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准轮烷作为最简单的机械互锁分子,是构筑复杂分子机器以及功能超分子体系的重要前体和基础,因而受到人们广泛地关注和研究。由于其自身的结构特点,即在轴分子上没有可以阻挡大环分子脱落的封端基团,使得这类组装体具有丰富的动态化学行为。对其动态组装行为的研究可以为构筑具有特定结构和功能的准轮烷体系奠定基础,同时也可以促进其在超分子功能材料方面的应用。基于此,本论文的研究内容包括以下几个方面:第一章,概述了准轮烷在超分子化学发展中的重要作用,举例介绍了基于几类常见大环主体构筑的准轮烷体系。并且介绍了准轮烷在外界刺激响应下的动态化学行为,即对温度,溶剂和外加条件的刺激响应行为。最后简要概述了利用准轮烷构筑的超分子功能体系的研究进展,包括超分子聚合物,纳米阀门以及纳米载药体系。第二章,我们通过点击反应成功合成了单生物素(Biotin)基元修饰的柱[5]芳烃衍生物,该柱[5]芳烃衍生物可以在弱极性或者非极性溶剂中组装成[1]准轮烷结构。当向体系中加入强极性溶剂或者竞争性客体时,原本形成的[1]准轮烷结构会被缓慢破坏,该过程在核磁时间尺度上表现出慢交换的过程。除此之外,若将该[1]准轮烷中的环部分即柱芳烃基元进行季铵化得到水溶性柱[5]芳烃,那么这种自包结的性质仍然存在,因此,该动态[1]准轮烷结构可以作为一个潜在的Biotin开关,应用于药物转运体系中。第三章,在之前的工作基础上,我们进一步合成了三个侧链的末端为烷基链的单官能化柱[5]芳烃衍生物3-1,3-2和3-3,这三个化合物的区别在于连接柱芳烃和烷基链的乙二醇单元的数量不同,这三个化合物在DMSO中表现出不同的组装模式。化合物3-1和3-2由于具有较短的乙二醇链,在DMSO中可以形成稳定的[1]准轮烷结构,而化合物3-3由于柔性链较长,在溶液中可以形成其它浓度依赖型的准轮烷结构。有趣的是,所得到的[1]准轮烷在DMSO中表现出对Na+离子(NaBF4)的刺激响应特性,在加入Na+之后,会进一步组装形成更加稳定的准轮烷结构。第四章,我们利用全甲氧基柱[5]芳烃(DMP5)和吡啶衍生物4-1之间的主客体作用,在氯仿中组装形成[2]准轮烷,所得到的[2]准轮烷可以进一步与金属(Pd(OAc)2)配位形成一维的线型聚轮烷结构。由于分子间氢键的存在,所得到的一维聚轮烷结构可以发生进一步缠绕,进而在高浓度的溶液中可以形成超分子凝胶。此外,所得到的凝胶表现出多重刺激响应性,在温度和溶液浓度的影响下,凝胶和溶液之间可以发生可逆转变,而加入竞争性配体三苯基膦(PPh3)之后,凝胶则得到不可逆的变化。第五章,利用水溶性柱[5]芳烃和含有二硫键的赖氨酸衍生物5-1之间的主客体作用,构筑了超分子两亲体,该组装体在水溶液中可以进一步组装成空心的囊泡结构。由于水溶性柱[5]芳烃和二硫键的存在,使得该体系具有对pH和谷胱甘肽(GSH)的双重刺激响应性。同时,所得到的囊泡可以有效地将亲水性抗癌药物米托蒽醌(MTZ)包载入它的空腔内,并且在肿瘤细胞低pH及高GSH浓度的微环境下,可以实现对所包载药物的快速释放,达到抑制肿瘤细胞的潜在效果。第六章,我们合成了两种末端分别含有喜树碱(CPT)和苯丁酸氮芥基团修饰的并且分子中含有二硫键的前药客体分子,用来和带有Biotin基团的水溶性柱[5]芳烃H进行主客体组装来构筑超分子纳米粒子。其中含有喜树碱的前药分子6-1由于自身有着很强的自聚集作用,在溶液中可自组装形成片层结构,加入H后会进一步聚集形成薄膜状结构;而末端含有苯丁酸氮芥的前药分子6-2,则可以和H组装形成胶束结构,并可以进一步实现了对CPT分子的成功包载以及在谷胱甘肽刺激响应下的可控释放。综上所述,我们以柱[5]芳烃作为大环主体分子,构筑了一系列准轮烷体系,并进一步研究了它们的动态组装行为。此外,利用得到的准轮烷结构我们进一步构筑了一系列超分子功能体系,如超分子聚轮烷及纳米载药体系,拓展了超分子化学在功能材料领域的潜在应用。