2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——綠色材料化工分子設(shè)計(jì)與合成工程技術(shù)考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每題3分，共15分）1.原子經(jīng)濟(jì)性2.綠色化學(xué)3.光催化4.連續(xù)流化學(xué)5.生物可降解聚合物二、簡答題（每題5分，共25分）1.簡述綠色化學(xué)十二原則中的“無廢棄物化學(xué)”原則及其意義。2.與傳統(tǒng)有機(jī)合成相比，水相合成反應(yīng)具有哪些優(yōu)勢？3.簡述酶催化在綠色合成中應(yīng)用的特點(diǎn)。4.什么是Pd-free催化？為什么開發(fā)Pd-free催化體系具有重要意義？5.從分子設(shè)計(jì)角度出發(fā)，如何設(shè)計(jì)一個具有良好生物可降解性的高分子材料？三、論述題（每題10分，共30分）1.論述綠色合成技術(shù)在解決傳統(tǒng)化工合成環(huán)境問題方面的作用和面臨的挑戰(zhàn)。2.以一種具體的精細(xì)化學(xué)品或高分子材料為例，設(shè)計(jì)一條綠色合成路線，并說明其綠色性體現(xiàn)在哪些方面。3.結(jié)合當(dāng)前科技發(fā)展趨勢，談?wù)勀銓ξ磥砭G色材料化工分子設(shè)計(jì)與合成工程技術(shù)發(fā)展方向的理解。四、計(jì)算與設(shè)計(jì)題（共30分）1.（15分）某目標(biāo)產(chǎn)物A可以通過以下兩步反應(yīng)合成：第一步：原料X與試劑Y反應(yīng)生成中間體B，該步反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性為75%。第二步：中間體B轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物A，該步反應(yīng)為完全加成反應(yīng)，無副產(chǎn)物生成。原料X的摩爾質(zhì)量為120g/mol，Y的摩爾質(zhì)量為90g/mol，B的摩爾質(zhì)量為250g/mol，A的摩爾質(zhì)量為280g/mol。假設(shè)第一步反應(yīng)以100%的化學(xué)收率進(jìn)行，第二步反應(yīng)以85%的化學(xué)收率進(jìn)行。請計(jì)算：(1)從100molX出發(fā)，理論上可以獲得多少摩爾的產(chǎn)物A？(2)在此過程中，總共產(chǎn)生了多少摩爾的廢棄物（以B和廢棄物Y的摩爾數(shù)表示）？該合成路線的總原子經(jīng)濟(jì)性是多少？2.（15分）設(shè)計(jì)一種利用可見光催化合成環(huán)己烯（C6H10）的綠色方法。請簡述該方法所使用的催化劑類型、光源、反應(yīng)條件以及可能的反應(yīng)機(jī)理，并說明其綠色性優(yōu)勢。試卷答案一、名詞解釋1.原子經(jīng)濟(jì)性：指化學(xué)反應(yīng)中，原料原子進(jìn)入期望產(chǎn)物中的比例。以重量百分比表示，是衡量化學(xué)反應(yīng)效率，特別是綠色化學(xué)的重要指標(biāo)。高原子經(jīng)濟(jì)性意味著廢棄物少，資源利用率高。2.綠色化學(xué)：也稱環(huán)境友好化學(xué)，是一門旨在從源頭上減少或消除化學(xué)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造對人類健康和環(huán)境有害物質(zhì)的學(xué)科。其核心理念是通過化學(xué)的原理和方法，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的化學(xué)。3.光催化：指利用光（通常是紫外線或可見光）作為能量來源，在催化劑（通常是半導(dǎo)體材料）表面引發(fā)化學(xué)反應(yīng)的過程。光催化劑本身在反應(yīng)后不被消耗，可以循環(huán)使用，且常在環(huán)境條件下（如水、空氣）進(jìn)行，具有環(huán)境友好性。4.連續(xù)流化學(xué)：指將反應(yīng)物連續(xù)地、以液滴或細(xì)流形式通過固定或流動的催化劑床層進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的技術(shù)。與傳統(tǒng)間歇式反應(yīng)器相比，連續(xù)流化學(xué)具有傳質(zhì)傳熱效率高、易于控制反應(yīng)過程、反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率和選擇性高、易于放大等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于綠色合成。5.生物可降解聚合物：指在自然環(huán)境（如土壤、水體）中，通過微生物（細(xì)菌、真菌等）的代謝活動，能夠被逐步分解為二氧化碳、水以及細(xì)胞質(zhì)等無機(jī)小分子的聚合物。這類材料在使用后不會長期殘留，對環(huán)境較為友好。二、簡答題1.簡述綠色化學(xué)十二原則中的“無廢棄物化學(xué)”原則及其意義。答：“無廢棄物化學(xué)”原則，也常被稱為“最大限度地利用原材料”原則，要求化學(xué)產(chǎn)品和化學(xué)過程的設(shè)計(jì)應(yīng)最大限度地利用所有原材料，將所有原材料都轉(zhuǎn)化到期望的產(chǎn)品中。其意義在于從源頭上消除廢棄物，最大限度地提高資源利用效率，減少對環(huán)境的污染和資源的消耗，是實(shí)現(xiàn)化學(xué)可持續(xù)發(fā)展的核心要求之一。2.與傳統(tǒng)有機(jī)合成相比，水相合成反應(yīng)具有哪些優(yōu)勢？答：水相合成反應(yīng)的優(yōu)勢主要包括：環(huán)境友好，水是可再生、無毒、來源廣泛的介質(zhì)；安全性高，許多有機(jī)反應(yīng)在有機(jī)溶劑中易燃易爆，而水相反應(yīng)通常在常溫常壓下進(jìn)行，安全性好；溶劑成本較低，對設(shè)備腐蝕性?。灰子诜蛛x純化，水與大多數(shù)有機(jī)物不互溶，產(chǎn)物易于通過萃取或沉淀分離；綠色環(huán)保，避免了有毒有害有機(jī)溶劑的使用和排放。3.簡述酶催化在綠色合成中應(yīng)用的特點(diǎn)。答：酶催化在綠色合成中的應(yīng)用特點(diǎn)包括：高選擇性，酶具有極高的底物特異性和立體選擇性，能實(shí)現(xiàn)非對映選擇性、區(qū)域選擇性和化學(xué)選擇性，減少副產(chǎn)物；高效率，酶在較溫和的條件下（常溫、常壓、水相）即可表現(xiàn)出很高的催化活性；環(huán)境友好，酶是生物大分子，可生物降解，使用后對環(huán)境無污染，且通常使用水作為反應(yīng)介質(zhì)；條件溫和，反應(yīng)通常在接近生理?xiàng)l件的溫和環(huán)境下進(jìn)行，能耗低；但酶穩(wěn)定性相對較差，成本較高，易受抑制劑影響，且通常只適用于特定底物和反應(yīng)。4.什么是Pd-free催化？為什么開發(fā)Pd-free催化體系具有重要意義？答：Pd-free催化指不使用或極少使用鈀（Palladium）作為催化劑的催化體系。鈀是一種貴金屬，價格昂貴，且其使用和廢棄可能帶來環(huán)境和健康風(fēng)險。開發(fā)Pd-free催化體系具有重要意義在于：降低催化劑成本，提高化工過程的經(jīng)濟(jì)性；減少貴金屬資源的消耗和潛在的環(huán)境污染；尋找更穩(wěn)定、更易回收或可生物降解的替代催化劑，推動化學(xué)過程的綠色化和可持續(xù)化發(fā)展。5.從分子設(shè)計(jì)角度出發(fā)，如何設(shè)計(jì)一個具有良好生物可降解性的高分子材料？答：從分子設(shè)計(jì)角度設(shè)計(jì)生物可降解高分子材料，通?？紤]以下策略：引入易被微生物降解的基團(tuán)，如酯鍵、酰胺鍵等，這些鍵在水中或酶作用下容易水解斷裂；設(shè)計(jì)支化或無規(guī)共聚結(jié)構(gòu)，增加分子鏈的柔順性，降低結(jié)晶度，使微生物更容易接觸和降解；選擇單體本身具有生物相容性和可降解性的結(jié)構(gòu)，如乳酸、乙醇酸、丙交酯、己內(nèi)酯等；構(gòu)建具有特定降解路徑的分子結(jié)構(gòu)，例如設(shè)計(jì)能在特定酶作用下優(yōu)先斷裂的位點(diǎn)。三、論述題1.論述綠色合成技術(shù)在解決傳統(tǒng)化工合成環(huán)境問題方面的作用和面臨的挑戰(zhàn)。答：作用：綠色合成技術(shù)通過從源頭上設(shè)計(jì)更環(huán)保、更高效的化學(xué)產(chǎn)品和過程，有效解決了傳統(tǒng)化工合成中產(chǎn)生的大量廢棄物、使用有毒有害物質(zhì)、能源消耗過高等環(huán)境問題。例如，原子經(jīng)濟(jì)性高的合成路線減少了副產(chǎn)物和廢棄物排放；使用環(huán)境友好溶劑替代有毒溶劑；開發(fā)高效、選擇性的催化體系減少了反應(yīng)苛刻性和廢棄物；連續(xù)流技術(shù)提高了過程效率和安全性。這些技術(shù)有助于降低化學(xué)工業(yè)的環(huán)境足跡，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。面臨的挑戰(zhàn)：綠色合成技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用往往伴隨著高成本、技術(shù)難度大、對現(xiàn)有工業(yè)體系改造困難、缺乏成熟的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和評估體系、以及部分綠色技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性仍需提高等問題。此外，部分綠色技術(shù)可能只適用于特定的反應(yīng)體系，普適性有限。推動綠色合成技術(shù)發(fā)展需要持續(xù)的研發(fā)投入、政策支持以及產(chǎn)業(yè)界的積極轉(zhuǎn)型。2.以一種具體的精細(xì)化學(xué)品或高分子材料為例，設(shè)計(jì)一條綠色合成路線，并說明其綠色性體現(xiàn)在哪些方面。答：以合成生物可降解塑料聚乳酸（PLA）為例，其綠色合成路線主要基于乳酸的聚合。乳酸可以通過淀粉等可再生生物質(zhì)資源（如玉米、木薯）發(fā)酵制備，發(fā)酵過程環(huán)境友好，原子經(jīng)濟(jì)性高。然后，乳酸可以通過開環(huán)聚合（ROP）的方式，使用辛酸亞錫（Sn(Oct)2）等催化劑（或無催化劑條件下的自催化）在較低溫度下（如100-150°C）聚合成長鏈的PLA。該合成路線的綠色性體現(xiàn)在：原料來源于可再生生物質(zhì)，減少了依賴化石資源；發(fā)酵過程能耗相對較低，且通常不使用有毒試劑；開環(huán)聚合反應(yīng)條件溫和，原子經(jīng)濟(jì)性高，廢棄物少；最終產(chǎn)物PLA是一種生物可降解聚合物，在環(huán)境中可以被微生物分解，不會造成長期污染。如果采用連續(xù)流開環(huán)聚合技術(shù)，則還能進(jìn)一步提高過程效率和控制反應(yīng)深度。3.結(jié)合當(dāng)前科技發(fā)展趨勢，談?wù)勀銓ξ磥砭G色材料化工分子設(shè)計(jì)與合成工程技術(shù)發(fā)展方向的理解。答：未來綠色材料化工分子設(shè)計(jì)與合成工程技術(shù)的發(fā)展方向?qū)⒏幼⒅刂悄芑?、高效化和可持續(xù)化。首先，計(jì)算化學(xué)和人工智能（AI）將扮演更重要的角色，通過分子模擬、機(jī)器學(xué)習(xí)等方法輔助進(jìn)行綠色、高效的分子設(shè)計(jì)和合成路線規(guī)劃，預(yù)測材料的性能和合成過程的關(guān)鍵參數(shù)。其次，將更加重視開發(fā)高效、高選擇性、環(huán)境友好的新型催化技術(shù)，如光催化、電催化、生物催化以及仿生催化等，以滿足不同合成需求。第三，連續(xù)流化學(xué)技術(shù)將得到更廣泛的應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)精細(xì)控制、提高效率、易于放大和集成化生產(chǎn)。第四，多功能化、智能化材料的設(shè)計(jì)與合成將成為熱點(diǎn)，例如具有自修復(fù)、環(huán)境響應(yīng)、多級功能等特性的材料。最后，綠色合成過程的生命周期評價將更加普及，不僅要關(guān)注合成過程本身，還要關(guān)注材料的制備、使用及廢棄回收等整個生命周期對環(huán)境的影響，推動真正意義上的可持續(xù)化學(xué)發(fā)展。四、計(jì)算與設(shè)計(jì)題1.（15分）某目標(biāo)產(chǎn)物A可以通過以下兩步反應(yīng)合成：第一步：原料X與試劑Y反應(yīng)生成中間體B，該步反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性為75%。第二步：中間體B轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物A，該步反應(yīng)為完全加成反應(yīng)，無副產(chǎn)物生成。原料X的摩爾質(zhì)量為120g/mol，Y的摩爾質(zhì)量為90g/mol，B的摩爾質(zhì)量為250g/mol，A的摩爾質(zhì)量為280g/mol。假設(shè)第一步反應(yīng)以100%的化學(xué)收率進(jìn)行，第二步反應(yīng)以85%的化學(xué)收率進(jìn)行。請計(jì)算：(1)從100molX出發(fā)，理論上可以獲得多少摩爾的產(chǎn)物A？(2)在此過程中，總共產(chǎn)生了多少摩爾的廢棄物（以B和廢棄物Y的摩爾數(shù)表示）？該合成路線的總原子經(jīng)濟(jì)性是多少？解：(1)計(jì)算產(chǎn)物A的摩爾數(shù)：第一步：100molX→100molB(假設(shè)100%收率)第二步：100molB→100molA(假設(shè)85%收率)實(shí)際生成的A的摩爾數(shù)=100mol*85%=85mol所以，從100molX出發(fā)，理論上可以獲得85mol的產(chǎn)物A。(2)計(jì)算廢棄物：a.計(jì)算第一步反應(yīng)消耗的Y的摩爾數(shù)：原子經(jīng)濟(jì)性=(目標(biāo)產(chǎn)物摩爾質(zhì)量/反應(yīng)物總摩爾質(zhì)量)*100%75%=(250g/mol/(120g/mol+90g/mol))*100%250=0.75*(210)250=157.5(此計(jì)算驗(yàn)證了原料比例，無需進(jìn)一步計(jì)算Y的消耗，因?yàn)?molX對應(yīng)1molY反應(yīng))因此，第一步消耗了100molY。b.計(jì)算第一步產(chǎn)生的廢棄物：反應(yīng)物總質(zhì)量=100mol*120g/mol+100mol*90g/mol=12000g+9000g=21000g期望產(chǎn)物B的質(zhì)量=100mol*250g/mol=25000g實(shí)際生成B的質(zhì)量=85mol*250g/mol=21250g(基于最終A的量反推，但題目給B質(zhì)量，按題目給)實(shí)際生成B的質(zhì)量=100mol*250g/mol=25000g(按原始100molX)廢棄物質(zhì)量=反應(yīng)物總質(zhì)量-期望產(chǎn)物B的質(zhì)量=21000g-25000g=-4000g(錯誤，應(yīng)按原子經(jīng)濟(jì)性計(jì)算)更正：廢棄物質(zhì)量=反應(yīng)物總質(zhì)量*(1-原子經(jīng)濟(jì)性/100%)=21000g*(1-75%/100%)=21000g*0.25=5250g廢棄物主要是未反應(yīng)的X和Y，以及非目標(biāo)產(chǎn)物的副產(chǎn)物。由于未給出副產(chǎn)物具體信息，通常簡化為計(jì)算未反應(yīng)原料。未反應(yīng)X的量：100mol-(25000g/120g/mol)=100mol-208.33mol=-108.33mol(錯誤思路)直接看原子經(jīng)濟(jì)性：未反應(yīng)物質(zhì)總摩爾數(shù)=100mol*(1-75%/100%)=100mol*0.25=25mol(指未轉(zhuǎn)化為B的原料部分)假設(shè)未反應(yīng)的X和Y比例與投料比相同（1:1），則未反應(yīng)X為12.5mol，未反應(yīng)Y為12.5mol。B的生成量=100mol(按題目給)所以，廢棄物主要是未反應(yīng)的X和Y。摩爾數(shù)上，未反應(yīng)X=12.5mol，未反應(yīng)Y=12.5mol，生成的B=100mol?？倧U棄物摩爾數(shù)（按未反應(yīng)+副產(chǎn)物，副產(chǎn)物忽略）：12.5mol(X)+12.5mol(Y)=25mol。但題目問的是B和廢棄物Y，廢棄物Y就是未反應(yīng)Y，即12.5mol。B是100mol。題目表述不清，按未反應(yīng)Y計(jì)算，為12.5mol。若按題目字面，廢棄物指B和Y，則B=100mol，Y=12.5mol。更合理的理解：題目問“廢棄物（以B和廢棄物Y的摩爾數(shù)表示）”，廢棄物Y指未反應(yīng)的Y。B是產(chǎn)物，不算廢棄物。所以，廢棄物主要是未反應(yīng)的Y。摩爾數(shù)為12.5mol。c.計(jì)算總原子經(jīng)濟(jì)性：總收率=第二步收率*第一步收率=85%*100%=85%總原子經(jīng)濟(jì)性=總收率*100%=85%答：(1)理論上可以獲得85mol的產(chǎn)物A。(2)在此過程中，總共產(chǎn)生了約12.5mol的廢棄物Y（未反應(yīng)的Y）。該合成路線的總原子經(jīng)濟(jì)性是85%。2.（15分）設(shè)計(jì)一種利用可見光催化合成環(huán)己烯（C6