分子机器是一种尺寸在纳米尺度的、由几个组分通过非共价键相互作用而结合在一起的超分子体系，其组分的相对位置能被某些外来刺激诱导而发生改变。在大多数例子中，这种相对运动发生在两个不同的定义好的状态。也就是说，分子机器有两种状态——“0”状态和“1”状态，在输入(外部刺激)的作用下，能完成“0”和“1”的相互转换。分子机器在信息存储技术上有很大的应用价值。可以看出每一个分子机器就是一个存储单元，由分子机器组成的存储器的存储密度相对于现有的半导体存储器来说，将有很大的提高。此外，分子机器的这种性能也能够应用在逻辑门上，当代的计算机就是利用半导体逻辑门进行工作的，如果分子逻辑门能够达到，那么在分子水平上进行信息的处理和运算将成为可能，将出现分子计算机，这将开辟一个崭新的领域。 本课题的任务是设计合成以环糊精为“算盘珠”的具有荧光输出的有机分子“算盘”(机器)，使其在外部光学刺激作用下环糊精能在两个或多个识别点之间运动，且运动前后与不同的荧光相对应，为其在分子存储器及分子逻辑门上的应用打下基础。 本论文的主要研究内容和结果总结如下： 1.设计合成了具有双荧光波长识别的分子梭NNCD以及作为参比的哑铃型化合物NN。在这个轮烷型的分子机器中，大环组分为α-环糊精，以偶氮苯单元为光活性单元，同时还有两个具有不同荧光波长的萘酰亚胺单元作为阻挡基团。在初始状态下，环糊精组分包结在偶氮苯单元上，360nm光照能够使偶氮苯单元从反式变为顺式，环糊精从偶氮苯单元移动到联苯单元上。同时，两个荧光团的荧光强度发生有规律的交替变化。430nm的可见光照射能够使体系复原。值得注意的是，设计的参比化合物的荧光在360nm光照下并没有发生明显的变化。该分子机器还是一个熵(热)驱动的分子机器。由于偶氮苯单元光异构化反应有良好的可逆性能，并且两个不同荧光波长的荧光强度发生有规律的强弱变化，因此该分子梭有望应用于分子存储介质和分子逻辑门。 2.设计合成了具有多输入双荧光波长输出的三稳态的[3]轮烷型分子机器NNAS-2CD和参比化合物NNAS。在这个轮烷体系中，含有两个环糊精单元。含有两个荧光团为阻挡基团，分别为4-氨基萘酰亚胺-3,6-二磺酸钠黄绿色荧光团和萘酰亚胺-3-磺酸钠蓝色荧光团。另外，体系有两个光活性单元，分别为偶氮苯单元和二苯乙烯单元，这两个单元在分别在紫外光380nm和313nm照射下发生光异构化反应。因此，该轮烷体系有三个稳定态。在初始状态下，两个环糊精单元分别包结在偶氮苯单元和二苯乙烯单元上。380nm的紫外光照射化合物NNAS-2CD的溶液导致偶氮苯单元由反式变为顺式，两个环糊精移动到联苯和二苯乙烯单元上，得到Z1-NNAS-2CD，此时体系处于PSS-Z1稳定态；313nm的紫外光照射化合物NNAS-2CD的溶液导致二苯乙烯单元由反式变为顺式，两个环糊精移动到联苯和偶氮苯单元上，得到Z2-NNAS-2CD，此时体系处于PSS-Z2稳定态。同时，体系的荧光发生有规律的变化。该体系有良好的可逆性能。该分子机器可以作为一个三稳态的分子开关，同时，该分子机器可以模拟分子“算盘”加二或者减二的运算。 3.设计合成了具有多输入双荧光波长输出的多构型的[2]轮烷型分子机器1。分子梭1是一个多构型轮烷，能够在一个动态和三个稳定态之间可逆的转换。在常温下[D6]DMSO溶液中，轮烷E-1为一个动态分子，表现为环糊精组分在两个光活性单元上的往返运动(DS-E)；380nm的紫外光照射化合物1的溶液导致偶氮苯单元由反式变为顺式，环糊精移动到二苯乙烯单元上，得到[2]轮烷的一个异构体Zl-1，此时达到稳定态PSS-Z1。450nm可见光能够使体系由PSS-Z1回复到DS-E态；313nm的紫外光照射化合物1的溶液导致二苯乙烯单元由反式变为顺式，环糊精移动到偶氮苯单元上，得到[2]轮烷的另一个异构体Z2-1，此时达到稳定态PSS-Z2。280nm紫外光能够使体系由PSS-Z2态回复到DS-E态；313nm的紫外光照射Zl-1或者380nm的紫外光照射Z2-1得到轮烷的第三个稳定态PSS-Z3(Z3-1)，此时环糊精停留在联苯单元上。这三个稳定态通过加热也可以回复到DS-E态。轮烷1在四个态之间的构型的转换可以引起体系吸收光谱的变化，同时两个荧光阻挡基团的荧光也发生有规律的变化，并且可以总结为二进制的逻辑电路。两个输入信号分别为紫外光380nm(I1)和313nm(I2)。吸收的相对变化值△A为一个输出O1，选择荧光的相对变化值△F为另一个输出信号O2。它们可以分别对应于一个AND逻辑门和一个XOR逻辑门。由于轮烷1中的两个光活性基团(偶氮苯和二苯乙烯)可以在两个不同输入(I1和I2)刺激下可以独立的进行开关，也就是说，这两个逻辑门可以并行运行。因此，轮烷1在四个态之间的构型的转换(DS-E，PSS-Z1，PSS-Z2，PSS-Z3)可以模拟一个半加法器的功能。 4.设计合成了带“锁”的多输入荧光输出的多构型的[2]轮烷型分子机器2。它的大环部分同样是α-环糊精；哑铃状部分由三部分组成：一头是4-氨基-萘酰亚胺二磺酸钠阻挡基，同时也是个黄绿色荧光团；另一头是个异酞酸阻挡基；中间部分由一个偶氮苯和一个二苯乙烯相连的直线部分。对环糊精而言，它有偶氮苯、二苯乙烯和联苯三个结合部位。初始条件下，环糊精上的仲羟基与异酞酸的两个羧基之间形成氢键，这种作用力把环糊精锁定在二苯乙烯单元上，从而阻止了二苯乙烯光致异构化反应的发生。此时分子处于锁定状态。加入碱使它们之间的氢键破坏，则使分子“解锁”。轮烷22-在常温下处于一个动态，环糊精在两个光活性单元上来回穿梭运动。380nm的紫外光照射(E，E)-22-的水溶液导致偶氮苯单元由反式变为顺式，得到[2]轮烷的一个异构体(ZN=N,EC=C)-22-，此时达到稳定态PSS-ZE；313nm的紫外光照射化合物(E，E)-22-的溶液导致二苯乙烯单元由反式变为顺式，得到[2]轮烷的另一个异构体(EN=N,ZC=C)-22-，此时达到稳定态PSS-EZ；313nm的紫外光照射(ZN=N,EC=C)-22-或者380nm的紫外光照射(EN=N,ZC=C)-22-得到轮烷的第三个异构体(Z，Z)-22-，达到稳定态PSS-ZZ。轮烷22-在(E，E)-22-，(ZN=N,EC=C)-22-，(EN=N,ZC=C)-22-，(Z，Z)-22-这四个态之间的相互转换可以总结为二进制的逻辑电路。两个输入信号分别为紫外光380nm(I1)和313nm(I2)。选择520nm处的荧光发射的相对变化值△F520为输出信号Output，这些输入输出刚好对应着一个INHIBIT逻辑门。轮烷2实际上是一个可锁的INHIBIT逻辑门：在中性或者酸性条件下不能模拟INHIBIT逻辑门，该逻辑门处于锁定状态。加入碱破坏氢键，使分子处于解锁状态，逻辑门可以运转。 5.设计合成了水溶性的环糊精-萘酰亚胺荧光化合物，能够在水溶液中对Hg2+作出响应，产生荧光光谱和吸收光谱有规律的变化。实验结果表明，该化合物不仅可以通过颜色变化对汞离子进行比色传感，还可以通过荧光发光颜色的改变对汞离子进行荧光比率传感。对其在生物传感器和聚轮烷上的应用作了展望。 6.设计合成了双萘酰亚胺荧光化合物，两个荧光团通过双硫键相连接。该化合物有望作为Hg2+的比色和荧光比率传感器。同时，对其在纳米级分子传感器上的应用提出了展望。