2025年大學《分子科學與工程》專業(yè)題庫——利用分子設計提高材料的可降解性考試時間：______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選項中，只有一項是符合題目要求的。）1.在分子設計中，為提高聚合物的水解可降解性，最直接的方法通常是引入A.芳香性較強的苯環(huán)結(jié)構(gòu)B.氮-氮單鍵（-N-N-）C.易水解的酯基或酰胺基團D.交聯(lián)點較多的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)2.下列哪種降解方式主要依賴于高分子材料與氧氣、水分和紫外光的共同作用？A.生物降解B.光降解C.水解降解D.鹽酸解降解3.分子設計中的“主鏈工程”主要指通過改變聚合物的骨架結(jié)構(gòu)來調(diào)控其性能。下列聚合物中，屬于雜鏈聚合物的是A.聚乙烯(PE)B.聚苯乙烯(PS)C.聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)D.聚丙烯腈(PAN)4.在設計生物可降解聚合物時，通常需要考慮其與體內(nèi)酶的相互作用。以下基團中，通常被認為是酶作用位點的重要參與基團的是A.碳-碳雙鍵(C=C)B.酚羥基(-OH)C.酰胺基(-CONH-)D.羧基(-COOH)5.下列關(guān)于聚合物交聯(lián)對可降解性的影響表述錯誤的是A.適度交聯(lián)可以提高聚合物的力學強度B.交聯(lián)可以改變聚合物的降解途徑C.過度交聯(lián)會顯著阻礙降解產(chǎn)物的擴散，從而大大加快降解速率D.交聯(lián)點的化學性質(zhì)會影響降解的起始和速率6.利用可再生資源（如生物質(zhì)）合成可降解聚合物是發(fā)展綠色材料的重要方向。以下哪種策略不屬于典型的生物基聚合物分子設計？A.直接利用天然高分子（如淀粉、纖維素）進行化學改性B.利用微生物發(fā)酵合成特定結(jié)構(gòu)的生物聚合物（如PHA）C.將石油基單體通過綠色化學方法轉(zhuǎn)化為可降解單體再進行聚合D.將天然油脂進行化學改性，引入易降解的酯基結(jié)構(gòu)7.分子設計的目標之一是在材料滿足使用性能的同時實現(xiàn)預期的降解行為。對于用于一次性餐具的材料，通常希望其A.具有快速的水解降解能力，且降解產(chǎn)物無害B.具有緩慢的光降解能力，以保證使用過程中的穩(wěn)定性C.具有良好的生物相容性，即使不降解也不會造成問題D.具有高結(jié)晶度，以抵抗化學降解8.分子模擬技術(shù)在可降解材料設計中的應用主要體現(xiàn)在A.通過計算預測分子結(jié)構(gòu)對降解速率的影響B(tài).直接合成出模擬實驗難以制備的復雜結(jié)構(gòu)C.自動化篩選大量的候選降解材料D.優(yōu)化降解過程中的催化劑選擇9.共混策略是提高材料可降解性的一種有效途徑。將生物可降解聚合物（如PLA）與不可降解聚合物共混，若希望提高共混物的降解速率，可以嘗試A.增加不可降解聚合物的比例B.選擇與PLA化學結(jié)構(gòu)相似但降解性更差的聚合物進行共混C.選擇含有易降解基團或能與PLA發(fā)生化學反應的聚合物進行共混D.控制共混物的相容性，使其保持兩相結(jié)構(gòu)以提供更多的降解位點10.在評估一種新型可降解材料的性能時，除了降解速率和降解條件外，還需要關(guān)注A.降解產(chǎn)物是否對環(huán)境友好B.材料在使用溫度下的力學性能C.材料的制備成本D.以上所有方面二、填空題（每空2分，共20分。）1.分子設計是通過對分子的______、______和______進行有目的的修改和創(chuàng)造，以獲得具有特定功能的新分子或材料的過程。2.高分子材料的光降解通常經(jīng)歷光吸收、電子激發(fā)、化學鍵斷裂和______四個主要步驟。3.在生物降解過程中，酶扮演著______的角色，能夠高效地催化高分子的水解或氧化等反應。4.為了提高聚合物的生物降解性，可以通過引入______基團、改變______結(jié)構(gòu)或調(diào)控分子量分布等多種分子設計策略。5.生物基可降解聚合物是指其單體來源于______資源，通過生物或化學合成方法制得的聚合物。三、名詞解釋（每小題4分，共16分。）1.構(gòu)效關(guān)系2.光引發(fā)降解3.共混改性4.綠色化學四、簡答題（每小題5分，共20分。）1.簡述引入易水解基團（如酯基、酰胺基）到聚合物主鏈或側(cè)鏈中，如何影響其水解降解性能。2.分子設計在提高聚合物光降解性方面可以采取哪些策略？3.與均聚物相比，共聚物在可降解性設計方面有哪些額外的優(yōu)勢？4.闡述生物降解性分子設計需要考慮的主要生物學因素。五、論述題（每小題10分，共20分。）1.結(jié)合具體實例，論述分子設計在開發(fā)用于包裝領(lǐng)域的可生物降解塑料中的重要作用。2.面對日益嚴重的“白色污染”問題，論述分子設計在開發(fā)高性能、環(huán)境友好型可降解材料方面的潛力和挑戰(zhàn)。---試卷答案一、選擇題1.C2.B3.C4.C5.C6.C7.A8.A9.C10.D二、填空題1.結(jié)構(gòu)，組成，性質(zhì)2.產(chǎn)物形成3.催化劑4.易降解，主鏈5.生物質(zhì)三、名詞解釋1.構(gòu)效關(guān)系：指化合物的分子結(jié)構(gòu)與其所表現(xiàn)出的生物或非生物功能（效應）之間的內(nèi)在聯(lián)系和相互影響規(guī)律。在材料科學中，指材料的分子結(jié)構(gòu)與其性能（如力學性能、光學性能、降解性等）之間的關(guān)系。2.光引發(fā)降解：指高分子材料在光的照射下，吸收光能導致分子鏈結(jié)構(gòu)發(fā)生化學變化，進而引發(fā)材料性能劣化或降解的過程。通常涉及光吸收、電子激發(fā)、鍵斷裂和自由基鏈式反應等步驟。3.共混改性：指將兩種或兩種以上不同種類的高分子材料通過物理或化學方法混合，形成均勻或不均勻的混合體系的過程。目的是利用不同組分之間的協(xié)同效應，改善或獲得單一組分所不具備的綜合性能，也可用于調(diào)控材料的降解行為。4.綠色化學：是一門旨在從源頭上減少或消除有害物質(zhì)的設計、制造和應用化學過程的科學。在材料領(lǐng)域，綠色化學理念強調(diào)開發(fā)環(huán)境友好、可再生、可降解、低毒或無毒性材料。四、簡答題1.引入易水解基團（如酯基、酰胺基）到聚合物主鏈或側(cè)鏈中，可以顯著增加聚合物分子鏈上化學鍵的極性和不穩(wěn)定性，降低水解反應的活化能。這些基團在水分、酸、堿或特定酶的作用下容易發(fā)生水解反應，導致聚合物鏈斷裂，從而加速材料的降解過程?；鶊F的數(shù)量、位置和分布會影響降解的起始點和速率。2.分子設計可以通過多種策略提高聚合物的光降解性：一是引入易于吸收特定波長光的發(fā)色團或給體-受體體系，增強材料的光吸收能力；二是引入易被光氧化的基團，如共軛雙鍵、含有雜原子的基團等，作為光敏劑或光氧化位點；三是調(diào)節(jié)分子鏈的柔性，使其易于在光作用下產(chǎn)生鏈斷裂；四是設計能夠產(chǎn)生活性氧物種（如自由基）的結(jié)構(gòu)，促進光降解鏈式反應的發(fā)生。3.共聚物在可降解性設計方面的優(yōu)勢在于：可以通過選擇不同單體，將具有不同降解特性（如不同降解速率、不同降解途徑）的鏈段引入同一分子鏈中，實現(xiàn)降解行為的調(diào)控和多樣化；可以通過調(diào)節(jié)不同降解性單體的比例和序列分布，精細設計材料的降解性能；可以通過引入少量具有特殊降解功能（如光敏性、酶響應性）的單體，賦予材料特定的降解觸發(fā)機制；共混改性還可以將可降解聚合物與不可降解聚合物結(jié)合，通過界面效應或協(xié)同作用，影響整體的降解行為。4.生物降解性分子設計需要考慮的主要生物學因素包括：材料結(jié)構(gòu)是否易于被生物體內(nèi)的酶（如脂肪酶、酯酶、角質(zhì)酶等）識別和作用；聚合物鏈的化學組成和立體構(gòu)型是否與酶的活性位點相匹配；材料是否具有良好的水溶性或與酶作用的微環(huán)境相容性；降解過程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物或最終產(chǎn)物是否對生物體無毒或低毒；材料在生物體內(nèi)的降解速率是否滿足特定應用需求（如藥物緩釋、組織工程支架等）。五、論述題1.分子設計在開發(fā)用于包裝領(lǐng)域的可生物降解塑料中起著核心作用。首先，通過選擇可再生生物質(zhì)單體（如乳酸、乙醇酸、琥珀酸等）進行聚合，可以合成聚乳酸（PLA）、聚羥基脂肪酸酯（PHA）等生物基可降解塑料，從源頭上減少對化石資源的依賴，降低環(huán)境影響。其次，通過改變聚合物的分子結(jié)構(gòu)，如調(diào)節(jié)聚酯鏈的分子量、tacticity（立體規(guī)整性）和共聚組成，可以精確調(diào)控塑料的力學性能（如強度、韌性）、透明度、熱封性、氣體阻隔性等，使其滿足不同的包裝需求。例如，通過共聚引入柔性單體可以提高塑料的柔韌性，通過調(diào)節(jié)結(jié)晶度可以控制其阻隔性能。此外，分子設計還可以賦予塑料特定的降解行為，如設計快速降解的薄膜用于一次性包裝，或設計緩慢降解但具有優(yōu)異力學性能的塑料用于可重復使用的包裝容器。還可以通過分子設計實現(xiàn)功能化，如在聚合物鏈中引入光敏基團或抗菌因子，賦予包裝材料防偽、抗菌等附加功能?？傊?，分子設計使得開發(fā)出性能優(yōu)異、功能多樣、環(huán)境友好的可生物降解包裝材料成為可能。2.分子設計在開發(fā)高性能、環(huán)境友好型可降解材料方面具有巨大的潛力，但也面臨諸多挑戰(zhàn)。潛力體現(xiàn)在：一是可以克服傳統(tǒng)可降解材料性能（如力學強度、耐熱性、加工性）相對較差的缺點，通過精心設計分子結(jié)構(gòu)，如引入剛性片段、交聯(lián)、共混等，顯著提升材料的綜合性能，使其能夠替代傳統(tǒng)石油基材料在更多領(lǐng)域應用。二是可以利用分子設計手段，實現(xiàn)材料降解行為的精確調(diào)控，如設計光敏、pH敏、酶敏等智能降解材料，使其能在特定環(huán)境或觸發(fā)條件下發(fā)生降解，滿足特定應用場景的需求，如藥物靶向釋放、可降解手術(shù)縫合線等。三是可以開發(fā)新型降解機制或降解途徑，如設計易于生物酶解的雜鏈結(jié)構(gòu)、引入特定官能團以促進光氧化降解等，拓展可降解材料的種類和應用范圍。四是可以通過生物催化或綠色化學方法合成，實現(xiàn)材料的可持續(xù)制備。然而，挑戰(zhàn)也相當顯著：一是如何在提升材料性能和保證材料可降解性之間取得平衡，往往是相互制約的，需要創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)設計。二是許多新型可降解材料的制