有机杂环小分子β-内酯，不仅是合成可生物降解聚合物等复杂分子的原料，还是一系列有显著药理学活性的天然产品的核心结构，因此β-内酯的合成及应用吸引了越来越多研究人员的关注。在实验室中大量的β-内酯被合成并作为反应中间体应用于材料科学和有机合成等领域。通常情况下，β-内酯主要是从烯酮类化合物和含碳氧双键化合物的[2+2]环加成反应中得到。由于[2+2]环加成的合成方法在有机化学中有着广泛应用，烯酮类化合物的[2+2]环加成反应同样也受到计算化学领域的广泛关注和深入研究。在本论文中，我们研究了芳基烷基乙烯酮和碳氧双键的醛类化合物在N-杂环卡宾（NHC）催化下的[2+2]环加成反应生成β-内酯的反应机理及立体选择性。我们对可能的反应机理用密度泛函理论（DFT）进行了研究。所有的反应物、过渡态、中间体及产物的几何构型都是在甲苯溶剂（IEFPCM溶剂化模型）中和M06-2X/6-31G(d, p)水平下进行优化的，并在相同水平下对所有构型进行了频率计算。随后，我们用在上述水平优化好的结构在M06-2X/6-311+G(d, p)水平下进行了单点能校正，本论文中所用的能量为M06-2X/6-311+G(d, p)水平下的单点能和M06-2X/6-31G(d, p)水平下的零点能矫正值之和。我们选取芳基烷基乙烯酮和缺电子的2‐硝基苯甲醛作为计算模型设计和研究了两种不同的反应机理（反应机理A和B）。通过对计算结果的研究和比较，我们发现反应机理A较占优势。反应机理A包括三个步骤：首先是NHC亲核进攻芳基烷基乙烯酮形成烯醇两性离子中间体，第二步是两性离子中间体和缺电子的2‐硝基苯甲醛进行[2+2]环加成反应形成中间体，最后是NHC从中间体上脱去重新进入循环反应，与此同时得到产物β-内酯。值得注意的是，反应机理A的[2+2]环加成反应这一步，形成了两个手性碳原子（C3和C4）由此得到4种不同构型的中间体(SS,RR,SR&RS)。同样，这一步还是整个反应的决速步和立体选择性决定步骤，其反应能垒分别为15.88/19.68/13.58/17.07kcal/mol(SS,RR,SR&RS)。经过计算与对比，我们发现得到SR构型的反应路径是能量最占优势的反应路径，同时这与实验得到的SR构型是产物主要构型的结果相符。反应机理B同样包括三个步骤：首先，NHC和缺电子的2‐硝基苯甲醛结合形成中间体，其次，中间体上的O5原子和芳基烷基乙烯酮上的C2原子形成单键，最后在中间体上发生SN2亲核取代反应，经由过渡态得到分离的β-内酯和NHC，在这一步中，C4和C3形成单键的同时C1—C2键断裂，从而使催化剂NHC从中间体中脱去，并得到产物β-内酯。反应机理B中，第三步反应能垒分别为32.23/29.69/28.45/27.06kcal/mol (SS,RR,SR&RS)，远远高于反应的第一步和第二步，因此我们认为这一步是反应机理B的决速步，同时这一步的反应能垒也远高于机理A决速步的反应能垒，由此我们可知反应机理A比机理B在能量上更占优势。全局反应指标的分析也很好的阐述了催化剂NHC在[2+2]环加成反应中所起的作用。此外，我们对烯酮和2-/4-吡啶甲醛环加成反应的反应机理做了计算研究，计算结果表明，烯酮和2-吡啶甲醛环加成反应的产物的主要构型是SS，而烯酮和4-吡啶甲醛环加成反应的产物的主要构型是RS，这说明取代基位置的变化对反应立体选择性有很大的影响。本课题的研究有助于深入理解N-杂环卡宾催化剂在该类烯酮的[2+2]环加成反应中所起的作用，并对合理设计该类反应催化剂提供了有价值的理论依据。