氮氧自由基是含C、N、O和自旋单电子的有机化合物,早期被用作阐明细胞膜结构和功能的自旋示踪剂,近年来研究发现,氮氧自由基还具有特殊的磁学性质、光学性能和生物学活性,越来越受到科学家们的关注。在磁学性质研究方面,氮氧自由基是一类重要的分子铁磁体,与传统的无机铁磁体相比,具有不导电、密度小、透光性好等优点,同时,它们可塑性强,信息存储密度高、磁损耗低,可将其用作磁记录材料、磁光学装置以及生物兼容材料,在化学、物理、材料、生命科学等诸多领域都有广阔应用前景。在光学性能研究方面,氮氧自由基可以淬灭荧光基团的激发态,将其键合到荧光基团上可以使荧光消失。如果将氮氧自由基单元还原成羟胺,荧光又可恢复。像这样既具有荧光基团又具有受体单元的分子可用于氧化还原荧光开关的设计。在生物学活性研究方面,近年来研究证明:一些氮氧自由基分子具有较好的抗肿瘤、防辐射和抗缺血再灌注损伤的性能。其特殊的性质在于它们可以“催化剂量”清除有害自由基,实现以少量的药物发挥长期的功效,成为新型药物研发的关注点。针对目前国内外研究现状,本文设计、合成了13个未见文献报道的新型氮氧自由基,并完成结构表征和性能研究工作,具体内容如下:1.设计、合成了以联萘为基本骨架的4对8个sp2杂化大共轭轴手性氮氧自由基R-1~R-4和S-1~S-4,分别用EA、IR、HRMS、EPR光谱手段对它们进行了结构表征,培养和解析了其中5个的单晶结构,CD光谱研究表明,氮氧自由基R-1~R-4和S-1~S-4均为一对对映体。2.通过变温磁化率测定,对两对sp2杂化轴手性氮氧自由基(R-1,S-1和R-3,S-3)的磁学性质进行了研究。结果表明,R-1和S-1的分子内两个自旋之间存在较弱的铁磁相互作用,分子间呈反铁磁相互作用。R-3和S-3分子间呈反铁磁相互作用。初步实验结果表明:该类轴手性氮氧自由基对映体之间,磁学性质没有差别。3.首次研究了3种还原剂和3种有机酸对联萘型氮氧自由基的荧光调控作用,发现在此过程中,氮氧自由基荧光淬灭作用是主要的,PET效应是次要的;更多的自由基受体单元可能更有利于提高氧化还原开关荧光的灵敏度。4.首次考察了轴手性氮氧自由基R-1~R-4和S-1~S-4的对半胱氨酸甲酯和青霉胺的手性识别作用,结果表明:R型氮氧自由基具有较强的识别手性巯基类化合物的能力。5.考察了轴手性氮氧自由基R-1和S-1的防辐射性能,通过细胞毒性研究,得到了细胞无毒性剂量,通过对肺上皮细胞(L-02)的辐射防护作用研究证明:自由基R-1和S-1具有较好抗辐射作用。6.设计、合成了以四氢吡咯为基本母核的1对sp3杂化手性氮氧自由基(L-5,D-5),并通过EA、IR、HRMS、EPR等手段对这些自由基进行了结构鉴定,培养和解析了L-5的单晶结构。7.创新性地进行了NIT类氮氧自由基的抗肿瘤活性研究,研究结果表明:氮氧自由基L-5具有水溶性好,毒性低的优点,对抑制正常细胞和肿瘤细胞增殖具有很好的选择性,抑制MCF-7的细胞增殖作用与多烯紫杉醇接近,很可能成为新的抗肿瘤先导化合物。8.设计、合成了三个非手性氮氧自由基6-8,培养和解析了其单晶结构,其相关性能正在研究中。9.设计、合成了一种新型极性修饰高效液相色谱固定相,建立了一系列在反相高效液相色谱中难以分离的极性化合物的分析方法。与传统的C18色谱固定相比较,极性修饰固定相更适合于高水流动相条件下的分离,能够提供独特的选择性和优异的分离度,同时降低了碱性化合物与硅胶表面残余硅羟基的相互作用,可以改善色谱峰的峰形;将其用于氮氧自由基中间体的分析分离,取得了很好的分离效果。此课题为新型NIT类氮氧自由基的设计、合成及其用作防辐射、抗肿瘤药物的研发提供了实验数据和理论依据。