本文旨在对分子镊子进行构筑设计和理论研究。从量子化学的角度描述了基于间隔基团（S）连接的两识别位点（IS）对底物的识别机理以及此类分子镊子的物理性能,主要内容研究如下:第一,采用密度泛函理论（DFT）研究了一种基于卟啉-偶氮苯-冠醚三联体受体的新型分子镊子L₁。为了研究卟啉金属化的影响,在镊子L₁中引入二价锌离子并形成配合物L₁/Zn²⁺（即L₂）,同时讨论了镊子L₂与底物氰化钠之间,即化合物L₂·Na CN的非共价相互作用。在PBE0/6-311G（d,p）/SDD理论水平下计算了全优化的几何结构,通过自然价键轨道（NBO）分析了L₂和L₂·Na CN的分子轨道相互作用,采用CAM-B3LYP泛函计算了体系的吸收光谱。DFT计算结果表明,化合物L₂与氰化钠结合后,其几何结构发生了很大变化,形成“三明治”构型。其次,¹H和¹³C NMR谱表明镊子受体以双位点方式形成化合物L₂·Na CN,因为冠醚/锌卟啉配合物（L₂）识别氰化钠,质子信号明显地向高场移动。这证明新型的锌卟啉-偶氮-冠醚三联体L₂是识别氰化钠盐合适的双位点受体,冠醚基团识别金属钠离子,同时锌卟啉部分识别了氰根离子。第二,从理论上研究了通过间隔单元偶氮连接的锌（Ⅱ）席夫碱单元和苯并-15-冠-5单元所形成的分子镊子（L₃）和具有碱金属阳离子的分子镊子L₄,同时,讨论了分子镊子L对疏水性色氨酸的双位识别机理。用ωB97XD泛函和def2-SVP基组进行了几何优化,基于含时密度泛函理论（TD-DFT）和ωB97XD/def2-TZVP方法计算了吸收光谱和激发态。吸收光谱数据显示,由于Na⁺或色氨酸的存在,吸收带发生了一些明显的变化。此外,通过独立梯度模型（IGM）和分子中原子（AIM）理论的拓扑性质,详细分析了受体L和色氨酸之间的片段间相互作用,证明了在1:1夹心配合物中存在金属-配体键、分子间氢键以及范德华力。综上表明配合物L₄是识别两亲分子色氨酸的双位点受体。第三,设计了两种具有变构开关的新型双席夫碱（Zn-Salphen）镊子,分别是基于三联吡啶配体的镊子1和4’-溴苯基-三联吡啶配体的镊子2。采用B3LYP-D3泛函和def2-SVP基组进行密度泛函理论模拟计算。自由镊子1和2可以在过渡金属Ru（Ⅲ）配位下从“W”打开形式转换为“U”关闭形式,开关性能通过¹H NMR和吸收光谱进行表征。¹H NMR光谱表明,“U”形镊子与Ru Cl₃配位后,三联吡啶质子具有明显的高场位移。并且,在吸收光谱中观察到明显的红移和降低的振子强度。另外,在“U”形构象引入芳族分子吡嗪会重新打开镊子,自组装形成宿主-客体系统。通过几何优化和吸收光谱研究了两个结合位点Zn-Salphen单元对吡嗪的识别能力,表明分子镊子1和2在分子尺度上具有机械开关的物理特性,而且“U”形镊子可以识别客体吡嗪。