主客体化学自其概念形成以来,因特异性,稳定性和在自然界中的普遍性而获得了广泛研究和重视。主客体之间通过非共价键进行多位点的结合,讲究适当的作用力以及空间的匹配性,其强弱可控、分合自如,给设计者提供了广阔的空间。客体可以是无机或有机离子、离子对和中性分子等,而主体可以是空心的或拥有合适空腔的大分子、分子聚集体等,例如酶和合成的大环化合物。本论文的研究对象即是作为主体的大环化合物之一,葫芦脲。葫芦脲是继经典大环化合物环糊精、杯芳烃和冠醚等之后发现的一类对客体具有高特异选择性的新型主体分子。它以甘脲为单元通过亚甲基桥连,具有端口小空腔大的类南瓜结构。二十年来,葫芦脲家族不断壮大,各种葫芦脲修饰物层出不穷,其研究面已涵盖了从分子器件到材料、生物等方方面面。本论文第一章首先以主客体之间的三类基本作用力为切入点,介绍了葫芦脲化学中的常见作用力类型和主客体化学中的热力学参数的获取方法,例如稳定常数,焓变和熵变等。接着在第二部分简述了葫芦脲化学的发展历史,包括葫芦脲家族(CB[5,6,7,8,10和14])及其衍生物(羟基取代葫芦脲、甲基取代葫芦脲、环己烷并取代葫芦脲等)。最后,通过葫芦脲与阳离子和染料等客体的包结行为,总结了超分子在一些领域的应用,例如分子器件,自组装体的构建,串联分析,气体捕获和酶活性检测等。第二章通过传统方法合成了葫芦脲同系物,并利用葫芦脲同系物在不同溶剂中的溶解度不同对它们进行了分离和纯化。所得产物,包括CB[5]和CB[10]在内的五种葫芦脲同系物通过核磁和单晶的手段进行了表征,并采用紫外和核磁的方法对最后得到的葫芦脲样品进行了含量的分析。第三章以小分子气体为客体,利用核磁氢谱研究了小环葫芦脲(CB[5])与它们之间的作用力和稳定常数。气体的类型包含了小分子碳氢化合物、稀有气体和一些双原子分子气体。通过实验数据和计算化学的方法分别计算出了气体分子与葫芦脲空腔的堆积因子,通过竞争包结法选择合适的标准物获取了不含氢原子的气体分子与葫芦脲的包结常数。研究表明葫芦脲主要通过色散力和疏水作用与气体分子结合,其空腔倾向于包结与之有着合适空间匹配度(PC～55%)的球形气体,例如甲烷,氪气和氙气。第四章讨论了盐类对气体与葫芦脲的包结物的稳定性的影响。选取了十余种不同阳离子与阴离子组合的盐类溶液,测试了气体包结物在盐溶液中的稳定常数。研究发现几乎所有的盐类(除钠盐以外)均能促进甲烷与葫芦脲的包结,程度大小由阳离子的种类决定,其中铷盐以超过一百倍的提升效果是最好的促进剂之一。对于乙烷与葫芦脲的包结,盐类的影响并不大,其中铵盐能提高其稳定常数,而钾盐则反之。第五章以偶氮染料甲基橙和双子表面活性剂HBPB-8为例,通过其单晶结构研究了葫芦脲对客体分子上的包结位点的选择性。葫芦脲与甲基橙的包结能促进其质子化的醌式结构的形成。受到偶氮键与端口羰基之间的静电吸引或排斥作用,酸式或碱式甲基橙进入到葫芦脲空腔中的深浅不同。HBPB-8是一种双子型表面活性剂,其结构中的多条烷基链都能与葫芦脲结合,而葫芦脲对这些位点的选择性说明了主客体形成复合物时空间结构匹配的重要性。