在已上市的小分子药物中,超过一半以上的药物至少包含一个含氮杂环。由于氮杂环类化合物在各个领域的广泛应用及其多样化的生物活性,因此它们显得极为重要。围绕含氮杂环骨架化合物的高效构筑,本论文一是研究以氧气为终端氧化剂,N-功能化的鎓盐在可见光促进下进行选择性氧化反应构建了吡咯、吡啶、异喹啉酮、喹诺酮等一系列结构多样性的氮功能化杂环;二是研究了两类过渡金属催化下的反应,即Pd催化异氰插入和Cu催化吲哚偶联,分别成功构建了咪唑并噻唑和双吲哚酮类氮杂环衍生物,经过体外抗肿瘤筛选后,发现部分化合物对一些癌细胞具有明显的抑制作用,对构建新型抗癌药物的先导化合物库具有参考价值和重要意义。具体研究内容包括以下四章:第一章:吡啶π-体系能量低和化学选择性差的特性导致将其直接功能化受到限制,可将吡啶环的氮原子衍生化制备成吡啶鎓盐卤化物,使其显示出丰富多样的反应活性。本章中,在可见光诱导和空气条件下,吡啶鎓盐出现两种不同类型的转化:（1）吡啶盐在有机染料罗丹明B（RhB）催化下,与空气中的氧气进行[2+2]氧化环加成、开环和再环化,将六元环的吡啶衍生物转化为五元环的吡咯衍生物。这种全新的吡啶环C-C键断裂和再环化策略在室温下就能得到缩环产物。（2）另一种转化是四甲氧基苯基卟啉钴（CoTMPP）催化N-苄基吡啶盐类底物原位生成苄基自由基,然后发生拉登堡重排（Ladenburg rearrangement）迁移到吡啶环的4位上,协同氧化形成4-酰基吡啶化合物。吡啶盐的缩环和重排反应成功的关键是光催化剂、底物和光源的选择,并用密度泛函理论计算（DFT）对这两个反应的机理进行了佐证。这两种全新的原子经济策略和可持续发展的催化方法对发展含氮杂环芳烃反应,并为其进一步转化和应用做了很好的拓展研究。第二章:研究了（异）喹啉鎓盐在温和的光催化条件下,高效便捷地实现了不同区域碳原子的sp²氧化反应:（1）（异）喹啉盐卤化物自身为光敏剂,在可见光诱导和有机碱1,4-二叠氮双环[2.2.2]辛烷（DABCO）作用下,鎓盐底物上与氮原子相邻的区域被空气中的氧气氧化生成（异）喹啉酮类似物;（2）不更改其他反应条件,只需添加Ru（bpy）₃Cl₂催化剂,喹啉盐底物的氧化反应位点从C2位切换到C4位,形成4-喹诺酮衍生物。这两种转化避免使用过量的氧化剂、底物适用范围广、原子经济性高,利用自由基方式引发含氮鎓盐底物不同区域的sp²C羰基化,从而完成了将空气中的氧气直接引入氮杂环骨架的氧化过程。第三章:异腈和硫代酰胺以Pd（OAc）₂为催化剂,“一锅两步法”串联双环化方式将三分子异腈插入到两分子硫代酰胺中,合成了咪唑并[1,2-c]噻唑类似物。该反应使用过渡金属Pd催化构建C-C键或C-杂键,只需要廉价易得的反应原料,操作简单,就能以中等至良好的收率获得新型的双杂环化合物。用MTT法测试了所有产物对MGC-803（人胃癌）、HepG2（人肝癌）、T-24（人膀胱癌）、SK-OV-3（人卵巢癌）细胞的抑制活性,发现3c具有良好的抗癌活性,并用HepG2凋亡率、周期阻滞、活性氧（ROS）和Ca²⁺含量的变化初步探讨了其作用机制。第四章:在TBHP为氧化剂,吗啉为碱的条件下,氧化亚铜催化吲哚去芳构化和氧化偶联构建了含有季碳中心的3,3’-双吲哚啉-2-酮骨架。该反应具有高效的化学区域选择性和良好的官能团相容性,原料简单廉价,反应条件温和。该吲哚功能化反应同时还具有对吲哚类似物C2位进行选择性氧化的特点。筛选了产物对SCG-7901（人胃癌）、HepG2（人肝癌）、Ishikawa（子宫内膜癌）、MDA-MB-468和MDA-MB-435（人乳腺癌）细胞的抑制活性,发现2r具有明显的抑制HepG2增殖作用,并用细胞凋亡、TUNEL染色和细胞周期分析发现2r是以剂量依赖抑制HepG2增殖。