分子开关作为具有刺激响应的功能分子，在材料、化学以及生物医学等领域都有着巨大的应用前景，因此一直是科学家们研究的热点。其中有机变色分子开关，以螺环吡喃类分子为代表，由于其开/关环前后分子构型、体积、偶极变化较大，尤其是它的电子吸收光谱会发生较大移动而伴随着明显的颜色变化，这使得它们在诸多领域有着应用前景。然而，传统螺环吡喃类分子开关由于自身结构特点，使其存在着响应慢、易光降解、抗疲劳性差等问题。近些年，一些具有更优良性能的新型分子开关（如噁嗪、噁唑啉等），逐渐成为科研工作者更加青睐的研究对象。此外，目前已开发的调控这些分子开/关环的手段还非常有限，主要集中在紫外光/热或酸/碱，而这些刺激方式或会给使用者造成安全威胁（紫外光对人会有伤害），或会对环境造成污染，这也进一步限制了它们的应用。因此，基于性质更优良的新型分子开关，开发更多绿色、环保的刺激方式来调控分子开/关环，进而拓展分子开关在环境监测及绿色显示方面的应用，具有十分重要的理论和现实意义。在第二章中，我们详细研究了吲哚并[2,1-b]噁唑啉分子在CO2调控下的可逆开/关环行为及机理，并将其应用于CO2捕获及可视化检测。首先，我们考察了不同取代基对吲哚并[2,1-b]噁唑啉分子在CO2刺激下的开环速度及颜色变化的影响。随后，利用紫外-可见吸收光谱、质谱、原位一维和二维核磁共振技术，尤其是碳扩散核磁技术，详细研究并确定了CO2调控吲哚并[1,2-b]噁唑啉分子开/关环的机理。基于其开环构型与CO2间共价键动态形成与断开的原理，我们展示了吲哚并[1,2-b]噁唑啉分子在低（或零）耗能CO2可逆捕获与释放方面的应用。这种动态共价捕获CO2的方法，为更多低能耗可逆捕获与释放CO2方法的开发提供了新思路。基于分子开关独特的颜色变化，我们进一步展示了吲哚并[2,1-b]噁唑啉分子在可视化CO2含量检测方面的应用。这种可视化方法不需要任何额外的仪器设备，用肉眼观察即可，特别适用于没有或不方便安装仪器设备或电源输出的偏远地区或密闭场所。在第三章中，我们详细研究了吲哚并[2,1-b]噁唑啉分子开关在水刺激下的可逆开/关环性质（称为水致变色）及机理。首先，通过紫外-可见吸收光谱及核磁共振谱，证明了水可以类似于光/热或酸/碱刺激，实现可逆可控地调节吲哚并[2,1-b]噁唑啉分子开环与关环构型的比例。随后，考察了分子浓度、不同水含量及所用溶剂对吲哚并[2,1-b]噁唑啉分子水致变色性质的影响。最后，我们分别从溶剂化理论和热力学平衡理论，对吲哚并[2,1-b]噁唑啉分子水致开环的机理进行了解释。吲哚并[2,1-b]噁唑啉分子的水致变色性质对溶剂性质的依赖性，使得它有可能成为一类新的用以定义溶剂极性大小的溶剂致变色染料。此外，对吲哚并[2,1-b]噁唑啉分子开关水致变色现象及机理的详细研究，也为其进一步的应用开发奠定了坚实的理论基础。在第四章中，基于第三章的水致变色性质，通过筛选出的合适的吲哚并[1,2-b]噁唑啉分子开关作为水致变色染料，我们开发了其在可重复书写材料及无墨打印方面的应用。通过巧妙地利用聚乙二醇（PEG）的多重功能，我们解决了将水致变色染料负载到固体基质上存在的一系列问题，成功制备得到遇水显色的可重复擦写纸（或水写纸），结合现有的喷墨打印技术，在国际上首次提出并展示了喷水无墨打印技术（以水代墨的打印）。通过对染料分子浓度、所用溶剂、PEG的用量及分子量、以及保湿添加剂等条件的考察和优化，目前我们制备的水写纸，通过喷水打印的字迹可以保持22小时，每张水写纸可重复使用50次以上。基于不同的水致变色染料负载的水写纸，可以得到不同颜色的喷水打印显示。通过细胞毒性实验和动物急毒实验，初步证明这些染料基本无毒性。通过粗略保守的估算，喷水无墨打印的成本仅约为喷墨打印成本的百分之一。虽然目前我们的喷水打印字迹保留时间还不能满足人们长时阅读的需要，但是这种喷水打印技术为人类所倡导的“绿色生活、绿色打印”提供了一个很好的方向，同时也会激发人们开发更多、更好的可重复书写材料，以促进人类的可持续发展。总之，本论文分别基于动态共价作用和非共价作用，开发了两种新型的调控吲哚并[1,2-b]噁唑啉分子开/关环的刺激方式——二氧化碳和水，并基于这两种新型刺激方式的独特性，拓展了分子开关在环境监测及资源循环利用方面的应用。