聚合物研究方法-红外光谱

1、1 2 红外区：0.71000 mm基频吸收：基态跃迁到第一基频吸收：基态跃迁到第一 激发态的吸收激发态的吸收 (4000-400 cm- 1) 3 近红外：0.762.5m，131584000cm-1 主要为OH，NH，CH的倍频吸收 中红外：2.525m，4000400cm-1 主要为分子振动，伴随振动吸收 远红外：251000m，40010cm-1 主要为分子的转动吸收 其中，中红外区是研究的最多、最深的区 域，一般所说的红外光谱就是指中红外区的红 外吸收光谱。 4 红外光谱英文为 Infrared Spectrometry (IR) 样品吸收红外辐射的主要原因是： 分子中的化学键 因此

2、, IR可用于鉴别化合物中的化学键 类型，可对分子结构进行推测。既适用于结 晶质物质，也适用于非晶质物质。 5 红外光谱属于分子振动光谱。 当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分 子吸收了某些频率的辐射，并使得这些吸收区域 的透射光强度减弱。 记录红外光的百分透射比与波长关系的曲线， 即为红外光谱，所以又称之为红外吸收光谱。 6 红外光的能量： 与一般的电磁波一样，红外光亦具有波粒二像性： 既是一种振动波，又是一种高速运动的粒子流。 其波长表示为波数的形式 1/（cm） 104/ （mm） 所具有的能量为： Ehc/ hc 红外光所具有的能量正好相当于分子（化学键） 的不同能量状态之间的能量

3、差异。因此才会发生对红 外光的吸收效应。 7 8 9 10 分子的振动所需的能量远大于分子的转动所需的 能量，因此对应的红外吸收频率也有差异： 远红外区：波长长，能量低，对应分子的转动吸收 中红外区：波长短，能量高，对应分子的振动吸收 近红外区：能量更高，对应分子的倍频吸收（从基 态第二或第三振动态） 11 分子振动的类型 双原子分子伸缩振动 12 13 红外吸收产生的条件： （A) 振动的频率与红外光波段的某频率 相等。 即分子吸收了这一波段的光，可以 把自身的能级从基态提高到某一激发态。 这是产生红外吸收的必要条件。 14 红外吸收产生的条件： （B）偶极矩的变化： 分子在振动过程中，由于

4、键长和键角的 变化，而引起分子的偶极矩的变化，结果产 生交变的电场，这个交变电场会与红外光的 电磁辐射相互作用，从而产生红外吸收。 而多数非极性的双原子分子（H2, N2, O2)，虽然也会振动，但振动中没有偶极矩 的变化，因此不产生交变电场，不会与红外 光发生作用，不吸收红外辐射。称之为非红 外活性。 15 16 分子振动的类型 A）伸缩振动 分子沿成键的键轴方向振动，键的长度发生伸、缩 变化。分对称伸缩s和不对称伸缩as。 17 一些化学键的伸缩振动对应的红外波数 键 分子 波数 cm1 H-F HF 3958 H-Cl HCl 2885 H-Br HBr 2559 H-O H2O(结构水

5、)（羟基） 3640 H-O H2O(结晶水) 3200-3250 C-C 单键 1195 双键 1685 三键 2070 18 B）弯曲振动）弯曲振动(原子垂直于价键方向的振动，发生键角原子垂直于价键方向的振动，发生键角 变化）变化） 亦称变形振动。记为亦称变形振动。记为 。 19 一些化学键的弯曲振动对应的红外波数 键 波数 cm1 XOH 1200600 H2O 16501600 NO3 900800 CO3 900700 BO3 800600 SO4 680580 SiO4 560420 20 21 22 23 24 25 26 2.1.2 样品的制备：样品的制备： a）粉末法样品：

6、样品研磨成2微米左右，使之悬浮 于容易挥发的液体中，把含有试样的悬 浮液涂成层状，待溶剂挥发后，即形成 薄层状的样品。 b）压片法 （固体样品最常用的制样方法） 称量样品0.3-3mg，与约200mg的KBr共同研 磨，并混和均匀，用15MPa的压力压成片状。 （KBr从4000250cm1都是透明的，即不产 生红外吸收） 27 28 29 30 中红外光谱区可分成中红外光谱区可分成两个区域：两个区域： 4000cm-1 1800cm-1(1300cm-1)：基团频率区：基团频率区 1800cm-1 600cm-1：为指纹区：为指纹区 基团频率区为官能团的伸缩振动吸收带，容易辨认。基团频率区为

7、官能团的伸缩振动吸收带，容易辨认。 指纹区内除单键的伸缩振动外，还有因变形振动产指纹区内除单键的伸缩振动外，还有因变形振动产 生的谱带。生的谱带。当分子结构稍有不同时，该区的吸收就有当分子结构稍有不同时，该区的吸收就有 细微的差异。指纹区对于细微的差异。指纹区对于指认结构类似的化合物指认结构类似的化合物很有很有 帮助，而且可以作为化合物存在某种化学键的旁证。帮助，而且可以作为化合物存在某种化学键的旁证。 31 （1）基团频率区：）基团频率区：可进一步分为三个区域： （A）4000 2500：X-H伸缩振动区，X可以是O、 N、C或S等原子。 O-H基的伸缩振动出现在基的伸缩振动出现在36503

8、200，它可以作为，它可以作为 判断有无醇类、酚类和有机酸类的重要依据判断有无醇类、酚类和有机酸类的重要依据。 基团特征频率基团特征频率 32 33 34 C-H的伸缩振动可分为饱和与不饱和两种：的伸缩振动可分为饱和与不饱和两种： 饱和的饱和的C-H约约30002800 cm-1 。 如-CH3： 2960和2876； R2CH2：2930和2850； R3CH： 2890。 不饱和的不饱和的C-H伸缩振动出现在伸缩振动出现在3000 cm-1以上，以上， 以此来判别化合物中是否含有不饱和的C-H 键。 35 36 （B）25001900 为键和累积双键区。 R-CCH的伸缩振动出现在2100

9、2140 附近； RCC-R出现在21902260 cm-1附近； R-CC-R分子是对称，为非红外活性。 37 c. 1900-1500 cm-1 这是双键伸缩振动区，是红外光谱中很重要的这是双键伸缩振动区，是红外光谱中很重要的 区域。区域。 C=O羰基的吸收一般为最强峰或次强峰，出现在羰基的吸收一般为最强峰或次强峰，出现在 1760-1690 cm-1内，受与羰基相连的基团影响，内，受与羰基相连的基团影响， 会移向高波数或低波数。会移向高波数或低波数。 n烯烃类化合物的烯烃类化合物的C=CC=C振动出现在振动出现在1667-1640 cm-1,1667-1640 cm-1,为为 中等强度或

10、弱的吸收峰中等强度或弱的吸收峰 38 39 （2）指纹区）指纹区 （A）1800 900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C-H对称弯曲振动：1375，（鉴别甲基） C-O的伸缩振动：13001000。 （B）900 650 cm-1区域的某些吸收峰可用 来确认化合物的顺反构型。 如确定苯环的取代类型等。 40 4. 1500-1300 cm-1 两个甲基连在同一碳原子上的偕二甲基有特征两个甲基连在同一碳原子上的偕二甲基有特征 吸收峰。如异丙基吸收峰。如异丙基(CH3)2CH-在在1385- 13

11、80cm-1和和1370-1365cm-1有两个同样强有两个同样强 度的吸收峰度的吸收峰(即原即原1375cm-1的吸收峰分叉的吸收峰分叉)。 叔丁基叔丁基(CH3)3C-)1375cm-1的吸收峰也分的吸收峰也分 叉叉(1395-1385cm-1和和1370cm-1附近附近)，但，但 低波数的吸收峰强度大于高波数的吸收峰。低波数的吸收峰强度大于高波数的吸收峰。 分叉的原因在于两个甲基同时连在同一碳原分叉的原因在于两个甲基同时连在同一碳原 子上，因此有同位相和反位相的对称弯曲振子上，因此有同位相和反位相的对称弯曲振 动的相互耦合。动的相互耦合。 41 5. 1300-910 cm-1 为单键伸

12、缩振动区。为单键伸缩振动区。 C-O单键振动在单键振动在1300-1050 cm-1，如醇、酚、，如醇、酚、 醚、羧酸、酯等，为强吸收峰。醇在醚、羧酸、酯等，为强吸收峰。醇在1100- 1050cm-1有强吸收，酚在有强吸收，酚在1250-1100cm- 1 有强吸收；酯在此区间有两组吸收峰，为有强吸收；酯在此区间有两组吸收峰，为 1240-1160cm-1(反对称反对称)和和1160-1050 cm-1(对称对称)。C-C、C-X(卤素卤素)等也在此区间等也在此区间 出峰。将此区域的吸收峰与其它区间的吸收出峰。将此区域的吸收峰与其它区间的吸收 峰一起对照，在谱图解析时很有用。峰一起对照，在谱

13、图解析时很有用。 42 6. 910 cm-1以下以下 苯环面外弯曲振动、环弯曲振动出现在此苯环面外弯曲振动、环弯曲振动出现在此 区域。区域。如果在此区间内无强吸收峰，一如果在此区间内无强吸收峰，一 般表示无芳香族化合物般表示无芳香族化合物。此区域的吸收。此区域的吸收 峰常常与环的取代位置有关。峰常常与环的取代位置有关。 43 44 1. 键振动键振动 45 2. 饱和烃饱和烃 46 3. 不饱和烃不饱和烃 47 5. 含有含有C、H、N等元素等元素 48 6. 含有含有C、H、N、O等元素等元素 49 7.含有P、S、卤素等元素 50 51 52 53 54 55 光源，动镜（光源，动镜（M1），定镜（），定镜（M2），分束器，检测器），分束器，检测器 迈克逊干涉仪迈克逊干涉仪 56 57 红外辐射光源： a）能斯特灯：氧化锆、氧化钍、氧化钇 的混和物 b）硅碳棒：由合成的SiC加压而成 c）氧化