2025年大学《分子科学与工程》专业题库- 聚缩醛分子结构设计与合成

2025年大学《分子科学与工程》专业题库——聚缩醛分子结构设计与合成考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分）1.下列哪一种化合物是典型的聚缩醛单体？A.乙二醇B.丙酮C.乙二醛D.乙醇2.聚缩醛形成的化学基础是：A.酯化反应B.醛缩合反应C.脱水缩合反应D.加成反应3.在聚缩醛的合成中，使用酸性催化剂的主要作用是：A.提高聚合速率B.降低所需活化能C.选择性促进某一种单体的反应D.以上都是4.对于线性聚缩醛，下列哪项对其玻璃化转变温度（Tg）影响最大？A.分子量大小B.链结构的规整性C.侧基的极性D.A和B均显著，C影响较小5.欲提高聚缩醛的耐热性，可以采取的策略是：A.选择含有强吸电子基的柔性单体B.增加分子链的柔顺性C.引入刚性结构单元，提高链的刚性D.降低分子量6.下列哪种表征技术主要用于测定聚合物的分子量分布？A.红外光谱（IR）B.核磁共振（NMR）C.凝胶渗透色谱（GPC）D.差示扫描量热法（DSC）7.聚缩醛与聚酯类高分子相比，其突出的优点可能是：A.耐化学腐蚀性B.力学强度C.耐候性D.以上都是8.采用熔融聚合制备聚缩醛时，通常需要较高的反应温度，主要原因是：A.需要克服单体分子间作用力B.需要提供足够的能量使缩醛键形成C.帮助移除聚合过程中的小分子副产物D.A和B均正确9.共聚聚缩醛相比均聚物，其主要优势在于：A.可以获得更均一的分子量B.可以通过调节单体组成来获得更宽泛的性能范围C.提高了聚合反应速率D.增加了材料的成本10.缩醛结构对聚缩醛性能影响的关键因素是：A.缩醛基团的数目B.缩醛基团在主链上的位置和构型C.缩醛基团的空间位阻D.B和C均重要二、填空题（每空2分，共20分）1.聚缩醛的单体通常是由两分子或两分子以上的__________和__________反应而成的。2.聚缩醛的分子链通常呈现__________构象，这对其性能有重要影响。3.影响聚缩醛聚合反应速率的主要因素包括单体活性、__________、反应温度和催化剂种类。4.为了提高聚缩醛的力学性能，可以采用__________、__________或共聚等方法进行改性。5.表征聚缩醛结晶性的常用技术是__________，而表征其热稳定性的常用技术是__________。6.设计聚缩醛分子结构时，需要考虑的主要因素包括单体选择、分子量、链结构__________和__________等。三、简答题（每题5分，共20分）1.简述聚缩醛形成的缩醛化反应机理。2.解释为何聚缩醛通常具有较高的玻璃化转变温度。3.简述影响聚缩醛溶解性的主要因素。4.简述选择聚缩醛合成方法时需要考虑的主要因素。四、论述题（每题10分，共20分）1.论述聚缩醛的侧基种类和大小对其力学性能和热性能的影响。2.结合具体实例，论述如何通过分子设计来改善聚缩醛的耐化学溶剂性。五、设计题（10分）假设需要设计一种用于制造耐高温、耐溶剂腐蚀且具有良好柔韧性的薄膜材料，请选择合适的二醇和二醛（或二酸）单体，并简述你的选择理由以及预计的合成方法和可能需要考虑的结构优化方向。试卷答案一、选择题1.C2.B3.D4.B5.C6.C7.A8.D9.B10.D二、填空题1.二醇，二醛（或二酸）2.直线型（或柔顺）3.催化剂浓度4.交联，共聚5.X射线衍射（或XRD），热重分析（或TGA）6.构型（或规整性），结晶性三、简答题1.解析思路：聚缩醛形成涉及两分子具有两个官能团的分子（如二醇和二醛/二酸）经过缩合反应，脱去小分子（如水或醇），形成缩醛键连接起来的过程。以二醇和二醛为例，首先醇羟基进攻醛羰基，形成半缩醛，半缩醛的羟基再进攻另一个醛基，脱去一分子水，最终形成稳定的缩醛结构，并继续延伸成高分子链。2.解析思路：聚缩醛分子链通常呈现较为规整的线性结构，分子链之间容易通过范德华力或氢键等方式形成有序的结晶区域。结晶结构的形成限制了分子链段的热运动，使得分子链段运动需要更高的能量，因此表现出较高的玻璃化转变温度。3.解析思路：聚缩醛的溶解性主要取决于其分子链的极性和分子间作用力的大小。极性单体形成的聚缩醛通常具有较高的极性，易溶于极性溶剂（如醇类、酮类、氯代烃等）；而分子链中存在较大空间位阻或非极性基团的聚缩醛，其极性相对较小，可能更易溶于非极性溶剂（如烷烃等）。此外，分子链的柔顺性和结晶度也会影响其溶解性，通常结晶度高、链段运动受限的聚合物溶解度较低。4.解析思路：选择聚缩醛合成方法时需综合考虑多个因素：首先是单体性质，如熔点、溶解性等；其次是预期的聚合物性能，如分子量、分子量分布、结晶度等；还要考虑生产成本、设备条件、环境影响以及操作方便性等。例如，对于高熔点单体，溶液聚合或界面聚合可能更易于控制；对于熔融性好的单体，熔融聚合更直接高效；若需精确控制分子量和分子量分布，可选用可控聚合方法。四、论述题1.解析思路：侧基的极性：极性侧基（如醚氧、酯氧、羟基等）会增加分子链的极性和氢键能力，有助于提高聚合物的玻璃化转变温度（Tg）和耐化学溶剂性，但可能降低其耐热性（因氢键作用）或增加链段运动阻力。非极性侧基（如烷基）则相反，会降低极性、Tg和耐溶剂性，但可能增加柔韧性。侧基的大小和空间位阻：体积较大的侧基会限制主链的旋转，增加链的刚性，提高Tg和力学强度，但可能降低溶解度。位阻还会影响分子链堆积的紧密程度，进而影响结晶度和性能。侧基的位置：对称结构通常有利于结晶，非对称结构则不利于结晶，影响Tg和力学性能。因此，侧基的种类、大小、极性和位置对聚缩醛的力学和热性能有显著且复杂的影响，需要根据应用需求进行仔细设计。2.解析思路：改善聚缩醛耐化学溶剂性的核心在于降低其极性或增加其与溶剂间的相互作用能。策略一：选择非极性或弱极性单体。例如，使用环状二醇（如环己二醇）和脂肪族二醛（如乙二醛）合成的聚缩醛通常比使用极性二醇（如乙二醇）合成的具有更好的耐溶剂性。策略二：引入非极性或弱极性侧基。在分子链中引入较大的烷基侧基可以增加非极性部分的比例，削弱分子间作用力，降低极性，从而提高耐溶剂性。策略三：引入空间位阻大的基团。例如，引入叔丁基等空间位阻大的基团，可以阻碍分子链段运动和主链内旋转，增加链的刚性，可能在一定程度上提高耐溶剂性。策略四：共聚改性。通过在主链中引入少量具有特殊化学结构的单元（如不饱和键、特殊官能团等），虽然不一定直接提高耐溶剂性，但可以通过改变整体分子链的性质（如增加交联密度、改变结晶度等间接影响）来改善性能。具体实例：设计一种用于有机溶剂包装的材料，可以选择己二醇和乙二醛共聚，或选择环己二醇和脂肪族二醛共聚，或者在这些单体结构中引入甲基、乙基等烷基侧基，以期获得良好的耐醇、耐烃类等有机溶剂的腐蚀性能。选择理由是这些策略通过降低聚合物极性、增加非极性部分或引入空间位阻，削弱了聚合物与极性溶剂之间的相互作用，提高了聚合物抵抗溶剂溶胀或溶解的能力。五、设计题解析思路：设计思路应围绕“耐高温、耐溶剂腐蚀、良好柔韧性”这三个核心要求展开。1.耐高温：通常需要选择具有较高Tg的单体，如脂肪族或脂环族二醇与芳香族二醛（如甲醛或其衍生物）的共聚物，或者选择本身熔点较高的脂环族二醇与脂肪族二醛的聚合物。2.耐溶剂腐蚀：如前述论述，选择非极性或弱极性单体，如环己二醇、环戊二醇等与脂肪族二醛（如乙二醛、丁二醛）的聚合物。3.良好柔韧性：通常需要较低的Tg和适度的分子量，可以通过选择柔性单体（如链长适中的二醇）、控制分子量、引入适量柔性侧基（如小支链）或保持一定的无规性来实现。结合以上三点，一个可能的设计是选择己二醇（提供一定柔韧性和强度）与少量环己二醇（提高耐溶剂性和刚性）的共聚物作为二醇组