2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——利用分子設(shè)計(jì)提高材料的可降解性考試時(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。）1.在分子設(shè)計(jì)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(qiáng)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(tuán)D.交聯(lián)點(diǎn)較多的網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)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(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)D.聚丙烯腈(PAN)4.在設(shè)計(jì)生物可降解聚合物時(shí)，通常需要考慮其與體內(nèi)酶的相互作用。以下基團(tuán)中，通常被認(rèn)為是酶作用位點(diǎn)的重要參與基團(tuán)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(duì)可降解性的影響表述錯(cuò)誤的是A.適度交聯(lián)可以提高聚合物的力學(xué)強(qiáng)度B.交聯(lián)可以改變聚合物的降解途徑C.過度交聯(lián)會(huì)顯著阻礙降解產(chǎn)物的擴(kuò)散，從而大大加快降解速率D.交聯(lián)點(diǎn)的化學(xué)性質(zhì)會(huì)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(shè)計(jì)？A.直接利用天然高分子（如淀粉、纖維素）進(jìn)行化學(xué)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(xué)方法轉(zhuǎn)化為可降解單體再進(jìn)行聚合D.將天然油脂進(jìn)行化學(xué)改性，引入易降解的酯基結(jié)構(gòu)7.分子設(shè)計(jì)的目標(biāo)之一是在材料滿足使用性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的降解行為。對(duì)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(huì)造成問題D.具有高結(jié)晶度，以抵抗化學(xué)降解8.分子模擬技術(shù)在可降解材料設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在A.通過計(jì)算預(yù)測(cè)分子結(jié)構(gòu)對(duì)降解速率的影響B(tài).直接合成出模擬實(shí)驗(yàn)難以制備的復(fù)雜結(jié)構(gòu)C.自動(dòng)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(xué)結(jié)構(gòu)相似但降解性更差的聚合物進(jìn)行共混C.選擇含有易降解基團(tuán)或能與PLA發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的聚合物進(jìn)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(diǎn)10.在評(píng)估一種新型可降解材料的性能時(shí)，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(duì)環(huán)境友好B.材料在使用溫度下的力學(xué)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(shè)計(jì)是通過對(duì)分子的______、______和______進(jìn)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(xué)鍵斷裂和______四個(gè)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(yīng)。4.為了提高聚合物的生物降解性，可以通過引入______基團(tuán)、改變______結(jié)構(gòu)或調(diào)控分子量分布等多種分子設(shè)計(jì)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(xué)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(xué)四、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共20分。）1.簡(jiǎn)述引入易水解基團(tuán)（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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方面有哪些額外的優(yōu)勢(shì)？4.闡述生物降解性分子設(shè)計(jì)需要考慮的主要生物學(xué)因素。五、論述題（每小題10分，共20分。）1.結(jié)合具體實(shí)例，論述分子設(shè)計(jì)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(duì)日益嚴(yán)重的“白色污染”問題，論述分子設(shè)計(jì)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(yīng)）之間的內(nèi)在聯(lián)系和相互影響規(guī)律。在材料科學(xué)中，指材料的分子結(jié)構(gòu)與其性能（如力學(xué)性能、光學(xué)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(dǎo)致分子鏈結(jié)構(gòu)發(fā)生化學(xué)變化，進(jìn)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?zhǔn)椒磻?yīng)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(xué)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(yīng)，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(xué)：是一門旨在從源頭上減少或消除有害物質(zhì)的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用化學(xué)過程的科學(xué)。在材料領(lǐng)域，綠色化學(xué)理念強(qiáng)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(jiǎn)答題1.引入易水解基團(tuán)（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(xué)鍵的極性和不穩(wěn)定性，降低水解反應(yīng)的活化能。這些基團(tuán)在水分、酸、堿或特定酶的作用下容易發(fā)生水解反應(yīng)，導(dǎo)致聚合物鏈斷裂，從而加速材料的降解過程。基團(tuán)的數(shù)量、位置和分布會(huì)影響降解的起始點(diǎn)和速率。2.分子設(shè)計(jì)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(zhǎng)光的發(fā)色團(tuán)或給體-受體體系，增強(qiáng)材料的光吸收能力；二是引入易被光氧化的基團(tuán)，如共軛雙鍵、含有雜原子的基團(tuán)等，作為光敏劑或光氧化位點(diǎn)；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(shè)計(jì)能夠產(chǎn)生活性氧物種（如自由基）的結(jié)構(gòu)，促進(jìn)光降解鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的發(fā)生。3.共聚物在可降解性設(shè)計(jì)方面的優(yōu)勢(shì)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(shí)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(xì)設(shè)計(jì)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(yīng)性）的單體，賦予材料特定的降解觸發(fā)機(jī)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(yīng)或協(xié)同作用，影響整體的降解行為。4.生物降解性分子設(shè)計(jì)需要考慮的主要生物學(xué)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(shí)別和作用；聚合物鏈的化學(xué)組成和立體構(gòu)型是否與酶的活性位點(diǎn)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(duì)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(yīng)用需求（如藥物緩釋、組織工程支架等）。五、論述題1.分子設(shè)計(jì)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(jìn)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(duì)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(xué)性能（如強(qiáng)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(shè)計(jì)還可以賦予塑料特定的降解行為，如設(shè)計(jì)快速降解的薄膜用于一次性包裝，或設(shè)計(jì)緩慢降解但具有優(yōu)異力學(xué)性能的塑料用于可重復(fù)使用的包裝容器。還可以通過分子設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能化，如在聚合物鏈中引入光敏基團(tuán)或抗菌因子，賦予包裝材料防偽、抗菌等附加功能?？傊?，分子設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(xué)強(qiáng)度、耐熱性、加工性）相對(duì)較差的缺點(diǎn)，通過精心設(shè)計(jì)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(yīng)用。二是可以利用分子設(shè)計(jì)手段，實(shí)現(xiàn)材料降解行為的精確調(diào)控，如設(shè)計(jì)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(yīng)用場(chǎng)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(jī)制或降解途徑，如設(shè)計(jì)易于生物酶解的雜鏈結(jié)構(gòu)、引入特定官能團(tuán)以促進(jìn)光氧化降解等，拓展可降解材料的種類和應(yīng)用范圍。四是可以通過生物催化或綠色化學(xué)方法合成，實(shí)現(xiàn)材料的可持續(xù)制備。然而，挑戰(zhàn)也相當(dāng)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?jiǎng)?chuàng)新性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。二是許多新型可降解材料的制