氟原子半径小，电负性大，形成的C-F键键长短且键能高，同时相邻氟原子间排斥力大，使其沿碳链作螺旋分布。在氟碳链中，两个氟原子的范德华半径之和为0.27nm，基本上能将C-C键紧密包裹。这种几乎无空隙的空间屏障使得氟碳链段具有耐化学品、防腐蚀、绝缘、耐沾污、疏水、耐磨、高热稳定等特性，使得含氟碳链段的化合物被广泛应用于农业、工业、航天、军事等领域。本文将氟碳链段引入氮杂环环合物并研究其在光稳定剂和自组装膜中的运用。　　紫外线吸收剂作为一种常用的塑料、涂料和织物添加剂，在防止材料光老化的应用中具有不俗的表现。然而，在长时间光照下，即或添加有紫外线吸收剂的材料其表面依然容易出现不同程度的老化。研究发现，促成这一现象主要是由于传统的紫外线吸收剂聚集在材料内部，而在被阳光直射的材料表面分布很少。针对上述问题，本论文设计合成出一系列含氟紫外线吸收剂，并且通过实验和理论计算表征了其表面富集性能，达到了预期的目标，内容如下:　　①以Williamson和Friedel-Crafts等反应为基础，设计合成了一系列含氟碳链段的苯并三唑类、三嗪类氮杂环紫外线吸收剂，并通过核磁共振(1H-NMR，13C-NMR)，红外(FT-IR)，质谱(MS)，元素分析(Elementary analysis)等手段，对化合物的结构进行了表征，结果表明13种不同类型的紫外线吸收剂被成功地合成(产率:66-91％)。　　②利用紫外分光光度法对合成的紫外线吸收剂进行了摩尔吸光度等光性能测试，结果表明取代基的引入，增加了紫外线吸收剂共轭结构的电子云密度，使其电子激发能降低，从而有效地增强了含氟紫外线吸收剂的吸光度(增加:10-20％)。　　③运用红外衰减全反射(ATR-FTIR)，X射线光电子能谱(XPS)以及切片法对本文所研究的紫外线吸收剂在涂层中的分布进行了表征。研究发现:传统的4-[4，6-二(2，4-二甲苯基)-1，3，5-三嗪-2-基]-1，3-苯二醇(DBDT)、2-(2，4-二羟基苯基)-2H-苯并三唑(2HBT)紫外线吸收剂在涂层中的分布沿表面向内部逐渐增多，其在涂层表面(5μm厚度)的分布浓度不足内部的一半，这将造成传统紫外线吸收剂对涂层表面保护不足以及涂层内部紫外线吸收剂的浪费;对合成的含碳链段/氟碳链段的苯并三唑类紫外线吸收剂的研究中发现，氟碳链段能有效的降低紫外线吸收剂的表面能，使其在涂层表面的分布浓度提高到原来的两倍左右，而碳链段的引入几乎没有改变紫外线吸收剂在涂层中的分布情况;在对含氟苯并三唑、三嗪类紫外线吸收剂的研究中发现，分子量小、分子结构简单的紫外线吸收剂引入相同氟量后其更容易在涂层表面富集;含氟链段长度越长的三嗪类紫外线吸收剂在涂层表面的分布浓度越高，当三嗪类紫外线吸收剂分子中含十二个氟原子时，其在涂层表面的分布浓度接近涂层内部浓度的四倍。　　④接触角测试结果表明，由于含氟碳链段紫外线吸收剂在涂层表面的聚集，使得涂层表面的接触角急剧增大(增加:21-41°)，从而涂层具有优异的疏水性能。人工加速老化试验研究表明，添加有紫外线吸收剂尤其是含氟紫外线吸收剂的涂层老化过程被明显减缓。　　⑤量子化学计算显示，改性后的紫外线吸收剂前线轨道分布范围增大、轨道能级差变小，紫外吸收能力增强，这与实验结果一致。耗散粒子动力学对添加有紫外线吸收剂的PVC涂层进行介观模拟，结果表明含氟苯并三唑类、三嗪类紫外线吸收剂在涂层固化过程中逐渐向涂层表面迁移，而2HBT和DBDT紫外线吸收剂在涂层固化过程中逐渐向涂层内部聚集。　　氟碳链段由于其表面能低，使得改性后的紫外线吸收剂在涂层表面富集而提高涂层的抗老化性能。此外，氟碳链段低表面能引起的疏水性质，使其能形成具有疏水性的自组装膜用于金属防腐蚀领域。然而，氟碳链段的螺旋结构造成分子极强的刚性，不利于自组装膜构型的调整，导致无序、亚稳态的自组装膜构象。针对这一问题，本论文制备出一系具有“刚-柔-刚”特性的含氟碳链段的噻唑类氮杂环自组装分子(MBTFs)，研究了其在铜表面的吸附机理，以及对铜在NaCl溶液中的缓蚀效果，并结合量子化学计算对自组装膜的缓蚀机理进行了研究。主要研究结果如下:　　⑥首先通过两步简单的化学反应制备出3种含不同长度氟碳链段的MBTFs分子，并通过核磁共振(1H-NMR，13C-NMR)，红外(FT-IR)，质谱(MS)，元素分析(Elementary analysis)等手段，对化合物的结构进行了表征，结果表明MBTFs被成功的合成(产率:78-86％)。　　⑦ATR-FTIR和XPS测试结果表明，MBTFs通过N-Cu和S-Cu键吸附在铜的表面;自组装膜的亚甲基红外吸收峰向低波数移动表明自组装分子采取规整有序的排列方式吸附在铜的表面;XPS半定量分析显示MBTFs在铜表面的吸附量随分子中氟碳链段的加长而增多;ATR-FTIR，XPS以及接触角测试结果表明MBTFs的噻唑环吸附在铜的表面，氟碳链段与铜表面呈一定夹角规整的排列。以上实验结果表明MBTFs分子在铜表面形成了一层具有“刚-柔-刚”独特构型的吸附膜。　　⑧失重实验和SEM分析结果显示MBTFs自组装膜能有效的抑制铜在NaCl溶液中的腐蚀，自组装膜对铜的缓蚀能力随MBTFs分子中氟碳链段的增长而增强;极化曲线和电化学阻抗谱等电化学测试表明自组装膜抑制了铜在NaCl溶液中的阳极和阴极腐蚀，自组装膜对铜的保护能力随自组装溶液的浓度、组装时间，以及MBTFs氟碳链段长度的增加而增加。　　⑨量子化学计算对MBTFs分子的相关性质做了进一步研究，研究结果表明MBTFs共轭结构共平面，这为MBTFs在铜表面的吸附提供了更大的接触面积。同时，MBTFs的静电势图显示负电区域的氮原子更易与具有空轨道的金属铜结合。此外，对MBTFs的前线轨道和偶极矩的计算发现氟碳链段越长MBTFs分子越有利于形成具有高效缓蚀能力的自组装膜。　　总之，本文利用氟碳链段的低表面能、疏水性、螺旋结构等特性，首次设计合成出一系列具有表面富集性能的苯并三唑类、三嗪类氮杂环紫外线吸收剂以及具有“刚-柔-刚”结构的噻唑类氮杂环自组装分子，并对它们做了详细的表征和应用研究。