氮杂冠醚及其衍生物可作为具有络合性能的萃取剂和表面活性剂,该类化合物对金属离子的络合性能主要取决于分子中结构独特的络合母体——氮杂冠醚。本文利用计算方法系统研究了杂冠醚的分子刚性、杂原子取代、氮杂原子数目、氮杂原子的位置效应、烷基支链等对氮杂冠醚与金属离子络合性能的影响,发现氮杂冠醚尤其是二氮杂冠醚具有最好的络合性能,同时总结出评价氮杂冠醚及其衍生物与金属离子络合选择性的新参数——“能径比”。具体研究结果如下:考察了五氮杂环化合物与金属离子的配位络合性能,发现配合物的稳定性随着中心金属离子化合价态的升高而增强。同时计算刚性不同的5氮杂环化合物分子与钠离子的结合能,发现当氮杂原子参与共轭体系时,结合能力随分子刚性减小而降低,如果氮杂原子不参与共轭体系时,结合能力随分子刚性减小而增强。考察了全氧12-冠-4及其含氮、磷和硫杂原子衍生物与金属离子的络合性能,发现冠醚被氮原子取代后对金属离子的络合能力增强,而被磷或硫取代后对金属离子的络合能力减弱了,说明对所研究的体系而言氮杂冠醚具有最优的金属离子络合选择性,而且发现B3LYP方法最适合用于该类化合物研究。显然,冠醚的杂原子取代对其与金属离子的络合选择性起了决定性的作用。研究结果表明氮杂冠醚适合作为络合型杂冠醚表面活性剂和萃取剂的首选络合母体。在发现氮杂取代能增加络合母体冠醚对金属离子的络合选择性后,进一步考察了氮杂原子数目多少对氮杂冠醚络合性能的影响。结果发现:在所研究的多氮杂冠醚中,二氮杂冠醚与金属离子络合能力更强,形成的配合物更稳定,具有更优良的络合选择性。研究结果对络合型氮杂冠醚表面活性剂和萃取剂的络合母体分子设计与合成及工程应用有指导作用。在前面确定了氮杂冠醚尤其是二氮杂冠醚对金属离子具有更好的络合性能后,接着考察了二氮杂冠醚中的氮原子位置效应对金属离子络合选择性的影响。结果发现, 1,10-二氮-18-冠-6、1,7 -二氮-12-冠-4和1,4-二氮-15-冠-5分别比各自的氮杂原子位置异构体具有更好的金属离子结合选择性。显然,氮杂原子的位置在这些二氮杂冠醚异构体与金属离子的结合中起了很重要的作用。研究了系列金属离子( M=Li+, Na+, K+, Be2+, Mg2+, Ca2+, Cu2+ and Zn2+)与络合母体分子的络合性能,发现新参数“能径比”与络合母体和金属离子的络合性能有很好的相关性,要比过去常用的“尺寸匹配效应”和“离子势”等参数更适合用来描述和评估杂冠醚和金属离子的络合性能,研究结果为预测络合型氮杂冠醚表面活性剂和萃取剂对金属离子的络合选择性提供了新的参数标准,也给该类化合物在工程应用上的研究提供了新的思路。用实验和计算结果考察了烷基支链对氮杂冠醚衍生物与碱金属离子选择性络合能力的影响。发现支链的存在会影响载体与金属离子的络合性能,随着烷基支链的增加,萃取实验中载体与金属离子的配位结构和计算的配位模型趋于一致,使计算值更加接近实验值。本研究结果对位阻更大的长支链氮杂冠醚表面活性剂具有更大的意义,为计算模拟该类化合物指明了方向。本论文研究工作采用密度泛函中的B3LYP方法适合用于所研究体系,计算能满足精度和效率的要求,计算花费又不算太贵,并得到了令人满意的结果。通过研究发现氮杂冠醚尤其是二氮杂冠醚具有最好的络合性能,同时总结出的“能径比”新参数比目前常用的“尺寸匹配效应”和“离子势”等参数更适合用来评估载体对金属离子的络合性能。研究结果为今后设计和合成有效的相转移催化剂、离子选择性萃取剂、离子交换色谱填料和离子选择性电极材料等提供有用的信息,并给重金属废弃物处理、发光材料制备、同位素诊断等领域的研究和工程应用提供新的思路。