超分子化学是研究分子之间非共价相互作用的一门学科。其中,主客体化学又是超分子化学领域中极为重要的一个分支。大环主体分子的合成与性质研究便成为了主客体分子识别研究的重中之重。自从主客体化学这个概念被提出以来,每一类大环的发现和研究都极大地丰富了主客体化学以及整个超分子化学领域。从第一代大环分子冠醚被发现之后,越来越多的化学家和材料学家都投身于超分子化学的研究中去。到目前为止,被广泛认可的四代大环主体分子主要包括冠醚、杯芳烃、环糊精和葫芦脲,并且这四代大环主体分子在分子识别、分子自组装、纳米技术、分子分离与纯化、超分子聚合物和超分子两亲等领域都得到了深入的研究与应用。柱芳烃是2008年报道的一种新型大环分子,因为其具有特殊的分子结构和良好的主客体化学等性质所以被广泛地认为是第五代大环主体分子。基于前人的工作,本人博士期间的工作主要围绕柱芳烃功能化来进行研究,主要包括溶液相部分和固体部分。本论文将通过以下五个方面阐述柱芳烃在溶液中的组装与应用和固体分离材料等方面的性质。在第一部分工作中,我们设计并合成了第一种二氧化碳响应性的两亲性柱[5]芳烃2.1。它可以在盐酸的作用下在水里自组装形成胶束,而在二氧化碳的作用下自组装形成大环形圈。跟盐酸作为刺激响应相比,二氧化碳具有诸如无污染,生物相容性等等优点。这些规则的可控自组装在控制释放,药物传递和生物材料方面具有潜在应用价值。在第二部分工作中,我们利用柱[5]芳烃3.2和SDS成功构筑了一个具有二氧化碳响应性的主客体分子识别体系,并且将其应用于超分子囊泡的制备和气体控制释放。与之前报道的基于环糊精的二氧化碳响应性分子识别相比,我们这个体系有所不同。基于柱芳烃的二氧化碳响应性主客体络合物是在鼓入二氧化碳的情况下形成而在鼓入氮气之后被破坏,正好与环糊精的例子相反。而且,基于柱芳烃的二氧化碳响应性主客体分子识别由于透光率的原因可以直接用肉眼来观察到。这个新的二氧化碳响应性主客体分子识别和自组装体系也许在药物传递和传感器方面具有潜在应用,而且有助于我们了解某些气体相关的生命过程。在第三部分工作中,我们成功利用含有三联吡啶基团的配体4.2制成了一种金属水凝胶,这种水凝胶只有在二价铜离子的存在下才会形成凝胶,其他二价金属离子并不能诱导其凝胶化。通过电镜实验我们证实凝胶的微观结构实际上是很多直径在10 nm左右的纳米线交织而成的网络结构。这种金属水凝胶还展示了很多响应性包括触变性,温度响应性和化学响应性(碱和抗坏血酸钠)。除此之外,因为水溶性柱[5]芳烃WP5可以和4.2络合,从而也可以引发凝胶到溶胶的转变,并且在微观上表现为从纳米线转变成了囊泡。这些发现为许多生物相关领域提供了潜在的应用也为自组装的发展历程提供了很好的参考价值。在第四部分工作中,我们研究了乙基化柱芳烃(EtP5和EtP6)对于乙苯和苯乙烯的吸附性质。我们发现EtP6在吸附乙苯和苯乙烯方面具有比EtP5更好的性质。而且,无论晶态的还是无定形态的EtP6都具有选择性吸附苯乙烯的能力。这个选择性主要是由于客体诱导的EtP6选择性结构变化而不是EtP6空腔大小和客体的匹配性。跟其他小分子有机分离材料比如多孔笼状分子相比,EtP6的分离过程更像是一个结晶分离而不是吸附分离。尽管目前利用多孔框架来分离苯乙烯已经有过报道,但是我们所提供的方法有些潜在的优势。比如,EtP6是可溶的,容易合成,而且和MOF5、COFs相比具有更好的化学稳定性。虽然EtP6中的苯乙烯吸附量相对较低,但是我们可以通过一次吸附得到高纯度的苯乙烯。未来我们将要试着通过几种不同柱芳烃结晶来提高吸附量和吸附速率,同时不降低其选择性。在第五部分工作中,我们研究了乙基化柱芳烃(EtP5和EtP6)对于二甲苯异构体的吸附性质。我们发现EtP6在溶液相中和固态相都可以选择性地吸附对二甲苯。这个选择性不仅是由于EtP6的空腔大小和对二甲苯非常匹配,还跟EtP6的选择性结构变化有关。这跟利用flexible MOFs作分离材料的情况非常类似,但是跟上一章苯乙烯的分离具有较大的不同,因为苯乙烯分离中EtP6的空腔并没有起到多大的作用。这个发现证明EtP6可以分离除了苯乙烯之外别的碳氢化合物,说明它本身可能在含苯碳氢化合物分离方面是一个多功能的材料,值得进一步研究下去。尽管EtP5在这两个分离工作中表现不佳,但是它很可能具有分离别的碳氢化合物的能力,相关工作正在进一步研究中。