2025年大學(xué)《資源化學(xué)》專業(yè)題庫——金屬有機化學(xué)在資源化學(xué)中的應(yīng)用前景考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每小題4分，共20分）1.金屬卡賓配合物2.格氏反應(yīng)3.烯烴復(fù)分解反應(yīng)4.C-H鍵活化5.前驅(qū)體化學(xué)二、簡答題（每小題8分，共40分）1.簡述格氏試劑的結(jié)構(gòu)特點及其在有機合成中的一種主要應(yīng)用。2.闡述金屬有機化學(xué)在合成具有特殊孔道結(jié)構(gòu)或多功能材料方面所起的作用。3.舉例說明金屬有機化學(xué)在活化轉(zhuǎn)化CO?制備化學(xué)品方面的應(yīng)用原理。4.比較均相催化和非均相催化的特點，并說明金屬有機化學(xué)如何促進(jìn)高效均相催化體系的構(gòu)建。5.簡述在資源化學(xué)領(lǐng)域，開發(fā)綠色、可持續(xù)金屬有機催化體系面臨的主要挑戰(zhàn)。三、論述題（每小題20分，共40分）1.詳細(xì)論述金屬有機化學(xué)在電催化水分解制氫方面的應(yīng)用前景，包括關(guān)鍵的催化反應(yīng)歷程、有代表性的金屬有機催化劑設(shè)計策略以及目前存在的問題和未來的發(fā)展方向。2.以某一具體的資源轉(zhuǎn)化過程（如烷烴選擇性氧化、生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化等）為例，深入分析金屬有機化學(xué)在其中扮演的角色，探討其獨特的優(yōu)勢以及如何克服相關(guān)的科學(xué)和技術(shù)挑戰(zhàn)，以實現(xiàn)高效的資源利用和環(huán)境治理。試卷答案一、名詞解釋1.金屬卡賓配合物：指中心金屬原子與一個碳-碳雙鍵或類雙鍵（卡賓）配位的化合物。卡賓是一個由兩個相鄰碳原子共享兩個價電子形成的缺電子等電子體，其碳原子具有sp2雜化軌道。這類配合物通常具有高反應(yīng)活性，在有機合成中可用于碳-碳鍵的形成。**解析思路：*定義核心物質(zhì)，說明其結(jié)構(gòu)特征（金屬與卡賓配位），點明卡賓的性質(zhì)（缺電子、sp2雜化、高活性），并指出其在有機合成中的主要功能（碳-碳鍵形成）。2.格氏反應(yīng)：指有機鎂試劑（格氏試劑，R-Mg-X，其中R是有機基團(tuán)，X是鹵素或羥基等）與羰基化合物（醛、酮）反應(yīng)，生成醛醇或酮的有機鎂中間體，該中間體通常用酸或水水解得到最終產(chǎn)物的反應(yīng)。這是最重要、最常用的有機金屬反應(yīng)之一，是形成碳-碳鍵的有力工具。**解析思路：*點明反應(yīng)名稱和基本形式，說明反應(yīng)物（格氏試劑、羰基化合物），指出反應(yīng)過程（與羰基加成），說明最終產(chǎn)物（醛醇或酮）的獲得方式（水解），并強調(diào)其重要性（碳-碳鍵形成，常用工具）。3.烯烴復(fù)分解反應(yīng)：指兩個分子中的雙鍵（或三鍵）斷裂，并交換雙鍵碳原子上的基團(tuán)，生成兩個新的烯烴分子的反應(yīng)。該反應(yīng)由Grubbs等科學(xué)家發(fā)展，利用金屬有機催化劑（如基于茂金屬或第VIII族金屬的催化劑）即可高效進(jìn)行，是碳-碳鍵偶聯(lián)反應(yīng)的有力手段。**解析思路：*定義反應(yīng)名稱，描述核心過程（雙鍵斷裂、基團(tuán)交換），點明反應(yīng)物（含雙鍵的分子），說明產(chǎn)物（新的烯烴），強調(diào)其催化條件（金屬有機催化劑）和重要性（碳-碳鍵偶聯(lián)）。4.C-H鍵活化：指通過化學(xué)或物理方法削弱甚至斷裂分子中C-H鍵（碳?xì)鋯捂I）的反應(yīng)或過程。在金屬有機化學(xué)中，常指利用金屬與有機分子作用，使原本化學(xué)惰性的C-H鍵變得易于發(fā)生反應(yīng)（如加成、官能團(tuán)化等）。這是實現(xiàn)高效、選擇性合成碳骨架和官能團(tuán)的關(guān)鍵。**解析思路：*定義核心概念（削弱或斷裂C-H鍵），點明化學(xué)領(lǐng)域中的體現(xiàn)（金屬與有機分子作用使C-H鍵易反應(yīng)），并指出其在化學(xué)合成中的意義（高效、選擇性合成）。5.前驅(qū)體化學(xué)：指利用低聚或小分子前驅(qū)體，通過可控的化學(xué)或物理過程（如自組裝、原位生長、熱解等）構(gòu)筑具有特定結(jié)構(gòu)、尺寸和功能的材料（如納米顆粒、薄膜、多孔材料、催化劑等）的化學(xué)領(lǐng)域。前驅(qū)體化學(xué)為合成復(fù)雜材料提供了強大的途徑。**解析思路：*定義核心概念（利用前驅(qū)體制備材料），說明關(guān)鍵過程（可控化學(xué)/物理過程），列舉典型方法（自組裝、原位生長、熱解等），并說明其應(yīng)用領(lǐng)域（構(gòu)筑特定結(jié)構(gòu)/功能材料）。二、簡答題1.金屬卡賓配合物通常具有缺電子的金屬中心和富電子的卡賓負(fù)離子。金屬中心的電子場力可以激活卡賓上的孤對電子，使其更易參與反應(yīng)。同時，金屬與卡賓的配位可以穩(wěn)定反應(yīng)中間體或過渡態(tài)。它們在有機合成中可作為合成子，用于多種碳-碳鍵的構(gòu)建，例如通過1,2-加成進(jìn)攻親電試劑，或通過金屬卡賓的親核進(jìn)攻實現(xiàn)碳-碳偶聯(lián)等。**解析思路：*先說明金屬卡賓的結(jié)構(gòu)和電子特性（缺電子金屬、富電子卡賓），解釋其反應(yīng)活性來源（金屬激活卡賓電子），說明其穩(wěn)定性來源（金屬-卡賓配位），最后列舉其在有機合成中的主要作用（作為合成子、構(gòu)建碳-碳鍵，并簡述途徑）。2.金屬有機化學(xué)可以通過多種方式合成特殊功能材料。例如，利用有機金屬試劑（如Grignard試劑、有機鋰試劑）或金屬卡賓等作為“砌塊”，通過可控的聚合或縮聚反應(yīng)合成具有特定孔道結(jié)構(gòu)的多孔材料（如金屬有機框架MOFs）。此外，金屬有機化學(xué)還可以設(shè)計合成具有特定光學(xué)、磁學(xué)、催化活性的功能小分子或超分子組裝體，這些可以作為催化劑、吸附劑或傳感器等應(yīng)用于資源化學(xué)領(lǐng)域。**解析思路：*點明主題（合成特殊功能材料），列舉具體方法1（利用有機金屬試劑/卡賓合成多孔材料，如MOFs，說明結(jié)構(gòu)特點），列舉具體方法2（設(shè)計合成具有特定功能的小分子/超分子，說明功能），并指出這些材料在資源化學(xué)中的應(yīng)用方向（催化劑、吸附劑、傳感器）。3.金屬有機化學(xué)在CO?活化與轉(zhuǎn)化中扮演重要角色。通過設(shè)計具有特定電子結(jié)構(gòu)或配位環(huán)境的金屬有機催化劑（如基于過渡金屬的卡賓、烯基金屬等），可以實現(xiàn)對CO?分子中C=O雙鍵的加成活化。例如，金屬卡賓可以插入CO?的雙鍵，形成金屬羧酸亞胺中間體，該中間體可以進(jìn)一步發(fā)生還原、官能團(tuán)化等反應(yīng)，最終轉(zhuǎn)化為含碳化學(xué)品（如碳酸酯、氨基甲酸酯等）或燃料分子（如甲烷、甲醇等）。**解析思路：*點明應(yīng)用領(lǐng)域（CO?活化轉(zhuǎn)化），說明核心原理（利用金屬有機催化劑活化CO?C=O鍵），舉例說明活化方式（金屬卡賓插入雙鍵），描述后續(xù)轉(zhuǎn)化過程（形成中間體，進(jìn)一步反應(yīng)生成化學(xué)品/燃料），并列舉典型產(chǎn)物（碳酸酯、氨基甲酸酯、甲烷、甲醇）。4.均相催化通常指催化劑與反應(yīng)物處于同一相（如液相或氣相），具有反應(yīng)物接觸面積大、反應(yīng)速率快、選擇性高等優(yōu)點。金屬有機化學(xué)為構(gòu)建高效均相催化劑提供了豐富多樣的選擇。金屬有機化學(xué)家可以通過精心設(shè)計金屬中心（選擇合適的過渡金屬）、配體（調(diào)控金屬電子結(jié)構(gòu)和空間位阻，影響選擇性），構(gòu)筑出活性高、選擇性優(yōu)異、穩(wěn)定性好的均相催化體系。例如，Grubbs催化劑就是典型的金屬有機均相催化劑，在烯烴復(fù)分解等反應(yīng)中表現(xiàn)出極高的活性和區(qū)域選擇性。**解析思路：*比較均相與非均相催化的特點（接觸面積、速率、選擇性），點明金屬有機化學(xué)在構(gòu)建均相催化劑中的作用（提供多樣性選擇），解釋設(shè)計思路（選擇金屬中心、設(shè)計配體調(diào)控性能），強調(diào)優(yōu)點（活性高、選擇性優(yōu)異、穩(wěn)定性好），并舉例說明（Grubbs催化劑及其應(yīng)用）。5.開發(fā)綠色、可持續(xù)的金屬有機催化體系面臨多重挑戰(zhàn)。首先，許多高效的金屬有機催化劑使用貴金屬（如Pd,Ru,Rh等），成本高昂，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。其次，部分金屬有機催化劑穩(wěn)定性較差，容易分解或失活，導(dǎo)致催化劑壽命短，回收困難。此外，反應(yīng)過程中可能產(chǎn)生有毒的副產(chǎn)物，或者在催化劑分離回收過程中使用大量有機溶劑，造成環(huán)境污染。最后，如何精確調(diào)控催化劑的活性和選擇性，以適應(yīng)不同資源轉(zhuǎn)化過程的需求，也是一大挑戰(zhàn)。**解析思路：*列舉挑戰(zhàn)，并用序號或要點形式呈現(xiàn)，分別從成本（貴金屬使用）、穩(wěn)定性（易分解失活、壽命短、回收難）、環(huán)境（有毒副產(chǎn)物、溶劑污染）和性能（精確調(diào)控活性選擇性以適應(yīng)需求）四個方面進(jìn)行闡述。三、論述題1.金屬有機化學(xué)在電催化水分解制氫方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。金屬有機配合物或其衍生物可以作為電催化劑，通過在電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，促進(jìn)水的分解。其優(yōu)勢在于：首先，金屬有機配體的可設(shè)計性允許調(diào)控金屬中心的電子結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)，從而精確調(diào)節(jié)催化活性位點、選擇性（偏向析氫而非析氧）和穩(wěn)定性。其次，金屬有機催化劑通常具有較高的本征活性，可以降低析氫過電位。例如，某些基于Ni,Ru,Fe等過渡金屬的金屬有機配合物或其聚合物，在酸性或堿性介質(zhì)中表現(xiàn)出良好的析氫活性。然而，目前面臨的主要挑戰(zhàn)包括：如何提高催化劑在長期運行條件下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗腐蝕性；如何實現(xiàn)高效的催化劑負(fù)載和固定化，以便于實際應(yīng)用；如何進(jìn)一步降低成本；以及如何深入理解反應(yīng)機理，指導(dǎo)更有效的催化劑設(shè)計。未來發(fā)展方向可能包括開發(fā)非貴金屬金屬有機催化劑、構(gòu)建多金屬協(xié)同的催化體系、利用金屬有機框架（MOFs）或聚合物作為載體或結(jié)構(gòu)單元，以及結(jié)合人工智能等計算化學(xué)方法進(jìn)行催化劑的理性設(shè)計。**解析思路：*結(jié)構(gòu)上分為前景（優(yōu)勢）、挑戰(zhàn)、未來方向三部分。前景部分從設(shè)計性、活性、選擇性、穩(wěn)定性等方面論述優(yōu)勢，并舉例。挑戰(zhàn)部分從穩(wěn)定性、負(fù)載固定化、成本、機理理解等方面論述。未來方向部分提出具體的技術(shù)路線（非貴金屬、多金屬、MOFs載體、AI設(shè)計）。2.以生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化制備平臺化合物為例，金屬有機化學(xué)在其中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。生物質(zhì)通常含有纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等復(fù)雜的多糖和酚類聚合物。金屬有機化學(xué)可以提供高效的催化劑，將這些復(fù)雜分子轉(zhuǎn)化為具有更高附加值的小分子平臺化合物，如5-羥甲基糠醛（HMF）、糠醛、乙酰丙酸等。例如，金屬有機催化劑（如基于Ti,Zr,Mo等的配合物）可以促進(jìn)纖維素選擇性水解為葡萄糖，或者將木質(zhì)素中的酚類結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為糠醛等。金屬有機化學(xué)在催化轉(zhuǎn)化中的獨特優(yōu)勢在于：能夠?qū)崿F(xiàn)高選擇性的催化轉(zhuǎn)化，避免產(chǎn)生過多難以利用的副產(chǎn)物；可以設(shè)計出在溫和條件下（如室溫、水相）就能高效反應(yīng)的催化劑，有利于綠色化學(xué)的實施?？朔嚓P(guān)挑戰(zhàn)需要深入理解反應(yīng)機理，精確調(diào)控催化劑的結(jié)構(gòu)和活性位點，以實現(xiàn)對不同生物質(zhì)底物的普適性和選擇性。例如，需要解決催化劑的穩(wěn)定性問題，使其能夠在復(fù)雜的生物質(zhì)體系中長期穩(wěn)定工作；需要開發(fā)高效的催化劑分離回收技術(shù)，降低成本；需要研究如何將均