近四十年来,以富勒烯、碳纳米管、石墨烯为代表的新型纳米碳材料表现出超乎寻常的性能,广泛应用于各个领域。然而除了富勒烯,石墨烯和碳纳米管都不能视为纯结构,且通过目前的制备及分离技术,很难获得具有纯结构形式的碳纳米管及石墨烯,这阻碍了我们更好的理解精细的原子结构与性质的之间的关系。环对苯撑和纳米石墨烯分子作为碳纳米管及石墨烯的片段分子,具有明确的化学结构、可通过化学方法自下而上合成,因而可作为理想的研究碳纳米管及石墨烯构效关系的模型分子,也可将这些片段分子作为模板,作为一种新的合成策略探究高纯碳纳米管及石墨烯的可控合成。此外,这些片段分子通过化学修饰,能够表现出优异的光学、电学、超分子组装等性质。本论文重点集中于碳纳米管与石墨烯的曲面片段分子的设计、合成、功能化及性质研究。本论文的具体工作如下:碳纳米环的合成和功能化:1、采用在环对苯撑体系中引入强吸电子基团苯并噻二唑的策略,首次实现了具有高荧光发光效率且发射波长位于橙光区域的环对苯撑分子TB[12]CPP的合成。此外,首次实现了巴基碗、富勒烯与环对苯撑的三元组分超分子组装,通过单晶X射线衍射研究了主客体之间的组装形式,通过荧光滴定、job’s plot实验确定了液相下三元组装的结合常数及结合比例。2、通过结合引入D-A结构及减少苯环数目这两种策略,设计并合成了荧光发射在红光区域的环对苯撑分子TB[9]CPP。将TB[9]CPP纳米颗粒作为荧光探针应用于活体开颅鼠脑三光子荧光成像,能够得到清晰、生动、高对比度的鼠脑血管三维成像图,并有着良好的穿透深度及成像分辨率。3、通过在环对苯撑体系引入三个连续的间位相连的苯环,成功合成了晶态下具有稳定的莫比乌斯构象的碳纳米环并对其进行了芳香性研究。曲面纳米石墨烯分子的合成:1、利用SN2反应,设计并合成了新型正高斯曲率硒掺杂碗状纳米石墨烯分子,总反应仅需四步且反应条件温和。通过核磁、高分辨质谱、紫外可见吸收光谱证明该纳米石墨烯分子在液相中以稳定的二聚体的形式存在。单晶X射线衍射证实了该纳米石墨烯分子独特的碗状构型。2、通过光诱导SRN1反应实现负高斯曲率氮掺杂马鞍形纳米石墨烯分子的合成。这种构筑方法通过简单的光照便可实现,无需金属催化且反应在温和条件下进行。单晶X射线衍射表明该纳米石墨烯分子具有双曲面马鞍形的空间构型及独特的堆积结构。芳香性计算表明该纳米石墨烯分子内七元环呈反芳香性,而纳米石墨烯分子呈全局芳香性。