2025年大学《资源化学》专业题库- 化学合成新方法研究

2025年大学《资源化学》专业题库——化学合成新方法研究考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、简答题（每题6分，共30分）1.请简述绿色化学合成理念的核心要求，并列举三种在化学合成新方法中体现绿色化学思想的技术或策略。2.均相催化和多相催化在合成化学中各有特点。请比较两者在反应选择性、催化剂分离回收、应用范围以及对环境的影响方面的主要异同。3.简述C-H键活化在有机合成新方法中的意义，并举例说明一种利用C-H键活化策略构建碳-碳键或碳-杂键的新方法及其潜在应用。4.微流控技术为化学合成带来了哪些优势？请结合资源化学中精细化学品合成或材料制备的例子，说明微流控技术的应用潜力。5.在资源化学领域研究和应用化学合成新方法时，评价一个新方法或新催化剂性能需要考虑哪些关键指标？请至少列举五项。二、论述题（每题10分，共40分）6.以生物质资源或工业废弃物为原料，设计一条利用光化学或电化学合成方法的路线，合成一种有价值的化学品（如平台化合物或功能材料），并简述选择该方法的理由及可能遇到的技术挑战。7.对比分析近年来在资源转化过程中（例如，CO2资源化利用或化石燃料加氢转化）出现的两种不同的化学合成新方法（如催化转化与电催化转化，或不同类型的催化体系），阐述各自的优势、局限性以及未来的发展方向。8.计算化学方法在现代化学合成新方法研究中的作用日益重要。请论述如何利用计算化学（如DFT）方法辅助设计新型高效催化剂或预测有机合成反应的路径和能量变化，并说明其在资源化学研究中的具体应用价值。9.阐述在资源化学专业背景下，理解和掌握化学合成新方法对于开发可持续能源、环境保护和保障资源安全的重要性。结合具体实例说明跨学科融合（化学与资源、环境、材料等）在推动化学合成新方法应用于实际问题中的关键作用。试卷答案一、简答题1.绿色化学合成理念的核心要求包括：原子经济性高、使用和产生有害物质少、能源效率高、使用可再生资源、反应条件温和、产物易于降解等。体现绿色化学思想的技术或策略包括：使用环境友好溶剂（如水、超临界流体）、发展催化化学减少副产物、利用光能或电能等清洁能源、设计可降解产品、原子经济性高的反应（如环加成反应、交叉偶联反应）。2.均相催化反应物与催化剂互溶，通常具有较高的反应活性和选择性，但催化剂难以分离回收，易造成环境污染，且通常需要较高的反应温度。多相催化反应物与催化剂呈两相，催化剂易于分离回收，可重复使用，通常在较低温度下反应，对环境更友好，但反应物转化率和选择性可能低于均相催化，且传质过程可能成为限制因素。应用范围上，均相催化适用于底物较简单的反应，多相催化应用更广泛，尤其在工业大规模生产中。3.C-H键活化是指化学合成中直接对饱和碳氢化合物中的C-H键进行断裂或官能团化的过程。其意义在于可以简化合成路线，避免使用昂贵的或难以得到的离去基团，提高合成效率。例如，Pd催化的C-H键交叉偶联反应，可以在一步操作中将两个简单的有机分子连接起来，构建复杂的碳骨架。潜在应用包括药物分子、天然产物和功能材料的合成。4.微流控技术的优势包括：反应物混合效率高、传质阻力小、反应时间短、试剂消耗量少、可并行处理多个反应、易于实现自动化和集成化。在资源化学中，例如，可以利用微流控技术合成纳米催化剂，通过精确控制流体环境和反应条件获得具有特定结构和性能的催化剂；也可以用于生物质的高效转化，如微反应器中进行高效的酯化或水解反应，提高产率和选择性；在精细化学品合成中，可用于制备手性药物分子或具有特定功能的材料。5.评价资源化学领域化学合成新方法或新催化剂性能的关键指标包括：产率（或转化率）、选择性（区域选择性、化学选择性）、催化剂的活性（单位时间单位催化剂的产率）、催化剂的稳定性（循环使用性能、结构稳定性）、催化剂的易分离回收性、反应条件（温度、压力、时间、溶剂）的温和程度、能耗、成本效益、环境影响（原子经济性、副产物产生情况）。二、论述题6.设计路线示例：以糠醛为原料，利用光电催化方法合成5-羟甲基糠醛（5-HMF）。选择理由：糠醛是重要的生物质平台化合物，5-HMF是合成二聚戊二酸、琥珀酸等生物基化学品的关键中间体。光电催化利用光能驱动反应，具有环境友好、条件温和、可能实现选择性控制等优点，近年来在有机合成，特别是生物质转化方面显示出巨大潜力。光催化剂（如金属氧化物、半导体）可以活化糠醛的C-H键或C-O键，或在氧化过程中生成活性中间体，最终得到5-HMF。技术挑战：构建高效的光电催化剂体系，提高光能利用率；优化反应条件（光源波长、强度、电解液组成、pH等）以获得最佳产率和选择性；实现催化剂的高效分离和回收；解决光催化剂在长时间反应下的稳定性问题；可能需要解决光生电子-空穴对的复合问题。7.两种方法对比分析示例：*催化转化（如Fischer-Tropsch合成）：利用多相催化剂（如Fe基或Co基催化剂）在高温高压下将合成气（CO+H2）转化为长链烃类。优势是技术成熟，可适应不同原料（如煤、天然气），产物分布较宽。局限性是反应条件苛刻，催化剂需在高温高压下工作，且产物分离复杂，选择性（尤其是高附加值烯烃选择性）有待提高。发展方向包括开发更活性、选择性、稳定性更高的催化剂，优化反应工艺，实现产物分布的精准调控。*电催化转化（如电化学还原CO2）：利用电极催化剂在电场作用下将CO2还原为化学品或燃料。优势是反应条件相对温和（常温常压或温和压力），操作简单，易于控制产物选择性（通过调节电极材料、电位等）。局限性是能量效率通常较低（需要克服过电位），电流密度不高，催化剂成本和稳定性问题，以及长周期运行下的耐腐蚀性。发展方向包括开发高效、低成本、耐用的电催化剂，设计新型电催化反应器，优化电解液体系，提高能量效率和电流密度。综上，催化转化和电催化转化各有优劣，未来可能朝着更绿色、高效、灵活的方向发展，并可能结合多种技术手段。8.计算化学方法在化学合成新方法研究中的作用：*辅助设计新型高效催化剂：通过DFT等计算可以预测不同催化剂材料（如合金、表面缺陷、掺杂）的电子结构、吸附能、反应能垒，从而筛选出具有高活性和选择性的潜在催化剂结构，指导实验合成。*预测有机合成反应路径和能量变化：可以计算反应物的键能、过渡态的能量以及产物形成的能量，从而确定最可能的反应路径，预测反应的难易程度（热力学和动力学），评估不同反应条件的可行性。在资源化学研究中的具体应用价值：例如，利用计算化学设计用于CO2还原制取甲醇或烯烃的高效电催化剂；预测生物质中特定官能团（如酯基、醚键）在酸碱催化下的水解反应路径和能垒；评估不同金属离子在矿物浸出过程中的吸附机理和动力学；设计用于资源回收的吸附材料结构并预测其吸附性能。9.理解和掌握化学合成新方法对于开发可持续能源、环境保护和保障资源安全至关重要。*可持续能源：新合成方法（如光电催化、电催化分解水制氢、高效生物质转化）是实现可再生能源（太阳能、风能、生物质能）高效利用和存储的关键技术，有助于摆脱对化石燃料的依赖。*环境保护：开发绿色合成方法和高效催化剂，可以减少化学工业对环境的污染（减少废弃物、污染物排放），实现资源的循环利用（如废弃物资源化、工业副产物的回收利用），助力实现碳达峰、碳中和目标。*资源安全：随着传统资源的日益枯竭，发展高效、经济的化学合成新方法，可以从丰富的非传统资源（如生物质、海洋资源、地热能、CO2等）中获取高价值的化学品和材料，保障国家经济安全和战略资源供应。跨学科融合的关键作用：化学合成新方法的开发和应用往往需要化学家与资源学家、环境科学家、