第一部分：细胞内pH值在多种细胞活动中起着重要作用。细胞内的pH值分布不均匀,细胞质内为弱碱性(pH约为7.2),而内质网和溶酶体等细胞器呈弱酸性(pH4.0-6.0)。溶酶体内的酸性环境可以活化一些水解酶,促进细胞代谢过程中蛋白质的降解。溶酶体内pH值升高会使这些酶活性降低甚至失去活性,出现细胞功能障碍。因此监测细胞内pH值的变化可以为研究生理和病理过程提供重要信息。荧光法由于灵敏度高、选择性好、操作简单而且不损伤细胞结构等特点,已广泛用于各种离子及细胞活性物质的检测。用于检测细胞内pH值的荧光探针主要有两种：第一种是检测细胞质pH值的近中性pH荧光探针(pH6.8-7.4)；,第二种是检测溶酶体等酸性细胞器的酸性pH荧光探针(pH4.0-6.0)。目前大部分的pH荧光探针都属于第一种,第二种的报道相对较少,尤其是能够选择性识别一种细胞器如溶酶体的探针比较少。已经报道的溶酶体探针(包括商品化的溶酶体探针)多是基于光致电子转移(PET)机理设计的。探针由荧光基团和一个氨基侧链组成,由于氨基向荧光基团的PET过程导致探针荧光淬灭。因为溶酶体内为酸性,所以探针中具有弱碱性的氨基侧链会选择性聚集在溶酶体,氨基在溶酶体酸性条件下被质子化,PET被阻断,探针产生荧光,实现对溶酶体的选择性检测。但是由于氨基侧链的碱性效应,探针与细胞长时间作用后会导致溶酶体pH值升高,使检测结果不准确。因此设计新的能够避免碱性效应、膜透性好、灵敏度高的溶酶体pH荧光探针具有重要意义。罗丹明类化合物具有量子产率高、吸收和发射波长长等优点,而且在不同pH值条件下表现出荧光“开-关”效应,很适合作为荧光增强型的酸性pH荧光探针。但是目前能够用于在活细胞内标记溶酶体且能够避免碱性效应的罗丹明类pH探针很少。因此我们设计合成了3个罗丹明B类的pH荧光探针Rlyso-1, Rlyso-2和Rlyso-3,3个探针的pKa值逐渐增大。对各个探针在不同pH值溶液中的紫外及荧光光谱测试表明,3个探针都对酸性pH值有很好的选择性和很高的灵敏度。Rlyso-1在酸性条件下的荧光增强150倍。在弱碱性溶液中,各种金属离子均无干扰,但在酸性条件下个别金属离子会引起荧光淬灭。Rlyso-2在酸性条件下的荧光增强倍数不及Rlyso-1,但是Rlyso-2的抗离子干扰能力更强,各种测试所用金属离子在弱碱性及酸性条件下均无明显干扰,而且Rlyso-2在酸性条件下的量子产率更高。Rlyso-3的p肠值最大,灵敏度不及Rlyso-1和Rlyso-2。但Rlyso-3在弱碱性溶液中还可以选择性识别Hg2+,检测限达到0.5μM,可以作为双功能荧光探针,扩大了应用范围。3个探针都能够避免碱性效应且具有很好的膜透性,可以对细胞进行荧光成像。共定位实验证明,这3个探针均能选择性标记溶酶体。Rlyso-1和Rlyso-2都可以检测溶酶体内pH值的变化,Rlyso-2对溶酶体内pH值的变化最敏感。而Rlyso-3对巴弗洛霉素引起的溶酶体pH变化不敏感。细胞存活率实验表明,在实验条件下探针对细胞没有毒性。第二部分：吡唑衍生物具有广泛的生物活性,在合成药物及农药等方面具有重要应用,一些毗唑衍生物还可以用作发光材料。我们课题组一直致力于结构多样性吡唑衍生物的合成及应用研究。在此基础上,我们设计合成了多个系列的吡唑衍生物,通过红外光谱、核磁共振、高分辨质谱及X射线单晶衍射对化合物的结构进行了表征,并研究了化合物的光谱性质或生物活性。第一章,对吡唑衍生物在抗肿瘤、抗菌及发光材料等方面的研究进展进行了简要总结。第二章,合成了一系列2-吡唑基-5-芳基-1,3,4-噁二唑衍生物,通过红外光谱、核磁共振、高分辨质谱进行了结构表征,对其中两个化合物进行了X射线单晶衍射分析。测试了化合物在二氯甲烷溶液中的紫外吸收和荧光发射光谱,分析了各种取代基对光谱性质的影响。第三章,合成了一系列2-吡唑基-5-芳氧甲基-1,3,4-噁二唑衍生物并进行了结构表征,研究了取代基和不同溶剂对化合物紫外吸收和荧光发射光谱的影响。第四章,用一锅法合成了一系列毗唑并[1,5-a]吡嗪-4,6(5H,7H)-二酮衍生物并进行了结构表征和抗癌活性测试。筛选出了一个能够选择性诱导H322肺癌细胞凋亡的化合物。第五章,由5-吡唑甲酸和取代苯胺合成了一系列毗唑酰胺类衍生物,通过红外光谱、核磁共振、高分辨质谱及X射线单晶衍射对化合物的结构进行了表征。初步测试了化合物诱导小鼠MC3T3-E1细胞分化为成骨细胞的活性,筛选出了一个具有较好成骨诱导效应的化合物。第六章,合成了两个系列含有哌嗪基团的吡唑酰胺衍生物,通过红外光谱、核磁共振、高分辨质谱进行了结构表征,对其中一个化合物进行了X射线单晶衍射分析。初步评价了化合物的抗菌活性并进行了构效关系分析。本论文主要创新点：1.合成了3个罗丹明B类pH荧光探针Rlyso-1, Rlyso-2和Rlyso-3,3个化合物均为螺环结构。这3个探针均对酸性pH具有较好的选择性和灵敏度,而且吸收和发射波长长,响应迅速,可以用于实时监测。Rlyso-3在弱碱性条件下还可以识别Hg2+。2.3个探针均具有很好的光稳定性和透膜性,对细胞的毒性很小,可以在活细胞内选择性标记溶酶体,而且Rlyso-1和Rlyso-2可以监测到由巴弗洛霉素A1或氯奎宁引起的溶酶体pH值变化。3.对两个系列的吡唑-1,3,4-嗯二唑衍生物进行了光学性质测试；对另外几个系列吡唑衍生物进行了生物活性评价,筛选出了一些具有生物活性的化合物；对部分化合物进行了X-射线单晶衍射分析。