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本论文研究了吡唑啉酮，菲尼酮，金刚烷和嘌呤等重要药物优势骨架的近远程C-H键活化反应。利用这些反应能够快速的对药物分子进行后期修饰或者进行简洁高效的合成，由此构建了特定取代或衍生的多样性类药化合物库，对活性化合物筛选及药物研发具有重要意义。 首先，我们以吡唑啉酮作为底物，在三价铑/碱催化体系下与端炔反应，通过C-H键活化串联N-N键断裂合成了带有长链的多取代吲哚。值得注意的是炔烃部分只能使用二芳基乙炔作为试剂，烷基类的乙炔无法进行吲哚转化。这个方法能够快速的实现杂环骨架之间的转变，同时满足合成中的原子、步骤和氧化还原三种经济性原则。随后我们选取了一些代表性的多取代吲哚产物进行了鳞状细胞癌KB细胞株和耐长春新碱类KB/VCR细胞株细胞毒活性测试。发现化合物3-18b表现出了较强的选择性抑制KB/VCR细胞株的活性（IC50=2.59μM），与阳性对照丹参酮-1的抑制活性相当。此外，我们以另一类含有N-N键的菲尼酮为底物，在类似的催化体系下合成了连接有丙酰胺片段的吲哚。利用这个方法我们可以一步合成抗肿瘤PARP-1抑制剂的关键中间体，以37％的总收率四步实现了这类抑制剂的便捷合成。相比文献中报道的总收率小于20％的七步合成方法具有明显的合成优势。 其次，我们建立了金刚烷亚甲基立体选择性C-H官能团化方法。通过在金刚烷上引入吡啶甲酰胺类双齿导向基，使用PdCl2(MeCN)2作为催化剂，以Ag2CO3作为氧化剂，采用Boc-L-Ileu-OH为配体建立了金刚烷亚甲基立体选择性双芳基化反应，其中高立体选择性源于底物自身手性中心诱导。合成了抗病毒药物金刚烷乙胺的多样性芳基化衍生物。另外，我们也证明了目前引入双齿导向基的策略还可以实现亚甲基位置的甲氧基化、乙酰胺基化和氟化等多种修饰。这部分工作不仅对于认识Csp3-H的手性合成具有重要意义，而且有利于挖掘金刚烷衍生物潜在的抗病毒，抗阿尔兹海默，抗糖尿病和抗肿瘤等多种生物活性。 最后，我们首次建立了过渡金属催化氮杂环导向的苯环间位直接C-H键硝基化反应，以十二羰基合钌作为催化剂，三水合硝酸铜作为硝化试剂，能够单一的生成间位硝基化产物。通过机理研究证实零价钌在催化过程中形成了18电子的八面体钌复合物可以作为活性中间体，继而选择性的在间位进行亲电取代实现间位硝基化。这个方法可以用来进行靶向治疗基底细胞癌药物维莫德吉和抗阿尔兹海默病CDK/CK1双靶抑制剂(R)-DRF053的四步快速合成，总收率达到40％以上。考虑到第一代间位硝化条件对一些敏感基团比如肟醚和嘌呤等耐受性较差，底物适用范围有限。我们以肟醚和嘌呤作为导向基，在零价钌的催化下，以较低当量的硝酸银作为硝基源，用双三氟乙酸碘苯和氧气作为共氧化剂发展了改进的硝化条件，这个非酸性的间位硝化条件适用范围广泛，官能团耐受性也极好。机理研究和HOMO分子轨道计算证明这个过程包含一个全新的八面体单体中间体有利于间位亲电取代。这里使用的肟醚导向基可以方便的移除转变为苯酮和苯乙胺，我们也第一次实现了嘌呤碱基和核苷的间位硝基化反应。利用这一目前发展的改进的间位硝基化条件，可以进行抗抑郁药物地西泮和氟伏沙明的后期快速修饰，也能简洁的合成抗肿瘤p-38激酶抑制剂。