稠杂环是一类具有重要生物活性和光学活性的有机小分子化合物。稠杂环类化合物种类繁多,吖啶酮属于其中一种,吖啶酮的刚性平面结构不仅使其具有良好的生物活性而且还具有优良的光学性能,所以以吖啶酮环作为骨架的有机小分子被不断的研究和开发。目前研究吖啶酮类衍生物的生物活性大都集中在对白血病的治疗方面,在光学性能的研究上大都集中在光电材料的应用方面。然而,针对吖啶酮衍生物在其他方面的应用研究则少有报道。因此,根据吖啶酮的反应活性位点,本文系统地在改进原有合成方法的基础上合成了一系列4-氨基吖啶酮苄烯胺类衍生物和N¹⁰-取代的吖啶酮类衍生物,研究了其体外细胞活性、活性靶点和作用机制,同时还利用3D-QSAR建模和分子对接软件分析了化合物的构效关系以及多药耐药作用机制,为进一步设计合成此类化合物打下了坚实的理论基础;最后又设计两个吖啶酮类衍生物作为荧光探针用于识别金属离子,并利用理论计算探讨了探针结构与性能的关系,并将其中一个探针成功应用到细胞成像中。本文先详细介绍了吖啶酮的合成、生物活性、荧光探针方面的研究进展和本论文的研究内容。以四种常见的铜盐为铜源制备了分散程度不同,形貌不同,粒径大小不同的纳米铜-氧化亚铜颗粒,纳米氧化铜颗粒,纳米碘化亚铜颗粒,通过XRD和SEM对其结构进行了表征,并将其应用到吖啶酮类衍生物前体的催化合成中,实验结果表明以醋酸铜为铜源制备得到的Cu₂O球形纳米粒的催化活性最好,该法制得的Cu₂O颗粒具有球形结构,分散性好,粒径分布均匀的特点。在最佳反应条件下（以Cs₂CO₃为缚酸剂,DMF作为溶剂,催化剂的用量为1.2mol%,反应时间为3h,反应温度110℃）目标产物产率为82%-96%,最后提出了该催化反应的可能机理。以4-氨基吖啶酮为母体,设计并合成了25个新型4-氨基吖啶酮希夫碱类衍生物,采用MTT法在体外测试了所有衍生物对多种细胞株的抑制活性,选取活性较好的化合物采用kDNA解除链接实验、PBR322 DNA松弛实验、Topo介导的DNA断裂实验以及DNA嵌入实验,研究了该类化合物抑制DNA拓扑异构酶的作用机制。其中4-AAS25抑制Hela细胞的活性最高,实验证明TopoIIa是其作用靶点,能够引起TopoIIa介导的DNA双链断裂,属于DNA嵌入的TopoIIa毒剂。构建3D-QSAR模型阐明了该类化合物的构效关系,为进一步的设计合成该类化合物奠定了基础,利用docking研究了该类化合物的多药耐药调节机制,研究结果表明该类化合物主要通过吖啶酮环上的羰基氧原子与Ser-975残基形成氢键作为该类化合物和P-gp跨膜区的主要作用力。N¹⁰-取代的吖啶酮类衍生物具有良好的生物活性和多药耐药活性,报道指出带有卤素原子的吖啶酮一般具有良好的生物活性,甲基在很多药物中发挥了重要的作用,但目前将甲基引入吖啶酮环上的报道却很少,据此我们设计并合成了105个带有卤素原子和甲基的N¹⁰-取代的吖啶酮衍生物,利用与第三章类似的方法研究了该类化合物的体外细胞活性和作用机制,研究结果表明:1、NSA17具有目前该类衍生物中最好的体外抑制Hela细胞的活性(IC₅₀=0.83μM),且具有良好的选择性,Docking结果表明该化合物具有良好的多药耐药调节活性,NSA17可作为先导物进一步地修饰研究;2、该类衍生物普遍对Raji细胞具有较好的抑制活性(IC₅₀<10μM),3D-QSAR详细阐述了该类化合物的构效关系,为进一步设计具有强抑制Raji细胞的N¹⁰-取代的吖啶酮类化合物奠定基础,在合成的衍生物中NSA23具有最好的生物活性(IC₅₀=4.7μM<5.0μM),该化合物可以作为先导化合物进一步修饰研究,同时也为研究吖啶酮类衍生物的抗癌活性提供一条新的方向;3、该类化合物的作用靶点为TopoIIa,能够引起TopoIIa介导的DNA双链断裂、属于DNA嵌入型TopoIIa毒剂。以吖啶酮为基本骨架设计合成了两种吖啶酮衍生物,并将其用于金属离子的检测,实验结果表明,SNA和AAN作为离子荧光探针具有很好的选择性和灵敏度。滴定实验表明金属离子与探针SNA或AAN按照1:2的比例进行结合,检测限可达到nM级别,同时由于AAN的强抗干扰能力和低细胞毒性,成功地将其应用到Hela细胞中检测铬离子。利用Gaussian 09软件对探针结构进行了优化,讨论了不同的结构对探针性能的影响,结果表明,该类探针主要通过引入的氮原子与金属离子结合后体系的荧光强度发生变化,从而达到识别离子的目的。最后对探针与离子结合后模型结构进行了优化,计算结果对相应实验数据也进行了很好的解释。对工作进行总结,对吖啶酮类衍生物在生物活性和荧光探针方面的应用前景进行展望。