目前大多数三重态光敏剂依赖重原子效应。无重原子三重态光敏剂成本低、毒性小、三重态寿命长,近年来日益受到广泛关注。然而无重原子三重态光敏剂的研究尚处于起步阶段,设计高效的无重原子三重态光敏剂依旧十分具有挑战性。本论文围绕无重原子三重态光敏剂的设计开发,研究了分子的构效关系,开展了无重原子三重态光敏剂在光动力治疗、上转换等领域的应用。具体研究内容如下:利用自由基诱导系间窜越(EISC),使用柔性链连接氮氧自由基和Bodipy发色团,设计合成了第一例真正意义上基于EISC的高效的(ΦT=80%)、长寿命的(τT=62μs)三重态光敏剂BDP-TEMPO-2。柔性链可使一个分子存在两种构象:伸展构象(r=13 A,电子自旋-自旋交换能JTR=170MHz)减弱了电子交换相互作用,使三重态寿命得以延长;折叠构象(r=8A,JTR=1.2×104 MHz)则具有较强的电子交换相互作用,使较高的三重态量子产率得以保持。该无重原子三重态光敏剂应用于三重态-三重态湮灭上转换,上转换量子产率为6.7%。利用类似的柔性链,设计了苝自由基三重态光敏剂(Pery-TEMPO),与文献报道的苝自由基三重态光敏剂相比(τT=0.1μs),大大延长了其三重态寿命(τT=90.2 μs)。使用具有红区吸收的二氨基取代的萘酰二亚胺作为发色团,设计了更适于生物应用的NDI-TEMPO光敏剂,由于其具有较强的三重态产生能力(ΦT=74%)及适宜的三重态寿命(τT=8.7μs),因而展现了优异的光动力效果(光毒性EC50=3.22μM)。利用自旋轨道耦合电子转移诱导系间窜越(SOCT-ISC),设计合成了不同取向和结构的BDP-AN和BDP-Pery化合物,从分子构型、自旋密度、溶剂极性等方面研究了分子的构效关系。BDP-AN-1应用于三重态-三重态湮灭上转换,实现了较高的上转换量子产率(15.8%)。BDP-Pery-2应用于体外光动力治疗,展现了良好的光动力治疗效果(光毒性EC50=76 nM)和良好的生物相容性(暗毒性EC50=85.1μM)。这类新型的无重原子三重态光敏剂拓宽了上转换及光动力治疗试剂的种类范围。通过直接激发BDP-Pery-2的电子转移吸收带(S0→1CT),减小了系间窜越过程的能量损失,提供了一种全新的增大上转换反斯托克斯位移的方法。