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氢键在超分子识别、催化及电子质子传递过程中发挥着重要作用。金属-有机笼状化合物具有特殊的空腔结构,可以选择性包合具有特定尺寸和形状的底物分子。将氢键引入金属-有机笼状化合物将赋予金属-有机笼状化合物丰富的主-客体化学性质,使其在生物分子识别、选择性催化和光致质子还原等方面展现出丰富的用途。本论文通过设计配体,合成含有多种氢键作用位点的金属-有机笼状化合物。通过调控氢键存在模式,调节金属-有机笼状化合物的性质。结合氢键弱作用与金属-有机笼状化合物特殊的空腔结构,实现对特定小分子的识别及对特定反应的高选择性催化。(1)设计合成配体H6TBMN,引入Watson-Crick类型氢键位点、酰胺基团和ONO三齿螯合位点。配体H6TBMN与Ce离子配位自组装得到金属-有机笼状化合物Ce-TBMN。Ce-TBMN上含有12个未配位的Watson-Crick类型氢键作用位点和12个配位的酰胺基团,笼状化合物内部空腔体积为630A3,正交窗口面积为18.0×7.65A2。Ce-TBMN可以在4种RNA核苷分子中选择性识别鸟苷分子。设计合成配体H6TBAS,引入酰胺基团和ONO三齿螯合位点。配体H6TBAS与Ce离子配位自组装得到金属-有机笼状化合物Ce-TBAS。Ce-TBAS上含有12个未配位的酰胺基团和12个配位的酰胺基团,笼状化合物内部空腔体积为1000A3,正交窗口面积为21.0×8.05A2。Ce-TBAS可以在9种天然单糖和二糖分子中选择性识别蔗糖分子。(2)由于存在氢键受体和氢键给体弱作用位点,Ce-TBMN和Ce-TBAS可以作为微反应器选择性催化Knoevenagel缩合反应和氰基硅烷化反应。Ce-TBMN可以高选择性催化2-羟基-3-甲氧基苯甲醛的Knoevenagel缩合反应,3h内转化率大于95%；催化氰基硅烷化反应时,对2-硝基苯甲醛和3-硝基苯甲醛的催化效率较高,1h内转化率大于97%。Ce-TBAS催化Knoevenagel缩合反应时,对尺寸较大的底物分子的催化转化率大于Ce-TBMN;催化氰基硅烷化反应时,对尺寸较大的3-硝基苯甲醛和4-硝基苯甲醛的催化转化率大于尺寸较小的2-硝基苯甲醛。当向催化体系中加入非反应活性的物种时,体系的催化转化率明显降低。Ce-TBMN和Ce-TBAS的催化行为展现出典型的酶催化特点,催化反应发生在笼状化合物空腔内部。当分别用配体H6TBMN和H6TBAS作为催化剂催化Knoevenagel缩合反应时,其催化转化率明显小于相应的配合物的催化转化率。这是因为金属-有机笼状化合物刚性的骨架结构可以固定配体,避免氢键作用位点的自猝灭,提高均相反应中氢键催化效率(3)设计合成配体ZJ,与Co离子配位自组装,得到具有大窗口面积(9.25×9.25A2)和空腔体积(450A3)的三棱柱金属-有机笼状化合物Co-ZJ。Co-ZJ中Co离子配位构型与自然界中维生素B12中C0离子的配位构型相类似,可以催化质子还原产生氢气。当用Co-ZJ作为催化剂,Ru(bpy)3(PF6)2作为光敏剂,抗坏血酸作为电子牺牲剂,光照体系10h可以催化质子还原产生氢气0.09mL (TON=326vs. Co-ZJ)。Co-ZJ具有特殊的空腔体积,可以包合醌氢醌分子,加快体系电子和质子传递过程,提高催化效率。相同实验条件下,可以催化质子还原产生氢气0.92mL (TON=3471vs. Co-ZJ),体系催化效率提高11倍。