分子识别是生命系统活动的基础,它们主要通过分子间或分子内非共价相互作用来实现。非共价相互作用不仅支配着生物分子的三维空间结构（如蛋白质和DNA）,而且在生物功能上更是起到了决定性作用。很多生物大分子,例如蛋白质,它们在热力学和动力学平衡下通常形成独特紧密的空间构象进而高效地执行特异性生物功能。这些高级结构带来的功能成为化学家们研究探索的重要目标。利用化学仿生的方法来模拟生命体系中的高级结构及其功能,进而深入认识生命体系中的结构与功能的关系已成为近些年化学研究的热门主题。螺旋结构是一类典型的仿生结构模型。近年来,对螺旋结构的仿生研究取得了非常大的进展,化学结构的多样性在螺旋结构的设计与制备中得到显著的发挥。这些丰富的螺旋结构在分子识别、跨膜传输、手性分离、传感、催化等领域展现出重要的应用前景。基于螺旋结构的发展现状,本论文将集中研究具有钾离子选择性的螺旋结构:（1）设计合成具有内部空腔的螺旋分子,实现钾离子的选择性识别与调控;（2）利用结构特征设计螺旋高分子通道,实现钾离子的选择性识别与跨膜传输功能。具体来讲,我们将利用吡啶衍生物、喹啉衍生物以及恶二唑为单体设计合成芳香螺旋结构,合成的螺旋胶囊对钾离子能够实现封装与释放;制备具有钾离子选择性跨膜传输能力的螺旋高分子通道。1.螺旋胶囊对钾离子实现封装与释放螺旋分子受体已经受到广泛的关注。我们的研究基础可以设计出具有钾离子结合能力的螺旋结构,利用螺旋结构的动态可调控性,通过控制螺旋结构的折叠与解折叠,能够实现螺旋胶囊对钾离子的封装与释放。对钾离子封装与释放的控制有助于我们发展智能仿生跨膜螺旋通道。基于这些设想,我们设计了以喹啉、1,3,4-恶二唑和吡啶衍生物为单体的螺旋分子胶囊,两端的喹啉作为封端基团,内部吡啶和恶二唑形成明显的空腔结构,同时引入的吡啶基团能够被质子化和去质子化进而通过pH调控整个螺旋结构。晶体结构展示了螺旋分子胶囊的空腔直径约为0.6 nm,紫外与核磁滴定推算出螺旋分子胶囊对K⁺的结合常数约为3000M^-1,各种表征技术,如CD、UV-vis和NMR等都表明pH能够有效调控螺旋分子胶囊的解折叠与再折叠过程,,并伴随着钾离子的释放与结合。2.螺旋高分子通道的构建晶体结构表明,吡啶基团和相邻两个恶二唑之间具有固定夹角,并沿着单一方向螺旋折叠。因此,我们可以基于这一结构特征来设计合成具有钾离子识别能力的螺旋高分子。我们研究组近期发现相关螺旋小分子能够实现钾离子的选择性传输。通过结构序列的选择合成螺旋高分子,构筑具有钾离子选择性跨膜传输功能的螺旋高分子通道成为此部分的重要工作。我们通过优化螺旋高分子合成条件,制备了刚性螺旋高分子通道。仿生跨膜研究发现这类新型螺旋高分子具有显著的钾离子识别能力和选择性传输能力。这是螺旋高分子仿生通道领域比较重要的研究进展。