UKChO 化學競賽知識點解析係列 4

前三期咱們(men) 介紹了在 UKChO 中考查到的比較基礎的題型。從(cong) 這期開始，咱們(men) 會(hui) 介紹一些比較難的知識點。
複習(xi) 前三期內(nei) 容請戳：

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也別被“難”給唬住了，咱就是說難題找到解決(jue) 辦法，也會(hui) 變得輕鬆。
化學的學習(xi) 不是隻有理論，很多化學的學習(xi) 和教學都會(hui) 在化學實驗室裏發生。
在初中與(yu) 高中階段，實驗結果往往停留在觀察一個(ge) 現象，或生成某種物質。學生可以通過觀察形態、顏色、氣味等來確定實驗結果。可這樣的實驗，往往有很大的誤差，就拿生成物的顏色來說，細微的顏色深淺差距可能就是不同的產(chan) 物了。
因此，在實際的化學實驗中，化學家們(men) 在檢驗產(chan) 物時，用到的是各類更加精密的儀(yi) 器，通過每個(ge) 原子、每個(ge) 化學鍵不同的特性，來確定產(chan) 物的正確性和純度。而英國化學競賽裏，就會(hui) 考查到常見檢驗儀(yi) 器的使用原理和圖譜，最常見的檢驗儀(yi) 器包括核磁共振光譜(NMR)、質譜(Mass Spec)以及紅外光譜(IR)。
我在實驗室度過的時光裏，基本上每天都會(hui) 和這三種儀(yi) 器打交道。而由於(yu) 這些儀(yi) 器的原理都和原子（粒子）本身的性質有關(guan) ，所以對於(yu) 高中生來說，考察的多數是對於(yu) 各種圖譜的解讀了。
今天，我們(men) 來講講競賽中有關(guan) 核磁共振（NMR: Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy）的題型。

1NMR題型解析
NMR 本質上是一個(ge) 巨大的磁鐵，在這個(ge) 巨大的磁鐵所產(chan) 生的靜磁場中，自旋(spin=1/2)的原子核能夠與(yu) 這個(ge) 靜磁場共振。由於(yu) 每個(ge) 原子核受到不同化學環境(chemical environment)的影響，會(hui) 產(chan) 生不同的共振頻率，因此我們(men) 能夠通過傅立葉轉換(Fourier Transform)後的頻譜來推測每個(ge) 原子周圍的化學環境，從(cong) 而推測物質的分子結構。

（甲醛的NMR圖譜）
而在 NMR 中，原子核的化學位移(chemical shift)和自旋間的耦合(spin-spin coupling)是幫助我們(men) 判斷化學環境的兩(liang) 個(ge) 要素。當磁場被某個(ge) 原子核周圍高密度的電子屏蔽(shielding)，那麽(me) 該原子核的自旋就會(hui) 向高場(upfield)位移。
反之，當原子核在電負性強的環境當中，電子被其他原子核吸引，那麽(me) 就會(hui) 發生去屏蔽(deshielding)效應，因此化學位移就會(hui) 向低場(downfield)移動。因此，我們(men) 可以由不同的化學位移來此判斷自旋原子核附近的原子。而自旋受到附近自旋的影響會(hui) 發生相應的耦合，反應在圖譜上的就是自旋耦合的裂分和耦合常數。競賽當中，通常會(hui) 考到的題目是與(yu) 耦合有關(guan) 的。

2自旋耦合裂分

這一題隻考查了磷的耦合裂分。由於(yu) 這個(ge) 分子中隻有三個(ge) 磷，所以推測起來相對簡單。首先我們(men) 應該要意識到這個(ge) 給出的配位化合物是一個(ge) octahedral 的形狀，因此有兩(liang) 個(ge) 三苯基磷的配體(ti) 是在同樣的化學環境中的。
最後一個(ge) 三苯基磷垂直於(yu) 另外兩(liang) 個(ge) ，因此是一個(ge) 不同的化學環境。所以在圖譜中應該有兩(liang) 個(ge) 信號，一個(ge) 為(wei) 在同一平麵的兩(liang) 個(ge) 三苯基磷的信號，另一個(ge) 為(wei) 垂直於(yu) 這個(ge) 平麵的三苯基磷的信號。而同一個(ge) 化學環境中的兩(liang) 個(ge) 三苯基磷隻會(hui) 跟垂直於(yu) 他們(men) 的三苯基磷耦合，所以信號為(wei) 一個(ge) doublet。另一個(ge) 三苯基磷會(hui) 與(yu) 另外兩(liang) 個(ge) 三苯基磷都耦合，所以信號為(wei) 一個(ge) triplet。

3耦合常數
而最常見的 ¹H 的NMR 也是必考的。¹H 自旋和 ³¹P 自旋的耦合會(hui) 相對複雜一些。下題中給出了每個(ge) 裂變中耦合常數的數據。

歸根結底，這道題還是考察到了對於(yu) 化學環境的判斷。
耦合常數通常能夠幫助我們(men) 判斷相互耦合的自旋。互相耦合的自旋裂變時耦合常數是一樣的。因此，我們(men) 可以從(cong) 題目中給出的耦合常數中判斷：6 Hz 為(wei) 兩(liang) 個(ge) 氫的耦合常數，因為(wei) 他們(men) 互相耦合。
剩下的耦合就很好判斷了，由於(yu) 兩(liang) 個(ge) 氫和其中一個(ge) 三苯基磷在同一個(ge) 平麵，並且這個(ge) 平麵垂直於(yu) 另外兩(liang) 個(ge) 擁有相同化學環境的三苯基磷，所以我們(men) 可以推測 triplet 的耦合常數對應的就是兩(liang) 個(ge) 擁有相同化學環境的三苯基磷，而 doublet 則是同一平麵的三苯基磷。

以上的內(nei) 容是不是看起來很高深？大家大可不必對於(yu) 這種題型過於(yu) 驚慌。隻要大家對每個(ge) 原子相對的化學環境進行正確的判斷，在對於(yu) 核磁共振光譜有基本了解的情況下，對競賽中給出的簡單化合物推測某個(ge) 自旋的耦合裂變根本就是不在話下的。對於(yu) 稍微複雜一些的分子，競賽中還會(hui) 給出更多判斷耦合相關(guan) 的信息，甚至會(hui) 教你如何找到耦合裂變。

不論是什麽(me) 題型，咱們(men) 都不應該被複雜的問題唬住。很多時候，找到細小的知識點就能得分。就像我在前兩(liang) 期裏說到的，UKChO 很多時候都會(hui) 在題幹裏給出許多信息/公式，所以同學們(men) 隻要找到關(guan) 鍵點，結合自己學過的知識，進行一定的推斷，都能找到答案哦。

想要參賽的同學們(men) ，提醒大家考試時間是 2022 年 1 月 22 日，報名截止日期是 1 月 12 日哦。
同時，競賽所涉及的知識點基本與(yu) AP 化學/ IBHL 化學重合，備賽的同時也是在為(wei) 這兩(liang) 個(ge) 科目做準備。

【競賽報名/項目谘詢+微信：mollywei007】