有机电致变色材料在显示、信息储存、传感器、光通讯等领域具有巨大的潜在应用价值，是最近几年研究的热点，但是一直无法突破机理单一、材料可选择性少、光学性质不佳、响应速度慢、器件性能不稳定等瓶颈。酸碱变色材料具有光学性质优良、种类多样、价格低廉等其它材料不可取代的优越性质，但是受限于刺激方式本身，一直无法广泛地应用于光电材料中。故这两类材料的优缺点存在很强的互补性。开发替代化学酸/碱的刺激手段，是实现酸碱响应变色材料应用于光电材料中的重要方法之一。电作为一种最便捷、可控的刺激方式，是取代化学酸/碱的最佳选择之一。在我们的研究中，首次提出了“电致酸/碱”(“electro-acid/base”)理论，并成功地实现了用电取代化学酸/碱刺激，把酸碱响应材料应用于电致变色器件中。电致酸和电致碱理论是基于光合作用和呼吸作用中能量转换的质子耦合电子转移机理，利用分子在不同氧化还原状态下电荷密度的不同，实现质子在分子间的可逆转移，从而达到在封闭体系（溶液，薄膜或者固体）中可逆地施加酸或者碱的目的。基于电致酸和电致碱理论，我们设计和开发出一系列价格低廉、性质优异、实用性强的电致变色材料，并首次开发出具有双稳态性质的节能电致变色显示材料。在本论文中，我们设计并合成了一系列的甲基酮桥连的开关分子，利用循环伏安法，原位的紫外可见吸收光谱，红外光谱以及密度泛函理论等方法，系统地研究了甲基酮桥连分子的单电子耦合的质子转移和多电子耦合的质子转移机理，并提出了电致酸和电致碱理论。基于电致碱理论，我们利用荧光素作为酸碱响应变色指示剂，证明了苯醌等醌类衍生物可以作为电致碱，这类电致碱不仅具有传统化学碱的性质和功能，而且可以实现非入侵式调控封闭体系中材料的性能。同时，我们合成了一系列含有不同取代基的醌类衍生物，详细探讨了电化学测试醌类化合物阴离子自由基共轭酸和双阴离子共轭酸的pKa的理论基础，分析了醌类电致碱强度的影响因素。通过对比已知化合物的pKa，醌类电致碱的强度可以达到叔丁醇钾等强碱的强度，醌类电致碱共轭酸的pKa变化范围为7.0(相当于二氯乙酸的酸性pKa=6.4)~30.0(相当于叔丁醇的酸性pKa=32.2)。通过电化学测试结果与理论计算值的对比，我们认为PBEPBE/6-311++g(2df,p)//PBEPBE/6-31g(d)方法可以很好地预测醌类阴离子自由基和醌类双阴离子的pKa。基于电致酸理论，我们利用新型噁唑啉分子FXF作为酸碱响应变色指示剂，证实了对苯二酚等酚类化合物可以作为电致酸，并推测出对苯二酚与FXF分子体系的双电子耦合的质子转移机理。我们设计和开发了一种计算电子转移诱导质子转移效率的方法。分析了水含量，FXF分子与对苯二酚比例等因素对电子转移诱导质子转移效率的影响，推测出水分子可以增加质子转移的距离。随后，我们系统地探讨了甲基酮桥连分子作为电致碱，苯醌作为电致碱，以及氨基脲作为电致酸应用于单色电致变色器件的可行性。验证了电致酸/碱应用于电致变色材料中具有材料廉价，材料种类丰富和材料的光学性质可选择性强等优点。并首次成功地开发了双稳态的电致变色显示器。这类双稳态电致变色材料具有快速的开关时间30ms，优良的可逆性（10000次），出色的着色效率150cm2/C，以及非常高的荧光对比度254。更重要的是，这种无色的双稳态显示器被电刺激之后，可以在不消耗能量的前提下，持续地显示信息。相对于传统的LED和LCD显示器，这类新型的电致变色显示器可以节约99.9%的能量。最后，我们系统地探讨了甲基酮桥连分子电致碱，以及苯醌电致碱和氨基脲电致酸应用于多色电致变色器件的可行性。我们利用甲基酮桥连分子的电致变色，溶剂致变色以及碱致变色性质，在多层正交电极器件的技术基础上，成功地开发出单分子单器件的多色电致变色器件（无色，红，绿，蓝）。本课题成功地把pH响应变色材料的溶剂致变色性质应用于多色的电致变色器件中，并为其它的pH响应材料提供了一个全新的应用领域。总之，我们首次提出了电致酸/碱理论，并利用该理论成功地把酸碱响应材料应用于电致变色材料中。电致酸/碱不仅具有传统化学酸/碱的性质和功能，而且可以实现非入侵式调控封闭体系中材料的性能。该理论在扩展了传统pH响应的功能材料的应用范围的同时,也为我们设计和合成新型功能材料提供了一个全新的思路。