化学是一门关于物质以及物质变化的学科,也是一门关于转化和衍变的学科。随着1828年尿素的合成,以共价键为基础的分子合成化学凭借巧夺天工的设计,迅速取得了一系列辉煌成果。随着研究的深入,分子间非共价相互作用逐渐引起了人们的重视,并由此诞生了一门“分子社会学”一超分子化学。与传统分子化学不同,超分子化学是一门高度交叉的学科,它涵盖了比分子本身复杂的多的化学、物理学及生物学特征。如今,这个年轻的领域已经被定义和概念化成一门严谨的科学体系。超分子化学领域的主要研究内容包括:分子识别(分子及离子的主客体相互作用);大环有机物的超分子组装;生物有机一无机体系的超分子反应及信息传输;晶体结构工程学研究;界面模板自组装;分子器件及相关应用等。本文着眼于界面模板自组装中的蜂窝状多孔薄膜的构筑,以及分子器件中基于显色团和荧光团响应性材料的构筑两方面内容展开研究,意在探讨和解决以下几个热点问题:(1)目前碳纳米管蜂窝状膜的研究存在着单体基元聚集导致阵列规整程度差的难题。为了解决此问题,本文利用羧基化碳纳米管复配两亲性阳离子表面活性剂,通过静电作用介导相转移的方式促进单体基元均匀分散,得到了阵列高度规整的碳纳米管蜂窝状膜。讨论了不同环境因素对组装结构的影响,表征了碳骨架蜂窝状有序多孔阵列的物理性能和电化学性能。本工作意在解决碳纳米管蜂窝状膜组装问题的同时,进一步拓展其在吸附抑菌、化学催化领域的应用。(2)目前对光响应性2,2’:6′,2〃-三联吡啶衍生物的研究主要集中于配位金属离子的置换上。键合光响应性官能团构筑新型衍生物的报道相对较少。为了弥补这方面研究的空白,本文设计合成了一系列新型的、含有偶氮苯基团的2,2′:6′,2〃-三联吡啶衍生物分子(TPY-1至IPY-5)。通过基团去质子化、Eu3+介导三齿配位等不同方式,实现了三联吡啶衍生物功能材料的构筑。本工作意在拓展光响应性自组装材料范围,探究有序动态与静态平衡系统中各组分的协同作用关系,丰富自组装理论研究,进一步拓展新型衍生物分子在显色探针、荧光材料等领域的应用。本论文的具体内容和结构安排如下:第一部分,绪论。介绍了自组装的基本概念;对超分子化学进行了概述。详细介绍了超分子体系中的弱相互作用以及超分子体系分类。着重总结了蜂窝状多孔阵列材料的研究现状(基本形成原理、材料构筑、应用前景);对2,2′:6′,2〃-三联吡啶的分子设计和合成方式进行了阐述,在此基础上进一步总结了其研究现状和应用前景;介绍了聚集诱导荧光效应的相关背景;最后引出本论文的具体选题,研究内容以及意义展望。第二部分,利用双十八烷基二甲基溴化铵(DODMABr)与羧基化单壁碳纳米管的静电相互作用进行复配,在气液界面构筑形貌规整的蜂窝状多孔阵列薄膜。探究了溶液浓度、溶剂和基底类型等实验因素对阵列形貌的影响,并详细阐述其形成机理。通过对甲苯磺酸离子交换,去除薄膜表层的阳离子铵盐(表面活性剂),得到阵列规整的纯碳管薄膜。利用电化学工作站测量了交换后薄膜阵列的电学性能,发现单位面积蜂窝状排列的规整薄膜电导能力优于等面积无序堆叠的单壁碳纳米管。利用碳材料薄膜为培养基底,进行了大肠杆菌菌落培养实验。结果显示,菌落增殖受到了明显抑制。规整碳材料在光照下产生的单线态氧具有破坏菌体膜系统的作用,伴随着薄膜小孔的物理吸附,成功抑制菌落增殖。最后基于薄膜优秀的电导性能,利用恒压双脉冲法对薄膜表面进行了修饰,将银纳米粒子电沉积到薄膜上。以修饰后的薄膜作为亚甲基蓝还原的催化剂,结果显示薄膜具有优异的催化活性。其原因在于膜层表面的银纳米粒子作为微反应器,起到了快速吸附反应物的作用,而碳材料膜体作为催化反应的电子转移骨架,在二者的协同作用下极大增强了催化活性。第三部分,概述了文中一系列(TPY-l至IPY-5)响应性三联吡啶衍生物分子的设计思路。详细阐述了不同衍生物分子的合成步骤和表征结果。第四部分,以前文中合成的TPY-2作为比色探针分子,利用其分子结构中的酚羟基能够质子化/去质子化的特性,以酚羟基作为信号接收基团,偶氮苯基发色团作为信号报告基团,将探针分子作用于特定pH的溶液中,根据其颜色变化检测环境pH值。随后将实验用慢速定性滤纸浸泡入特定浓度探针分子的二甲基亚砜(DMSO)溶液中,着色烘干,裁剪后作为pH试纸,能够精确指示pH 11-14范围内的酸碱度变化。显色后的试纸通过水洗可将附着其上的探针分子重新质子化,藉此实现了 pH试纸的可重复循环利用。实验结果证明,该试纸在12-15次反复显色脱色后仍然具有准确的指示能力。该探针分子还能够应用于无墨书写及隐形墨水领域,满足绿色环保书写的要求。该工作拓展了三联吡啶在pH 比色方面的应用,具有很强的潜在商业价值。第五部分,设计合成了一种含有偶氮苯基团的2,2′:6′,2〃-三联吡啶衍生物,在EuCl3·6H20的介导下,通过2,2′:6′,2〃-三联吡啶的二配位作用将小分子单体连接成具有特定聚集结构的配位聚合物BTC-1。通过1H核磁共振谱(NMR)和傅里叶变换红外谱,证明了配位的发生。该聚合物以较低的浓度溶解于甲醇中,在紫外光照射下能够激发蓝色荧光,且随着紫外光照时间的增长,分子荧光性能发生显著改变:发射光强度呈现数量级增强并伴随少量蓝移,荧光量子产率呈现数量级增长并伴随着荧光寿命的增长。通过对照实验证明,这种荧光增强现象的产生离不开多个小分子的配位桥联。通过形貌表征观察到,光照前后聚集体结构发生了由纳米颗粒向微米薄片的转换。通过分子高斯能量模拟和原子力显微镜表征,证明这种薄片的转变是单分子层密堆积的结果。由此产生的空间位阻抑制了三联吡啶荧光团围绕单键的旋转,从而增加了荧光团共轭面积,最终产生了荧光增强现象。这种基于聚集体结构转变的光响应荧光材料目前研究较少,该工作拓展了响应性三联吡啶衍生物分子库,在荧光材料领域具有非常重要的潜在应用价值。