2025年大學(xué)《化學(xué)》專業(yè)題庫——有機合成反應(yīng)工藝優(yōu)化研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題3分，共30分。請將正確選項的字母填在括號內(nèi)）1.在有機合成工藝優(yōu)化中，旨在減少副產(chǎn)物生成，提高目標(biāo)產(chǎn)物收率的是優(yōu)化（）。A.原子經(jīng)濟性B.化學(xué)選擇性C.區(qū)域選擇性D.立體選擇性2.下列哪種溶劑通常被認(rèn)為對環(huán)境友好，常用于綠色化學(xué)的有機合成工藝？（）A.甲苯B.四氯化碳C.乙醇D.2-甲基tetrahydrofuran(2-MeTHF)3.均相催化反應(yīng)通常具有的特點是（）。A.催化劑易與產(chǎn)物分離B.催化劑活性高，選擇性可能更好C.反應(yīng)在固相表面進行D.常用于低壓反應(yīng)體系4.在多步有機合成中，引入保護基團的目的是（）。A.提高反應(yīng)速率B.增加反應(yīng)選擇性C.防止敏感基團在后續(xù)反應(yīng)中被破壞D.降低原子經(jīng)濟性5.原子經(jīng)濟性最高的有機反應(yīng)類型是（）。A.加成反應(yīng)B.消除反應(yīng)C.取代反應(yīng)D.重排反應(yīng)6.連續(xù)流化學(xué)相比間歇式反應(yīng)器的主要優(yōu)勢之一是（）。A.更容易實現(xiàn)自動化B.更有利于進行多步串聯(lián)反應(yīng)和在線監(jiān)測C.設(shè)備投資通常較低D.更適合處理高粘度底物7.影響化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)的主要因素通常不包括（）。A.溫度B.催化劑C.反應(yīng)物濃度D.反應(yīng)物鍵能8.對于需要精確控制反應(yīng)區(qū)域選擇性的反應(yīng)，選擇合適的（）至關(guān)重要。A.溶劑B.催化劑C.溫度D.反應(yīng)物構(gòu)型9.廢水排放量少、廢物生成量低是評價有機合成工藝優(yōu)化效果的重要指標(biāo)，這體現(xiàn)了（）原則。A.安全性B.經(jīng)濟性C.綠色化學(xué)D.高效性10.將反應(yīng)物濃度、溫度、催化劑等因素進行優(yōu)化，以獲得最佳反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇性，屬于（）范疇。A.合成路線設(shè)計B.反應(yīng)機理研究C.反應(yīng)條件優(yōu)化D.產(chǎn)物分離純化二、簡答題（每小題5分，共20分）1.簡述綠色化學(xué)的“原子經(jīng)濟性”原則及其在有機合成工藝優(yōu)化中的意義。2.與均相催化相比，多相催化在有機合成工藝優(yōu)化中通常具有哪些優(yōu)點？3.簡述影響有機反應(yīng)選擇性的主要因素有哪些？4.在有機合成中，什么是保護-去保護策略？請簡要說明其作用。三、計算題（每小題10分，共20分）1.某有機合成反應(yīng)，起始原料A的摩爾質(zhì)量為100g/mol，目標(biāo)產(chǎn)物B的摩爾質(zhì)量為150g/mol。反應(yīng)進行2小時后，測得原料A轉(zhuǎn)化率為80%，生成了120g產(chǎn)品B，同時副產(chǎn)物C的質(zhì)量為10g。請計算該反應(yīng)的產(chǎn)率（以原料A計）和原子經(jīng)濟性。2.某連續(xù)流反應(yīng)器進行某液相反應(yīng)，已知反應(yīng)活化能Ea為80kJ/mol，指前因子A為1.0x10^11L/(mol·s)。若希望反應(yīng)速率提高10倍，根據(jù)阿倫尼烏斯方程，反應(yīng)溫度需要提高多少攝氏度？（假設(shè)指前因子A隨溫度變化不大，R=8.314J/(mol·K)）四、綜合應(yīng)用題（每小題25分，共50分）1.某藥物分子結(jié)構(gòu)包含一個手性中心和一個烯丙基結(jié)構(gòu)。現(xiàn)有兩條合成路線：*路線一：先進行烯丙基化反應(yīng)，再進行手性中心的引入反應(yīng)。該路線使用鹵代烴作為烯丙基化試劑，產(chǎn)率為70%，且鹵代烴難以回收，副產(chǎn)物多。*路線二：采用不對稱烯丙基化反應(yīng)，一鍋法直接構(gòu)建含手性中心和烯丙基的中間體。該路線使用手性催化劑，產(chǎn)率為55%，但催化劑成本較高，但副產(chǎn)物少，且烯丙基試劑可部分回收。請分析比較這兩條路線的優(yōu)缺點，并提出至少兩種可能的優(yōu)化思路，從產(chǎn)率、選擇性、成本、環(huán)境友好性等方面進行評價。2.以乙醇為起始原料，合成乙二醇（HOCH2CH2OH）是一種重要的有機合成工藝優(yōu)化實例。請設(shè)計一條合成路線，路線中至少包含兩步關(guān)鍵反應(yīng)，并簡述每步反應(yīng)的類型和機理要點。然后，對該路線進行初步的工藝優(yōu)化分析，提出至少三點可以改進的方向（例如，催化劑選擇、反應(yīng)條件、溶劑選擇或后續(xù)純化等），并說明優(yōu)化理由。---試卷答案一、選擇題1.B2.D3.B4.C5.A6.B7.D8.B9.C10.C二、簡答題1.原子經(jīng)濟性是指反應(yīng)中原子轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物質(zhì)量的百分比。它衡量了反應(yīng)物的利用效率，原子經(jīng)濟性越高，意味著副產(chǎn)物生成越少，廢物產(chǎn)生越少。在有機合成工藝優(yōu)化中，追求高原子經(jīng)濟性有助于減少資源消耗、降低廢物處理成本、提高環(huán)境友好性，是綠色化學(xué)的重要原則之一。2.多相催化通常優(yōu)點包括：催化劑易從產(chǎn)物中分離，可重復(fù)使用，降低成本；反應(yīng)通常在固相表面進行，易于控制反應(yīng)選擇性；固體催化劑通常具有較大的比表面積，可提高反應(yīng)速率；固體催化劑通常更穩(wěn)定，易處理。3.影響有機反應(yīng)選擇性的主要因素包括：反應(yīng)底物和試劑的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)；反應(yīng)條件，如溫度、溶劑、催化劑等；反應(yīng)機理中的過渡態(tài)能壘差異；空間位阻效應(yīng)。4.保護-去保護策略是指在有機合成中，為了使反應(yīng)體系中的某個敏感官能團（如羥基、氨基）不參與不必要的反應(yīng)，而先用特定的試劑將其“保護”起來，使其變得惰性；待完成關(guān)鍵合成步驟后，再通過特定的條件將保護基“去除”，恢復(fù)該官能團活性。其作用是保護關(guān)鍵基團，提高反應(yīng)的區(qū)域選擇性和步驟兼容性，使復(fù)雜的合成路線得以順利實現(xiàn)。三、計算題1.產(chǎn)率計算：*理論上可生成B的質(zhì)量=起始A的質(zhì)量/A的摩爾質(zhì)量×B的摩爾質(zhì)量*假設(shè)起始A的質(zhì)量為mmol×100g/mol=100mg*理論上可生成B的質(zhì)量=mmol×150g/mol=150mg*實際生成B的質(zhì)量為120g*產(chǎn)率=(實際生成B的質(zhì)量/理論上可生成B的質(zhì)量)×100%=(120g/150mg/100mg)×100%=80%*原料A轉(zhuǎn)化率已知為80%，即mmol×100%=80%，mmol=0.8mol*起始A的質(zhì)量=0.8mol×100g/mol=80g*理論上可生成B的質(zhì)量=0.8mol×150g/mol=120g*產(chǎn)率=(120g/120g)×100%=100%**修正：*產(chǎn)率計算應(yīng)以起始A的量為基礎(chǔ)。起始A為80g，對應(yīng)0.8mol。理論上可生成B為0.8mol*150g/mol=120g。實際生成120g。產(chǎn)率=(120g/(0.8mol*150g/mol))*100%=(120/120)*100%=100%。*再看副產(chǎn)物：*總消耗A=80g。生成B=120g，C=10g?？偖a(chǎn)出=130g。原子經(jīng)濟性=(目標(biāo)產(chǎn)物B的摩爾質(zhì)量/(總消耗的原料摩爾質(zhì)量))*100%=(150/(80/100+10/154))*100%=(150/(0.8+0.0649))*100%=(150/0.8649)*100%≈173.5%.*修正：*原子經(jīng)濟性計算分母應(yīng)為消耗的A的摩爾質(zhì)量。消耗A=80g,摩爾質(zhì)量100g/mol,摩爾數(shù)=80/100=0.8mol。目標(biāo)產(chǎn)物B摩爾質(zhì)量150,生成0.8mol。副產(chǎn)物C質(zhì)量10g,摩爾質(zhì)量約154,摩爾數(shù)10/154≈0.0649mol?？偖a(chǎn)出摩爾數(shù)=0.8+0.0649=0.8649mol。原子經(jīng)濟性=(目標(biāo)產(chǎn)物B的摩爾數(shù)/總消耗原料的摩爾數(shù))*100%=(0.8/0.8)*100%=100%.*再次修正計算錯誤：*原子經(jīng)濟性計算應(yīng)為(目標(biāo)產(chǎn)物摩爾質(zhì)量/(消耗的起始原料A的摩爾質(zhì)量))*100%。消耗A80g，摩爾質(zhì)量100g/mol，摩爾數(shù)80/100=0.8mol。生成B120g，摩爾質(zhì)量150g/mol，摩爾數(shù)120/150=0.8mol。生成C10g，摩爾質(zhì)量154g/mol，摩爾數(shù)10/154≈0.0649mol。總產(chǎn)出摩爾數(shù)=0.8+0.0649=0.8649mol。原子經(jīng)濟性=(目標(biāo)產(chǎn)物B的摩爾數(shù)/消耗的起始原料A的摩爾數(shù))*100%=(0.8/0.8)*100%=100%。**最終確認(rèn)：*產(chǎn)率=(目標(biāo)產(chǎn)物B的實際質(zhì)量/(起始原料A的量/A的摩爾質(zhì)量×B的摩爾質(zhì)量))×100%=(120g/(80g/100g/mol×150g/mol))×100%=(120g/(0.8mol×150g/mol))×100%=(120g/120g)×100%=100%。**重新審視題目：*起始原料A轉(zhuǎn)化率為80%，即消耗了80%的A。A為100g/mol，B為150g/mol。消耗的A為80g，對應(yīng)0.8mol。理論上可生成B為0.8mol*150g/mol=120g。實際生成B為120g。產(chǎn)率=(120g/120g)*100%=100%。**考慮副產(chǎn)物：*總產(chǎn)出質(zhì)量=120g(B)+10g(C)=130g?？偼度胭|(zhì)量=80g(A)。原子經(jīng)濟性=(目標(biāo)產(chǎn)物B的摩爾質(zhì)量/(總投入的原料A的摩爾質(zhì)量))*100%=(150/80)*100%=187.5%。**假設(shè)原料A過量，只計算目標(biāo)產(chǎn)物B的效率：*投入A的量決定理論B的最大量。投入A80g，生成B120g。產(chǎn)率=(120g/(80g/100g/mol×150g/mol))×100%=(120g/120g)×100%=100%。**結(jié)論：*題目描述可能存在歧義，若按投入A計算理論B，產(chǎn)率為100%。若按產(chǎn)出B和投入A計算原子經(jīng)濟性，為187.5%。通常產(chǎn)率指基于投入原料的產(chǎn)出比例。此處按投入A計算理論產(chǎn)出B，產(chǎn)率100%。產(chǎn)率=100%原子經(jīng)濟性=(目標(biāo)產(chǎn)物摩爾質(zhì)量/消耗的起始原料摩爾質(zhì)量)*100%=(150g/mol/(80g/100g/mol))*100%=(150g/mol/0.8mol)*100%=187.5%2.根據(jù)阿倫尼烏斯方程：k=A*exp(-Ea/(RT))*初始速率k1=A*exp(-Ea/(R*T1))*目標(biāo)速率k2=10*k1=10*A*exp(-Ea/(R*T1))*代入k2表達式：10*A*exp(-Ea/(R*T1))=A*exp(-Ea/(R*T2))*兩邊除以A(A不為0)：10*exp(-Ea/(R*T1))=exp(-Ea/(R*T2))*兩邊取自然對數(shù)：ln(10)+ln(exp(-Ea/(R*T1)))=ln(exp(-Ea/(R*T2)))*利用ln(exp(x))=x：ln(10)-(Ea/(R*T1))=-(Ea/(R*T2))*代入數(shù)值：ln(10)≈2.3026,Ea=80000J/mol,R=8.314J/(mol·K)*2.3026-(80000/(8.314*T1))=-(80000/(8.314*T2))*2.3026=(80000/(8.314*T1))-(80000/(8.314*T2))*2.3026=80000*(1/(8.314*T1)-1/(8.314*T2))*2.3026=(80000/8.314)*(T2-T1)/(T1*T2)*2.3026=9648.5*(T2-T1)/(T1*T2)*T2-T1=2.3026*(T1*T2)/9648.5*T2-T1=0.000238*T1*T2*T2=T1+0.000238*T1*T2*T2-0.000238*T1*T2=T1*T2*(1-0.000238*T1)=T1*T2=T1/(1-0.000238*T1)*由于T1未給出，無法計算出具體的T2值。但可以計算溫度變化ΔT=T2-T1。*令x=T1(假設(shè)T1不是極小值，使得1-0.000238*T1≠0)，則T2=x/(1-0.000238*x)*ΔT=x/(1-0.000238*x)-x=x-x+0.000238*x^2/(1-0.000238*x)≈0.000238*x^2（當(dāng)x較大時，0.000238*x^2遠(yuǎn)小于1，1-0.000238*x≈1）*ΔT≈0.000238*T1*如果假設(shè)初始溫度T1為室溫298K：*ΔT≈0.000238*298K≈0.071K*這意味著初始溫度大約需要升高0.071攝氏度。這個結(jié)果非常小，說明初始溫度較高時，要使速率提高10倍，溫度只需微小升高。這與指前因子A不隨溫度變化很大的假設(shè)有關(guān)。如果T1較低，則ΔT會更大。*修正計算：*k2=10k1A*exp(-Ea/(R*T2))=10*A*exp(-Ea/(R*T1))exp(-Ea/(R*T2))=10*exp(-Ea/(R*T1))ln(exp(-Ea/(R*T2)))=ln(10*exp(-Ea/(R*T1)))-Ea/(R*T2)=ln(10)+(-Ea/(R*T1))-Ea/(R*T2)=ln(10)-Ea/(R*T1)-Ea/(R*T2)+Ea/(R*T1)=ln(10)Ea/R*(1/T1-1/T2)=ln(10)(1/T1-1/T2)=(ln(10)*R)/Ea(1/T2-1/T1)=(ln(10)*R)/Ea1/T2-1/T1=(2.3026*8.314)/800001/T2-1/T1=19.19/800001/T2-1/T1≈0.000240125T2-T1=T1*T2*(1/T2-1/T1)T2-T1≈T1*T2*0.000240125T2*(1-0.000240125*T1)=T1T2=T1/(1-0.000240125*T1)ΔT=T2-T1=T1/(1-0.000240125*T1)-T1ΔT≈T1*0.000240125（當(dāng)T1較大時）若T1=298K:ΔT≈298K*0.000240125≈0.0714K若T1=298K,ΔT≈0.071K(約0.07°C)四、綜合應(yīng)用題1.分析比較：*路線一優(yōu)點：步驟相對較少，可能整體操作時間較短。烯丙基化反應(yīng)選擇性好，不易引入手性中心錯誤構(gòu)型（如果使用非手性試劑）。烯丙基化試劑可能較易獲得。*路線一缺點：產(chǎn)率較低（70%）。使用鹵代烴，可能存在毒性、腐蝕性問題，難以回收，環(huán)境負(fù)擔(dān)重，且可能產(chǎn)生鹵代烴廢料處理問題。副產(chǎn)物多，分離純化難度大，增加成本和操作復(fù)雜性。*路線二優(yōu)點：產(chǎn)率較高（55%），體現(xiàn)了較好的選擇性和控制。使用手性催化劑可能實現(xiàn)區(qū)域或立體選擇性，目標(biāo)產(chǎn)物純度可能更高。烯丙基試劑可部分回收，經(jīng)濟性和環(huán)保性較好。廢物產(chǎn)生量少。*路線二缺點：手性催化劑成本可能較高。不對稱烯丙基化反應(yīng)的選擇性控制要求可能更高，對條件更敏感。一鍋法雖然步驟少，但后續(xù)可能需要更復(fù)雜的分離策略來獲得單一異構(gòu)體。優(yōu)化思路：*針對路線一：1.提高烯丙基化產(chǎn)率：尋找更高效的催化劑、優(yōu)化反應(yīng)溫度、改進溶劑體系。2.改進鹵代烴試劑：使用更安全的替代試劑（如硫醇、氮芥等），或開發(fā)原位生成烯丙基的方法。3.減少副產(chǎn)物：優(yōu)化反應(yīng)條件以抑制副反應(yīng)，或采用不對稱烯丙基化策略。4.溶劑選擇：選擇環(huán)境友好型溶劑，提高原子經(jīng)濟性。*針對路線二：1.降低催化劑成本：尋找廉價、高活性、可重復(fù)使用的手性催化劑，或開發(fā)催化循環(huán)。2.提高產(chǎn)率/選擇性：優(yōu)化反應(yīng)條件（溫度、壓力、時間、助劑），或篩選更優(yōu)的手性催化劑。3.改善溶劑：使用更綠色、低成本的溶劑，甚至無溶劑體系。4.簡化分離：如果可能，通過反應(yīng)設(shè)計或催化劑設(shè)計實現(xiàn)產(chǎn)物的高效純化。評價：路線二整體上在產(chǎn)率、選擇性和環(huán)境友好性方面具有優(yōu)勢，盡管初始成本可能較高，但長期來看可能更具經(jīng)濟性和可持續(xù)性。優(yōu)化方向應(yīng)圍繞提高選擇性、降低催化劑成本和改進綠色化學(xué)參數(shù)展開。路線一需要重點改進產(chǎn)率和減少廢物產(chǎn)生，可考慮采用不對稱催化等先進技術(shù)進行升級。2.合成路線設(shè)計（示例）：*路線：乙醇→(氧化)→乙醛→(加氫)→乙二醇*反應(yīng)1：乙醇氧化為乙醛。*類型：氧化反應(yīng)（可以是催化氧化，如銀催化劑、銅催化劑，或氧化劑氧化，如CrO3、KMnO4）。*機理要點：乙醇的羥基被氧化為醛基。對于催化氧化，通常是乙醇吸附在催化劑表面，與氧氣反應(yīng)，生成乙醛和氫氣。涉及羥基的脫氫和醛基的形成。*反應(yīng)2：乙醛加氫為乙二醇。*類型：還原反應(yīng)（加氫反應(yīng)）。*機