含有氮,氧和硫原子的杂环化合物存在于各种天然存在的和人工合成的化合物中。在典型的碳环化合物中引入杂原子导致电子密度的重新分布,使其产生令人着迷的物理和化学性质。杂原子的性质和位置负责调节各种分子性质,例如化学反应,光谱行为和非线性光学（NLO）性质。NLO材料因其在光学数据传输,集成光子学,光学成像和传感器保护方面的潜在应用而备受关注。本论文的主要目的是对多功能杂环分子材料进行表征和优化,详细研究了系列分子的几何结构和电荷分布,并详细探讨了二阶非线性光学系数（β）随着结构改变而产生的变化。提出了几类潜在的非线性光学材料的研究体系的设计思想。1.首先我们设计并合成了新的苯并咪唑基乙酰胺,其被各种电子给体/受体官能团取代,即?CH3,?OCH3和?NO2。2-（1H-Benzo[d]imidazol-2-ylthio）-N-o-tolylacetamide（2a） 2-（1H-Benzo[d]imidazol-2-ylthio）-N-（2-nitrophenyl）acetamide（2b） 2-（1H-Benzo[d]imidazol-2-ylthio）-N-（2-methoxyphenyl）acetamide（2c）文献表明通过电子给体/受体官能团的修饰可设计并得到高性能的功能材料。为了预测和解释上述分子的结构和特性,我们采用了理论和实验相结合的研究方法,实验中通过红外（IR）,核磁共振（NMR）光谱,质谱（MS）来表征结构和电子光谱;理论上系统探讨了这些化合物的结构和性质关系,并研究了体系的二阶非线性光学性质（β0）。由于在2b的伯胺上存在吸电子-NO2,跃迁能降低了,导致具有较大的β0值（1550 au）。而具有电子给体（?OCH3）的2c具有相反的结果。我们发现这类化合物在非线性光学材料领域具有潜在的应用。2.在第二个工作中,我们利用碱金属及碱土金属离子(Li⁺,Na⁺,K⁺和Ca²⁺)掺杂到杂环分子中形成一系列的香豆素衍生物,利用密度泛函方法系统研究了这些络合物的结构和非线性光学性质,并且基于香豆素的开环和闭环特性,计算了其非线性光学性质开关比。有趣的是,在这项研究中,Mero-Li⁺显示出显着的非线性光学响应,其HRS值达到7607 au,比相应的spiro（闭环）结构的HRS值（846 au）高约9倍。本研究通过研究不同金属离子与香豆素衍生物的开环/闭环结构与二阶非线性光学性质的关系,提出了新型非线性光学开关的设计思路。3.在第三个工作中,我们研究了氮取代氮杂-15-冠-5-醚的香豆素衍生物 （TZC）与碱金属离子（Li⁺,Na⁺,K⁺）,碱土金属离子(Mg²⁺,Ca²⁺)和过渡金属阳离子(Ni²⁺,Zn²⁺)的络合物的结构和非线性光学性质。结果显示,从自然键轨道（NBO）和相互作用能计算中,碱金属阳离子具有较高程度的离子特征,而碱土金属阳离子和过渡金属阳离子具有显着的共价特征。有趣的是,我们发现金属阳离子的原子序数,大小和电荷以及冠醚的O-和N-原子是影响β值的重要因素。与TZC相比,一价和二价金属阳离子的掺杂导致体系的第一超极化率值（β）显著增加。此外,前沿分子轨道（FMO）分析和TD-DFT研究表明,跃迁能与金属电荷和尺寸的关系可以很好地解释β值的变化规律。