红外吸收光谱法课件

第八章

波谱分析法8.1.1红外光谱产生的基本原理8.1.2红外光谱仪8.1.3有机化合物中基团的特征吸收峰8.1.4影响吸收峰峰位的因素8.1.5红外光谱在结构解析中的应用

第一节

红外吸收光谱法第八章

波谱分析法8.1.1红外光谱产生的基本原理第一节掌握红外光谱基本原理，分子中基团的基本振动形式，主要基团的特征吸收峰和影响吸收峰峰位变化的因素。能够根据红外谱图确定简单有机化合物的结构。掌握核磁共振谱基本原理，主要氢核的化学位移及其影响因素，自旋偶合、自旋裂分和偶合常数的关系。能够根据核磁共振谱图确定简单有机化合物的结构。掌握质谱分析的基本原理，分子离子峰的特征及判定方法，能识别出分子离子峰、基峰、碎片离子峰等。了解化合物裂解的一般规律及质谱图的解析方法；红外光谱仪、核磁共振波谱仪及质谱仪的主要部件及功能。本章教学基本要求掌握红外光谱基本原理，分子中基团的基本振动形式分子中基团的振动和转动能级跃迁产生：振动–转动光谱。8.1.1红外光谱产生的基本原理分子中基团的振动和转动能级跃迁产生：振动–转红外光谱图：纵坐标为吸收强度，横坐标为波长λ(μm)和波数1/λ(cm-1)可以用峰数，峰位，峰形，峰强来描述。应用：有机化合物的结构解析；定性：基团的特征吸收频率；定量：特征峰的强度。一、红外吸收光谱与有机化合物结构问题？是否所有的化合物都有红外吸收？化合物产生红外吸收是否有条件?红外光谱图：应用：有机化合物的结构解析；一、红外吸收光谱与有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。

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。

非对称分子：有偶极矩，红外活性。偶极子在交变电场中的作用示意图1.红外光谱产生的条件满足两个条件：2.分子振动方程式分子的振动能级（量子化）：

E振=（V+1/2）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.分子振动方程式分子的振动能级（量子化）：(1)双原(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。

问题？力常数k大小与哪些因素有关?(2)分子振动方程式任意两个相邻的能级间的能量差为k化学键表某些键的伸缩力常数（毫达因/埃）键类型：—CC—>—C=C—>—C—C—力常数：15

179.5

9.94.5

5.6峰位：4.5

m6.0

m7.0

m

化学键越强（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。问题？—为何健的力常数k不是确定值，而是一个范围？表某些键的伸缩力常数（毫达因/埃）键类型：

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1652cm-1例题:由表中查知C=C键的k=9.59二、分子中基团的基本振动形式1．两类基本振动形式伸缩振动亚甲基：变形振动亚甲基二、分子中基团的基本振动形式1．两类基本振动形式变形振动例１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，出现在低波数区（高波长区）。（2）峰数

出现吸收峰的个数与分子自由度有关。无瞬间偶极距变化时，无红外吸收。例１水分子２．峰位、峰数与峰强（1）峰位化学键例2CO2分子（4）基频峰：由基态跃迁到第一激发态，产生一个强的吸收峰；（5）倍频峰：由基态直接跃迁到第二激发态，产生一个弱的吸收峰。（3）峰强：瞬间偶极距变化大，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；例2CO2分子（4）基频峰：由基态跃迁到第一激发态，产生8.1.2红外光谱仪一、仪器类型两种类型：色散型干涉型（傅里叶变换红外光谱仪）8.1.2红外光谱仪一、仪器类型内部结构Nicolet公司的AVATAR360FT-IR内部结构Nicolet公司的AVATAR360FT-IR傅里叶变换红外光谱仪结构框图干涉仪光源样品室检测器显示器绘图仪计算机干涉图光谱图FTS傅里叶变换红外光谱仪结构框图干涉仪光源样品室检测器显示器绘图傅里叶变换红外光谱仪工作原理图

傅里叶变换红外光谱仪工作原理图迈克尔孙干涉仪工作原理图

迈克尔孙干涉仪工作原理图二、制样方法（1）气体：气体池（2）液体：①液膜法——难挥发液体(bp>80C)；②溶液法——液体池。溶剂：常用CCl4，CS2。（3）固体：①研糊法（液体石腊法）；②KBr压片法；③薄膜法。二、制样方法（1）气体：气体池（2）液体：①液膜法——难挥发三、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）——微量及微区分析三、联用技术GC/FTIR（气相色谱红外光谱联用）LC/FT8.1.3有机化合物中基团的特征吸收峰

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

3000cm-1—CH3特征峰；1600

1850cm-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：—CH2—CO—CH2—1715cm-1

酮—CH2—CO—O—1735cm-1

酯—CH2—CO—NH—1680cm-1

酰胺一、红外光谱的特征性8.1.3有机化合物中基团的特征吸收峰与基团频率出现的范围:常见的有机化合物基团频率出现的范围：4000

670cm-1依据基团的振动形式，分为四个区：(1)4000

2500cm-1

X–H伸缩振动区（X=O,N,C,S）(2)2500

1900cm-1三键，累积双键伸缩振动区。(3)1900

1200cm-1

双键伸缩振动区(4)1200

670cm-1

X–Y伸缩，

X–H变形振动区基团频率出现的范围:常见的有机化合物基团频率出现的范围：40二、有机化合物分子中常见基团吸收峰1．X–H伸缩振动区(4000

2500cm-1)（1）–O–H3650

3200cm-1；确定醇、酚、酸

在非极性溶剂中，浓度较小（稀溶液）时，峰形尖锐，强吸收；当浓度较大时，发生缔合作用，峰形较宽。二、有机化合物分子中常见基团吸收峰1．X–H伸缩振动区(4（3）不饱和碳原子上的=C–H（

C–H

）

苯环上的C–H3030cm-1

=C–H3010

3260cm-1

C–H3300

cm-1（2）饱和碳原子上的–C–H3000cm-1以上

–CH3

2960

cm-1反对称伸缩振动2870

cm-1对称伸缩振动–CH2–2930

cm-1反对称伸缩振动2850

cm-1对称伸缩振动–C–H2890cm-1弱吸收3000cm-1以下（3）不饱和碳原子上的=C–H（C–H）（2）饱和碳原2．叁键(C

C)伸缩振动区(2500

1900cm-1)（1）RCCH（2100

2140cm-1）RCCR'

（2190

2260cm-1）

R=R'

时，无红外活性（2）RCN（2100

2140cm-1）非共轭2240

2260cm-1;共轭2220

2230cm-12．叁键(CC)伸缩振动区(25001900cm-3．双键伸缩振动区(1200

1900cm-1)

苯衍生物在1650

2000cm-1出现C-H和C=C键的面内变形振动的泛频吸收（强度弱），可用来判断取代基位置。（1）RC=CR’1620

1680cm-1

强度弱，

R=R’（对称）时，无红外活性。（2）单核芳烃的C=C键伸缩振动（16261650cm-1）3．双键伸缩振动区(12001900cm-1)（3）C=O（1850

1600cm-1）碳氧双键的特征峰，强度大，峰尖锐。醛，酮的区分？（3）C=O（18501600cm-1）醛，酮的4.X–Y，X–H变形振动区<1650cm-1

指纹区(1350

650cm-1),较复杂。

C–H，N–H的变形振动；

C–O，C–X的伸缩振动；

C–C骨架振动等。精细结构的区分。4.X–Y，X–H变形振动区<1650cm-1三、基团吸收带数据表三、基团吸收带数据表常见基团的红外吸收带特征区指纹区500100015002000250030003500C–H，N–H，O–HN–HCNC=NS–HP–HN–ON–NC–FC–XO–HO–H（氢键）C=OC–C，C–N，C–O=C–HC–HCCC=C常见基团的红外吸收带特征区指纹区500100015002001．内部因素（1）电子效应诱导效应：吸电子基团使吸收峰向高波数移动(蓝移)。8.1.4影响吸收峰峰位的因素

化学键的振动频率不仅与其性质有关，还受分子的内部结构和外部因素影响。各种化合物中相同基团的特征吸收并不总在一个固定频率上。1．内部因素8.1.4影响吸收峰峰位的因素化学键的振动共轭效应cm-1cm-1cm-1cm-1规律：

使吸收峰向低波数(长波方向)移动(红移)。共轭效应cm-1cm-1cm-1cm-1规律：（２）空间效应

空间位阻；环张力CHCHCHCH1576cm-11611cm-11644cm1781cm-11678cm-11657cm-11651cm-1CH3060～3030cm-12900～2800cm-12222-1（２）空间效应

空间位阻；环张力CHCHCHCH（3）氢键效应

氢键(分子内氢键；分子间氢键)：对峰位、峰强产生极明显影响，使伸缩振动频率向低波数方向移动。（3）氢键效应氢键(分子内氢键；分子间氢键)2．外部因素状态、粒度、溶剂、重结晶条件及制样等。外部因素的影响将使红外吸收频率产生较大改变。（1）物理状态的影响气态分子：分子间作用力弱，分子可自由旋转，测得的频率最高。丙酮：气态

C=O1742cm-1；液态

C=O1718cm-1

（2）溶剂的影响

规律：极性基团（–OH,–

NH,–

C=O,–

CN）的伸缩振动频率随溶剂极性增大（相互作用增强）而向低波数方向移动，且强度增大。变形振动则向高波数方向移动。2．外部因素状态、粒度、溶剂、重结晶条件及制样等。8.1.5红外光谱在结构解析中的应用

红外光谱图解析一般可以按以下的步骤进行：解析前应了解尽可能多的信息2.计算不饱和度3.确定所含的化学键或基团4.根据频率位移值考虑邻接基团及其连接方式5.与标准谱图对照6.配合其他分析方法综合解析8.1.5红外光谱在结构解析中的应用红外光谱图解析一般可分子的不饱和度

定义：不饱和度是指分子结构中相对其饱和状态所缺一价元素的“对”数。如：乙烯变成饱和烷烃需要两个氢原子，不饱和度为1。

计算：若分子中仅含一，二，三，四价元素(H,O,N，C)，则可按下式进行不饱和度的计算：

=（