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超分子化学是研究以非共价键相互作用力键合起来的有序、并具有特定功能的分子集合体的化学。杂原子桥连的杯（杂）芳烃是一类结构新颖、分子识别性能丰富的大环主体分子，特别是氮杂杯吡啶化合物对过渡金属离子具有优良的识别能力。本博士论文以氮杂杯[4]吡啶化学为分子平台，设计和合成含套索型的氮杂杯[4]吡啶化合物和分子内吡啶基桥连的氮杂杯[6]吡啶化合物，以期获得单核金属酶如腈水合酶活性中心及双金属酶活性中心的结构模拟。 通过桥连氮原子上高效的衍生化反应，有效地合成了一系列侧臂上含有吡啶、酰胺、噻吩基团的套索型氮杂杯[4]吡啶衍生物。紫外可见吸收光谱、核磁共振光谱等研究结果表明，套索型大环主体能选择性地和过渡金属离子Fe2+、Co2+、Zn2+和Cu2+形成相应的1∶1的主-客体络合物，结合常数logK达到了5.28至10.60。X-射线单晶衍射的结果表明，在所形成的套索型氮杂杯[4]吡啶—金属离子络合物中，套索侧臂位于大环骨架空腔上方，通过轴向方向和中心金属离子发生相互作用，生成腈水合酶活性中心的模拟结构。 通过含邻溴代吡啶单元的星状五聚体与芳香二胺之间的交叉偶联反应，成功地制备了一类结构新颖的内部1，3-芳基桥连的氮杂杯[6]杂芳烃化合物。X-射线单晶衍射表明该类化合物在固相中均采取了并排的1，3-交替构象，其中内部1，3-吡啶桥连的氮杂杯[6]吡啶化合物与Co2+、Ni2+和Cd2+等金属离子作用时，生成不同结合模式的络合物。紫外可见吸收光谱以及核磁滴定结果表明，大环分子可以利用自身的两个配位空腔或是与中心桥连吡啶环相对的边缘的两个吡啶环，通过四种不同的模式结合1到2个客体金属离子。内部1，3-芳烃桥连的氮杂杯[6]吡啶丰富的金属离子结合模式，为实现此类双金属酶活性中心结构模拟提供了基础。 以1，10-邻菲罗啉为结构单元，合成了氮杂杯[3]吡啶[1]-1，10-邻菲罗啉化合物。单晶X-射线分析指出，该大环化合物采纳扭曲的1，3-交替构象，而1，10-邻菲罗啉的引入，扩展了大环的空腔。 本博士论文的研究工作表明，从氮杂杯芳烃为基础发展出来的套索型氮杂杯吡啶、具有双空腔的内部1，3-芳基桥连的氮杂杯[6]杂芳烃等表现出非常好的预组织效应以及对过渡金属离子更加丰富的和选择性的结合能力，为构建单核金属酶和双核金属酶的活性中心模拟提供了独特的大环分子平台。所形成的大环主体分子—金属离子复合物结构为我们进一步认清杂杯芳烃的分子识别性能，拓展其应用提供了丰富的信息和良好的借鉴。