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本文运用量子化学理论计算的方法对4个杯芳烃类化合物体系在密度泛函(DFT)理论方法下进行了研究：(1)杯[4]冠醚对碱金属离子Na~+, K~+, Rb~+的分子识别；(2)杯[4]吡咯与离子对的相互作用；(3)1,3-交替-5-(9’-蒽基甲氨基)杯[4]冠5作为荧光传感器；(4)二醌杯[4]芳烃与金属阳离子相互作用。首先，在B3LYP/6-31G水平上，对1,3-二乙氧基-对-叔丁基杯[4]冠5的三个异构体(锥式，半锥式，1,3-交替式)及其与碱金属阳离子Na~+, K~+, Rb~+配位生成的配合物的电子和几何结构进行讨论。结果表明，溶剂效应对离子选择性有较大影响，各异构体与Na~+作用形成的配合物最稳定。但是，当考虑阳离子交换反应中几个水合分子时，溶液环境下观察到的离子选择性顺序便可恢复。第二，在B3LYP/6-31+G(d)和Lanl2DZ水平上，对八甲基化杯[4]吡咯(OMCP)及其与卤素离子和卤化铯盐形成的配合物进行几何结构优化和频率计算。对结合能进行了基组误差(BSSE)和零点能(ZPE)校正，并对其优化结构进行了NBO分析。结果表明，在OMCP X~-(F~-, Cl~-,和Br~-)中，氢键相互作用是主要作用力，且存在N–H…X和C–H…X两种类型的氢键。此外，在Cs~+·OMCP·X~-中，卤素阴离子的孤对电子与铯离子LP*轨道的静电作用和铯离子与吡咯环π轨道的阳离子－π相互作用起到重要作用。理论计算研究进一步证明了OMCP不仅能作为阴离子受体而且是很好的离子对受体。第三，在无任何对称性限制的条件下，采用DFT和含时密度泛涵理论(TDDFT)在B3LYP/6-31G(d)/Lanl2DZ水平上对1,3-交替-5-(9’-蒽基甲氨基)杯[4]冠5主体化合物的荧光或荧光粗灭机理进行了研究。计算结果表明，在中性条件下，由于光致电子转移(PET)效应，碱金属离子的加入对配体的荧光无影响。然而，特定金属离子的配位导致铵离子的去质子化，这引起了酸性环境中配体的荧光粗灭。计算结果与实验结果一致。最后，在B3LYP/6-31G(d)水平上研究了二醌杯[4]芳烃结构特征及其与金属阳离子Li~+，Na~+，K~+，Ag~+配位性质，并用PCM溶剂模型模拟溶剂效应的影响。结果表明，配体在气相和溶液环境下的最稳定构象分别为1,3-交替式和半锥式。配合物的优化几何结构进行NBO分析，研究了金属-配体和阳离子-п两种相互作用。讨论了各阳离子与各异构体形成的配合物的结合能，结果表明锥式构象的配合物最稳定。