随着超分子化学的发展,基于超分子自组装的分子机器领域已经成为目前的研究热点。轮烷型分子梭作为分子机器的一种类型,由一个环状组分和一个哑铃形组分组成,哑铃形组分贯穿环状组分的内腔,并且其两端的阻挡基团可以防止环状组分的脱离。在外界特定刺激的作用下,环状组分可以在两个阻挡基团之间沿着哑铃形组分作往复的活塞式运动。轮烷型分子梭是研究分子间弱相互作用力及其可控转换的理想体系之一,它为研究组分之间的能量转移、电子转移等重要物理化学过程及其调控提供了新的模型体系。冠醚作为一类重要的主体化合物,它的出现是超分子化学领域的重要里程碑。目前基于冠醚及其衍生物的分子机器和高度复杂的分子自组装等领域得到了极大的发展。本论文的主要内容和研究成果包括以下几个方面：第一章概述了分子机器的研究进展。首先介绍了分子机器的定义、分子机器的三种主要的类型：索烃、类轮烷和轮烷并分别进行了举例；其次举例介绍了分子机器的几种主要的能量驱动方式：化学能、电化学能、光化学能等；再次举例介绍了分子机器运动状态的表征方法,包括紫外可见吸收光谱法、核磁共振波谱和荧光光谱法等；最后对分子机器在纳米级分子阀门、有机合成反应催化剂、有机凝胶、超分子聚合物以及农药毒性降解等领域的潜在应用也作了举例说明。第二章设计合成了基于二噻吩乙烯功能化冠醚的多态[2]轮烷型分子梭R1及哑铃形参比化合物D1。通过核磁共振波谱、紫外可见吸收光谱和荧光光谱等对轮烷R1的结构和光谱学性能进行了研究。实验表明：轮烷R1在酸碱驱动下能够实现冠醚在两个识别位点之间的穿梭运动。此外,体系中光致变色基团和荧光团之间的各种相互作用可以通过外界的化学和光化学刺激进行调节。第三章设计合成了带有双二茂铁基团的冠醚C2,并将其作为环状组分合成了一个双稳态[2]轮烷型分子梭R2和相应的哑铃型化合物D2。通过核磁共振波谱、紫外可见吸收光谱和荧光光谱等对轮烷R2的结构和光谱学性能进行了研究。实验表明：R2中冠醚在两个识别位点之间的穿梭运动及二茂铁基团和荧光团之间的电子转移过程不仅可以通过酸碱刺激调控,还可以通过加入或除去氟离子来调控。此外,体系中冠醚运动前后产生的荧光对比度很高,可以达到肉眼识别。第四章设计合成了以双荧光团作为阻挡基团的轮烷型分子梭R3。通过核磁共振波谱、紫外可见吸收光谱和荧光光谱等对轮烷R3的结构和光谱学性能进行了研究。实验表明：通过引入二茂铁基团,轮烷R3中两种荧光团,即蒽和4-吗啡啉基萘酰亚胺的荧光强度可以通过二茂铁基团和两个荧光团之间可调节的、受距离控制的电子转移过程进行交替式控制。第五章设计合成了以锌卟啉为核心,以轮烷为臂的新型星状[5]轮烷R4。通过核磁共振波谱实验对其结构及冠醚的运动进行了详细的研究。实验表明：锌卟啉核心的引入使得[5]轮烷具有了固定的形状和对称的结构,在外界酸碱刺激下,体系中四个冠醚环能够实现同步运动。这种轮烷拓扑结构对于构建高度对称且更加复杂的多轮烷组装体具有重要意义。第六章设计合成了末端带有胆固醇基团和长烷基链的[2]轮烷体系R5和R6。通过核磁共振波谱对它们的结构进行了表征。目前,相关工作正在进行中。第七章结论。