生物正交反应是一类可在生理条件下高效进行的化学反应,目前已成为一种研究生物分子强有力的工具。基于生物正交反应的化学标记探针,已经实现在活体环境下对核酸、蛋白质、糖等生物大分子进行特异性成像与示踪。经过十几年的发展,研究者们己经报道了多种生物正交试剂,涉及的生物正交反应类型包括Staudinger、醛酮缩合、SPAAC、CuAAC、IEDDA等。其中,IEDDA反应由于具有反应速度快、不需要催化剂等优点,成为应用较为广泛的一类生物正交反应。本论文中,我们主要围绕甲基环丙烯衍生物和近红外S-四嗪荧光探针的环加成反应,系统探究了探针的光物理性质、化学反应性及其在细胞层面的荧光成像能力,取得了一些研究成果。研究内容主要分为以下三个部分:第一部分:设计合成了近红外的S-四嗪花菁荧光染料103、106和107,与张力烯烃TCO反应后,荧光被点亮,反应前后荧光强度增加约4倍。理论计算研究表明,S-四嗪淬灭的近红外荧光染料具有有限的荧光增强倍数。提出了S-四嗪-花菁染料103、106、107的荧光性质是由于能量转移到以S-四嗪为中心的低暗态,基于文献报道,S-四嗪暗态n-π*激发的发射范围为570～710 nm。因此,S-四嗪不是理想的作为波长大于710 nm近红外荧光团的淬灭剂。所以,S-四嗪类化合物的暗态淬灭机制不适合于发展发射波长大于710nm的S-四嗪近红外荧光探针,因为荧光团的亮态能级低于暗态。虽然发展的S-四嗪近红外荧光探针性能不佳,但理论化学计算的结果为我们后续设计波长更长的基于S-四嗪的近红外荧光染料提供了重要的参考价值。第二部分:利用甲基环丙烷醇为合成子,高效的合成了可用于活细胞核酸标记的环丙烯-核酸衍生物175、176、178、179和183;用于蛋白质非天然氨基酸标记的环丙烯-氨基酸衍生物174和177;以及可用于ADC药物及PROTACS药物连接部分的环丙烯PEG衍生物180、181、182和184。反应动力学、稳定性以及生物正交性实验结果表明,这些环丙烯衍生物都具有良好的生物正交性、稳定性以及反应活性,其中环丙烯尿嘧啶核苷衍生物175具有最高的二级反应动力学常数,达到17.5±0.1 M-1 s-1。第三部分:设计并合成可用于核酸标记的甲基环丙烯探针。其中,甲基环丙烯尿嘧啶核苷探针175和甲基环丙烯鸟嘌呤核苷探针179能够用于核酸的标记成像。发现环丙烯探针175与5-TAMRA-Tz荧光染料在纯PBS体系中发生IEDDA环加成反应,反应速率相当快,二级反应动力学常数高达56.6±1.94M-1 s-1（比文献报道的VdU核苷探针快103倍）,环丙烯探针175和179成功用于低浓度下HeLa细胞核仁和细胞质的染色和成像。