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超分子化学是研究以非共价键弱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。在超分子化学研究中，大环化合物由于具有预组织的刚性构象占据着重要的地位。近些年来，在基于碳桥连杯芳烃大环主体的超分子化学研究的基础上，杂原子桥连杯芳烃的研究受到了人们广泛的关注。本论文工作集中在系统研究含有三嗪的氮、氧原子桥连杯(杂)芳烃的合成、结构及其识别性能。
通过“3+1”片断偶联法或在桥连氮原子上直接进行芳基化反应，高效便捷地构筑了一系列桥连氮原子上含有各种取代基团的四氮杂杯[2]芳烃[2]三嗪，最好产率可达91％，并考察了各种因素对合成上述杂杯芳烃的影响。利用1H和13CNMR，MS，IR，Uv-vis，荧光等光谱手段以及元素分析对该类大环分子进行了表征。X-ray单晶衍射分析结果表明该系列四氮杂杯[2]芳烃[2]三嗪在固相中采取1,3-交替构象，四个桥连氮原子几乎处于同一平面，它们更倾向与三嗪环共轭，桥连氮原子上各种取代基团通过空间位阻、电子效应及共轭性能等因素的共同作用精细调控着该类杂杯芳烃的空腔大小，苯环上沿之间的距离可由7.4(A)减小到3.5(A)，而苯环平面与桥连原子平面之间的夹角亦可相应地由55°增大到90°以上。
在苯环和三嗪环上引入较大的取代基，通过“3+1”片断偶联法合成四氧杂杯[2]芳烃[2]三嗪，控制其受限翻转得到了部分锥式构象异构体产物，其构象的固定是由该分子中苯环和三嗪环上两部分刚性结构的共同作用导致的，芳(杂)环上取代基团的增大有利于部分锥式构象产物的形成。在碱性条件下，动力学优先的部分锥式构象异构体产物可以通过醚键的打开与闭合释放环张力，定量地转化为热力学稳定的1,3-交替构象异构体产物。
利用保护—脱保护策略，通过“3+1”片断偶联法有效地构筑了一系列苯环上下沿羟基修饰的四氧杂杯[2]芳烃[2]三嗪。苯环上下沿引入羟基后，大环骨架结构并没有发生根本性的改变，仍然采取1,3-交替构象，但由于羟基的引入作为氢键给体提供了额外的作用位点，该类主体分子能通过分子间氢键、π-π堆积作用、C-H…π作用以及空腔匹配效应与不同的含氮类二齿氢键受体如邻菲咯啉、联二吡啶等形成新颖独特的三明治状、长形或菱形笼状结构，在此过程中，大环主体分子可以微调其自身的构象以达到与不同客体分子之间的最佳作用。
以间苯三酚代替间苯二酚，采用片断偶联法合成了双环氧杂杯[2]芳烃[2]三嗪，产率可达53％。该分子采取D3h对称性，双环均处于1,3-交替构象，其结构在三维空间方向上高度对称，形成类似螺旋桨或三角轮的笼状空腔。利用其三个对称方向上的氯反应位点，在三嗪环上进行芳基化修饰，一步反应高效地构筑了具有扩展空腔的笼状分子；而在三嗪环上引入合适的连有末端烯烃的仲胺片断，再利用烯烃的金属复分解反应，则可以高效构筑具有独特闭合空腔的笼状分子。
通过“2+2”片断偶联法合成了氯代的氮杂杯[n]三嗪(n=4，8)，该路线成环反应效率低下。改变策略，在三嗪环上预先引入一个取代基团，优选合成路线，采取“3+2”片断偶联法高效简便地构筑了热力学稳定的氮杂杯[5]三嗪，产率高达75％，该路线亦可用于高效构筑氮杂杯[3]三嗪[2]吡啶。在固相中四氯代的氮杂杯[4]三嗪采取高度扭曲的1,3-交替构象，形成类似“马鞍”形状的结构，氮杂杯[5]三嗪以及氮杂杯[3]三嗪[2]吡啶均采取类似“蝴蝶”形状的结构，形成扁平的空腔。
本博士论文的研究工作表明，含有三嗪的氮、氧原子桥连杯(杂)芳烃大环化合物是一类合成简便、易于修饰、结构多样并具有独特可调控的空腔和有趣分子识别性能的新型大环主体，相信随着研究的进一步深入，其在超分子化学中的应用会越来越广泛。