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近年来，由于超分子化合物在材料科学、医药和化工等方面具有潜在的应用价值，设计和合成具有特定拓扑结构和性能的超分子化合物越来越引起人们的兴趣。用于离子交换、分子吸附包合的功能材料在现代科学技术中起着举足轻重的作用。本论文工作正是立足于这一具有广阔应用前景的领域而展开的。
笼状化合物和层状化合物由于其独特的结构特征，具有潜在的离子识别、离子交换、分子吸附包合等性质而备受关注。在具体的组装过程中，化合物的构筑受很多因素的影响。因此，我们有必要扩展构建模式、结构类型等方面的知识，建立有效的合成策略来得到具有预期结构和性质的化合物。这就要求我们系统地研究相关化合物的属性，从中找出规律性的结果，进而指导更深层次的工作。所以，我们设计并合成了配体1，3，5-三(1-咪唑基-亚甲基)-2，4，6-三甲基苯(L1)、1，3，5-三咪唑基苯(L2)、1，3-二咪唑基-5-(1-咪唑基-亚甲基)苯(L3)、1-溴-3，5-二(1-咪唑基-亚甲基)苯(L4)、1，3，5-三(2-苯并咪唑基-亚甲基)苯(L5)和N，N’，N”-三(3-吡啶基-亚甲基)-1，3，5-三甲酰胺苯(L6)[其中配体L1和L5本课题组曾报道过]。通过改变逐步配体的刚柔性、配位基团种类和连接位置，系统地研究了这一类配体与金属离子的组装反应，探索其组装规律。
通过配体与金属盐的自组装反应合成了一系列笼状、层状化合物及具有一维管状、一维类聚轮烷等特定拓扑结构的化合物，研究了部分化合物的离子交换、包合吸附性能。本论文分为三部分：(一)笼状化合物的组装、离子交换和包合性能研究；(二)二维层状化合物的构筑及离子交换能研究；(三)具有特定拓扑结构化合物的构筑。
一、笼状化合物的组装、离子交换和包合性能研究在分析和总结前人工作的基础上，我们利用柔性三齿配体L1和具有直线型配位构型的金属银(Ⅰ)、铜(Ⅰ)盐，成功地构建了一系列具有笼状结构的化合物。通过晶体结构分析表明这些笼状结构具有包合阴离子、中性小分子的性质。特别是在化合物[Ag3(L1)2][Ag(NO3)3]NO3·H2O中，笼状结构的空腔中包合了一个配阴离子[Ag(NO3)3]2-，该银离子为六配位三棱柱型配位构型。另外，通过红外光谱、元素分析等手段研究了笼状化合物[Ag3(L1)2](BF4)3的离子交换性质。值得一提的是，研究结果表明笼状化合物[Ag3(L1)2](N3)3·CH3OH·4H2O在笼状骨架结构保持不变的情况下能可逆吸附甲醇分子，这种稳定、廉价、易操作、可逆性好的功能材料具有一定的应用前景。
二、二维层状化合物的构筑及离子交换能研究通过选择、利用合适配位构型的金属离子成功地合成了一系列具有二维层状结构的新型化合物。刚性三齿配体L2和具有平面三角形配位构型的金属银(Ⅰ)盐反应，得到具有(6，3)拓扑结构的化合物；和具有八面体配位构型的铜(Ⅱ)、镍(Ⅱ)、锌(Ⅱ)盐反应，得到了具有(4，4)拓扑结构的化合物。而柔性三齿配体L1和具有八面体配位构型的锌(Ⅱ)、锰(Ⅱ)、镉(Ⅱ)盐反应得到了具有双层(6，3)拓扑结构的配合物。通过原子吸收光谱、X-射线粉末衍射、元素分析、核磁共振等手段研究证实层状配合物[Mn(L1)2(H2O)2](ClO4)2和[Mn(L1)2(H2O)2](NO3)2能进行可逆的离子交换。
三、具有特定拓扑结构化合物的构筑柔性三齿配体L1和Zn(OAc)2·2H2O反应得到了具有纳米孔径的一维管状结构配合物[Zn(L1)(OAc)](OH)·8.5H2O。类刚性三齿配体L3和具有平面三角形配位构型的[Ag(NH3)2]ClO4反应，得到了一个二维4.82二重平行贯穿的类聚索烃型配合物[Ag(L3)]ClO4。而含酰胺基团的配体L6和[Ag(NH3)2]N3反应得到了三维(63)(698)二重贯穿的类聚索烃型配合物[Ag(L6)N3]。
利用含卤素配体中的卤素…卤素及金属…卤素间弱相互作用成功地构建了结构新颖的化合物。柔性双齿配体L4和Zn(OAc)2·2H2O反应，得到了M2L2型大环配合物[Zn(L4)(OAc)2]·H2O，该大环分子进一步通过Br…Br弱相互作用连接在一起形成了一维类聚轮烷结构。柔性二齿配体L3和AgNO3反应，通过Ag…Br弱相互作用得到了一个具有三股螺旋链结构的配合物[Ag(L4)]NO3·H2O。
选用刚性三齿配体L2和PbNO3反应得到了稳定的具有二维4.82拓扑结构的化合物[Pb(L2)(DMF)(NO3)2]。DMF分子通过配位键附于化合物结构中的孔道壁上，通过加热除去DMF分子后，所得产物的基本骨架不变，这为进一步的吸附、催化等性质研究提供了有利条件。