2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化與材料性能控制考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在括號(hào)內(nèi)）1.下列哪種分子構(gòu)型是基于價(jià)層電子對(duì)互斥理論（VSEPR）預(yù)測(cè)的？()A.正四面體B.直線型C.平面三角形D.八面體2.分子極性主要取決于以下哪個(gè)因素？()A.分子形狀B.原子種類(lèi)C.鍵的極性D.以上都是3.在有機(jī)分子中，引入吸電子基團(tuán)通常會(huì)導(dǎo)致()。A.共軛體系增強(qiáng)B.分子平面性增加C.對(duì)映異構(gòu)體數(shù)量增加D.以上都是4.密度泛函理論（DFT）在分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化中最常使用的交換關(guān)聯(lián)泛函類(lèi)型是？()A.Lennard-Jones勢(shì)B.Morse勢(shì)C.Hooke勢(shì)D.廣義梯度近似（GGA）5.對(duì)于設(shè)計(jì)具有高氣體吸附性能的分子篩材料，以下哪個(gè)結(jié)構(gòu)特征最為重要？()A.高對(duì)稱(chēng)性B.大的比表面積和孔道結(jié)構(gòu)C.高柔性D.高結(jié)晶度6.分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（ICT）發(fā)光材料通常具有的特點(diǎn)是？()A.強(qiáng)吸電子發(fā)色團(tuán)和給電子發(fā)色團(tuán)B.完全共軛體系C.非平面結(jié)構(gòu)D.高分子量7.提高聚合物材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）通?？梢酝ㄟ^(guò)哪種方式實(shí)現(xiàn)？()A.增加鏈段運(yùn)動(dòng)能力B.減小鏈段運(yùn)動(dòng)能力（如引入剛硬基團(tuán)、增加分子量）C.增加鏈間作用力D.B和C8.設(shè)計(jì)具有良好導(dǎo)電性的有機(jī)半導(dǎo)體材料，以下哪個(gè)結(jié)構(gòu)特征較為關(guān)鍵？()A.孤立的雙鍵體系B.寬的能帶隙C.良好的π電子離域D.高極性官能團(tuán)9.下列哪種方法不屬于典型的分子實(shí)驗(yàn)合成策略？()A.偶聯(lián)反應(yīng)B.去飽和反應(yīng)C.分子對(duì)接D.溶劑萃取10.催化劑活性位點(diǎn)的設(shè)計(jì)通常需要考慮以下哪個(gè)因素？()A.位點(diǎn)的電子結(jié)構(gòu)B.位點(diǎn)的幾何構(gòu)型C.位點(diǎn)的酸堿性D.以上都是二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.分子間作用力包括______、______和______。2.分子手性是指分子與其鏡像不能______的性質(zhì)。3.分子力學(xué)（MM）方法主要通過(guò)______來(lái)近似描述原子間的相互作用。4.影響分子光學(xué)活性的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)因素是______。5.設(shè)計(jì)具有特定熱穩(wěn)定性的材料，通常需要關(guān)注分子的______和______。6.高通量分子設(shè)計(jì)通常結(jié)合了______計(jì)算與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。7.聚合物材料的力學(xué)性能與其分子量、______和______密切相關(guān)。8.設(shè)計(jì)氣體分離膜時(shí)，需要平衡______和______之間的關(guān)系。9.分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與材料的______性能密切相關(guān)。10.從分子設(shè)計(jì)角度調(diào)控材料性能，本質(zhì)上是調(diào)控分子的______與______之間的內(nèi)在聯(lián)系。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述雜化軌道理論對(duì)sp3、sp2、sp雜化軌道及其對(duì)應(yīng)分子構(gòu)型的解釋。2.解釋什么是分子內(nèi)氫鍵，并說(shuō)明其對(duì)分子構(gòu)象和性質(zhì)可能產(chǎn)生的影響。3.簡(jiǎn)要比較密度泛函理論（DFT）與分子力學(xué)（MM）方法在分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算中的主要區(qū)別和適用場(chǎng)景。4.闡述共軛效應(yīng)在影響有機(jī)分子紫外-可見(jiàn)吸收光譜方面的作用機(jī)制。四、計(jì)算題（共10分）假設(shè)一個(gè)簡(jiǎn)單的線性分子A-B-C，其中A-B鍵長(zhǎng)為1.5?，B-C鍵長(zhǎng)為1.6?，A、B、C原子質(zhì)量分別為12amu、10amu、14amu。請(qǐng)估算該分子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（以kg·m2為單位），并說(shuō)明轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大小與分子轉(zhuǎn)動(dòng)難易程度的關(guān)系。（提示：可近似看作三個(gè)質(zhì)點(diǎn)在一直線上）五、論述題（共30分）以設(shè)計(jì)一種用于有機(jī)光致發(fā)光器件的給體（Donor）材料為例，結(jié)合分子結(jié)構(gòu)與性能控制的基本原理，論述在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)因素有哪些？這些因素如何影響材料的電子能級(jí)（如HOMO、LUMO）、光吸收和光發(fā)射特性？請(qǐng)闡述結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，并說(shuō)明如何通過(guò)調(diào)整分子結(jié)構(gòu)來(lái)優(yōu)化其發(fā)光性能（如提高發(fā)光效率、調(diào)節(jié)發(fā)光顏色）。試卷答案一、選擇題1.A2.D3.D4.D5.B6.A7.D8.C9.C10.D二、填空題1.取向力，誘導(dǎo)力，色散力2.重合3.勢(shì)能面4.手性中心（或手性軸、手性面）5.熱穩(wěn)定性，反應(yīng)活性（或化學(xué)鍵能）6.計(jì)算化學(xué)7.分子間作用力，結(jié)晶度8.選擇性，滲透性（或分離效率，通量）9.電學(xué)（或?qū)щ娦裕雽?dǎo)體）10.結(jié)構(gòu)，性能三、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述雜化軌道理論對(duì)sp3、sp2、sp雜化軌道及其對(duì)應(yīng)分子構(gòu)型的解釋。解析思路：sp3雜化由一個(gè)s軌道和三個(gè)p軌道混合形成四個(gè)等性sp3雜化軌道，呈正四面體分布，鍵角約109.5°，如CH4。sp2雜化由一個(gè)s軌道和兩個(gè)p軌道混合形成三個(gè)等性sp2雜化軌道，呈平面三角形分布，鍵角約120°，剩下一個(gè)p軌道垂直于平面，形成π鍵，如C2H4。sp雜化由一個(gè)s軌道和一個(gè)p軌道混合形成兩個(gè)等性sp雜化軌道，呈直線分布，鍵角180°，剩下兩個(gè)p軌道垂直于直線，可形成π鍵，如C2H2。2.解釋什么是分子內(nèi)氫鍵，并說(shuō)明其對(duì)分子構(gòu)象和性質(zhì)可能產(chǎn)生的影響。解析思路：分子內(nèi)氫鍵是指分子內(nèi)部一個(gè)氫原子同時(shí)與兩個(gè)電負(fù)性強(qiáng)的原子（通常為O、N、F）形成的氫鍵。其影響包括：限制或固定分子的構(gòu)象，提高分子的穩(wěn)定性，影響分子的溶解度，改變分子的光譜性質(zhì)（如紫外吸收、熒光發(fā)射），甚至影響分子的生物活性。3.簡(jiǎn)要比較密度泛函理論（DFT）與分子力學(xué)（MM）方法在分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算中的主要區(qū)別和適用場(chǎng)景。解析思路：主要區(qū)別在于計(jì)算原理和精度。DFT是基于量子力學(xué)原理，通過(guò)求解電子密度泛函來(lái)獲得系統(tǒng)能量，能更準(zhǔn)確地描述電子結(jié)構(gòu)相關(guān)性質(zhì)，但計(jì)算成本較高，對(duì)計(jì)算精度要求高。MM是經(jīng)典力學(xué)方法，通過(guò)力場(chǎng)參數(shù)描述原子間相互作用，計(jì)算速度快，易于處理大體系，但對(duì)電子結(jié)構(gòu)描述不準(zhǔn)確。DFT適用于需要精確電子結(jié)構(gòu)信息、小體系或?qū)纫蟾叩难芯?；MM適用于需要快速計(jì)算、處理大分子或模擬動(dòng)態(tài)過(guò)程的研究。4.闡述共軛效應(yīng)在影響有機(jī)分子紫外-可見(jiàn)吸收光譜方面的作用機(jī)制。解析思路：共軛效應(yīng)是指π電子在多個(gè)相鄰雙鍵（或孤對(duì)電子）間離域的現(xiàn)象。共軛體系的形成會(huì)降低體系的整體能級(jí)，使得最高占據(jù)分子軌道（HOMO）和最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）之間的能隙減小。能隙減小意味著吸收光子的能量降低，即吸收光譜發(fā)生紅移（吸收波長(zhǎng)變長(zhǎng)）。共軛鏈越長(zhǎng)，離域范圍越廣，能隙越小，紅移越明顯，吸收波長(zhǎng)越長(zhǎng)。四、計(jì)算題估算該分子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（以kg·m2為單位），并說(shuō)明轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大小與分子轉(zhuǎn)動(dòng)難易程度的關(guān)系。（提示：可近似看作三個(gè)質(zhì)點(diǎn)在一直線上）解析思路：對(duì)于線性分子，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I=Σ(m_i*r_i^2)，其中m_i是第i個(gè)原子的質(zhì)量，r_i是第i個(gè)原子到轉(zhuǎn)軸（取過(guò)質(zhì)心的x軸）的距離。質(zhì)心位置x_cm=(m_A*x_A+m_B*x_B+m_C*x_C)/(m_A+m_B+m_C)。假設(shè)轉(zhuǎn)軸過(guò)質(zhì)心且與B原子位置重合，則x_A=-d_A，x_C=d_C，其中d_A是A到B的距離，d_C是C到B的距離。m_A=12u,m_B=10u,m_C=14u。u是原子質(zhì)量單位，u=1.66053906660×10^-27kg。1?=10^-10m。I=m_A*(-d_A)^2+m_C*d_C^2。d_A=1.5?=1.5×10^-10m。由于B是質(zhì)心，m_A*(-d_A)+m_C*d_C=0=>m_A*d_A=m_C*d_C=>12*(-1.5×10^-10)=14*d_C=>d_C=-12/(14*1.5)*1.5×10^-10=-1.2/21*1.5×10^-10=-0.0857×10^-10m。注意d_C為負(fù)值表示C在B的左側(cè)。I=12*(1.5×10^-10)^2+14*(-0.0857×10^-10)^2=12*2.25×10^-20+14*0.0073×10^-20=27.0×10^-20+0.102×10^-20=27.102×10^-20kg·m2。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，分子轉(zhuǎn)動(dòng)所需的能量越高，轉(zhuǎn)動(dòng)越困難。答案：I≈27.1×10^-23kg·m2（注意單位轉(zhuǎn)換：1u=1.66053906660×10^-27kg，更精確計(jì)算結(jié)果應(yīng)為27.102×10^-27/(6.022×10^23)≈4.50×10^-40kg·m2，但按題目提示近似處理，此處結(jié)果可能因近似和單位理解有差異，關(guān)鍵在于理解I與轉(zhuǎn)動(dòng)難易的關(guān)系）五、論述題以設(shè)計(jì)一種用于有機(jī)光致發(fā)光器件的給體（Donor）材料為例，結(jié)合分子結(jié)構(gòu)與性能控制的基本原理，論述在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)因素有哪些？這些因素如何影響材料的電子能級(jí)（如HOMO、LUMO）、光吸收和光發(fā)射特性？請(qǐng)闡述結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，并說(shuō)明如何通過(guò)調(diào)整分子結(jié)構(gòu)來(lái)優(yōu)化其發(fā)光性能（如提高發(fā)光效率、調(diào)節(jié)發(fā)光顏色）。解析思路：設(shè)計(jì)有機(jī)光致發(fā)光器件的給體材料時(shí)，需要精細(xì)調(diào)控其分子結(jié)構(gòu)以控制其電子能級(jí)、光吸收和光發(fā)射特性。1.關(guān)鍵結(jié)構(gòu)因素：*共軛結(jié)構(gòu)：共軛體系的長(zhǎng)度和extent對(duì)HOMO-LUMO能隙有決定性影響。較長(zhǎng)的共軛鏈通常導(dǎo)致能隙減小，吸收和發(fā)射波長(zhǎng)紅移。但過(guò)長(zhǎng)的共軛也可能導(dǎo)致效率降低（如激發(fā)態(tài)分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移）。*給電子基團(tuán)（D）：位于共軛體系的一端，用于提供電子，降低HOMO能級(jí)?；鶊F(tuán)的大小、電子云分布會(huì)影響HOMO能級(jí)位置和斯托克斯位移（發(fā)射波長(zhǎng)與吸收波長(zhǎng)之差）。常用的有OMe,NMe2,F,Cl等。*吸電子基團(tuán)（A）：位于共軛體系的一端或內(nèi)部，用于抽取電子，提高LUMO能級(jí)。基團(tuán)的吸電子能力（如鹵素、氰基、酯基、三氟甲基等）影響LUMO能級(jí)位置，進(jìn)而影響能隙和吸收/發(fā)射波長(zhǎng)。同時(shí)，強(qiáng)吸電子基團(tuán)也可能引起激子解離，有利于產(chǎn)生空穴和電子，提高器件開(kāi)路電壓。*分子剛性：分子骨架的剛性（如通過(guò)苯環(huán)稠合、雜環(huán)引入）可以限制分子的內(nèi)旋轉(zhuǎn)，有助于形成穩(wěn)定的激基復(fù)合物（FMO），從而提高器件的效率和壽命。*能級(jí)調(diào)控單元：可以引入特定的基團(tuán)或結(jié)構(gòu)單元，如推拉電子基、非共平面結(jié)構(gòu)單元，來(lái)精確調(diào)控HOMO和LUMO能級(jí)，以匹配器件的其他層（如空穴傳輸層、電子傳輸層）的能級(jí)。*堆積和結(jié)晶性：分子間的相互作用和結(jié)晶形態(tài)會(huì)影響激子的形成和遷移。良好的π-π堆積有利于激子形成和遷移，從而提高器件效率和亮度。但過(guò)強(qiáng)的堆積可能導(dǎo)致分子間電荷轉(zhuǎn)移，降低效率。2.結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系：*電子能級(jí)（HOMO/LUMO）：共軛長(zhǎng)度和extent決定基態(tài)能級(jí)差；給電子基團(tuán)降低HOMO；吸電子基團(tuán)提高LUMO。能級(jí)差決定了材料的吸收和發(fā)射波長(zhǎng)。HOMO和LUMO的位置也決定了材料與電極的費(fèi)米能級(jí)匹配程度，影響電荷注入效率。*光吸收特性：主要由HOMO-LUMO能隙決定。能隙越小，吸收波長(zhǎng)越長(zhǎng)（紅移）。*光發(fā)射特性：發(fā)射波長(zhǎng)通常比吸收波長(zhǎng)長(zhǎng)（斯托克斯位移）。發(fā)射波長(zhǎng)主要由LUMO向較低能量態(tài)（如單線態(tài)）躍遷決定。通過(guò)調(diào)整給電子和吸電子基團(tuán)可以改變斯托克斯位移，實(shí)現(xiàn)顏色調(diào)節(jié)。發(fā)射效率與激子形成、復(fù)合過(guò)程以及非輻射