2025年大學(xué)《應(yīng)用化學(xué)》專業(yè)題庫——超分子化學(xué)在材料設(shè)計(jì)中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項(xiàng)的代表字母填在括號內(nèi)）1.下列哪一項(xiàng)不屬于超分子化學(xué)研究的主要內(nèi)容？A.基于非共價(jià)鍵相互作用的分子識別B.大分子鏈的構(gòu)象與反應(yīng)C.自組裝形成有序聚集體D.利用主客體相互作用設(shè)計(jì)新型材料2.在主客體化學(xué)中，充當(dāng)“主體”分子的單元通常具有的特征是？A.易于發(fā)生自由基反應(yīng)B.具有可逆的共價(jià)鍵C.能夠通過非共價(jià)鍵選擇性識別和結(jié)合客體分子D.通常具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性，不易降解3.杯芳烴分子識別能力的核心來源是？A.碳碳雙鍵的π電子體系B.杯口位阻效應(yīng)和上、下口不匹配性C.分子內(nèi)氫鍵的形成D.陽離子-π相互作用4.下列哪種非共價(jià)鍵相互作用在超分子自組裝中通常起到主要的驅(qū)動(dòng)力作用？A.離子鍵B.范德華力C.氫鍵D.共價(jià)鍵5.環(huán)糊精（CD）與對-硝基苯酚（p-NP）形成超分子包合物，其主要識別機(jī)制是？A.離子-π相互作用B.氫鍵網(wǎng)絡(luò)C.π-π堆積D.主客體識別（大小、形狀、環(huán)境匹配）6.超分子凝膠的形成通常涉及？A.共價(jià)鍵交聯(lián)B.自由基聚合C.分子間非共價(jià)鍵相互作用網(wǎng)絡(luò)的形成D.金屬離子橋連交聯(lián)7.多孔有機(jī)框架材料（POFs）的設(shè)計(jì)與合成，體現(xiàn)了超分子化學(xué)中哪一理念？A.自上而下的構(gòu)筑方法B.利用簡單的分子單元通過非共價(jià)鍵自組裝形成復(fù)雜的多孔結(jié)構(gòu)C.金屬有機(jī)框架（MOFs）的化學(xué)修飾D.碳納米管的功能化8.在藥物遞送應(yīng)用中，利用超分子聚集體（如膠束）的主要優(yōu)勢是？A.提高藥物的化學(xué)合成效率B.增加藥物在水中的溶解度，實(shí)現(xiàn)靶向運(yùn)輸和控制釋放C.降低藥物的生產(chǎn)成本D.增強(qiáng)藥物的氧化穩(wěn)定性9.光子晶體材料的功能主要來源于？A.分子間的氫鍵作用B.光與周期性介電結(jié)構(gòu)相互作用導(dǎo)致的布拉格衍射效應(yīng)C.超分子自組裝形成的特定孔道結(jié)構(gòu)D.金屬表面的等離子體共振10.下列哪項(xiàng)不是超分子化學(xué)在催化領(lǐng)域應(yīng)用的具體實(shí)例？A.利用杯芳烴分子篩進(jìn)行選擇性催化反應(yīng)B.設(shè)計(jì)基于主客體化學(xué)的多相催化體系，提高催化劑的活性和選擇性C.利用自組裝膜進(jìn)行手性催化分離D.金屬配合物催化的傳統(tǒng)有機(jī)反應(yīng)二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.超分子化學(xué)研究的核心在于利用______________和______________等分子間相互作用，構(gòu)筑具有特定結(jié)構(gòu)和功能的分子聚集體。2.主客體化學(xué)中，“客體”分子通常是指被______________分子識別和包結(jié)的分子或離子。3.杯[6]芳烴對直徑略小于其內(nèi)部空腔的線性分子如______________和______________具有高度的選擇性識別能力。4.氫鍵是自然界中廣泛存在的一種重要的______________，在超分子自組裝中起著關(guān)鍵的______________作用。5.超分子自組裝過程是一個(gè)自發(fā)進(jìn)行的過程，其驅(qū)動(dòng)力來自于系統(tǒng)自由能的______________。6.超分子凝膠根據(jù)其組成可分為______________凝膠和______________凝膠兩大類。7.利用超分子化學(xué)原理設(shè)計(jì)的光子晶體材料，可以通過調(diào)控其______________來實(shí)現(xiàn)對光傳播的控制，產(chǎn)生光子禁帶現(xiàn)象。8.在藥物遞送系統(tǒng)中，超分子載體可以保護(hù)藥物免受______________，并通過______________實(shí)現(xiàn)藥物的靶向遞送或控制釋放。9.分子識別是超分子化學(xué)的一個(gè)基本特征，它是指分子間基于______________和______________的特異性相互作用。10.超分子催化通常具有______________高、______________可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。三、簡答題（每題5分，共15分）1.簡述氫鍵在超分子化學(xué)中的作用及其重要性。2.請列舉三種不同類型的超分子聚集體，并簡述其基本結(jié)構(gòu)特征。3.簡要說明利用環(huán)糊精（CD）作為主體分子設(shè)計(jì)功能材料的基本思路。四、論述題（每題10分，共20分）1.論述超分子化學(xué)的“自下而上”設(shè)計(jì)理念在功能材料創(chuàng)造中的優(yōu)勢。2.選擇一種你熟悉的應(yīng)用超分子化學(xué)原理設(shè)計(jì)的材料（如MOFs、自組裝藥物載體、光子晶體等），闡述其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理及主要應(yīng)用領(lǐng)域。試卷答案一、選擇題1.B解析：超分子化學(xué)側(cè)重于非共價(jià)鍵相互作用和分子識別，大分子鏈的構(gòu)象與反應(yīng)更多屬于高分子化學(xué)或大分子化學(xué)的范疇。2.C解析：主體分子的核心特征是其識別位點(diǎn)，能夠通過非共價(jià)鍵選擇性結(jié)合特定客體分子。3.B解析：杯芳烴的獨(dú)特杯狀空腔結(jié)構(gòu)，結(jié)合上、下口尺寸的不匹配性和位阻效應(yīng)，使其對特定大小和形狀的客體分子具有高度選擇性。4.C解析：氫鍵相對較強(qiáng)的方向性和特異性，使其在自組裝過程中能夠形成有序的結(jié)構(gòu)單元和網(wǎng)絡(luò)，是主要的驅(qū)動(dòng)力之一。雖然范德華力普遍存在，但氫鍵的作用更關(guān)鍵。5.D解析：p-NP作為線性酚酞類分子，其形狀、大小與β-環(huán)糊精空腔匹配，且π電子體系能與CD環(huán)口芳香環(huán)發(fā)生π-π堆積，形成主客體包合物。6.C解析：超分子凝膠是通過分子間非共價(jià)鍵（或氫鍵）形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使液體散布其中而形成的凝膠。7.B解析：POFs通過設(shè)計(jì)簡單的有機(jī)單體，利用非共價(jià)鍵自組裝構(gòu)筑具有高度有序多孔結(jié)構(gòu)的材料，體現(xiàn)了自下而上的設(shè)計(jì)思想。8.B解析：超分子膠束等聚集體可以增加疏水性藥物在水中的溶解度，并可以通過調(diào)節(jié)膠束結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)藥物的靶向遞送和控釋。9.B解析：光子晶體的功能源于其周期性結(jié)構(gòu)對光波的布拉格散射效應(yīng)，導(dǎo)致特定波長的光被禁止傳播。10.D解析：選項(xiàng)A、B、C均是超分子化學(xué)在催化領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例，而選項(xiàng)D描述的是金屬配合物催化的傳統(tǒng)有機(jī)反應(yīng)，不屬于超分子催化的范疇。二、填空題1.非共價(jià)鍵相互作用；分子識別解析：超分子化學(xué)利用非共價(jià)鍵（如氫鍵、π-π、范德華力等）作為驅(qū)動(dòng)力，通過分子識別作用構(gòu)筑聚集體。2.主體解析：在主客體化學(xué)模型中，主體分子是識別和結(jié)合客體分子的單元。3.苯酚；萘解析：苯酚和萘的分子大小和形狀與杯[6]芳烴的空腔較為匹配，是其典型的識別客體。4.氫鍵；驅(qū)動(dòng)解析：氫鍵是一種重要的分子間作用力，在超分子自組裝中起著關(guān)鍵的驅(qū)動(dòng)形成有序結(jié)構(gòu)的作用。5.降低解析：自組裝是熱力學(xué)自發(fā)過程，系統(tǒng)傾向于向自由能更低的狀態(tài)演化。6.水溶性聚合物；有機(jī)溶劑可溶聚合物解析：根據(jù)分散介質(zhì)的不同，超分子凝膠可分為水凝膠和溶劑凝膠。7.周期性結(jié)構(gòu)（或介電常數(shù)分布）解析：光子晶體的功能依賴于其周期性變化的介電常數(shù)分布對光波的影響。8.降解；靶向解析：超分子載體可以保護(hù)藥物免受生理環(huán)境（如酸堿、酶）的降解，并實(shí)現(xiàn)向特定部位或細(xì)胞的靶向遞送。9.化學(xué)結(jié)構(gòu)；空間構(gòu)型解析：分子識別基于分子間化學(xué)結(jié)構(gòu)互補(bǔ)性和空間構(gòu)型匹配的特異性相互作用。10.選擇性；可調(diào)解析：超分子催化通常具有對反應(yīng)底物和條件具有選擇性，且其性能（如活性、選擇性）可以通過調(diào)節(jié)超分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控。三、簡答題1.氫鍵是一種相對較強(qiáng)的分子間作用力，具有方向性和飽和性。在超分子化學(xué)中，氫鍵可以作為主要的驅(qū)動(dòng)力，引導(dǎo)分子或離子有序排列，形成超分子聚集體（如聚集體、超分子凝膠、組裝膜等）。同時(shí)，氫鍵網(wǎng)絡(luò)可以穩(wěn)定超分子結(jié)構(gòu)，決定其物理化學(xué)性質(zhì)（如溶解度、相變行為等），并且其形成和斷裂相對容易，使得超分子體系具有動(dòng)態(tài)平衡和可逆性，這對于功能材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用至關(guān)重要。2.常見的超分子聚集體類型包括：*膠束：由表面活性劑分子在特定濃度以上自組裝形成的大分子膠體粒子，通常具有核-殼結(jié)構(gòu)（疏水核心，親水外殼）。*囊泡：由兩親分子（如磷脂、表面活性劑）在水溶液中自組裝形成的單分子層或多層膜封閉的球狀腔體。*超分子凝膠：由小分子或大分子通過分子間作用力自組裝形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中分散有液體（水或有機(jī)溶劑）。這些聚集體具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征，如核心-殼結(jié)構(gòu)、封閉腔體、三維網(wǎng)絡(luò)等，并表現(xiàn)出相應(yīng)的功能。3.利用環(huán)糊精（CD）設(shè)計(jì)功能材料的基本思路是：利用CD分子桶狀空腔的特定尺寸、形狀、環(huán)境（疏水內(nèi)核，外腔親水）以及上、下口的大小差異和位阻效應(yīng)，作為“主體”分子，選擇合適的“客體”分子（如藥物、染料、催化劑等），通過主客體識別作用，將客體分子包結(jié)進(jìn)入CD空腔內(nèi)。通過這種包結(jié)作用，可以實(shí)現(xiàn)對客體分子的保護(hù)、增加溶解度、控制釋放速率、改變其化學(xué)反應(yīng)性或光學(xué)性質(zhì)等。此外，還可以利用CD的內(nèi)外腔不同環(huán)境，設(shè)計(jì)具有多層結(jié)構(gòu)或復(fù)雜功能的超分子體系。四、論述題1.超分子化學(xué)的“自下而上”設(shè)計(jì)理念，是指從簡單的分子或原子單元出發(fā)，利用分子間非共價(jià)鍵的特異性相互作用，通過自組裝過程，構(gòu)建具有特定結(jié)構(gòu)和功能的復(fù)雜聚集體或材料。這種理念的優(yōu)勢在于：*模塊化和可設(shè)計(jì)性：設(shè)計(jì)者可以像搭積木一樣，選擇具有特定識別能力和結(jié)構(gòu)的分子單元，通過調(diào)控單元間的相互作用強(qiáng)度和方式，來精確設(shè)計(jì)聚集體的大小、形狀、結(jié)構(gòu)和功能。*利用生物相容性：許多超分子體系（如基于氫鍵、π-π作用的自組裝）具有良好的生物相容性，易于與生物體系相互作用，為生物醫(yī)學(xué)材料的設(shè)計(jì)提供了便利。*動(dòng)態(tài)性和可逆性：非共價(jià)鍵相對較弱的特性使得超分子結(jié)構(gòu)具有動(dòng)態(tài)平衡和可逆性，聚集體可以在一定條件下組裝或解組裝，這對于需要響應(yīng)外界刺激（如光、pH、溫度）的功能材料（如智能藥物載體、開關(guān)材料）至關(guān)重要。*制備方法相對簡單：自組裝過程通常在溫和的條件下（常溫常壓、水或生理溶劑）即可發(fā)生，不需要復(fù)雜的條件或昂貴的設(shè)備，降低了制備成本。*創(chuàng)造新結(jié)構(gòu)和新功能：自下而上的方法能夠創(chuàng)造出自然界中不存在的、具有新穎拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和奇特物理化學(xué)性質(zhì)的材料，為發(fā)現(xiàn)和開發(fā)新型功能材料開辟了廣闊的道路。2.選擇實(shí)例：金屬有機(jī)框架（MOFs）*結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：MOFs是由金屬離子或團(tuán)簇（節(jié)點(diǎn)）與有機(jī)配體（鏈接體）通過配位鍵自組裝形成的具有周期性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的晶態(tài)多孔材料。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)包括：極高的比表面積和孔隙率、可調(diào)的孔道尺寸和化學(xué)環(huán)境（通過選擇不同的金屬節(jié)點(diǎn)和有機(jī)配體）、結(jié)構(gòu)多樣性（拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、孔道形態(tài)等）。*工作原理：MOFs的功能主要源于其高度有序且可設(shè)計(jì)的孔道結(jié)構(gòu)。金屬節(jié)點(diǎn)和有機(jī)配體構(gòu)成的框架形成了連續(xù)的孔道或籠狀結(jié)構(gòu)，這些孔道內(nèi)表面具有豐富的活性位點(diǎn)（金屬節(jié)點(diǎn)、配體官能團(tuán)）和獨(dú)特的化學(xué)環(huán)境（如極性、酸性、氧化還原活性）。當(dāng)客體分子（如氣體、液體、離子）進(jìn)入MOFs的孔道內(nèi)時(shí)，它們可以與MOFs的活性位點(diǎn)或孔道環(huán)境發(fā)生相互作用（如吸附、催化、傳感、光物理效應(yīng)等），從而實(shí)現(xiàn)特定的功能。*主要應(yīng)用領(lǐng)域：MOFs在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，主要包括：*氣體儲(chǔ)存與分離：利用MOFs的高孔隙率和