机械互锁分子例如索烃、轮烷和分子结等因其精美的互锁结构和其在分子机器(分子开关、分子马达、分子传感器、分子催化和分子合成器)与智能材料(存储设备和分子肌肉)方面的广泛应用而备受化学家关注。由单一机械互锁结构集成多个复杂机械互锁结构不仅可以提高机械性能,而且由于多个功能位点的协同作用赋予其新型功能性质。机械互锁结构的复杂性致使构筑策略具有很大挑战,其构筑方法有共价键和非共价键两种策略,由于共价键在构筑过程中受动力学控制容易生成多种复杂机械互锁结构的混合物从而难于分离提纯,致使获得目标产物收率相对较低。相反,由于非共价键的具有动态可逆性和受热力学控制,可作为常用链接方法高效构筑各种机械互锁结构。在过去的几十年里,人们致力于通过非共价相互作用高效合成超分子结构,从而构筑了各种各样的机械互锁体系。在此基础上,为了进一步拓展含有多个非共价键机械互锁元件的高阶结构。本论文为了实现这一目标,通过修饰金属配位大环和引入多种非共价键,成功构建了一系列新型复杂机械互锁结构。本论文具体内容包括以下五个方面:第一章系统性的总结了复杂机械互锁结构的发展,包括一些经典机械互锁结构的研究进展、复杂机械互锁结构的构筑策略和方法以及基于非共价键构筑复杂机械互锁结构的研究进展。基于文献综述,含有多个机械互锁元件的高阶结构由于其合成具有挑战性而很少被研究,以及性质研究和应用相当匮乏。这激发并指导本文的研究重点的提出,本论文的研究工作内容主要分为以下四章。第二章本章内容主要是利用多级次组装成功构筑两种具有氧化还原可逆刺激响应的聚准轮烷,在一级组装中以Cu(I)-邻菲罗啉络合物作为模板和氧化还原刺激位点,以末端含有氰基链的线性分子作为轴构筑含有120o吡啶供体的[2]准轮烷。将其通过配位导向自组装分别与60o和120o双铂受体发生二级组装构筑两种含有多[2]准轮烷菱形和六边形金属有机大环。利用柱[5]芳烃二聚体与末端氰基烷基链通过主客体相互作用成功构筑两种以金属有机大环为骨架的聚[3]准轮烷。通过核磁共振(NMR)、紫外吸收光谱(UV)、扫描电镜(SEM)以及扩散排序核磁共振(DOSY)详细研究两种聚准轮烷的氧化还原可逆刺激响应性。因为Cu(I)-邻菲罗啉络合物不同氧化态配合物结构对称性不同,最终聚准轮烷可以通过氧化还原刺激响实现对扩散系数的调控。第三章在本章工作中通过逐级自组装策略构筑分立的十八[2]准轮烷结构。应用第二章工作中的[2]准轮烷配体作为构筑基元砌块,通过配位导向自组装与180°双铂配体高效构筑六[2]准轮烷。[2]准轮烷线性分子轴末端预留的中性客体氰基与含有柱[5]芳烃的主体分子通过主客体作用,进一步组装为[2]准轮烷修饰的以金属有机大环为骨架的十八[2]准轮烷。第四章在本章工作中通过配位导向自组装首次高效构筑五个杂金属的分子项链。以含有吡啶或羧酸盐络合位点的邻菲罗啉衍生物为轴,通过亚铜模板法构筑基于羧酸盐或吡啶基元的三种夹角为60°和180°的[2]准轮烷。由于线性分子轴具有特定方向性和刚性结构,因而[2]准轮烷可以与互补的双铂配体通过配位导向自组装高效构筑五个杂金属分子项链(两个[3]索烃、两个[4]索烃和[7]索烃)。文献报道Cu(?)-邻菲罗啉配合物可作为人工核酸酶对DNA有很好的切割效果,在本工作中发现60°吡啶配体和60°羧酸配体构筑的四个杂金属分子项链对质粒pBR 322 DNA有很强的切割效果。通过凝胶电泳实验发现所得到的分子项链在同一孵化时间同一浓度时切割效率优于相对应的[2]准轮烷和双铂受体。这主要是由于多金属的协同作用使切割效果更高效,因此[3]索烃和[4]索烃都可以作为一种新型的人工核酸酶用于DNA的切割。第五章在本章中通过逐级自组装可控性构筑杂化聚准轮烷结构。首先利用配位导向自组装构筑修饰有胺基控制位点的金属有机大环。将其外围胺基质子化为铵基阳离子与修饰有长烷基链的冠醚通过主客体作用构筑三[2]准轮烷结构。进一步以肝素钠为线性分子轴,通过静电作用构筑了无机-有机聚准轮烷,以及在其外围通过主客体作用络合冠醚,从而成功实现了多组分杂化聚准轮烷组装体的构筑。我们发现高浓度的三[2]准轮烷与低浓度的三[2]准轮烷-肝素钠体系在丙酮中均可作为凝胶因子形成两种有机凝胶。基于铂氮键的动态可逆性以及冠醚与胺基控制位点的酸碱调控的主客体作用,赋予金属有机凝胶多重刺激响应性能。