光合作用是地球上最重要的生物过程。人类生存所必需的食物、纤维以及建筑材料都直接或间接地和光合作用有关。人类活动所需的能源如：汽油、天然气、煤等也是光合作用的产物。因此，关于光合作用的研究尤为重要。它是一劳永逸得解决目前人类发展所面临的能源危机与环境恶化的唯一途径。人工光和作用的研究是指利用人工合成的小分子体系，或超分子体系来模拟自然界中光和作用体系的某些性能。本文中我们以苝二酰亚胺作为基本结构单元设计合成了一系列的头尾连接的多聚物，通过对其光物理性质的研究，试图模拟自然界光和作用体系中的天线分子LH2的功能。揭示同种染料分子之间激发态能量的传递过程，以及这种过程和分子之间连接基的关系。在本论文中，我们共设计合成了五个有关苝二酰亚胺的一系列衍生物，它们都是以共价键的形式首尾连接起来的。这些化合物最重要的特点是，这些分子内各个基团之间以不同长度和刚性的集团相连。连接的位置也是通过分子的最高占有轨道（HOMO）和最低空轨道（LUMO）的节点原子相连，这样可以保证相邻的两个集团之间在基态时没有很强的相互作用。是一个用来研究纯激发态之间相互作用的理想模型分子。该部分内容共分为如下两个部分：一．化合物的设计与合成：我们选择在苝二酰亚胺上引入四个对特丁基苯氧基主要是为了增加分子在普通有机溶剂中的溶解性，这样便于化合物的提纯和结构鉴定，也有利于分子光物理性质的测定。四取代苝二酸酐是按照有关文献所合成，我们分别采用四氯代和四溴代的苝二酸酐为原料，利用亲核取代反应将四个苯氧基引入到苝二酸酐的环上，我们发现四氯代苝二酸酐为原料的反应进行的较为顺利，不仅收率高，而且易纯化，更重要的是四氯代苝二酸酐原料易得。接下来的多步化学反应涉及酸酐和胺的缩合反应。根据我们的实验结果，脂肪胺的反应活性明显高于芳香胺的活性。苝二酸酐和脂肪胺，如正丁胺，乙二胺的反应在氯仿中回流的条件下就可以进行，而和芳香胺的反应需要在吡啶或者甲苯／咪唑的混合溶剂中回流才能发生。联胺的反应活性最高，在室温下就可100％的快速的发生。四苯氧基取代的苝二酸酐和正丁胺反应合成单酰亚胺酸酐的反应中，生成了单酰亚胺和双酰亚胺两个产物，由于两个产物的极性比较接近，柱层析分离的效果不是很好，造成反应的收率较低。我们在分离得到这两个化合物并完成了结构鉴定后，随后的合成中均没有把它们分离出来，而是利用此混合物继续和胺反应（乙二胺，对苯二胺，联胺）生成不对称取代的双酰亚胺化合物再进行分离，这样可以简化分离步骤，提高反应收率。溶剂的选择在酸酐和胺的缩合中起到十分重要的作用，通常情况下吡啶，氯仿，甲苯，喹啉，二甲基甲酰胺等都可以适用于这个反应，但是在我们的实验中发现，当用吡啶为溶剂时，在回流的情况下，往往带来一些复杂的副产物，导致反应产率很低，纯化困难。而甲苯和咪唑的混合物作为溶剂是以比较柔和的反应体系，收率高，副产物少，纯化简单。因此在随后的大部分工作中我们都用了这样的体系。二聚体的合成是：先控制反应物四取代苝二酸酐和正丁胺的摩尔比例为1:1，生成单取代的苝二酰亚胺单酸酐，然后再和少量的联氨、乙二胺或对苯二胺反应生成相应的二聚体。加联氨与乙二胺只需要在温和的反应条件下，在氯仿中室温下反应。而对苯二胺缩合时只能在加咪唑的甲苯溶剂中回流反应才可。三聚体的合成是：我们首先合成出相应的单体，即分别在PDI四取代二酸酐两头都取代上联氨、乙二胺与对苯二胺。然后再用这些单体和单取代的苝二酰亚胺单酸酐缩合生成相应的三聚体化合物。所有的新化合物均通过了核磁共振波谱和质谱的鉴定，其纯度也经薄层层析色谱的验证。二．化合物光物理性质的测定：我们对所合成的化合物的光物理性质分别通过吸收光谱，荧光光谱的手段进行了研究。我们还分别测定了这些化合物的荧光量子产率并利用时间分辨的荧光光谱测定了它们的荧光寿命。分别得到如下结论：（1）在基态，苝二酰亚胺二聚体或三聚体中没有相互作用，其吸收光谱是个各组分吸收光谱的简单加和，没有新的吸收峰出现。（2）荧光光谱的测定结果显示，无论是二聚体还是三聚体，均呈现明显的单体发射，其发射波长和苝二酰亚胺的发射波长完全相同，说明二聚体和三聚体中，相邻的苝二酰亚胺环之间，其前线轨道（HOMO，LUMO）没有明显的相互作用。激发态之间没有相互作用。（3）荧光寿命的测定显示，四取代苝二酰亚胺的荧光寿命为6.35纳秒，和其二取代的苝二酰亚胺同系物相比，其寿命明显增长，激发态变得更加稳定，说明四取代苝二酰亚胺分子内增加的空间位阻使分子变得更加刚性。（4）二聚体和三聚体的荧光呈现双指数衰减，给出两个荧光寿命，一个寿命是6.35纳秒左右，另一个是在1.63—0.92纳秒之间。其中的短荧光寿命可以解释为苝二酰亚胺基团之间激发态的能量传递过程。证明在这样的头尾连接得苝二酰亚胺多聚物中，确实存在激发态能量的传递过程，这样的体系可以作为光合作用天线分子的模型化合物。（5）我们以酞菁作为能量受体，以苝二酰亚胺衍生物作为能量给体，对于它们之间的分子间能量传递过程进行了研究。荧光光谱显示苝二酰亚胺和酞菁之间确实发生了单线态的能量传递。Stern-Volmer的荧光淬灭曲线显示为直线，说明荧光淬灭是一个分子间动态淬灭过程，在单体和受体之间不存在静态的相互作用。对淬灭曲线进行线性拟合后，得到荧光淬灭的速率常数在10⁵数量级，因此荧光淬灭是一个扩散控制的过程。三．以苝二酰亚胺为底物的荧光传感器的合成与性质：我们还合成了一个以苝二酰亚胺为底物的荧光传感器——-N，N，N’，N’-四（2-乙醇基）-1,7-二（对叔丁基苯氧基）-3，4；9，10-苝亚酰胺，其中苝环为发光部分，二乙醇胺为识别部分。该化合物在不同的酸度下，发射不同强度的荧光。这是因为苯胺的N原子被质子化后，由胺基向苝二酰亚胺的光子电子转移反应被破坏，从而使得被淬灭的荧光重新发射出来。众所周知，二乙醇胺是很好的金属离子络合体。但是我们合成的化合物却不能检测金属离子，例如：Hg²⁺，pb²⁺，Zn²⁺，Na⁺等。我们估计是因为氮原子上苯环的存在降低了它对金属离子的络合能力。