C-H键活化与高效转化已成为合成化学家工具箱里的一个重要部分,正在被无限开发和利用。本论文以C-H键活化为主线,从发展新方法学、合成新化合物、开发新性质出发,探究了 C-H键直接构建碳-杂原子键的反应并将C-H键活化策略应用于功能分子后修饰。一方面,含磷等杂原子的底物由于其强配位性而易使金属催化剂中毒失活,限制了金属催化C-H键活化反应的应用,因此底物对金属催化剂的毒化问题亟待解决;另一方面,C-H键活化应用于功能分子后修饰表现出明显的优势,然而仍面临反应选择性差、反应效率低等问题。本论文旨在解决上述两个难题,总共包括以下六章内容:第一章调研了 C-H键活化的研究进展及所面临的问题。总结了克服底物毒化金属催化剂的方法以及C-H键活化反应用于功能分子后期多样化的研究进展,并提出本论文的课题设计。第二章以N-磺酰基吲哚和简单的氧化仲膦为起始底物,发展了一种高效且普遍适用的吲哚C3位C-H键直接膦酰化的方法。一些简单的氧化剂如硝酸银、二叔丁基过氧化物（DTBP）、过硫酸钾都可以在温和的条件下高效的促进该反应。机理实验证明该反应可能经历了自由基的过程。第三章以碳酸银为氧化剂或通过电氧化,实现了导向基团辅助Rh（Ⅲ）催化芳环邻位C-H键直接膦酰化的反应。探究了膦试剂对铑催化剂的毒化机制,并证明碳酸银具有氧化剂和碱的双重作用、反应过程中可能存在高价铑中间体。第四章利用多重C-H键活化的策略,高效地实现了三硫自由基阴离子（S3·-）参与的炔基桥连的π-共轭化合物缝合型噻吩环化的反应,构建了一系列RDI稠合噻吩并多环芳烃骨架的化合物。进一步的光物理学性质测试发现,这些新合成的化合物具有精确可控的电子性质,是制备高性能有机半导体材料的最佳候选者。第五章合成并研究了两类结构和性质类似、仅连接臂长度不同的化合物PBP和PEP之间的自组装,发展了一种新颖的类主客体化学的自组装策略,制备了尺寸确定、结构均一且具有持续稳定性的π-堆积组装体:PBP-PEP二聚体。进一步的性质研究表明此二聚体组装体在手性识别等方面具有特殊的优势。第六章对本论文的研究成果进行总结和展望。