轮烷树状分子作为一类新型的高阶机械互锁分子,是将一个或多个轮烷基元引入到树状分子骨架中而形成的超分子拓扑结构。它兼具了树状分子的星型超支化三维结构和轮烷分子独特的运动性质,可用于构筑新型的超分子智能响应材料和集成人工分子机器体系,因此受到超分子化学家和材料化学家广泛的关注。经过近三十年的发展,人们成功构筑了结构多样化的轮烷树状分子,并在诸如纳米反应器、基因传递、智能响应材料和人工光捕获系统等领域表现出了重要的应用。然而,由于缺乏高效的功能化策略,对于在智能响应材料和人工分子机器领域具有重要潜在应用的功能化轮烷树状分子的合成与应用,仍是该高阶机械互锁分子领域亟待解决的一大难题。基于此,本论文致力于解决功能化轮烷树状分子的构筑难点,并对其性质与应用进行探索。一方面,探索高效的构筑策略,实现对轮烷树状分子的核心、枝杈或末端进行功能化,精准构筑以功能为导向的新型轮烷树状分子体系;另一方面,深入研究功能化轮烷树状分子的性质,进一步探索其在光敏剂、人工光捕获系统、聚集诱导发光材料和新型软驱动智能材料等领域的重要应用。本论文的主要研究内容由以下五个部分构成:第一章:首先介绍了轮烷的研究进展,特别是轮烷的合成策略和在人工分子机器等领域的应用;其次对树状分子体系的研究进展进行了总结;最后从轮烷树状分子的分类、构筑方法和在人工分子机器等领域的应用进行了系统的介绍。第二章:通过在轴组件和大环组件分别引入铂原子和蒽光敏基团,构筑功能化[2]轮烷基元。再以该轮烷为构筑基元,通过可控发散策略合成了枝杈上含有多个铂原子和蒽光敏基团的功能化轮烷树状分子,最高代数至三代,其分子骨架中含有21个铂原子和42个蒽光敏基团。归因于其系间窜越的能力逐渐提高,轮烷树状分子的光敏化效率随代数增长而增加。特别地,通过紫外可见吸收光谱、荧光光谱、含时密度泛函理论、光解模型反应和表观活化能计算对所得轮烷树状分子的光敏化效率进行系统性的研究,深入分析轮烷树状分子的光敏化效率随代数增长而增加的机理。第三章:通过在[2]轮烷基元中引入脲基和蒽荧光团,构筑了刺激-响应型[2]轮烷基元,再以锌卟啉荧光团作为核心基元,通过可控发散策略构筑了一类基于刺激-响应型轮烷树状分子的人工光捕获系统,最高代数至三代,其分子中心以锌卟啉基元作为能量受体,分子枝杈上含有多达56个蒽基元作为能量给体。特别地,枝杈上精准分布大量的轮烷基元赋予了该人工光捕获系统优异的能量转移效率和天线效应。另外,进一步研究了当加入或者移除醋酸根阴离子作为刺激源时,可以精准调控轮烷的定向运动行为来调节蒽与锌卟啉之间的距离,从而进一步调控人工光捕获过程的动态可逆性。第四章:从四苯乙烯功能化[2]轮烷单体出发,通过逐级可控发散策略,构筑了每个枝杈末端上含有多个四苯乙烯基元的新型功能化轮烷树状分子,最高代数至三代,其分子的枝杈末端上含有21个四苯乙烯基元,是迄今为止首次合成的枝杈型聚集诱导发光树状分子。同时,轮烷的刺激响应特性使得整体轮烷树状分子具有动态的聚集诱导发光性质。进一步地,将能量受体曙红Y引入到轮烷树状分子聚集体中,构建了一类新型基于轮烷树状分子的人工光捕获系统,且具有优异的能量传递效率和天线效应。最后,进行了光催化的硫醚氧化反应和交叉脱氢偶联反应,考察了人工光捕获系统代数依赖的光催化性能。第五章:以[c2]雏菊链分子这一经典的人工分子肌肉为基元砌块,通过可控发散策略合成了雏菊链树状分子,最高代数至三代,其分子枝杈上含有21个雏菊链分子基元,是目前为止合成的最为复杂的分立多雏菊链体系。有趣的是,所得雏菊链树状分子在加入醋酸根阴离子或二甲亚砜溶剂分子作为外部刺激时,表现出可控且可逆的尺寸调节行为。进一步地,通过将雏菊链树状分子和聚偏氟乙烯进行掺杂,成功构建了一种新型动态复合膜材料,并验证其可在二甲亚砜溶剂分子作为外界刺激下表现出快速响应的形变行为。