红外光谱分析.ppt

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1、第二章 红外吸收光谱,(IR),2.1 概述,分子中基团的振动和转动能级跃迁产生：振-转光谱,红外区域的划分： 近红外区(4000-14290 cm-1 )：泛频区 中红外区 (400-4000 cm-1)：大部分有机物的基团振动频率在此区域。 远红外区(200-700 cm-1)：转动和重原子振动,红外吸收光谱的特点： 特征性强、适用范围广； 测样速度快、操作方便； 不适合测定含水样品。,引起化合物红外光谱的差异： 原子质量不同 化学键的性质不同 原子的连接次序不同 空间位置不同,红外光谱的表示方法,横坐标：波长/或波数/cm-1。 红外谱图有等波长及等波数两种，对照标准谱图时应注意。 纵坐

2、标：吸光度A或透光率T。,一般情况下，一张红外光谱图有530个吸收峰。,2.2.1 红外光谱产生的条件,满足两个条件： (1) 辐射应具有能满足物质产生振动跃迁所需的能量； (2) 辐射与物质间有相互偶合作用。,2.2 红外光谱的基本原理,1） E红外光=E分子振动 或红外光=分子振动 2） 红外光与分子之间有偶合作用：分子振动时其偶极矩() 必须发生变化，即0。 3） 能级跃迁选律：振动量子数(V）变化为1时，跃迁几 率最大。从基态(V=0)到第一振动激发态(V=1)的跃迁最重要， 产生的吸收频率称为基频。,对称分子：没有偶极矩，辐射不能引起共振，无红外活性。 如：N2、O2、Cl2 等。

3、非对称分子：有偶极矩，红外活性。,红外光的能量是通过分子振动时偶极矩的变化传递给分子。,偶极子在交变电场中的作用示意图,基频峰（01） 2885.9 cm-1 最强 二倍频峰（ 02 ） 5668.0 cm-1 较弱 三倍频峰（ 03 ） 8346.9 cm-1 很弱 四倍频峰（ 04 ） 10923.1 cm-1 极弱 五倍频峰（ 05 ） 13396.5 cm-1 极弱 除此之外，还有合频峰（1+2，21+2，），差频峰（ 1-2，21-2， ）等，这些峰多数很弱，一般不容易辨认。倍频峰、合频峰和差频峰统称为泛频峰。,2.2.2 分子振动方程式,分子的振动能级（量子化）： E振=（V+1/

4、2）h V ：化学键的 振动频率； ：振动量子数。,(1) 双原子分子的简谐振动及其频率 化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧,(2) 分子振动方程式,任意两个相邻的能级间的能量差为：,K化学键的力常数，与键能和键长有关， 为双原子的折合质量 =m1m2/ （m1+m2） 发生振动能级跃迁需要能量的大小取决于 键两端原子的折合质量和键的力常数，即 取决于分子的结构特征。,不同分子的结构不同，化学键的力常数不同，成键原子的质量不同，导致振动频率不同。 用红外光照射有机分子，样品将选择性地吸收那些与其振动频率相匹配的波段，从而产生红外光谱。,表 某些键的伸缩力常数（毫达因/埃）,键类型: CC C

5、 =C C C 力常数: 15 17 9.5 9.9 4.5 5.6 峰位: 4.5m 6.0 m 7.0 m 化学键键强越强（即键的力常数K越大）原子折合质量越小，化学键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区。,例题: 由表中查知C=C键的k=9.5 9.9 ,令其为9.6, 计算波数值,正己烯中C=C键伸缩振动频率实测值为1652 cm-1,2.3 红外光谱与分子结构的关系,(1) 两类基本振动形式,2.3.1 分子中基团的基本振动形式,例 水分子,(2) 峰位、峰数与峰强,1）峰位 化学键的力常数k 越大，原子折合质量越小，键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区（短波长区）；反之，出现

6、在低波数区（高波长区）。,2）峰数 峰数与分子自由度有关。无瞬间偶基距变化时，无红外吸收。,分子振动数目,线性分子： 3n-5个 非线性分子： 3n-6个,例2 CO2分子,（4）由基态跃迁到第一激发态，产生一个强的吸收峰，基频峰； （5）由基态直接跃迁到第二激发态，产生一个弱的吸收峰，倍频峰；,（3）瞬间偶基距变化大，吸收峰强；键两端原子电负性相差越大（极性越大），吸收峰越强；,红外光谱中除了前述基本振动产生的基本频率吸收峰外，还有一些其他的振动吸收峰：,倍频：是由振动能级基态跃迁到第二、三激发态时所产生的吸收峰。由于振动能级间隔不等距，所以倍频不是基频的整数倍。 组合频：一种频率红外光，同

7、时被两个振动所吸收即光的能量由于两种振动能级跃迁。 组合频和倍频统称为泛频。因为不符合跃迁选律，发生的几率很小，显示为弱峰。 振动偶合：相同的两个基团相邻且振动频率相近时，可发生振动偶合，引起吸收峰裂分，一个峰移向高频，一个移向低频。 费米共振：基频与倍频或组合频之间发生的振动偶合，使后者强度增强。,振动偶合：,CH3的对称弯曲振动频率为1380cm-1，但当两个甲基连在同一个C原子上，形成异丙基时发生振动偶合，即1380cm-1的吸收峰消失，出现1385 cm-1和1375 cm-1两个吸收峰。,2,4-二甲基戊烷的红外光谱,费米共振：,苯甲酰氯C-Cl的伸缩振动在874cm-1，其倍频峰在

8、1730cm-1左右，正好落在C=O的伸缩振动吸收峰位置附近，发生费米共振从而倍频峰吸收强度增加 。,苯甲酰氯的红外光谱,影响振动频率的因素, 当m固定时,基团振动频率随化学键力常数增强而增大。,振动方程,例如：,振动频率与基团折合质量的关系,分区依据：由于有机物数目庞大，而组成有机物的基团有限；基团的振动频率取决于K 和 m，同种基团的频率相近。 划分方法: 氢键区 基团特征频率区 叁键区和累积双键区 双键区 指纹区 单键区,2.3.2 基团频率区的划分,区域名称 频率范围 基团及振动形式 氢键区 40002500cm-1 OH、CH、NH 等的伸缩振动 叁键和 CC、CN、NN和 累积双键

9、区 25002000cm-1 CCC、NCO 等的伸缩振动 双键区 20001500cm-1 C=O、C=C、C=N、NO2、 苯环等的伸缩振动 单键区 1500400cm-1 CC、CO、CN、 CX等的伸缩振动及含 氢基团的弯曲振动。,基团频率区的划分,基团特征频率区的特点和用途 吸收峰数目较少，但特征性强。不同化合物中的同种基团振动吸收总是出现在一个比较窄的波数范围内。 主要用于确定官能团。 指纹区的特点和用途 吸收峰多而复杂，很难对每一个峰进行归属。 单个吸收峰的特征性差，而对整个分子结构环境十分敏感。 主要用于与标准谱图对照。,例,乙基异丙基酮和甲基丁基酮的IR（指纹区差异）,2.3

10、.3 影响基团频率位移的因素,基团处于分子中某一特定的环境，因此它的振动不是孤立的。基团确定后，m 固定，但相邻的原子或基团可通过电子效应、空间效应等影响 K，使其振动频率发生位移。 在特征频率区，不同化合物的同一种官能团吸收振动总是出现在一个窄的波数范围内，但不是一个固定波数，具体出现在哪里与基团所处的环境有关，这就是红外光谱用于有机物结构分析的依据。,影响基团频率位移的具体因素,电子效应 空间效应 氢键,1）电子效应 a诱导效应：通过静电诱导作用使分子中电子云分布发生变化引起K的改变，从而影响振动频率。,R-COR C=0 1715cm-1 ; R-COH C=0 1730cm -1 ；

11、R-COCl C=0 1800cm-1 ; R-COF C=0 1920cm-1 ;,吸电子诱导效应使羰基双键性增加，振动频率增大。,b. 共轭效应: 共轭效应使共轭体系中的电子云密度平均化，即双键键强减小，振动频率红移 (减小）。 也以CO为例：,若考虑共轭体系中的单键，情况如何？,CH2CH2 1650 cm-1,CH2CHCHCH2 1630 cm-1,C=C,若考虑共轭体系中的单键，情况如何？,例如： 脂肪醇中C-O-H基团中的C-O反对称伸缩振动 （ as）位于1150-1050cm-1，而在酚中因为氧与 芳环发生p-共轭，其 as在1230-1200cm 1。,因此： 对共轭体系中

12、的单键而言，则键强增强，振动频率增大。,如果诱导和共轭效应同时存在，则须具体分析哪种效应占主要 影响。如：,N上的孤对电子与羰基形成p-共轭， CO 红移（减小）,共轭效应：,诱导效应：,N比C原子的电负性大， 导致CO 蓝移（增大）,共轭效应大于诱导效应， CO 红移至1690 cm-1,共轭效应：,诱导效应：,O上的孤对电子与羰基形成p-共轭， CO 红移（减小）,O比C原子的电负性大， 导致CO 蓝移（增大）,诱导效应大于共轭效应， CO 蓝移至 1735 cm-1,2) 空间效应 a. 空间位阻 破坏共轭体系的共平面性，使共轭效应减弱，双键的振动频率蓝移（增大）。,1663cm-1 1

13、686cm-1 1693cm-1,b. 环的张力：环的大小影响环上有关基团的频率。,随着环张力增加，环外基团振动频率蓝移（增大），环内基团振动频率红移（减小）。,3) 氢键效应,氢键(分子内氢键；分子间氢键)：氢键的形成使原有的化学键OH或NH的键长增大，力常数K 变小，使伸缩振动频率向低波数方向移动。,氢键的形成对吸收峰的影响： 吸收峰展宽 氢键形成程度不同，对力常数的影响不同，使得吸收频率有一定范围。氢键形成程度与测定条件有关。 吸收强度增大 形成氢键后，相应基团的振动偶极矩变化增大，因此吸收强度增大。,醇、酚、羧酸、胺类等化合物中可以形成氢键。,例如： 醇、酚中的OH ，当分子处于游离状

14、态时，其振动频率为3640cm-1左右，是中等强度的尖锐吸收峰，当分子处于缔合状态时，其振动频率红移到3300cm-1附近，谱带增强并加宽。胺类化合物中的N-H也有类似情况。除伸缩振动外，OH、NH的弯曲振动受氢键影响也会发生谱带位置移动和峰形展宽。,还有一种氢键是发生在OH或NH与C=O之间的，如羧酸以此方式形成二聚体：,这种氢键比OH自身形成的氢键作用更大，不仅使OH 移向更低频率，而且也使C=O红移。,气相或非极性溶液中得到的是游离分子的红外光谱，此时没有氢键影响 以液态的纯物质或浓溶液测定，得到的是发生氢键缔合的分子的红外光谱,2.3.4 影响谱带强度的因素,谱带强度与振动时偶极矩变化

15、有关,偶极矩变化愈大，谱带强度愈大；偶极矩不发生变化，谱带强度为0，即为红外非活性。,影响偶极矩变化的因素： 分子或基团本身的极性大小：极性越大，偶极矩变化越大，对应的吸收谱带越强。如C-O吸收峰强度大于C-C吸收峰强度。 化合物结构的对称性：对称性越强，偶极矩变化越小，吸收谱带越弱。,例如： RCHCH2 = 40 （对称性最差） 顺式 RCHCHR = 10 （对称性次之） 反式 RCHCHR = 2 （对称性最强）,红外光谱的解析,1） 光谱必须有足够的分辨率和强度,2）光谱应该使用足够纯的化合物,3） 必须说明样品的处理方法，如果使用了溶剂， 必须说明溶剂的名称，浓度,4） 不要试图对

16、红外光谱进行系统的分析，更好的办法 是通过特征吸收判断一些官能团的存在与否,2.4 各类化合物的红外光谱,与一定结构单元相联系的、在一定范围内出现的化学键振动频率基团特征频率（特征峰）； 例： 2800 3000 cm-1 CH3 特征峰； 1600 1850 cm-1 C=O 特征峰； 基团所处化学环境不同，特征峰出现位置变化： CH2COCH2 1715 cm-1 酮 CH2COO 1735 cm-1 酯 CH2CONH 1680 cm-1 酰胺,几种常见官能团特征吸收简谱,C=C,3 X C=O,fingerprint,C-H,OH,Ester: C=O 1755cm-1,3440cm-

17、1, broad,Ketone C=O, 1710 cm-1,Conjugated C=C 1615 cm-1,Unsaturated ketone C=O 1665 cm-1,（1） 烷烃类化合物的特征基团频率,正癸烷的红外光谱图,2,4-二甲基戊烷的红外光谱,当分子中有异丙基（即两个甲基连在同一个碳上）时，因为振动耦合作用甲基的s CH31380cm-1发生裂分，在1375 cm-1和1385 cm-1左右出现强度相近的两个峰。,（2）烯烃类化合物的特征基团频率,1-辛烯的红外光谱图,(3) 炔烃,端基炔烃有两个主要特征吸收峰： 一是叁键上不饱和C-H伸缩振动C-H约在3300cm-1处产

18、生一个中强的尖锐峰 二是CC伸缩振动C-C吸收峰在2140 2100cm-1。 若CC位于碳链中间则只有C-C在2200cm-1左右一个尖峰，强度较弱。如果在对称结构中，则该峰不出现。,1-辛炔的红外光谱图,芳烃的特征吸收：（与烯烃类似）,=CH 30003100 cm-1 （芳环C-H伸缩振动） C=C 16501450 cm-1（芳环骨架伸缩振动） 面外=C-H 900650 cm-1 用于确定芳烃取代类型 （与芳环取代基性质无关，而与取代个数有关，取代基个数越多，即芳环上氢数目越少，振动频率越低。） 面外=C-H 倍频 20001600 cm-1（w) 用于确定芳烃取代类型,(4) 芳烃

19、,甲苯的红外光谱图,相邻氢数 取代情况 CH频率(cm-1) 5 单取代 770730，710690 4 邻位二取代 770735 1,3 间位二取代 810750，725680 2 对位二取代 860780,用CH确定芳烃取代类型,CH仅与苯环上相连的氢原子个数有关，而与取代基的种类无关。例如：,二甲苯三个异构体的红外光谱比较,(5) 醇和酚,特征峰： 游离OH伸缩振动 3600cm-1 尖峰 缔合OH伸缩振动 3600cm-1 又宽又强吸收峰 C-O 1250-1000 cm-1 面内OH 1500-1300 cm-1 面外OH 650 cm-1,2-乙基苯酚的红外光谱图,(6) 醚,丁醚

20、的红外光谱图,1210-1000cm 1是醚键的不对称伸缩振动 C-O-C,(7) 胺和铵盐,丙胺的红外光谱图,丙胺盐的红外光谱图,(8) 羰基化合物,因C=O 非常特征，羰基化合物易与其他有机物区分。,不同的羰基化合物的区分主要依据： C=O 位置 其他辅助信息,丙 酮,丙 醛,癸 酸,丁酸乙酯,丙酸酐,丙酰胺,2.5 红外光谱图的解析,确定化合物的类型 判断可能含有的官能团 根据吸收峰的位置推测基团所处的环境 参考其他信息列出可能结构 对照标准谱图或标准数据,(1) IR中官能团的吸收位置,1） 37003200cm-1:N-H、O-H （N-H波数高于O-H，氢键缔合波数低于游离波数）,

21、红外图谱的解析,乙醇(液膜),乙醇(CCl4),2）33002800 cm-1：C-H 以3000 cm-1为界： 高于3000 cm-1为C-H（不饱和） 低于3000 cm-1为C-H饱和）,3）三键和累积烯烃区（ 2200 cm-1）： CN、CC（中等强度，尖峰）,4）19001650 cm-1：CO 干扰少，吸收强，重要！酮羰基在1715 cm-1出峰 !（比较醛酮的区别）,5） 16501600 cm-1 ： CC(越不对称，吸收越强),6）1600、1500、1580、1460 ： 苯环（苯环呼吸振动）,7）1500 cm-1以下： 单键区 1450 cm-1：CH2、CH3；

22、1380 cm-1：CH3 （诊断价值高）,8） 1000 cm-1以下，苯环及双键上=CH面外弯曲振动,苯环上五氢相连（单取代）：700、750 cm-1 例：苯酚的IR 四氢相连（邻二取代）：750 cm-1 例：邻二甲苯的IR 三氢相连（间二取代）：700、780cm-1 例：间二甲苯的IR 二氢相连（对二取代）：830cm-1 例：对二甲苯的IR 孤立氢：880 cm-1,(2) 解析IR谱图的原则,解析IR谱图时，不必对每个吸收峰都进行指认。 重点解析强度大、特征性强的峰，同时考虑相关峰原则。 相关峰由于某个官能团的存在而出现的一组相互依存、 相互佐证的吸收峰。,红外图谱的解析,例2

23、：若分子中存在COOH，则其IR谱图中应出现下列一组相关峰：,例1：若分子中存在CCH，则其IR谱图中应出现下列一组相关峰：,(3) 一般步骤,计算不饱和度。样品中有无双键、脂环、苯环？ 官能团区：峰的位置？强度？ 样品中有哪些官能团？ 指纹区：有无诊断价值高的特征吸收？ 如：1380cm-1有峰？1000 cm-1以下有峰？形状如何？双键的取代情况及构型？苯环上的取代情况？ 其他信息：来源？合成方法？化学特征反应？物理常数？ NMR、MS、UV谱图特征？ 掌握的信息越多，越有利于给出结构式。 查阅、对照标准谱图，确定分子结构。,2.6 谱图解析示例,例1 已知该化合物的元素组成为C7H8O。

24、,3039cm-1，3001cm-1 是不饱和C-H伸缩振动=C-H，说明化合物中有不饱和双键 2947cm-1是饱和C-H伸缩振动C-H ，说明化合物中有饱和C-H键 1599cm-1，1503cm-1是芳环骨架振动C=C ，说明化合物中有芳环 芳环不饱和度为4，这说明该化合物除芳环以外的结构是饱和的 1040cm-1是醚氧键的伸缩振动C-O-C ，说明化合物中有C-O-C键 756cm-1，694cm-1 是芳环单取代面外弯曲振动=C-H，说明化合物为单取代苯环化合物,例2 已知化合物的元素组成为C8H7N,3062cm-1是不饱和C-H伸缩振动=C-H，说明化合物有不饱和双键 2924c

25、m-1是饱和C-H伸缩振动C-H ，说明化合物中有饱和C-H键 2229cm-1是不饱和叁键CN伸缩振动 C N，不饱和度为2 1589cm-1，1481 cm-1 ，1458cm-1是芳环骨架振动C=C ，说明化合物中有芳环，不饱和度为2 芳环不饱和度为4，叁键CN不饱和度为2，这说明该化合物除芳环和叁键以外的结构是饱和的 1381cm-1是CH3的伸缩振动C-H ，说明化合物中有CH3 787cm-1，687cm-1 是芳环间位二取代面外弯曲振动=C-H，说明化合 物为间位二取代苯环化合物,1）不饱和度 5，大于4，一般有苯环，C6H5 2）3000 cm1以上，不饱和 C-H 伸缩，可能

26、为烯，炔，芳香化合物；1600， 1580 cm1，含有苯环；指纹区780，690 cm1，间位取代苯 3）1710 cm1，C=O， 2820，2720 cm1，醛基 4）结合化合物的分子式 ；此化合物为间甲基苯甲醛,例3 化合物C8H8O的红外谱图,1）不饱和度： 2 ；可能为烯，炔及含有羰基的化合物 2）3300 cm1 处宽带，羟基；结合 1040 cm1 处的吸收，可推测含有O- H, 由此可排除含有羰基的可能性 3）2110 cm1 处的吸收，可知此化合物有碳碳三键吸收；结合化合物的 分子式可知此化合物为 2-丙炔醇,例4 C3H4O,CH3CH2COOH,1）不：1 2）3000

27、， O-H；酸 930， O-H, 3) 1700, C=O 4) 1230， C-O,例5 C3H6O2,1) 不：1 2）3350，3180，-NH2 ; 1680, 1580, 伯酰胺,例6 C2H5ON,1) 不：3 2）2240， 3300(), CN 3) 3100, 1620 , C=C 4) 975, 870 单取代烯,例7 C3H3N,1）不：1 2）3008，1650 烯 3）990，910 单取代烯烃,例8 C8H16,1）不：4 2）3050；1600，1500, 760，700 ; 单取代苯 3）1380 异丙基,例9 C9H12,1） 800 对位取代,例10 C9

28、H12,1） 不：0 2）3340， 1100 醇 3）借助其它方法,例11 C4H10O,1）不：4 2）3000，1600，1500 苯 3）3300（），1250，1050; 芳香脂肪醚 4）750，邻位取代,例12 C8H10O,1）不：5 2）苯； 3）1685，共轭C=O 4) C6H5-C=O- 5) NMR,例13 C9H10O,1) 不：1 2）2820，2720； 1730 醛 3）C3H7- ; 1380 异丙基 4) NMR Check,例14 C4H8O,2.6.2 红外谱图解析的注意事项,解析时应兼顾吸收峰的位置、强度和峰形，其中以峰的位置最为重要； 注意相互印证；

29、 一个基团的几种振动吸收峰的相互印证，如烯烃。 相关基团振动吸收峰之间的相互印证，如醛、酸。,不要忽略一些带有结构特征信息的弱峰； 注意区别和排除非样品谱带的干扰； 解析只是对特征有用的谱带而言，并非谱图中每一个吸收峰都能得到归属；单凭红外光谱解析很难完全确定有机化合物的结构。,练习,1.已知化学式为C9H12,2.已知化学式为C4H8O,3.已知化学式为C8H10O,2.7 红外光谱仪器及测定技术,红外光谱仪 色散型红外光谱仪 傅里叶变换红外光谱仪 红外光谱的测定技术 制样方法,一、仪器类型与结构,两种类型：色散型 干涉型（付立叶变换红外光谱仪）,傅里叶变换红外光谱仪工作原理图,二、制样方法,1）气体气体池,2）液体：,液膜法难挥发液体（bp80C） 溶液法液体池,溶剂： CCl4 ，CS2常用。,3) 固体:,研糊法（液体石腊法） KBr压片法 薄膜法,三、联用技术,GC/FTIR（气相色谱红外光谱联用）,LC/FTIR（液相色谱红外光谱联用）,PAS/FTIR（光声红外光谱）,MIC/FTIR（显微红外光谱）微量及微区分析,Sadtler红外标准谱图查阅方法,Sadtler红外标准谱图分类 标准红外光谱图和商业红外光谱图 棱镜红外光谱图和光栅红外光谱图 红外蒸汽相光谱图 标准红外光谱图的查阅方法 分子式索引 字母顺序索引 化学分类索引 谱线索引,