文主要包括四个章节内容,现分述如下:第一章综述了量子化学的发展史、常用计算方法、过渡态理论与活化能之间的关系、溶剂化计算模型以及不同的pK_a值理论预测方法。此外,还简单介绍了化学异构化现象,总结了课题研究的内容及意义。第二章中,我们采用理论方法计算了一系列羧酸和胺类化合物在气相中和水溶液中的NMR化学屏蔽值。我们发现水溶液中有机酸类和胺类化合物的NMR化学屏蔽计算值与相应的实验酸解离常数的负对数值(pK_a)几乎呈线性关系。其中,有机酸类的经验公式相关性系数R~2达到0.95,有机胺类的相关性系数R~2则为0.92,通过经验校准,我们还获得了一个同时适用于胺类以及有机酸pK_a预测的一般性公式,其线性相关系数R~2达0.95,且标准偏差RMSD为0.63。同时在文中还讨论了影响pKa理论预测值的重要因素。相关性分析表明,溶剂分子的电荷对溶质分子pK_a的变化有着重要的影响。第三章我们采用多种理论方法计算了30个有机酮类化合物不同介质条件下的~1H NMR化学屏蔽值。同时在相同的条件下计算了这些化合物的稀醇式异构体的化学屏蔽值。相关性分析表明,酮式或烯醇式的化学屏蔽值与化合物的pK_a之间的相关性较差(R~2仅为0.48-0.74)。将酮式和烯醇式的化学屏蔽值同时与化合物pK_a值进行二元线性回归拟合,所得关系式的相关系数R~2高达0.90。预测的酸解离常数与实验pKa值之间能够较好的符合,标准偏差RMSD为2.5。在此基础上,还讨论了影响pK_a理论预测值的因素。其中,溶剂分子DMSO与溶质分子酸性氢之间的氢键作用起着主要影响。此外,溶剂分子提供的介电环境也有相当的影响。第四章我们利用多种量子力学的方法对2-硝基环己酮烯醇化反应的多种竞争性途径进行了一系列的理论研究。反应途径计算表明,这些竞争途径包括分子内质子转移和分子间酸碱质子转移,而后者为反应基本途径。能量计算结果表明,2-硝基环己酮碱拔去α位质子的反应步骤为决速步。在不同溶剂条件下,三乙胺(TEA)以及吡啶(PYR)催化2-硝基环己酮烯醇化反应的活化自由能实验值分别为15.1-18.5 kcal/mol以及20.2-22.4 kcal/mol,而相同条件下我们的理论预测值则分别为14.1-18.6 kcal/mol以及16.6-21.3 kcal/mol。理论值与实验值较为符合,证明反应机理计算是可靠的。有机化合物的pK_a的预测对药物分子的设计起着重要的影响。本研究工作中提出的酸性预测关系式能够为有机化合物pK_a值的预测提供了一条崭新的途径。我们研究表明有机化合物的质子化形态、溶质-溶剂分子的短程相互作用以及长程静电作用均会对化合物酸性质子的化学屏蔽值以及pK_a值造成显著的影响。因此,只有将这些影响充分考虑,才能获得较为合理地推导化学屏蔽σ-pK_a之间的经验关系。