瓜环（cucurbit[n]uril）是超分子化学中继冠醚、环糊精、杯芳烃之后备受瞩目的一类新型笼状大环主体分子化合物。由于其特有的结构特性和广阔的应用前景,瓜环受到国内外相关学科研究者的关注。目前,人们对瓜环的合成、主客体性质（分子识别、分子开关、具有特殊结构分子器件的组装和超分子组装）进行了广泛而深入的研究,并且在瓜环的应用方面取得了巨大的进展。本论文在文献调研的基础上,首先在第一章就瓜环及其同系物、衍生物和同类物的合成、结构等方面的一些基本性质,瓜环在分子识别、分子容器、分子开关与超分子组装方面的主客体性质,瓜环的应用研究的最新进展进行了全方位的综述。其次,本论文系统地考察了Q5,Q6及Q8与各种金属离子的相互作用,获得了多种单晶,并解析了这些单晶结构。在对单晶结构进行解析的基础上,发现了瓜环与金属离子相互作用的一系列规律,主要是:Q5能和多种金属离子形成包结阴离子的分子胶囊结构;Q6及Q8则能和多种金属离子形成一维管状结构。具体内容包括以下两章:第二章主要对Q5和多种金属离子相互作用形成包结阴离子的分子胶囊结构的规律和机理进行了详细的归纳和总结。实验发现,Q5能键合多种金属离子形成分子胶囊结构。随着金属离子的半径的差别,这些分子胶囊结构可以出现开口,半开口,全封闭三种不同的形态,在这些分子胶囊结构的中心各包结了一个阴离子。同时,我们的研究表明,基于Q5的分子胶囊结构能选择性地包结氯阴离子。我们还尝试了不同的金属离子同时和Q5配位,得到了多个杂金属离子的分子胶囊结构。第三章讨论的是基于瓜环和金属离子形成的一维管状结构,包括四节内容。第一节介绍在不同酸度条件下,Q6能和Sr²⁺形成两种构造的一维管状配位聚合物,它们在200-250 oC ,都转化为同一种结构,实现了单晶到单晶的转化。在THF扩散时,Q6能和Sr²⁺形成Q6内包结THF的一维管状配位聚合物;第二节描述的是Q6和CaCl₂形成的一维管状结构在溶液中转化为另一一维管状结构;第三节根据配位化学理论,通过选择弱场配体,达到增强Q6的羰基氧与金属离子之间的配位键,最终得到Q6和Cu²⁺形成的一维管状配位聚合物。该结构在导电与介电等方面显示出非同寻常的性质;第四节主要介绍基于Q8和金属离子形成的第一个配位化合物。再次,考虑到由于传统瓜环在溶解性等方面的缺陷,导致它们在应用方面受到一定的局限。为此,本论文在第四章尝试了改型瓜环的合成。在合成普通瓜环的原料中加入K+作为模版试剂,我们分离得到了[H₂O@Q5K2²⁺@Q10] Cl₂（HCl）（H₂O）37结构的配合物;我们以尿素和单甲基乙二醛为原料,先合成中间产物单甲基苷脲。再以单甲基苷脲和甲醛为反应物,合成并分离得到终产物Me5Q5和Me6Q6。量化计算表明,所分离得到的两个取代瓜环,都是其可能异构体结构中最稳定的一个;以二甲基取代的甘脲二醚、甘脲二聚体和甲醛为反应物,合成并分离得到了Me2Q5。最后,本论文在第五章考察了瓜环与各种杂多酸的相互作用,发现并合成了一系列光致变色材料。本论文通过固体紫外可见和荧光方法系统地研究了该系列光致变色材料的光学性质。该系列光致变色材料性能优异,除具有灵敏度高,响应速度快外,还具有高稳定性,高抗疲劳性等特点,其最突出的优点在于它们在可见光区就可发生光致变色现象。它们可以应用在光信息存储,防护,装饰,保密,防伪和鉴伪等众多领域。