2025年大學(xué)《化學(xué)》專業(yè)題庫——超分子材料的設(shè)計(jì)與合成考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。下列每小題給出的四個(gè)選項(xiàng)中，只有一項(xiàng)是符合題目要求的。請將正確選項(xiàng)的字母填在答題卡相應(yīng)位置。）1.下列關(guān)于超分子化學(xué)的描述，錯(cuò)誤的是A.超分子化學(xué)研究的是分子與分子之間的相互作用形成的聚集體B.超分子體系主要依靠共價(jià)鍵相互作用來構(gòu)建C.超分子化學(xué)強(qiáng)調(diào)分子識別和自組裝的概念D.超分子化學(xué)是分子化學(xué)的延伸，關(guān)注相對分子質(zhì)量更大的體系2.在超分子體系中，下列哪種相互作用通常被認(rèn)為是較弱的？A.氫鍵B.離子鍵C.π-π堆積D.金屬配位鍵3.基于氫鍵自組裝形成柱狀結(jié)構(gòu)時(shí)，通常需要分子中存在A.多個(gè)遠(yuǎn)離彼此的氫鍵供體和受體B.親脂性基團(tuán)以促進(jìn)堆積C.氫鍵供體和受體在空間上相互靠近且取向有序D.強(qiáng)的范德華力作為主要驅(qū)動力4.蒸發(fā)誘導(dǎo)自組裝（EISA）技術(shù)中，溶劑揮發(fā)的主要作用是A.降低體系的熵，促使分子聚集B.增加體系的焓，破壞分子間作用力C.提供能量，驅(qū)動分子快速運(yùn)動D.改變?nèi)芤旱臉O性，增強(qiáng)分子間作用力5.輪烷和繩烷的主要區(qū)別在于A.輪烷由環(huán)狀分子和軸狀分子通過靜態(tài)連接組成，而繩烷沒有靜態(tài)連接B.輪烷的環(huán)分子可以自由旋轉(zhuǎn)，而繩烷的環(huán)分子被鏈分子“束縛”在特定位置C.輪烷主要通過氫鍵連接，而繩烷主要通過金屬配位連接D.輪烷具有宏觀可見的超分子結(jié)構(gòu)，而繩烷僅存在于分子水平6.多酸（Polyoxometalates,POMs）基超分子材料的設(shè)計(jì)利用了多酸結(jié)構(gòu)的A.離子交換能力B.共價(jià)鍵網(wǎng)絡(luò)C.特殊的分子識別位點(diǎn)D.易于斷裂的非共價(jià)鍵7.在設(shè)計(jì)具有傳感功能的超分子材料時(shí)，通常需要考慮A.材料的熱穩(wěn)定性B.材料對目標(biāo)物具有高選擇性的識別能力C.材料的機(jī)械強(qiáng)度D.材料的成本效益8.下列哪項(xiàng)技術(shù)不屬于超分子材料的合成或自組裝方法？A.模板法B.噴墨打印技術(shù)C.溶劑揮發(fā)誘導(dǎo)自組裝D.外場控制自組裝9.π-π堆積作用在超分子材料設(shè)計(jì)中主要貢獻(xiàn)于A.形成一維柱狀或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)B.提供分子間的靜態(tài)識別C.增強(qiáng)材料的熒光特性D.實(shí)現(xiàn)分子的宏觀運(yùn)動10.超分子材料的“智能性”通常體現(xiàn)在其能夠A.在外界刺激下發(fā)生可逆的結(jié)構(gòu)或性能變化B.具有極高的機(jī)械強(qiáng)度C.長期穩(wěn)定存在D.對特定物質(zhì)具有極高的親和力二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填寫在答題卡相應(yīng)位置。）1.超分子化學(xué)的核心概念是________和________。2.除了氫鍵，常見的非共價(jià)鍵相互作用還包括________、________和金屬配位鍵。3.基于金屬配位作用構(gòu)筑的超分子籠，其結(jié)構(gòu)單元通常是________。4.自組裝過程通常伴隨著________的增加和________的降低。5.包結(jié)超分子體系（如輪烷）中，限域在環(huán)腔內(nèi)的分子或離子被稱為________，而提供空腔的分子被稱為________。6.設(shè)計(jì)超分子材料時(shí)，需要根據(jù)目標(biāo)功能選擇合適的________和________。7.主客體化學(xué)是利用________與________之間的相互作用來實(shí)現(xiàn)分子識別和功能化的策略。8.多酸基超分子材料的設(shè)計(jì)常常利用其獨(dú)特的________和________。9.超分子材料在藥物遞送領(lǐng)域的應(yīng)用，很大程度上依賴于其________能力。10.基于靜電相互作用的超分子自組裝對________和________敏感。三、名詞解釋（每小題3分，共15分。請將答案填寫在答題卡相應(yīng)位置。）1.分子識別2.自組裝3.卡賓鍵4.虛輪烷5.光致變色四、簡答題（每小題5分，共20分。請將答案填寫在答題卡相應(yīng)位置。）1.簡述氫鍵與共價(jià)鍵在形成方式和強(qiáng)度上的主要區(qū)別。2.比較π-π堆積和氫鍵在驅(qū)動超分子自組裝時(shí)的作用力的差異。3.簡述利用模板法合成超分子材料的基本原理。4.簡述超分子材料在催化領(lǐng)域可能展現(xiàn)的優(yōu)勢。五、論述題（每小題10分，共20分。請將答案填寫在答題卡相應(yīng)位置。）1.以基于氫鍵的自組裝為例，詳細(xì)闡述影響超分子柱狀、層狀或囊泡等不同維度結(jié)構(gòu)形成的因素。2.選擇一種你熟悉的具體超分子材料（如輪烷、多酸基材料或某種自修復(fù)材料），分析其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、設(shè)計(jì)合成思路、關(guān)鍵作用力以及至少兩個(gè)潛在的應(yīng)用方向。試卷答案一、選擇題1.B2.B3.C4.A5.B6.C7.B8.B9.A10.A二、填空題1.分子識別，自組裝2.范德華力，π-π堆積，靜電相互作用3.金屬有機(jī)框架（MOF）節(jié)點(diǎn)或多酸陰離子4.熵，焓5.客體，主體6.結(jié)構(gòu)單元，作用力類型7.客體，主體8.空間結(jié)構(gòu)，功能位點(diǎn)9.識別和控釋10.pH，離子強(qiáng)度三、名詞解釋1.分子識別：指分子與分子之間通過非共價(jià)鍵相互作用，選擇性地結(jié)合形成特定結(jié)構(gòu)或復(fù)合物的能力，強(qiáng)調(diào)結(jié)合的專一性。2.自組裝：指分子或納米單元無需外部干預(yù)，通過自身非共價(jià)鍵相互作用，自發(fā)地聚集形成有序或無序聚集體（超分子）的過程。3.卡賓鍵：指含有divalent碳原子并帶有兩個(gè)等價(jià)孤對電子的活性中間體或穩(wěn)定結(jié)構(gòu)單元，能與其他分子通過配位作用形成超分子體系。4.虛輪烷：指由一個(gè)環(huán)狀分子和兩個(gè)或多個(gè)通過動態(tài)平衡（輪軸旋轉(zhuǎn)）與軸分子結(jié)合形成的類似輪烷但結(jié)構(gòu)不完全固定的超分子體系。5.光致變色：指某些超分子材料在吸收特定波長光后，其分子結(jié)構(gòu)或電子狀態(tài)發(fā)生可逆變化，導(dǎo)致顏色發(fā)生改變的現(xiàn)象。四、簡答題1.氫鍵是由一個(gè)分子中電負(fù)性強(qiáng)的原子（如O、N）上的孤對電子與另一個(gè)分子中電負(fù)性強(qiáng)的原子（如O、N、F）與氫原子之間的相互作用形成的。其形成依賴于分子間的特定取向和原子電負(fù)性，強(qiáng)度介于范德華力和共價(jià)鍵之間（約5-10kJ/mol）。共價(jià)鍵是原子間通過電子共享形成的化學(xué)鍵，鍵能較高（通常>150kJ/mol），是分子內(nèi)化學(xué)連接的主要方式，且原子間距離固定，無相對旋轉(zhuǎn)自由度。2.π-π堆積主要源于苯環(huán)等共軛體系平面間通過范德華力（包括倫敦色散力和偶極-偶極相互作用）的相互吸引，形成一維線性或二維層狀結(jié)構(gòu)，驅(qū)動力相對較弱（幾kJ/mol）。氫鍵則是一種相對較強(qiáng)的定向作用力（約5-10kJ/mol），由氫原子與電負(fù)性強(qiáng)的原子（O、N、F）之間形成，不僅強(qiáng)度大于π-π堆積，且具有方向性和飽和性，能構(gòu)建更復(fù)雜和有序的三維結(jié)構(gòu)。3.模板法合成超分子材料的原理是利用一個(gè)具有特定空腔、孔道或表面結(jié)構(gòu)的“模板”分子或體系（如沸石、分子印跡聚合物、膠體粒子、納米孔道等），引導(dǎo)或限制目標(biāo)分子（客體）的組裝過程，使其在模板的預(yù)定位置或構(gòu)型中形成有序的超分子結(jié)構(gòu)。模板分子與客體分子間通過非共價(jià)鍵相互作用，模板的去除后得到目標(biāo)超分子材料。4.超分子材料在催化領(lǐng)域可能展現(xiàn)的優(yōu)勢包括：①設(shè)計(jì)靈活，可通過調(diào)控結(jié)構(gòu)單元和作用力類型實(shí)現(xiàn)催化活性和選擇性；②可形成多相催化體系，易于分離回收；③具有可調(diào)的孔道結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)，有利于反應(yīng)物吸附和擴(kuò)散；④可通過外界刺激（如光、電、pH）調(diào)控催化活性，實(shí)現(xiàn)智能催化。五、論述題1.基于氫鍵的自組裝形成不同維度的結(jié)構(gòu)主要受以下因素影響：①分子設(shè)計(jì)：分子中氫鍵供體（如-OH,-NH?）和受體（如-O,=N）的數(shù)量、位置和空間取向?qū)滏I網(wǎng)絡(luò)的連接方式和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有決定性影響。例如，兩端為氫鍵供體的分子易形成鏈狀或柱狀結(jié)構(gòu)，兩端為受體的分子易形成層狀結(jié)構(gòu)。②相對分子量：相對分子量影響體系的熵，較大的分子可能傾向于形成更緊密、低熵的結(jié)構(gòu)。③溶劑效應(yīng)：極性溶劑（如水）有利于促進(jìn)氫鍵形成，影響自組裝的驅(qū)動力和結(jié)構(gòu)；非極性溶劑則抑制氫鍵，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變化或溶解。④溫度：溫度影響分子熱運(yùn)動和氫鍵平衡，升高溫度可能破壞有序氫鍵網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)解聚或轉(zhuǎn)變。⑤外部刺激：電場、磁場、pH變化或特定客體分子結(jié)合可能改變氫鍵強(qiáng)度或取向，調(diào)控自組裝結(jié)構(gòu)。2.（示例：選擇輪烷）*結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：輪烷由一個(gè)環(huán)狀分子（桶狀分子或杯狀分子，如杯芳烴）和一個(gè)或多個(gè)通過動態(tài)平衡（輪軸旋轉(zhuǎn)）連接在環(huán)腔內(nèi)的軸狀分子（如偶氮苯分子、銨鹽陽離子）組成，主體與客體之間主要通過氫鍵、π-π相互作用或靜電作用連接。*設(shè)計(jì)合成思路：通常利用分子設(shè)計(jì)策略，選擇具有合適空腔大小和識別位點(diǎn)的環(huán)狀分子，以及具有動態(tài)響應(yīng)基團(tuán)（如偶氮苯）或特定識別位點(diǎn)（如銨鹽）的軸狀分子。通過篩選合適的溶劑系統(tǒng)和自組裝條件（如溫度、溶劑極性），使主體與客體在動態(tài)平衡中形成穩(wěn)定的輪烷復(fù)合物。合成過程常涉及主體分子的溶解、客體分子的引入以及自組裝時(shí)間的控制。*關(guān)鍵作用力：輪烷的形成依賴于主體環(huán)狀分子與客體分子之間的非共價(jià)鍵相互作用，主要包括氫鍵、偶極-偶極相互作用、π-π堆積和/或靜電作用。這些作用力的平衡和動態(tài)性是輪烷可逆性的關(guān)鍵。*應(yīng)用方向1：光致變色與分子開關(guān)：利用輪烷中包含的偶氮苯等光致變色基團(tuán)