近年来,过渡金属催化的碳氢键直接活化/官能化构建碳-氧键、碳-卤键、碳-氮键、碳-碳键以及其它碳-杂原子键成为化学领域研究的热点。作为一种新兴的合成方法,碳氢键的直接活化/官能化反应与传统过渡金属催化的偶联反应相比具有原子经济性高、区域选择性好等优点。目前,各种碳氢键的官能化反应类型已经得到极大的丰富,同时在反应转化率及选择性控制方面也获得较大发展,为该合成策略的应用打下了坚实的基础。本论文包括以下六个章节：第一章,首先简要阐述了碳氢键活化官能化对比传统方法的优势及其发展历程,在此基础上,重点综述了过渡金属催化定向碳氢键活化的不同官能化反应研究进展。第二章,首次报道了碳氢键活化直接硝化反应。在氮原子配体与过渡金属钯的配位导向作用下,实现了高选择性的邻位单硝化反应,该体系相比较传统的硝化反应具有以下优点：1)区域选择性高,硝化位置不受芳环上其他定位基团的影响而仅得到导向基团的邻位单硝化产物；2)底物适用范围广,特别是一些对酸敏感的基团如羟基、酯基等都具有良好的适应性。此外,通过该方法的应用得到了一系列邻硝基苯乙酮类化合物。第三章,研究了含氮杂环导向的邻位选择性碳氢键氟化反应。在Pd(OAc)2/NFSI/TFA催化体系中,得到了高选择性的碳氢键单氟化产物；同时通过调整反应条件还可以得到双氟化产物,实现可控的选择性氟化反应。另外,该体系对于其他含氮导向基团如吡唑、恶唑以及吡嗪等也能适用,同时反应操作简单,无需采取无水无氧操作。最后,通过ESI-MS/MS等检测手段,提出了一个包含Pd(Ⅱ/Ⅳ)催化循环的反应机理。第四章,研究了O-甲基肟醚导向的邻位碳氢键氟化反应。通过体系中硝酸根离子的加入实现了在温和条件下的碳氢键活化单氟化,而控制反应温度又可以得到双氟化产物,且反应对不同类型的酮肟醚均具有较好的适应性。此外,烯基sp2碳氢键也能在室温下活化氟化。第五章,研究了铁催化的2-烷基含氮杂环与N,N-二甲基酰胺的CDC偶联反应。在绿色廉价的含水铁盐催化下,将N,N-二甲基酰胺的"N-甲基”作为新颖的单碳原子源,实现了2-烷基含氮杂环sp3碳氢键的亚甲基化反应,从而得到了一系列常规方法难以合成的2-乙烯基含氮杂环化合物。通过对反应体系的应用,实现了一种以简单苯丙酮为起始原料合成取代苯并[a]吩嗪化合物的通用方法。ESI-MS等检测结果验证了CDC偶联中间体是该转化的关键中间体。第六章,简述了第二章-第六章的实验操作,并对产物进行了结构表征。