碳龙化学是金属有机化学的一个新分支,近年来发展了一系列具有金属杂芳香性的独特结构,统称为碳龙配合物。新结构的合成通常伴随着新的构效关系研究与应用探索,而新结构得以实现应用,除了需具备较好的稳定性且易于大量制备与储存以外,还需要具有面向应用的性质。本论文通过利用碳龙化学中一种稳定的、易于大量合成与保存的8-碳龙配合物作为起点,分别在衍生物的骨架拓展、构效关系及应用方面进行了探索,通过实验和理论计算相结合,研究了化合物的成键模式、芳香性、反应性、机理及应用等。现在将主要内容概括如下:第一章为绪论。本章主要介绍了碳龙化学的发展,从合成方法、芳香性研究及其初步应用进行了综述。提出了本论文的研究思路,阐述了所选取8-碳龙配合物作为研究对象的理由及其潜在的应用价值,简要概括了各章节内容之间的关联。第二章主要以多氰基取代碳龙配合物衍生化反应研究为主。本章通过控制条件,得到了一系列具有不同骨架的多氰基共轭碳龙配合物,并对其进行了系统的表征。同时,本章结合理论计算和实验结果,考察了不同骨架的芳香性、提出了可能的反应机理。本章通过取代基调控,实现了碳龙配合物骨架的芳香性反转,即从芳香性转变为反芳香性。此外,本章还成功获得了一种将氧气分子活化的产物,探讨了其在小分子活化催化的潜在应用价值。第三章研究了碳龙配合物的氧气活化反应,主要以在锂氧电池中的均相催化应用为研究内容。本章通过与电化学方向的课题组合作,探索含碳龙配合物作为催化剂的锂氧电池工作原理,借助理论计算与中间体表征等手段验证了机理的可行性。本章利用碳龙配合物的特性有效地提升了锂氧电池的性能,解决了该电池体系本身存在的过电位高、易惰化、循环性差等问题,并与合作者共同提出了一种基于碳龙配合物的全新的“氧交换”均相催化机理。该机理作为一种双功能催化模式,为锂氧电池双功能催化剂的设计提供了全新的思路。第四章研究了多氰基取代的碳龙配合物的光物理性质与构效关系。在实验研究中,本章初步考察了该体系的光响应潜在价值,如光热海水淡化、光声成像、光热肿瘤治疗等领域的潜在价值。在理论研究上,本章通过光谱测试与理论模拟,讨论分析了该系列化合物产生强、宽吸收光谱的原因,并结合实验结果说明了多氰基取代基对碳龙配合物的光谱性质具有重要影响。第五章以碳龙配合物的结构拓展为主。通过第二至四章从结构到应用的研究,我们发现共轭体系的扩大有利于碳龙配合物的性能提升。本章回归结构设计,通过文献启发,着手构建共轭体系更丰富的碳龙配合物。通过骨架设计,本章首次合成了两类具有五根独立共平面M-C σ键的全新12-碳龙配合物,通过理论计算研究了其成键模式。该工作实现了目前世界上独立共面M-C σ-键最多的化合物的合成。同时,理论计算与实验证据均表明,这两类结构具有完全相反的芳香性特征,分别具有反芳香与芳香骨架。第六章总结了本论文的创新性,并对后续工作进行了展望。