分子器件是具有光、电、磁、热、机械、离子以及化学反应性能的分子和超分子组装排列成的有序结构,是在分子或超分子层次上完成信息和能量的存储、传输、检测、转换与处理的化学及物理系统。关于分子器件的设想早在20世纪70年代就提出来了。从20世纪70年代开始,科学家在分子器件方面做了大量工作,目前仍是科学研究的前沿。要制备分子器件,就需要具有光、电、磁、热等性能的分子材料,因此研究具有特殊结构和性能的分子材料是化学研究的热点。笼状分子由于其结构多样、性质独特,有可能成为制造分子器件所用的分子材料,引起了化学家的普遍关注。国内外科学家在笼状分子方面做了大量工作,这包括富勒烯、碳纳米管、碳纳米葱、金属填充的碳纳米富勒烯包合物等。目前,笼状分子材料方面的研究进展很快。与富勒烯有关的笼状分子方面的研究工作很多很多,但以下几个方面的研究却很少,这包括:1.多笼分子的研究,研究多笼分子将扩展笼状分子的研究范围,这类似于将芳香性概念由苯扩展到其他的多环芳烃体系。2.含有奇数个原子的单笼分子,到目前为止,所报道的单笼分子都含有偶数个原子,含有奇数个原子的单笼分子报道的很少。含奇数个原子的单笼杂富勒烯分子是一个新概念,由于在分子引入了形成4个化学键的杂原子,引入的杂原子会使笼状分子的结构和性质发生变化,有可能使其成为具有与富勒烯分子性能不同的分子材料。3.笼上含有多个氧原子的笼状分子,若分子笼上能含有多个氧原子,将使笼的性质发生改变,如会使笼状分子由疏水性变为亲水性等。为此,我们对以上几个方面进行了研究。本论文的工作主要包括以下三个方面:1.双笼富勒烯分子的研究我们采用DFT等研究方法研究2个C60共用六边形面形成的双笼分子C114,计算结果表明,C114的4种异构体中,其中异构体1是最稳定的,从热力学角度看它比C60稳定,是应该可以存在的。异构体3与1稳定性相近,但异构体2和4稳定性差一些。对6个单键连接2个C60笼形成的C120分子,我们进行了详细的DFT理论研究,得到2种异构体,并讨论了可能的制备途径,从分子轨道对称性守恒原理来看,这2种异构体分解成C60是对称性禁阻的,因此若制备出来是应该可以作为亚稳态存在。2.含多个氧原子的笼状分子的研究对笼状手性分子C24O12,我们采用DFT方法在B3LYP/6-31G*水平上进行了研究,根据计算结果讨论了其结构、电子和磁学性质等,并计算它的生成焓,发现它是比较稳定的笼状分子。我们还研究了由10个氧原子连接2个碗烯(corannulene)分子形成的C40O10笼状分子,该分子有2种异构体,对2种异构体的结构、电子和磁学性质等,我们采用DFT方法在B3LYP/6-31G*水平上进行了详细研究,模拟了C40O10的红外光谱图,并计算它们的生成焓,发现它们比C60稳定。3.含奇数个原子的单笼状杂富勒烯分子C58X(X=S,Se,Te)的研究若将C60中2个键连的碳原子用X原子取代,会得到C58X,这就形成了含奇数原子的杂富勒烯分子。我们采用DFT方法在B3LYP/6-31G*和B3LYP/3-21G*水平上,详细研究C58S的结构、电子和振动性质,模拟了C58S的红外光谱图,并计算它的生成焓。对C58Se和C58Te,我们采用DFT方法在B3LYP/3-21G*水平上,详细研究它们的结构、电子和振动性质,模拟了它们的红外光谱图,并计算它们的生成焓。从这些分子计算得到的振动频率来看全为正值,说明是势能面上的极小点,是可以存在的分子,但从生成焓来看,这三种分子都不如C60稳定。