2025年大学《应用化学》专业题库- 有机合成催化剂设计

2025年大学《应用化学》专业题库——有机合成催化剂设计考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项的字母填在题干后的括号内）1.下列哪一项不属于衡量有机合成催化剂性能的关键指标？A.催化活性B.选择性C.稳定性D.复杂性2.在均相催化反应中，催化剂和反应物通常处于相同的物理状态，以下哪种催化剂不属于均相催化剂？A.金属羰基化合物B.负载型Pd/CC.固体酸D.有机金属试剂3.下列哪种效应是指催化剂的载体对活性组分物理化学性质（如分散度、电子结构）产生的影响？A.活性位点效应B.载体效应C.原子经济效应D.诱导效应4.催化剂能够加快化学反应速率，但在反应前后其自身的质量和化学性质保持不变，这是催化剂的哪个基本特征？A.催化性B.中间性C.可逆性D.特异性5.下列哪类反应通常不是由过渡金属催化剂催化的？A.碳-碳键偶联反应B.烯烃加氢反应C.醇的氧化反应D.醛的还原反应6.在有机合成中，利用分子筛（如ZSM-5）作为催化剂，主要利用了其哪种特性？A.高比表面积B.强酸性C.特定的孔道结构D.易于回收7.原子经济性是衡量化学反应绿色程度的重要指标，它表示什么？A.催化剂的转化率B.反应产物的选择性C.反应物转化为目标产物的原子比例D.催化剂的用量8.对于多相催化反应，反应物首先需要被吸附到催化剂表面，吸附的强度通常用哪个概念来描述？A.活性B.选择性C.吸附热D.稳定性9.“转移氢化”技术利用何种物质作为氢源？A.分子氢（H₂）B.醇C.醛D.氢化物离子（H⁻）10.下列哪种技术常用于测定负载型催化剂中活性金属的分散程度和比表面积？A.X射线衍射（XRD）B.透射电子显微镜（TEM）C.比表面积与孔径分析（BET）D.傅里叶变换红外光谱（FTIR）二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填写在横线上）1.催化剂能够改变化学反应的________，通常通过降低反应的________来实现。2.________催化剂是指催化剂和反应物处于同一液相中的催化剂。3.在设计金属催化剂时，通过调节金属的________或________可以改变其催化活性和选择性。4.沸石分子筛因其具有规整的________和可调节的孔径，在多相催化中应用广泛。5.酸碱催化剂在有机合成中可用于促进________反应、________反应等。6.催化剂的稳定性包括________稳定性和________稳定性两个方面。7.________是指催化剂只对反应的特定部分或特定立体异构体具有催化活性。8.傅里叶变换红外光谱（FTIR）可用于表征催化剂表面的________和________。9.在绿色化学背景下，设计高效、可回收的催化剂是重要的研究方向。10.有机金属催化剂如格氏试剂（RMgX）通常在________溶剂中反应。三、名词解释（每小题3分，共15分）1.催化活性2.多相催化3.选择性氧化4.负载型催化剂5.原子经济性四、简答题（每小题5分，共20分）1.简述均相催化和多相催化的主要区别。2.为什么载体在多相催化剂的设计中扮演着重要角色？3.简述影响加氢反应催化剂选择性的主要因素。4.简述绿色化学理念在有机合成催化剂设计中的体现。五、论述题（每小题10分，共20分）1.结合具体实例，论述金属催化剂的电子效应和空间位阻效应对催化活性和选择性的影响。2.以一种具体的有机合成反应为例（如Suzuki偶联反应），分析催化剂设计在提高反应效率、选择性和绿色化方面的重要性，并简述可能的催化剂设计策略。试卷答案一、选择题1.D2.B3.B4.A5.C6.C7.C8.C9.A10.C二、填空题1.反应路径；活化能2.均相3.化学态；配位环境4.孔道结构5.酯化；水解6.结构；化学7.特异性8.化学吸附；物理吸附9.可持续10.非极性三、名词解释1.催化活性：指催化剂加快化学反应速率的程度，常用单位时间内单位催化剂量（如摩尔或克）促使反应达到一定转化率所需的速率来表示。2.多相催化：指催化剂和反应物处于不同相态（通常是固-液或固-气）的催化过程。催化剂通常是固体，反应物是液体或气体。3.选择性氧化：指催化剂促使底物进行氧化反应，但仅限于生成特定结构产物的过程，可以是对区域选择性、化学选择性或立体选择性的控制。4.负载型催化剂：指将活性催化剂组分负载在多孔性的载体（如硅胶、氧化铝、分子筛等）上的催化剂。载体可以提供活性位点、提高分散度、增强热稳定性和机械强度，并便于催化剂的回收。5.原子经济性：指在化学反应中，目标产物中原子与反应物中总原子的比值（或目标产物摩尔质量与反应物总摩尔质量之比）。它衡量反应物转化为有用产物的效率，原子经济性越高，副产物越少，反应越绿色。四、简答题1.均相催化是指催化剂和反应物处于同一液相（或气相）中的催化过程。催化剂通常是溶解在溶剂中的可溶性分子或离子。反应物与催化剂分子能充分接触和相互作用，反应机理通常较为简单，动力学研究较容易。多相催化是指催化剂和反应物处于不同相态（通常是固-液或固-气）的催化过程。催化剂通常是固体，反应物是液体或气体。反应发生在催化剂的固体表面，反应物需要吸附到表面才能参与反应。通常催化剂易于回收，但表面化学复杂，动力学研究较困难。2.载体在多相催化剂中扮演着重要角色，主要原因包括：提供大量的活性位点，增加催化剂的比表面积，从而提高催化活性；分散活性组分，防止其团聚长大，保持小粒径活性中心的高活性；改变活性组分的电子性质或提供特定的微环境，从而调节催化活性与选择性；提高催化剂的机械强度和热稳定性，延长其使用寿命；便于催化剂的分离、回收和重复使用，降低成本并提高过程的绿色化程度。3.影响加氢反应催化剂选择性的主要因素包括：催化剂活性组分的化学性质，如金属的种类、氧化态和电子结构，不同的金属对不同的加氢反应具有不同的选择性；反应物的结构，如双键的位阻、官能团的种类等，会影响其在表面的吸附方式和反应路径；反应条件，如温度、压力、溶剂、添加剂等，不同的条件会促进不同的加氢产物生成；催化剂的电子修饰，通过添加助剂或改变制备方法来调节活性中心的电子结构，可以实现对特定加氢产物选择性的控制。4.绿色化学理念在有机合成催化剂设计中的体现包括：设计高选择性的催化剂，以减少副产物的生成，提高原子经济性；开发可重复使用或可回收的催化剂，减少废弃物和环境污染；选用环境友好的溶剂和反应条件，如水相催化、室温催化、使用可见光等；设计原位或非原位表征方法，实时监控催化过程，优化反应条件，提高效率；开发生物基或可再生的催化剂或原料，实现原料的可持续性。五、论述题1.金属催化剂的电子效应和空间位阻效应对催化活性和选择性的影响非常重要。电子效应是指改变金属催化剂表面活性位点电子云密度或酸碱性后，对反应物吸附、中间体形成和反应路径的影响。例如，通过引入路易斯酸或路易斯碱助剂，可以调节金属中心的电子结构，增强对亲电或亲核试剂的吸附能力，从而影响反应的选择性。例如，在钯催化下，通过调节配体电子给体能力，可以控制烯烃的加氢选择性（氢化、异构化或环化）。空间位阻效应是指催化剂表面活性位点的几何构型或附近基团的位阻大小对反应物吸附取向、中间体迁移和转化的影响。例如，在多相催化剂中，活性金属颗粒的大小和形状会影响反应物的吸附和扩散，纳米颗粒的表面原子具有更高的活性，而较大的颗粒则可能有利于特定反应路径。在均相催化中，大位阻配体可以阻止空间位阻较大的反应物或中间体吸附，从而实现对特定反应的选择性控制，如不对称催化中手性配体对底物吸附位向的强制。2.以Suzuki偶联反应为例，催化剂设计在提高反应效率、选择性和绿色化方面至关重要。Suzuki偶联反应是构建碳-碳键的重要方法，其效率、产率和选择性直接影响合成路线的可行性和成本。催化剂设计的目标是：提高反应速率（效率），通常通过选择高活性的钯或镍催化剂，并优化其电子结构（如使用合适的配体）；提高区域选择性和立体选择性（选择性），通过选择特定配体来控制钯中心的电子性质，实现对底物吸附模式和中间体转化的调控，避免不期望的副反应；提高