作为继冠醚、环糊精、杯芳烃之后的第四代主体分子的葫芦脲(cucurbit[n]uril, CB[n],n=5-8,10),以其独特的结构特征和广阔的应用前景,倍受国内外相关领域研究者的瞩目。以葫芦脲为主体的分子识别,在催化、材料科学、生物医药等领域进行了广泛而深入的研究,取得了巨大的进展。为了进一步揭示葫芦脲同紫精类化合物的分子识别及组装规律以及拓展葫芦脲在生物领域的应用,本文设计合成了一系列以紫精类衍生物为主的阳离子型客体染料,并研究了这些客体染料及其自由基同葫芦脲的的自组装模式和识别能力。在此基础上,系统讨论并分析了客体染料结构对分子组装行为的影响和机理。此外,通过CB[8]与一种近红外线粒体染料的自组装作用,染料光稳定性得到极大提高,为长时间荧光追踪观测奠定了基础,拓展了葫芦脲在生物成像方面的应用。论文的具体研究内容如下：1.对以葫芦脲为主体分子的自组装和相关应用的重要科研成果和最新进展进行了评述。2.设计合成了一系列具有不同碳链长度的紫精衍生物染料客体分子,通过核磁、质谱、光谱以及电化学等手段系统研究了三个客体分子与CB[8]的自组装模式和键合能力。研究结果表明,客体分子的结构对其同CB[8]的键合模式和自组装动态平衡有明显影响。三个客体分子的自由基与CB[8]的自组装研究发现,PMV+·(N-苯甲基-N’-乙基-4,4’-联吡啶)以自由基的二聚形式包结在CB[8]空腔中,而PEV+·(N-苯乙基-N’-乙基-4,4’-联吡啶)与CB[8]形成1：1及2：1共存的动态平衡,对于PPV+·(N-苯丙基-N’-乙基-4,4’-联吡啶)则仍然以稳定的CT结构与CB[8]形成1：1的自组装体。3.设计合成了一系列具有不同含氧官能团的紫精-苯基衍生物染料客体分子,通过核磁、质谱、光谱以及电化学等手段研究了这些客体分子与CB[8]的自组装模式和键合行为,并对其自由基与CB[8]的动态组装行为进行了研究。结果表明,三个客体分子通过空间效应和离子-偶极效应,以折叠的分子内CT形式与CB[8]形成1：1自组装体。紫精配体上含氧官能团的存在以及CB[8]的不同配比浓度对其自由基及二聚体在CB[8]作用下的氧化还原动态平衡有显著影响。通过分子模拟计算发现,只有ppV+·@CB[8]的相对键合能大于(PpV+·)2@CB[8],而其他三种染料自由基与CB[8]的1：1自组装体的键合能均小于其2：1自组装体。这是由于PPV染料紫精苯环配体上不含氧原子,C-C-C键角较C-O-C更小,更易折叠在CB[8]空腔中,另外避免了O原子与CB[8]端头羰基的斥力作用,因此PPV+·@CB[8]组装体更为稳定。4.设计合成了一种具有大斯托克斯位移的近红外发射的线粒体定位染料PQ,并通过CB[8]与染料PQ的1：1的自组装络合作用,使染料分子解聚,从而抑制染料聚集体的荧光淬灭作用,使荧光强度大幅增强。此外该络合物较染料单体的光稳定性有显著增强作用。在激光共聚焦显微成像实验中,染料PQ及其CB[8]络合物显示出良好的生物兼容性及低的生物毒性,并且能够在极长的辐照时间内保持良好的光稳定性及低的光毒性。