许多包含环丙烷基的天然和非天然产品都具有生物活性，而且这类化合物大量用作有机合成材料及中间体。因此，实验化学家们一直致力于探索制备环丙烷化产物的新方法与途径。Simmons-Smith反应是1958年首次由Simmons和Smith提出的，它是由锌类卡宾（称为SS试剂）与烯烃合成环丙烷化产物的方法。随后化学家们都将精力集中在Simmons-Smith试剂的选择与制备上，以获得具有较好立体选择性并有更高产率的活性试剂。但相对于Simmons-Smith类型的金属类卡宾与烯烃进行环丙烷化反应的实验而言，在这方面的理论研究相对较少，并且主要集中在Li、Zn等组成的金属类卡宾与烯烃的环丙烷化反应上。本文选取了几个体系（Cu和Sm等分别与乙烯反应）进行了深入细致的研究，得到了一些很有意义的结论。本文以分子轨道理论、过渡态理论和量子力学等理论为基础，利用密度泛函理论（DFT）、微扰理论（MPn）、偶合簇方法（CCSD（T））、含时密度泛函理论（TD-DFT）和自然键轨道（NBO）分析方法，对所研究的体系选择适合的坐标和基组，通过计算找出反应中各物种（包括过渡态）的优化构型，进而得到体系的势能面，光谱数据，热力学数据和轨道的有关信息。我们用这些数据综合分析反应机理问题。为进一步的实验研究提供了理论依据。全文共分七章。第一章综述了金属类卡宾促进烯烃环丙烷化反应的研究进展及本文主要工作。第二章概述了本文工作的量子化学理论背景和计算方法。前两章主要概括了本文工作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方法。第三章和第四章用密度泛函B3LYP方法研究了过渡金属钐类卡宾与乙烯的环丙烷化反应的机理。对三种不同的钐的SS试剂CH₃SmCH₂X（其中X=Cl、Br和I）分别和CH₂CH₂反应的各反应物、中间体、过渡态和产物构型的全部结构几何参数进行了优化，用内禀反应坐标（IRC）计算和频率分析方法，对过渡态进行了验证。结果表明：CH₃SmCH₂X（其中X=Cl、Br和I）与CH₂CH₂环丙烷化反应按亚甲基转移通道和卡宾金属化通道都可以进行，与锂类卡宾的反应机理相同，只是按亚甲基转移通道进行反应较容易一些，卡宾取代基卤素原子越重，反应越容易进行。再选取钐类卡宾CH₃SmCH₂I研究对象和CH₂CH₂反应，并计算了THF溶液的溶剂化效应，溶剂化效应使卡宾金属化通道比亚甲基转移通道的反应势垒大幅度提高，更有利于亚甲基转移通道反应的进行，而不利于卡宾金属化通道。而且此反应在较低的温度下就可以发生。第五章为了进一步研究钐类卡宾环丙烷化反应的机理，用密度泛函B3LYP方法对钐类卡宾试剂ClSmCH₂Cl做了研究，它与乙烯也有两种可能的反应通道：亚甲基转移通道和卡宾金属化通道。计算结果表明钐类卡宾ClSmCH₂Cl比相应的锌类卡宾有较强的亲电性和较高的化学活性，配位较多的THF分子使得亚甲基转移通道的反应势垒相对较低，然而在考虑溶剂化效应时卡宾金属化通道的反应势垒从44.71 kJ·mol^-1升高到63.62 kJ·mol^-1，更有利于反应沿着亚甲基转移通道进行。第六章用密度泛函B3LYP方法研究了过渡金属铜类卡宾与乙烯的环丙烷化反应机理。对三种不同铜的SS试剂CH₃CuCHCl₂、ClCuCH₂Cl及CH₃CuCHI₂分别和CH₂CH₂反应的各反应物、中间体、过渡态和产物构型的全部结构几何参数进行了优化，用内禀反应坐标（IRC）计算和频率分析方法，对过渡态进行了确定和验证。结果表明：CH₃CuCHCl₂和CH₃CuCHI₂与CH₂CH₂环丙烷化反应按亚甲基转移机理和卡宾金属化机理都可以进行，与锂类卡宾的反应机理相同；而ClCuCH₂Cl与CH₂CH₂环丙烷化反应则更容易按卡宾金属化机理进行。第七章用量子化学从头算分子轨道理论的G2MP2方法对类卡宾CF₃Li进行了研究，优化得到了四种不同的平衡构型及其相互转化的过渡态结构；分别给出了几何构型参数，构型的对称性，偶极矩，各构型的总能量以及前线分子轨道能，并同时对过渡态进行了振动频率分析计算，确定它们均只有唯一的虚振动模式，然后对各个构型的特点进行了分析，比较了它们的稳定性，并对该类卡宾的化学性质进行了讨论。