《仪器分析课件红外光谱IR教学幻灯片》由会员分享，可在线阅读，更多相关《仪器分析课件红外光谱IR教学幻灯片（78页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2020/8/8,红外光谱 ,1,红外光谱,(Infrared Spectrometry),2020/8/8,红外光谱 ,2,红外光谱的基本概念,红外光谱,红外吸收光谱也是一种分子光谱 当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收某些频率的辐射，并由其振动运动或转动运动引起偶极矩的净变化，产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，从而形成的分子吸收光谱称为红外光谱。又称为分子振动转动光谱。 记录红外光的百分透射比与波数或波长的关系,就得到红外光谱。,2020/8/8,红外光谱 ,3,红外光谱的基本概念,CH3COOCH=CH2 醋酸乙烯酯,2020/8/8,红外光谱 ,5,紫外、可见光谱常
2、用于研究不饱和有机物，特别是具有共轭体系的有机化合物，而红外光谱法主要研究在振动中伴随有偶极矩变化的化合物（没有偶极矩变化的振动在拉曼光谱中出现）。 除了单原子和同核分子如Ne、He、O2、H2等之外，几乎所有的有机化合物在红外光谱区均有吸收。除光学异构体，某些高分子量的高聚物以及在分子量上只有微小差异的化合物外，凡是具有结构不同的两个化合物，一定不会有相同的红外光谱。,红外光谱的特点,2020/8/8,红外光谱 ,6,红外吸收带的波长位置与吸收谱带的强度，反映了分子结构上的特点，可以用来鉴定未知物的结构组成或确定其化学基团；而吸收谱带的吸收强度与分子组成或化学基团的含量有关，可用以进行定量分
3、析和纯度鉴定。 由于红外光谱分析特征性强，气体、液体、固体样品都可测定，并具有用量少，分析速度快，不破坏样品的特点。因此，红外光谱法不仅能进行定性和定量分析，而且是鉴定化合物和测定分子结构最有用的方法之一。,红外光谱的特点,2020/8/8,红外光谱 ,7,产生红外吸收的条件 红外光谱是由于分子振动能级（同时伴随转动能级）跃迁而产生的，物质吸收红外辐射应满足两个条件： 辐射光具有的能量与发生振动跃迁时所需的能量相等 辐射与物质之间有偶合作用。红外跃迁是偶极矩诱导的，分子由于构成它的各原子的电负性的不同而显示不同的极性，通常用分子的偶极矩（）来描述分子极性的大小。只有发生偶极矩变化（0）的振动才
4、能引起可观测的红外吸收光谱，该分子称之为红外活性的,如CO2分子；=0的分子振动不能产生红外振动吸收，称为非红外活性的, 如O2分子,红外光谱的基本概念,2020/8/8,红外光谱 ,8,红外光谱的基本概念,振动的基本形式,分子振动一般分为伸缩振动和弯曲振动两大类。 伸缩振动：原子沿键轴方向伸缩，键长发生变化而键角不变的振动称为伸缩振动。用符号v表示。它又分为对称（vs）和不对称（vas）伸缩振动。对同一基团来说，不对称伸缩振动的频率要稍高于对称伸缩振动。,2020/8/8,红外光谱 ,9,红外光谱的基本概念,弯曲振动（变形振动或变角振动，用符号表示）,基团键角发生周期变化而键长不变的振动。
5、振动分为面内变形振动和面外变形振动。,2020/8/8,红外光谱 ,10,红外光谱的基本概念,三种振动:不对称伸缩振动、对称伸缩振动和变形振动。皆有偶极矩的变化,是红外活性的。,水分子的振动：,2020/8/8,红外光谱 ,11,设分子由n个原子组成，振动形式应有（3n-6）种, 直线性分子为（3n-5）种。每个振动自由度相当于红外光谱图上一个基频吸收带,实际上，绝大多数化合物在红外光谱图上出现的峰数远小于理论上计算的振动数，这是由如下原因引起的： （1）没有偶极矩变化的振动，不产生红外吸收； （2）相同频率的振动吸收重叠，即简并； （3）仪器不能区别那些频率十分接近的振动，或吸收带很弱，仪器
6、检测不出； （4）有些吸收带落在仪器检测范围之外。,红外光谱的基本概念,2020/8/8,红外光谱 ,12,2020/8/8,红外光谱 ,12,红外光谱的三要素,1.峰位,分子内各种官能团的特征吸收峰只出现在红外光波谱的一定范围，如：C=O的伸缩振动一般在1700 cm-1左右。,C=O 1650 cm-1,C=O 1715 cm-1,C=O 1780 cm-1,2020/8/8,红外光谱 ,13,红外光谱的三要素,2.峰强,红外吸收峰的强度取决于分子振动时偶极矩的变化，振动时分子偶极矩的变化越小，谱带强度也就越弱。一般说来，极性较强的基团(如C=O,C-X)振动，吸收强度较大；极性较弱的基团
7、(如C=C,N-C等)振动，吸收强度较弱； 红外吸收强度分别用很强(vs), 强(s),中(m), 弱(w)表示. 100 非常强峰vs 20 100 强峰s 10 20 中强峰m 1 10 弱峰w,2020/8/8,红外光谱 ,14,不同基团的某一种振动形式可能会在同一频率范围内都有红外吸收，如-OH、-NH的伸缩振动峰都在34003200 cm-1, 但二者峰形状有显著不同。此时峰形的不同有助于官能团的鉴别。,3.峰形,红外光谱的三要素,2020/8/8,红外光谱 ,15,红外光谱 ,15,红外光谱与分子结构,基团的特征吸收峰: 物质的红外光谱是其分子结构的反映，谱图中的吸收峰与分子中各基
8、团的振动形式相对应。实验表明，组成分子的各种基团，如O-H、N-H、C-H、C=C、C=O和CC等，都有自己的特定的红外吸收区域，分子的其它部分对其吸收位置影响较小。通常把这种能代表某基团存在并有较高强度吸收的谱带称为特征吸收峰。其所在的位置称为基团频率. 基团频率可用于鉴定官能团,2020/8/8,红外光谱 ,16,红外光谱 ,16,红外光谱与分子结构,中红外光谱区可分成40001300cm-1和 1300400cm-1两个区域。 40001300cm-1 区域称为基团频率区、官能团区或特征区。区内的峰是由伸缩振动产生的吸收带，比较稀疏，容易辨认，常用于鉴定官能团。 1300400cm-1区
9、域称为指纹区,区内的吸收带非常复杂,对结构上的微小变化表现的极其敏感,用来表征整个分子的结构特征,2020/8/8,红外光谱 ,17,基团频率区: 分为三个区域： 1. 4000 2500 cm-1 X-H伸缩振动区，X可以是O、H、C或S等原子。 O-H基的伸缩振动出现在3650 3200 cm-1 范围内，它可作为判断有无醇类、酚类和有机酸类的重要依据。 胺和酰胺的N-H伸缩振动也出现在35003100 cm-1 , 因此，可能会对O-H伸缩振动有干扰。,红外光谱与分子结构,2020/8/8,红外光谱 ,18,红外光谱 ,18,红外光谱与分子结构,C-H的伸缩振动可分为饱和和不饱和的两种。
10、 饱和的C-H伸缩振动出现在约30002800 cm-1, 取代基对它们影响很小。如-CH3 基:2960 cm-1和2876 cm-1附近；- CH2基: 2930 cm-1 和2850 cm-1附近；R2CH基: 2890 cm-1 附近，但强度很弱。 不饱和的C-H伸缩振动出现在3000 cm-1以上，以此来判别化合物中是否含有不饱和的C-H键。苯环的C-H键: 3030 cm-1附近，特征是强度比饱和的C-H键稍弱，但谱带比较尖锐。不饱和的双键=C-H的吸收出现在30103040 cm-1范围内，末端=CH2的吸收出现在3085 cm-1附近。叁键CH上的C-H伸缩振动出现在更高的区域
11、（3300 cm-1 ）附近。,2020/8/8,红外光谱 ,19,2. 25001900 为叁键和累积双键区 主要包括-CC,-CN等叁键的伸缩振动，以及-C =C=C, -C=C=O等累积双键的不对称性伸缩振动。对于炔烃类化合物，可以分成R-CCH和R-CC-R两种类型， R-CCH的伸缩振动出现在21002140 cm-1附近, R-CC-R出现在21902260 cm-1附近;如果是R-CC-R，因为分子是对称，则为非红外活性。-CN基的伸缩振动在非共轭的情况下出现在22402260 cm-1附近。当与不饱和键或芳香核共轭时，该峰位移到22202230 cm-1附近.,红外光谱与分子结
12、构,2020/8/8,红外光谱 ,20,红外光谱与分子结构,3. 19001200 cm-1为双键伸缩振动区 C=O, C=C, C=N, N=O等的伸缩振动,芳烃的骨架振动. C=O伸缩振动出现在19001650 cm-1 ，是红外光谱中很特征的且往往是最强的吸收，以此很容易判断酮类、醛类、酸类、酯类以及酸酐等有机化合物。酸酐的羰基吸收带由于振动耦合而呈现双峰。 烯烃的C=C伸缩振动出现在16801620cm-1 ,一般很弱. 单核芳烃的C=C伸缩振动出现在1600cm-1和1500 cm-1附近，有两个峰，这是芳环的骨架结构，用于确认有无芳核的存在。,2020/8/8,红外光谱 ,21,指
13、纹区 1500900 cm-1区域是C-O、C-N、C-F、C-P、C-S、 P-O、Si-O等单键的伸缩振动和C=S、S=O、P=O等双键的伸缩振动吸收. 其中1375 cm-1的谱带为甲基的C-H对称弯曲振动，对识别甲基十分有用，C-O的伸缩振动在13001000 cm-1 ，是该区域最强的峰，也较易识别。 900650 cm-1区域的某些吸收峰可用来确认化合物的顺反构型。例如，对RC=CHR结构的烯烃，其顺、反构型分别在690 和970 cm-1出现吸收峰,红外光谱与分子结构,2020/8/8,红外光谱 ,22,影响基团频率的因素 基团频率主要是由基团中原子的质量和原子间的化学键力常数决
14、定。然而，分子内部结构和外部环境的改变对它都有影响，因而同样的基团在不同的分子和不同的外界环境中，基团频率可能会有一个较大的范围。因此了解影响基团频率的因素，对解析红外光谱和推断分子结构都十分有用。 影响基团频率位移的因素大致可分为内部因素和外部因素,红外光谱与分子结构,2020/8/8,红外光谱 ,23,内部因素： 1. 电子效应 包括诱导效应、共轭效应和中介效应，它们都是由于化学键的电子分布不均匀引起的。,红外光谱与分子结构,2020/8/8,红外光谱 ,24,（1）诱导效应 由于取代基具有不同的电负性，通过静电诱导作用引起分子中电子分布的变化。从而改变了键力常数，使基团的特征频率发生了位
15、移。例如, 羰基C = O的伸缩振动，随着连接基团电负性的变化，C=O的伸缩振动频率变化情况如下:,1715cm-1 1800cm-1 1828cm-1 1928cm-1,红外光谱与分子结构,2020/8/8,红外光谱 ,25,（2）共轭效应 共轭效应使共轭体系中的电子云密度平均化，结果使原来的双键略有伸长（即电子云密度降低），力常数减小，使其吸收频率往往向低波数方向移动。例如酮的C=O，因与苯环共轭而使C=O的力常数减小，振动频率降低。,红外光谱与分子结构,1715cm-1 1 680cm-1 1 665cm-1,2020/8/8,红外光谱 ,26,红外光谱与分子结构,（3） 中介效应 当含
16、有孤对电子的原子（O、S、N等）与具有多重键的原子相连时，也可起类似的共轭作用，称为中介效应。由于含有孤对电子的原子的共轭作用，使C=O上的电子云更移向氧原子，C=O双键的电子云密度平均化，造成C=O键的力常数下降，使吸收频率向低波数位移。,1 650cm-1,1 635cm-1,1715cm-1,2020/8/8,红外光谱 ,27,红外光谱与分子结构,2 . 氢键的影响 氢键的形成使电子云密度平均化，从而使伸缩振动频率降低。游离羧酸的C=O键频率出现在1760 cm-1 左右，在固体或液体中，由于羧酸形成二聚体， C=O键频率出现在1700 cm-1 。 分子内氢键不受浓度影响，分子间氢键受浓度影响较大。,2020/8/8,红外光谱 ,28,红外光谱与分子结构,外部因素 外部因素主要指测定时物质的状态以及溶剂效应等因素。 同一物质的不同状态，由于分子间相互作用力不同，所得到光谱往往不同
