寻求能在水溶液中对阴离子进行专一性识别的光化学传感器一直是人们追求的目标,也是当前超分子化学研究的难点和前沿课题之一。受体分子在识别过程中能否克服竞争性溶剂对识别的影响是实现有效识别的关键,另外如何将选择性结合转变为光信号传感出去也是亟待解决的问题。本论文针对生理活性阴离子的结构特点,设计合成了含有不同荧光团或生色团的人工受体,它们在水中有一定的溶解度,且具有合适的识别位点及不同拓扑形态,可以通过与相应底物之间的相互匹配,并借助形成多重氢键、离子键、配位键等强的相互作用克服了质子性溶剂的影响,实现对阴离子的专一性识别。我们采用荧光、紫外光谱、核磁共振、质谱等技术,并结合分子模拟等手段研究了所合成的人工受体在水溶液中对不同底物的识别作用,探讨了识别和传感机理,为更好地理解生命过程中的识别现象,设计生理活性物质检测及分离的分子传感器提供了有用的理论和实验依据。本论文共分为七个部分：第一章：从识别和传感两个方面概述了质子性溶剂中用于光化学传感的阴离子人工受体的研究进展,据此提出本论文的选题思想。第二章：合成了连有萘胺的吡咯酰基胍荧光受体Ⅱ-1,并通过FL, UV-vis, NMR, CV等方法研究了Ⅱ-1在DMSO中的阴离子识别行为。由于吡咯酰基胍本身含有两个不等价的识别位点,所以在络合体积较小的F-时表现出两步络合,第一步决定了Ⅱ-1与F-之间较大的络合常数,第二步决定了Ⅱ-1剧烈的荧光增强(142倍),两者相互协同,使得ⅡI-1对F-的荧光识别兼具高的灵敏度和选择性。我们还通过NMR和荧光光谱研究了Ⅱ-1在含水体系中对F-的识别。通过比较Ⅱ-1在不同溶剂体系中的识别和传感性质,可以看出吡咯酰基胍5位NH的酸性对受体在水中的荧光响应至关重要。第三章：由于4-氨基-1,8-萘酰亚胺4位氨基上质子的酸性较强,可以增强主客体间的结合力和选择性。本章中我们合成了以4-氨基-1,8-萘酰亚胺为荧光团的吡咯酰基胍受体Ⅲ-1,Ⅲ-2,并研究了其在90%的H2O-DMSO体系中对核苷酸和无机阴离子的识别。ICT型荧光传感器Ⅲ-1良好的预组织性使它对焦磷酸根(PPi)在电荷,构型和体积上相互匹配,实现了在水中对PPi的高度专一性识别。Ⅲ-2与ATP作用时,兼具PET和ICT的特性,荧光猝灭程度最大且光谱蓝移。第四章：以蒽为荧光团设计合成了单臂吡咯酰基胍受体Ⅳ-1和双臂吡咯酰基胍受体Ⅳ-4。受体Ⅳ-1可以在90% H2O-DMSO溶液中对SO32-产生比率荧光变化,而对其他阴离子则不能。研究表明：Ⅳ-1分子内存在一个荧光共振能量转移(FRET)过程,当与SO32-作用时,Ⅳ-1与SO32-的络合加速了葸的光化学反应,导致蒽的结构发生改变,FRET过程被阻断,从而形成比率荧光,该机理已经被FL, UV-vis及NMR研究所证明。主体Ⅳ-4在二羧酸识别中表现出典型的PET传感机理。在含水体系中,主体Ⅳ-4对草酸表现出良好的选择性和较大的络合常数。第五章：合成了以硝基芳烃为生色团的吡咯酰基胍受体V-1和V-2,通过紫外光谱分别研究了Ⅴ-1在DMSO中以及Ⅴ-2在H2O/DMSO混合溶剂中的阴离子识别性能。研究表明,Ⅴ-1在DMSO中对F-离子有很好的选择性,可以使溶液的颜色由无色变为橙红色,可用于F-的比色传感,达到了肉眼观测的目的。受体Ⅴ-2通过多个结合位点和多种作用力的协同作用,可以在10%的H2O-DMSO体系中识别碱性较强的CO32-,使溶液的颜色由浅黄色变为黄色。第六章：以吡啶二酰胺为骨架设计合成了吡咯酰基胍的Cu2+配合物Ⅳ-1,通过指示剂竞争取代法研究了它对羟基酸和氨基酸的识别作用。主体Ⅳ-1良好的预组织性使它对柠檬酸和N(CH2COOH)3在电荷、构型和体积上相互匹配,主客体之间通过配位键,静电力,多重氢键等多种作用力的协同作用,使得Ⅳ-1在水溶液中对柠檬酸和N(CH2COOH)3的络合常数达到了105M。在指示剂取代体系中,柠檬酸可以和邻苯二酚紫发生竞争取代,使体系的颜色发生改变,达到了裸眼观测的效果,而其他的羟基酸则不能。第七章：以吡啶二酰胺为骨架合成了含蒽、芘、劳伦酸的钳形受体Ⅶ-1,Ⅶ-2和Ⅶ-3,并研究了它们在水介质中对核苷酸的识别。Ⅶ-1对ATP和ADP表现出选择性的荧光增强响应。Ⅶ-2对ATP, ADP, AMP可以产生比率荧光变化,而对无机磷酸则表现出完全不同的荧光变化,可以通过荧光法把这些类似物区分开来。主体Ⅶ-3具有TICT态的荧光发射,但是与核苷酸的作用很弱,不能引起荧光的变化,所以不能用来识别检测核苷酸。