苝衍生物(PDIs)是一类红色染料,有着独特的光、热、化学和环境稳定性,被广泛应用于荧光收集器、单分子光谱材料、激光染料等领域。PDIs在很宽范围内的可见光区有很强且很稳定的荧光,因此它也是一类性能优异的荧光探针材料。然而,PDIs的溶解性很差,苝平面间的聚集也常使其荧光强度变弱,这限制了它们的应用。苝四羧酸酯(PTAC)结构类似于PDIs,在两端连结了四个缺电子的羧酸酯基团,能够极大的增加其在各种有机溶剂中的溶解度,并且能保持极高的荧光强度,因此越来越受到研究者们的注意。苝的湾位引入杂原子能够有效改变含杂原子苝环衍生物分子构型及光化学性质,另外,杂原子造成的π共轭体系的扩展、很大程度的改变分子的电子结构和性质及分子间的相互作用。基于苝系化合物的研究现状,本论文探究了苝系化合物多种新的衍生化方法,得到了一些结构新颖的苝系衍生物,利用苝系化合物优良的光化学性质,设计合成了pH和氟离子识别探针,研究了两种不对称湾位五元杂环苝系衍生物的自聚集行为。论文主要包括以下内容:1.基于苝四羧酸酯的pH荧光探针的合成及在细胞成像中的应用合成了一种pH荧光探针1-羟基-3,4,9,10-苝四羧酸正丁酯(HPTBAC),并研究了其在化学环境及细胞内环境pH检测中的应用。偏中性范围内的pH值对生物体很重要,该探针的荧光强度在6.7到8.9的范围内呈线性对应关系,酸度系数为7.9。所设计的苝湾位置的O-基团(或羟基)能对H+(或OH-)响应,通过质子化(或去质子化),改变羟基取代基识别基团的电荷密度,进一步影响苝平面的电荷密度,从而引起苝核的电子结构及相应的光物理性质的变化,达到在弱酸到弱碱范围内检测pH值的目的。在酸性环境,HPTBAC为质子化形态,湾位取代基为-OH,HPTBAC荧光强度最高;在碱性环境中,HPTBAC为去质子化形态,HPTBAC湾位取代基O-为供电子基团,苝核负电性增强,HPTBAC荧光强度最低。该HPTBAC探针被用于A549(人体肺癌细胞)活细胞及大肠杆菌的成像研究,结果表明HPTBAC探针性能良好,能够用于检测活细胞中pH值的变化。本章研究选用的带羟基的pH探针,有利于生物体系中最重要的中性pH响应范围,并且酚结构质子更容易离解,故灵敏度比酰胺类探针分子高。2.氯代酰胺代苝四羧酸酯衍生物的氟离子检测及构型影响设计合成了两种基于苝四羧酸酯(PTAC)的非取代及湾位硫原子成环荧光探针(1和2),研究了它们的吸收、荧光光谱及电化学性质,实验结果证明这两种探针能检测卤族元素离子(F-,Cl-,Br-和I-)中的F-,选择性好,通过对酰胺邻位氯取代提高了敏感性。探针识别F-的机理是氨基与F-之间发生了质子转移(IPT),从而造成了吸收及荧光发射光谱的变化,用密度泛函理论(DFT)计算了它们相应的电子轨道电子分布及分子几何构型。并通过比色方法实现了不用附加任何设备,仅用试纸即可快速即时检测F-。探针2通过在湾位引入五元硫环使苝芳香环体系更好地保持了平面构型,即使形成阴离子时仍保持其大的π共轭结构,且酰胺邻位的氯取代提高了检测的敏感性。这种分子设计方法有助于设计合成新型的基于苝系衍生物的检测F-的比率型荧光探针。3.两种单湾位五元O或S杂环取代苝衍生物的自聚集及其光电性质合成了单湾位五元S杂环苝系衍生物(S-PDI)及一种新的单湾位五元O杂环苝系衍生物(O-PDI),能分别自聚集成了纳米片和纳米针形貌。通过紫外-可见吸收光谱、荧光光谱、循环伏安、热重及差热分析技术研究了它们的光物理、电化学及热力学性质,用荧光显微镜、扫描电镜和透射电镜研究了它们的自聚集形貌。由于杂原子环和苝环之间强烈的电子耦合作用,分子间的π-π作用很大程度减弱,因此固体可发出很强的荧光,同时,相邻苝发色团之间的距离较近(O-PDI的是3.3?,S-PDI的是3.23?),这有利于电荷从一个分子向相邻分子传输。这两种化合物的形貌良好,在光电功能材料领域可能会有较好的应用价值。