超分子化学主要研究对象是分子之间的非共价相互作用以及基于这类相互作用的分子组装结构。作为一门交叉性学科,其涉及范围跨越化学、物理、生物及材料等多个学科,发展十分迅速。葫芦脲(cucurbituril, CB)是一类由亚甲基桥联甘脲构成的大环主体分子。根据甘脲单元数的不同,其家族包括CB[5]、CB[6]、CB[7]、CB[8]与CB[10]等多种同系物。葫芦脲最突出的特点是其丰富的主客体相互作用。基于葫芦脲的主客体相互作用结合强度的范围涵盖104-1017M-1,并表现出不同的动力学速率。该特点使葫芦脲在超分子化学中占有重要的地位,为超分子组装体的设计提供了极大的便利。此外,葫芦脲化学结构稳定、生物相容性好,也为其应角提供了有力支持。本论文中,我们在深入了解葫芦脲主客体相互作用的基础上,构建了一系列基于葫芦脲结构的聚合物,考察了这些聚合物的组装行为并将其应用于超分子水凝胶的构建。1.第二章中, 我们设计了基于N-甲基芘甲强盐酸盐(N-methyl-pyrenemethylammonium, MP A+)的分子开关。在与CB[8]作用过程中,MPA+存在3种结合状态,即MPA+, MPA+·CB[8]和MPA+·MV2+·CB[8] (MV2+为dimethylviologen,二甲基紫精)。通过金刚烷胺盐酸盐及CB[7]两种化学刺激调控,MPA+可在三种结合状态下可逆转换,并表现出不同的荧光输出。值得一提的是,目前所报道的分子开关所需要的化学刺激数需要大于或者等于其所涉及的转化过程,而对于该分子开关,尽管其开关过程涉及4个转化过程,但仅需2个化学刺激即可驱动。2.第三章中,我们设计了基于N-异丙基丙烯酰胺的CB[7]聚准轮烷。该聚准轮烷的轮烷单元含量很低。准轮烷单元所处的链段刚性较高而其他链段则相对柔性。这种刚性-柔性交替结构赋予了该聚准轮烷独特的聚集行为：其聚集倾向强烈,并具有母体聚合物不具有的热致凝胶化能力。3.第四章中,我们提出了通过自由基共聚合成CB[7]侧链聚合物的方法。聚合后的CB[7]与客体分子的结合模式并未改变,结合强弱顺序也基本保持。同时,CB[7]与客体分子的结合能力受到一定程度的影响,结合常数会下降1-2个数量级,部分CB[7]与客体分子的结合过程会受阻碍。4.第五章中,我们构建了CB[7]-金刚烷超分子交联水凝胶,并提出利用竞争客体控制凝胶化速率的方法。通过使用竞争客体分子预先将CB[7]侧链聚合物饱和,CB[7]侧链聚合物与金刚烷聚合物的交联过程可被额外引入竞争客体的解离过程。这样,凝胶化速率即可被减缓。改变竞争客体的种类和浓度,凝胶化速率可以被进一步调控。经过概念性验证,我们发现该方法在设计可注射凝胶及可打印凝胶方面有很大的潜在应用价值。此外,CB[7]-金刚烷作用非常强烈,相应水凝胶表现出高强度、高弹性及形状稳定性等有别于其他超分子水凝胶的特点。5.第六章中,我们设计了基于CB[7]-甲基紫精超分子交联结构的水凝胶。借助CB[7]-甲基紫精主客体相互作用高结合常数及高动力学速率的特点,该水凝胶表现出极低的临界凝胶浓度,高强度,良好的自修复能力以及刺激响应性。6.第七章中,我们设计了一种基于三(三唑基)甲醇结构的点击反应催化剂。该催化剂表现出良好的稳定性、催化活性及对正离子型底物,卤素离子以及氨基官能团的兼容能力。这些特点使其非常适用于葫芦脲客体结构甚至葫芦脲结构的合成。利用该催化剂,我们进一步构建了CB[8]星型准[5]轮烷以及CB[7]主链交替聚准轮烷,验证了这种催化剂在葫芦脲结构设计中的应用价值。