UKChO 化学竞赛知识点解析系列 4

前三期咱们介绍了在UKChO中考查到的比较基础的题型。从这期开始，咱们会介绍一些比较难的知识点。
复习前三期内容请戳：

1）UKChO 化学竞赛 | 知识点解析系列
2）UKChO 化学竞赛 | 知识点解析系列 2
3）UKChO 化学竞赛 | 知识点解析 3

也别被“难”给唬住了，咱就是说难题找到解决办法，也会变得轻松。
化学的学习不是只有理论，很多化学的学习和教学都会在化学实验室里发生。
在初中与高中阶段，实验结果往往停留在观察一个现象，或生成某种物质。学生可以通过观察形态、颜色、气味等来确定实验结果。可这样的实验，往往有很大的误差，就拿生成物的颜色来说，细微的颜色深浅差距可能就是不同的产物了。
因此，在实际的化学实验中，化学家们在检验产物时，用到的是各类更加精密的仪器，通过每个原子、每个化学键不同的特性，来确定产物的正确性和纯度。而英国化学竞赛里，就会考查到常见检验仪器的使用原理和图谱，最常见的检验仪器包括核磁共振光谱(NMR)、质谱(Mass Spec)以及红外光谱(IR)。
我在实验室度过的时光里，基本上每天都会和这三种仪器打交道。而由于这些仪器的原理都和原子（粒子）本身的性质有关，所以对于高中生来说，考察的多数是对于各种图谱的解读了。
今天，我们来讲讲竞赛中有关核磁共振（NMR: Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy）的题型。

1NMR题型解析
NMR 本质上是一个巨大的磁铁，在这个巨大的磁铁所产生的静磁场中，自旋(spin=1/2)的原子核能够与这个静磁场共振。由于每个原子核受到不同化学环境(chemical environment)的影响，会产生不同的共振频率，因此我们能够通过傅立叶转换(Fourier Transform)后的频谱来推测每个原子周围的化学环境，从而推测物质的分子结构。

（甲醛的NMR图谱）
而在 NMR 中，原子核的化学位移(chemical shift)和自旋间的耦合(spin-spin coupling)是帮助我们判断化学环境的两个要素。当磁场被某个原子核周围高密度的电子屏蔽(shielding)，那么该原子核的自旋就会向高场(upfield)位移。
反之，当原子核在电负性强的环境当中，电子被其他原子核吸引，那么就会发生去屏蔽(deshielding)效应，因此化学位移就会向低场(downfield)移动。因此，我们可以由不同的化学位移来此判断自旋原子核附近的原子。而自旋受到附近自旋的影响会发生相应的耦合，反应在图谱上的就是自旋耦合的裂分和耦合常数。竞赛当中，通常会考到的题目是与耦合有关的。

2自旋耦合裂分

这一题只考查了磷的耦合裂分。由于这个分子中只有三个磷，所以推测起来相对简单。首先我们应该要意识到这个给出的配位化合物是一个 octahedral 的形状，因此有两个三苯基磷的配体是在同样的化学环境中的。
最后一个三苯基磷垂直于另外两个，因此是一个不同的化学环境。所以在图谱中应该有两个信号，一个为在同一平面的两个三苯基磷的信号，另一个为垂直于这个平面的三苯基磷的信号。而同一个化学环境中的两个三苯基磷只会跟垂直于他们的三苯基磷耦合，所以信号为一个 doublet。另一个三苯基磷会与另外两个三苯基磷都耦合，所以信号为一个 triplet。

3耦合常数
而最常见的 ¹H 的NMR 也是必考的。¹H 自旋和 ³¹P 自旋的耦合会相对复杂一些。下题中给出了每个裂变中耦合常数的数据。

归根结底，这道题还是考察到了对于化学环境的判断。
耦合常数通常能够帮助我们判断相互耦合的自旋。互相耦合的自旋裂变时耦合常数是一样的。因此，我们可以从题目中给出的耦合常数中判断：6 Hz 为两个氢的耦合常数，因为他们互相耦合。
剩下的耦合就很好判断了，由于两个氢和其中一个三苯基磷在同一个平面，并且这个平面垂直于另外两个拥有相同化学环境的三苯基磷，所以我们可以推测 triplet 的耦合常数对应的就是两个拥有相同化学环境的三苯基磷，而 doublet 则是同一平面的三苯基磷。

以上的内容是不是看起来很高深？大家大可不必对于这种题型过于惊慌。只要大家对每个原子相对的化学环境进行正确的判断，在对于核磁共振光谱有基本了解的情况下，对竞赛中给出的简单化合物推测某个自旋的耦合裂变根本就是不在话下的。对于稍微复杂一些的分子，竞赛中还会给出更多判断耦合相关的信息，甚至会教你如何找到耦合裂变。

不论是什么题型，咱们都不应该被复杂的问题唬住。很多时候，找到细小的知识点就能得分。就像我在前两期里说到的，UKChO 很多时候都会在题干里给出许多信息/公式，所以同学们只要找到关键点，结合自己学过的知识，进行一定的推断，都能找到答案哦。

想要参赛的同学们，提醒大家考试时间是 2022 年 1 月 22 日，报名截止日期是 1 月 12 日哦。
同时，竞赛所涉及的知识点基本与AP化学/IBHL 化学重合，备赛的同时也是在为这两个科目做准备。