分子机器是超分子化学领域的研究热点,然而人们对这一领域的研究还处于初级阶段,这其中既存在着机遇又存在着挑战。轮烷型分子机器即分子梭是研究分子机器可控性质最简单,最理想的模型。分子梭(molecular shuttle)是轮烷的一种,在结构上也是由环状组分和哑铃型的链状组分构成,在哑铃型的链状组分两端具有大的封端基团可以防止环状组分从链状组分上脱落。分子梭的环状组分和哑铃型的链状组分之间存在某种弱的相互作用,即链状组分上包含两个或者多个识别位点。在一定的外界刺激下,分子梭的环状组分在哑铃型链状分子上的相对位置会发生变化,包括滑动或者旋转。轮烷型分子机器即分子梭研究的两个重要方向包括对链状组分识别位点的拓展和对新的大环分子的合成。根据上述研究思路,本论文的研究内容主要包括以下几个方面：第一章,概述了分子机器在超分子化学中的重要地位,举例说明了广受关注的准轮烷(pseudorotaxane)、轮烷(rotaxane)和索径(catenane)为基础的分子机器。介绍了驱动轮烷型分子机器即分子梭“正常运转”的驱动因素包括pH调控驱动、阴阳离子调控驱动、电化学调控驱动、构型调控驱动、光学调控驱动和溶剂变化驱动等。同时介绍了分子机器在小分子凝胶,超分子催化,农药毒性处理和药物载体以及模拟多肽合成等领域表现的应用潜力。第二章,我们以P=0,二苄胺,脲基为识别位点设计合成了三稳态轮烷型分子机器--分子梭。环状组分可以在三个识别位点间穿梭运动,通过酸碱调控和阴离子调控得到环状组分在不同识别位点的四个不同的状态,并通过一维核磁,二维核磁,晶体结构解析,理论计算等证明了环状组分的运动。据我们所知,P=O功能团是第一次引入到分子机器的研究中。第三章,在上一章工作的基础上,我们进一步以P=O,二苄胺,脲基为识别位点设计合成了一例新型三稳态轮烷型分子机器--分子梭。我们将脲基识别位点置于P=O和二苄胺识别位点的中间位置,在酸碱调控和阴离子调控作用下成功实现了环状组分在链状组分上的定向运动,同时直接利用阴离子调控也实现这一运动,并通过一维核磁,二维核磁等证明了环状组分的运动。第四章,我们设计合成了含二茂铁基团的大环分子,并将其用于分子梭的合成。该分子梭的链状组分含有二苄基胺和脲基两个识别位点,其中一个封端基团为具有荧光性质的蒽基团,我们通过酸碱调控以及阴离子调控可以实现环状组分在链状组分上的运动。在环状组分的运动过程中,会影响其与蒽基团的光电转移(PET)效应,得到了不同的荧光响应。综上所述,本论文合成了两例基于脲基、氧化膦和二苄胺的三态分子梭,并对其调控性质进行了深入研究,另外得到了含荧光基团的两态分子梭,进一步研究了调控作用对其荧光响应的影响,为后续研究工作的开展做出了有益的探索和铺垫。