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2016年的诺贝尔化学奖授予了分子机器领域作出杰出贡献的Sauvage、Stoddart、Feringa三位科学家。过去几十年里，基于主客体作用的分子机器领域一直是化学领域的研究热点之一。分子机器按其形状可以分为:类轮烷、轮烷和索烃。分子机器是由主体分子和客体分子之间通过非共价键的作用力结合在一起的，并可以对外界的刺激有特定的响应的分子体系。本论文的主要工作是基于超分子自组装及轮烷功能性材料的研究，研究了具有特殊功能性的类轮烷和轮烷体系以及将索烃和类轮烷的概念运用在金属有机配位聚合物材料的合成中。 本论文的主要内容包括以下几个方面: 第一章主要介绍了分子机器的研究概况，对分子机器的定义作了介绍，举例对类轮烷、轮烷和索烃作了详细介绍;举例从化学能、电化学能、光化学能等介绍了分子机器的驱动方式;举例讲述了核磁共振波谱法、紫外/可见吸收光谱法、荧光光谱法等表征分子机器位置状态的方法;对分子机器在分子开关、分子逻辑门、货物分子传输、DNA分子机器、有机小分子催化剂、超分子聚合物和凝胶以及有机金属框架化合物方面的应用也做了介绍。 第二章设计合成了一个多功能多响应可控[2]类轮烷P1，先合成了具有二苄铵和紫精双识别位点的客体分子G1和具有二苯并-34-冠10-醚和二苯并-24-冠8-醚双孔的主体分子H1，然后利用G1和H1自组装生成[2]类轮烷P1。P1可以在溶剂驱动下，模拟极性插座的插入-拔出的动作;P1在酸碱驱动下，可以实现模拟挂锁的开锁和关锁功能。 第三章利用滑入法将CB[7]滑入至含苄基紫精基团的哑铃型化合物3中合成了[2]轮烷R3，R3的结构可以稳定紫精阳离子自由基。通过加入保险粉还原紫精至自由基态，发现R3中紫精阳离子自由基的稳定性远远大于3中;在R3和3中均加入过量的保险粉后，R3中的紫精可以进行可逆的化学氧化还原循环而3中的却不可逆;连续的CV氧化还原循环实验研究发现，随着循环次数的增加3的氧化还原峰渐渐消失，而R3中的氧化还原峰在数百次的循环后依旧表现很好的可逆性。 第四章合成了一个直角型的双齿配体D3，利用气相扩散的方法可以将D3和ZnCl2配位自装成一维链状聚合物L1。利用水热法和气相扩散法结合，可以将D3和Zn(NO3)2·6H2O、Cd(NO3)2·4H2O配位自组装成空间构型一致的互锁的聚索烃L2、L3。在L2和L3中，每四个配体分子D3与四个金属离子形成一个近似的呈椅式构象的空间六边形，相邻的两个六边形交错排列延伸成空间聚六边形链。一条链中的每个六边形均与其相邻的两条链中的两个六边形穿插互锁，从而使得整条六边形链与相邻的两条链穿插互锁，进而形平面聚索烃的空间结构。 第五章合成了基于葫芦脲[7]包结的[2]类轮烷E5，通过扩散法培养出[2]类轮烷E5与Co(Ⅱ)盐配位的单晶J1，但是遗憾的是并未能解出其结构。研究发现，晶体J1具有水蒸气传感的功能，在吸水条件下为橙红色、脱水条件下为蓝色。通过SEM分析发现其微观呈现规则的正方体型，TG分析显示该材料具有良好的热稳定性。 第六章结论