2025年大学《应用化学》专业题库- 应用化学在有机合成中的新催化剂设计

2025年大学《应用化学》专业题库——应用化学在有机合成中的新催化剂设计考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题1.在有机合成中，催化剂设计的目标通常不包括以下哪一项？A.提高反应速率B.提高目标产物的选择性C.降低反应活化能D.实现反应条件的极端化（如超高温、超高压）2.对于均相催化反应，下列说法错误的是？A.催化剂与反应物通常形成可溶性络合物B.催化剂通常易于从反应体系中分离回收C.催化剂的活性位点通常分散在固体表面D.催化剂的稳定性通常较高3.在设计负载型催化剂时，选择合适的载体的重要性主要体现在？A.载体本身可以参与催化反应B.载体可以提供足够的比表面积以容纳活性组分C.载体能够无限延长活性组分的寿命D.载体决定了催化剂的最终颜色4.下列哪种技术通常不用于表征催化剂的比表面积和孔结构？A.X射线衍射(XRD)B.透射电子显微镜(TEM)C.比表面积及孔径分析(N₂吸附-脱附)D.傅里叶变换红外光谱(FTIR)5.有机金属催化剂（如Grignard试剂、有机锂试剂）在有机合成中广泛应用，其主要特点是？A.必须在无水无氧条件下使用B.通常催化加氢反应C.反应活性较低，需要高温高压D.只能作为氧化剂使用6.“原子经济性”是评价化学反应的重要指标，它主要关注？A.催化剂的循环使用次数B.反应过程中原子向目标产物的转化程度C.反应所需的时间长短D.催化剂的制备成本7.设计一种高选择性催化剂时，以下哪种策略通常无效？A.改变活性位点的电子性质B.调控活性位点的空间构型C.增加反应物的浓度D.选择合适的反应溶剂8.对于多相催化反应，反应物分子需要经历的过程通常包括？A.从气相扩散到催化剂表面、在表面进行化学吸附和反应、再脱附回到气相或液相、从催化剂表面扩散到体相B.直接在溶液中反应，无需固体存在C.只需要经过物理吸附即可D.通过均相络合物中间体进行反应9.生物催化剂（酶）在有机合成中应用的优势通常不包括？A.高度专一性（手性催化）B.在温和条件下（常温常压、水相）具有高效性C.对底物结构具有广泛的适应性D.通常易于分离纯化和重复使用10.在设计用于交叉偶联反应（如Suzuki、Heck反应）的钯催化剂时，配体的选择对催化性能的影响主要体现在？A.对催化反应的活化能影响不大B.主要影响催化剂的稳定性C.可以显著调控催化剂的电子性质、sterichindrance和选择性D.决定了催化剂必须是均相还是多相二、填空题1.催化剂能够改变反应的_______能，但不能改变反应的_______熵。2.设计绿色化学催化剂时，应优先考虑的因素包括高选择性、高活性、可再生性和_______。3.表征催化剂表面化学状态常用的技术有_______和X射线光电子能谱(XPS)。4.负载型催化剂中，活性组分与载体之间的相互作用（如化学吸附、协同效应）对催化剂的_______和_______有重要影响。5.有机合成中常用的氧化剂催化剂包括金属氧化物（如CuO）、金属过氧化物（如H₂O₂）和_______。6.金属催化剂的电子结构，特别是_______轨道的电子排布，对其催化活性具有决定性作用。7.评价一个催化剂的优劣，除了活性、选择性外，还需考虑其_______、稳定性、寿命和成本等因素。8.分子筛是一类具有规整孔道结构的_______材料，常被用作固体酸催化剂或载体。9.设计新型有机催化剂时，除了关注其催化性能外，还应考虑其_______性和_______性。10.基于密度泛函理论(DFT)的计算化学方法是研究催化剂作用机理和设计新催化剂的重要工具，它可以从_______层面揭示反应的本质。三、简答题1.简述均相催化和多相催化的主要区别。2.解释什么是“催化循环”，并简述其在催化剂设计中的应用意义。3.为什么说开发可回收、可再生的催化剂是绿色化学合成的重要方向？4.简述表征催化剂比表面积和孔径常用的物理方法及其原理。四、论述题1.以过渡金属催化下的烯烃加氢反应为例，阐述活性位点、反应机理以及催化剂设计（如选择不同的金属、配体或载体）如何影响催化性能（活性、选择性、稳定性）。2.结合实例，论述在设计用于合成手性目标分子的不对称催化剂时，需要考虑哪些关键因素？如何通过调控这些因素来提高催化剂的对映选择性和非对映选择性？---试卷答案一、选择题1.D2.C3.B4.A5.A6.B7.C8.A9.C10.C二、填空题1.活化，生成2.环境友好性（或可持续性）3.红外光谱(IR)（或傅里叶变换红外光谱FTIR）4.活性，选择性5.过氧化物（或高价金属氧化物）6.d（或d轨道）7.易操作性（或易于分离）8.金属9.化学稳定性，生物相容性（或环境友好性）10.理论三、简答题1.解析思路：区分催化剂形态（分子/离子在溶液中vs.物质表面）和分离方式（易分离vs.难分离）。均相催化催化剂与反应物形成均一相态，通常难以分离；多相催化催化剂为固体，与反应物处于不同相态，易于分离。答案要点：均相催化指催化剂为可溶的分子或离子，与反应物形成均一相态，反应后需通过蒸馏、萃取等方法分离催化剂；多相催化指催化剂为固体，通常负载在载体上，与反应物处于不同相态，反应后催化剂易于通过过滤等方式分离。两者在反应物浓度、扩散步骤、产物分离等方面存在差异。2.解析思路：阐述催化循环的概念（反应物吸附-转化-产物脱附的过程），并说明其在设计中的应用（通过改变循环步骤中的关键步骤或能量垒来调控催化性能）。答案要点：催化循环是催化剂参与反应并循环使用的一系列基元步骤，包括反应物吸附、化学转化、产物脱附。理解催化循环有助于分析反应机理，并通过理性设计（如改变配体、载体、反应条件）来调优吸附强度、降低活化能、提高选择性或稳定性。3.解析思路：从绿色化学原则出发，强调可回收和可再生催化剂能减少资源浪费、降低环境污染、降低生产成本，符合可持续发展要求。答案要点：开发可回收催化剂可以避免催化剂流失造成资源浪费和环境污染，降低生产成本；开发可再生催化剂可以持续利用催化资源，减少对有限资源的依赖。这些都符合绿色化学的原则，有利于环境保护和可持续发展。4.解析思路：介绍两种常用的物理方法（BET法和气体吸附法），并简述其原理（基于气体分子在固体表面吸附和解吸的行为，利用不同温度或压力下的吸附等温线数据计算比表面积和孔径）。答案要点：常用的物理方法是利用N₂、H₂等气体在低温下吸附在催化剂表面。BET（Brunauer-Emmett-Teller）法通过分析低压吸附等温线计算比表面积；压汞法通过测量液体在高压下进入催化剂孔内的体积来测定孔容和孔径分布。这些方法基于气体吸附/脱附行为，是表征多孔材料结构和比表面积的标准手段。四、论述题1.解析思路：结合烯烃加氢反应，分点阐述：①活性位点（金属种类，如Pd比Ni更易加氢，活性更高）；②反应机理（吸附-氢解-脱附，金属与H₂、烯烃的相互作用是关键）；③设计策略：改变金属（如Pdvs.Pt，影响活性选择性）；改变配体（对金属电子结构影响，如膦配体）；改变载体（如活性炭、氧化铝，影响分散度、稳定性、选择性）。答案要点：过渡金属催化剂（如Pd,Pt,Ni）的活性位点是其核心。反应机理通常涉及烯烃在金属表面吸附，然后氢气解离，氢原子与烯烃加成，最终产物脱附。活性位点金属种类显著影响活性（如Pd加氢活性通常高于Ni）。催化剂设计通过调控活性位点：*金属选择：不同金属具有不同电子结构和吸附能力，影响活性和选择性（如Pd对乙烯加氢活性高，选择性优于Pt）。*配体工程（针对均相或一些多相前驱体）：配体可以调节金属的电子性质，影响吸附强度和反应路径，从而调控活性和选择性（如电子给体配体能降低氢气解离能，提高加氢活性）。*载体效应：载体影响活性组分分散度、稳定性、电子性质和孔道环境，进而影响整体催化性能。合适的载体可以提高活性、选择性和稳定性，并可能改变选择性（如酸性载体可能促进异构化）。2.解析思路：从不对称催化原理出发，分析影响手性选择性的因素，主要包括：①催化剂本身的手性（如手性配体、手性金属中心）；②反应底物的空间位阻和相互作用；③反应环境（溶剂、pH等）对对映选择性影响；④反应机理（哪个对映异构体过渡态能垒更低）。设计时需综合考虑这些因素，通过筛选或设计来优化。答案要点：设计用于合成手性分子的不对称催化剂，关键在于提高对映选择性。主要影响因素及设计策略包括：*催化剂手性来源：*使用手性配体：这是最常用的策略，手性配体可以与金属中心配位形成手性催化环境，诱导底物产生手性。*使用手性金属中心：某些金属原子本身就具有手性（如手性钴、铑催化剂）。*使用手性载体或骨架：部分催化剂基于手性无机或有机骨架。*底物影响：底物的空间结构、电子分布会影响其与催化剂的相互作用模式，进而影响对映选择性。设计时需考虑底物与催化