红外吸收光谱实验new1.ppt

2020 2 17 一 红外光谱的基本概念 注 红外光区的划分如下表 根据实验技术和应用的不同 将红外光区分成三个区 近红外区 中红外区 远红外区 其中中红外区是研究和应用最多的区域 一般说的红外光谱就是指中红外区的红外光谱 3 红外光区的划分 2020 2 17 原子核转变 电磁转动 分子转动 分子振动 外层电子的跃迁 内层电子的跃迁 Interaction Region Wavelength cm 1 Wavelength m 4000cm 1 2 5 m 400cm 1 25 m 谱区范围 2020 2 17 红外光谱的三个波区和能级跃迁类型 可按波长将红外光谱分为近红外 中红外和远红外三个波区 中红外区对应分子振动基态到第一激发态的跃迁 可伴随转动能级的跃迁 是最为常用的红外光谱区 2020 2 17 一 红外光谱的基本概念 1 红外光谱的定义 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 产生的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 利用物质对红外光区电磁辐射的选择性吸收的特性来进行结构分析 定性和定量的分析方法 称红外吸收光谱法 2 红外活性分子和非红外活性分子 产生红外吸收的分子称为红外活性分子 如CO2分子 反之为非红外活性分子 如O2分子 2020 2 17 一 红外光谱的基本概念 水分子是非线型分子 振动自由度 3 3 6 3个振动形式 分别为不对称伸缩振动 对称伸缩振动和变形振动 这三种振动皆有偶极矩的变化是红外活性的 如图所示 下面以水分子的振动为例加以说明 2020 2 17 一 红外光谱的基本概念 H2O振动flash 2020 2 17 一 红外光谱的基本概念 CO2振动flash 2020 2 17 红外光谱的作用 绝大多数有机化合物的基频吸收带出现在MIR光区 基频振动是红外光谱中吸收最强的振动 最适于进行红外光谱的定性和定量分析 中红外光谱仪最为成熟 简单 因此它是应用极为广泛的光谱区 通常 中红外光谱法又简称为红外光谱法 红外光谱是鉴别物质和分析物质化学结构的有效手段 已被广泛应用于物质的定性鉴别 物相分析和定量测定 并用于研究分子间和分子内部的相互作用 2020 2 17 二 红外光谱的应用 红外光谱的最大特点是具有特征性 谱图上的每个吸收峰代表了分子中某个基团的特定振动形式 据此进行化合物的定性分析和定量分析 广泛应用于石油化工 生物医药 环境监测等方面 1 已知物的鉴定在得到试样的红外谱图后 与纯物质的谱图进行比较 如果谱图中峰位 峰形和峰的相对强度都一致 即可认为是同一物质 1 定性分析 2 未知物的鉴定是红外光谱法定性分析的一个重要用途 涉及到图谱的解析 首先应了解样品的来源 用途 制备方法 分离方法 理化性质 元素组成及其它光谱分析数据如UV NMR MS等有助于对样品结构信息的归属和辨认 2020 2 17 红外吸收峰 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 OH和C C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 通常把这种能代表及存在 并有较高强度的吸收谱带称为基团频率 其所在的位置一般又称为特征吸收峰 2020 2 17 红外吸收峰 红外光谱区可分成4000cm 1 1300cm 1 1300cm 1 600cm 1两个区域 4000cm 1 1300cm 1之间 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 最有分析价值 1300cm 1 600cm 1区域内 除单键的伸缩振动外 还有因变形振动产生的谱带 这种振动与整个分子的结构有关 当分子结构稍有不同时 该区的吸收就有细微的差异 并显示出分子特征 这种情况就像人的指纹一样 因此称为指纹区 作为化合物存在某种基团的旁证 2020 2 17 特征区 官能团区 分为三个区域 1 4000 2500cm 1X 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 3200cm 1范围内 它可以作为判断有无醇类 酚类和有机酸类的重要依据 羟基化合物产生缔合现象 O H基的伸缩振动吸收峰向低波数方向位移 在3400 3200cm 1出现一个宽而强的吸收峰 胺和酰胺的N H伸缩振动也出现在3500 3100cm 1 因此 可能会对O H伸缩振动有干扰 C H的伸缩振动可分为饱和和不饱和的两种 饱和的C H伸缩振动出现在3000cm 1以下 约3000 2800cm 1 取代基对它们影响很小 不饱和的C H伸缩振动出现在3000cm 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键伸缩振动出现在3030cm 1附近 它的特征是强度比饱和的C H浆稍弱 但谱带比较尖锐 2020 2 17 特征区 官能团区 分为三个区域 2 2500 1900为叁键和累积双键区 主要包括 C C C N等等叁键的伸缩振动 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 C CH和R C C R两种类型 R C CH的伸缩振动出现在2100 2140cm 1附近 R C C R出现在2190 2260cm 1附近 C N基的伸缩振动在非共轭的情况下出现在2240 2260cm 1附近 当与不饱和键或芳香核共轭时 该峰位移到2220 2230cm 1附近 2020 2 17 特征区 官能团区 分为三个区域 3 1900 1200cm 1为双键伸缩振动区该区域重要包括三种伸缩振动 C O伸缩振动 出现在1900 1650cm 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 C C伸缩振动 烯烃的C C伸缩振动出现在1680 1620cm 1 一般很弱 单核芳烃的C C伸缩振动出现在1600cm 1和1500cm 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 苯的衍生物的泛频谱带 出现在2000 1650cm 1范围 是C H面外和C C面内变形振动的泛频吸收 虽然强度很弱 但它们的吸收面貌在表征芳核取代类型上是有用的 2020 2 17 指纹区 1 1300 900cm 1区域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 1375cm 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1300 1000cm 1 是该区域最强的峰 也较易识别 2 900 650cm 1区域某些吸收峰可用来确认化合物的顺反构型 烯烃的 C H面外变形振动出现的位置 很大程度上决定于双键的取代情况 对于RCH CH2结构 在990cm 1和910cm 1出现两个强峰 为RC CRH结构是 其顺 反构型分别在690cm 1和970cm 1出现吸收峰 可以共同配合确定苯环的取代类型 2020 2 17 2020 2 17 红外谱图的区域 N HO HC H C NC C C OC NC C 指纹区 2020 2 17 红外光谱解析程序 先特征 后指纹 先强峰 后次强峰 先粗查 后细找 先否定 后肯定 寻找有关一组相关峰 佐证先识别特征区的第一强峰 找出其相关峰 并进行峰归属再识别特征区的第二强峰 找出其相关峰 并进行峰归属结合NMR MS UV等 进行结构确证 四谱 几种标准谱图 1 萨特勒 Sadtler 标准红外光谱图 2 Aldrich红外谱图库 3 SigmaFourier红外光谱图库 2020 2 17 四 红外光谱的应用 下面列举两例加以说明 例一 化合物C8H8O2的红外光谱如右图所示 试推测其结构 解 计算不饱和度 3000cm 1有吸收 说明有和 C H基团存在 靠近1700cm 1的强度吸收 表明有C O基团 结合2730cm 1特征峰 进一步说明有醛基存在 1600 1520cm 1有吸收说明有苯环存在 根据820cm 1吸收带苯为对位取代 1460 1390cm 1是 CH3特征吸收峰 根据以上解析并对照标准谱图确定化合物为茴香醛 2020 2 17 二 红外光谱的应用 下面列举例加以说明 1 首先依据谱图推出化合物碳架类型 根据分子式计算不饱和度 公式 不饱和度 F 1 T O 2其中 F 化合价为4价的原子个数 主要是C原子 T 化合价为3价的原子个数 主要是N原子 O 化合价为1价的原子个数 主要是H原子 例如 比如苯 C6H6 不饱和度 6 1 0 6 2 4 3个双键加一个环 正好为4个不饱和度 2020 2 17 三 样品制备技术 1 对试样的要求 2 制样方法 2020 2 17 三 样品制备技术 1 对试样的要求 1 试样应该是单一组分的纯物质 纯度应 98 便于与纯化合物的标准进行对照 多组分试样应在测定前尽量预先用分馏 萃取 重结晶 区域熔融或色谱法进行分离提纯 2 试样中不应含有游离水 水本身有红外吸收 会严重干扰样品谱 而且还会侵蚀吸收池的盐窗 3 试样的浓度和测试厚度应选择适当 以使光谱图中的大多数吸收峰的透射比处于10 80 范围内 2020 2 17 三 样品制备技术 1 固体样品的制备a 压片法 将1 2mg固体试样与200mg纯KBr研细混合 研磨到粒度小于2 m 在油压机上压成透明薄片 即可用于测定 b 糊状法 研细的固体粉末和石蜡油调成糊状 涂在两盐窗上 进行测试 此法可消除水峰的干扰 液体石蜡本身有红外吸收 此法不能用来研究饱和烷烃的红外吸收 2 制样方法 2020 2 17 三 样品制备技术 2 液体样品的制备a 液膜法 对沸点较高的液体 直接滴在两块盐片之间 形成没有气泡的毛细厚度液膜 然后用夹具固定 放入仪器光路中进行测试 b 液体吸收池法 对于低沸点液体样品和定量分析 要用固定密封液体池 制样时液体池倾斜放置 样品从下口注入 直至液体被充满为止 用聚四氟乙烯塞子依次堵塞池的入口和出口 进行测试 3 气态样品的制备 气态样品一般都灌注于气体池内进行测试 2020 2 17 三 样品制备技术 4 特殊样品的制备 薄膜法 a 熔融法 对熔点低 在熔融时不发生分解 升华和其它化学变化的物质 用熔融法制备 可将样品直接用红外灯或电吹风加热熔融后涂制成膜 b 热压成膜法 对于某些聚合物可把它们放在两块具有抛光面的金属块间加热 样品熔融后立即用油压机加压 冷却后揭下薄膜夹在夹具中直接测试 c 溶液制膜法 将试样溶解在低沸点的易挥发溶剂中 涂在盐片上 待溶剂挥发后成膜来测定 如果溶剂和样品不溶于水 使它们在水面上成膜也是可行的 比水重的溶剂在汞表面成膜 2020 2 17 下面是几个不成功的制样图与一张合适的图比较 合适的样图 三 样品制备技术 2020 2 17 不合适的样图 三 样品制备技术 2020 2 17 较合适的样图 三 样品制备技术 2020 2 17 极不合适的样图 三 样品制备技术 2020 2 17 聚乙烯和聚苯乙烯膜的红外吸收光谱的测绘 薄膜法制样 1 目的要求 1 学习聚乙烯和聚苯乙烯膜的红外吸收光谱的测绘方法 2 学习对该谱图的解释 掌握红外吸收光谱分析基本原理 3 学习红外分光光度计的工作原理及其使用方法 本次实验 2020 2 17 实验基本原理 在由乙烯聚合成聚乙烯的过程中 乙烯的双键被打开 聚合生成 CH2 CH2 n长链 因而聚乙烯分子中原子基团是饱和的亚甲基 其红外吸收光谱如图1所示 在聚苯乙烯的结构中 除了亚甲基和次甲基外 还有苯环上不饱和碳氢基团和碳碳骨架 它们构成了聚苯乙烯分子中基团的基本振动形式 其红外吸收光谱如图2所示 2020 2 17 谱图1 聚乙烯 POLY 的红外吸收谱图 Transmittance透射比 透射率 透过率 2020 2 17 谱图2 聚苯乙烯 polystyrene 的红外吸收光谱图 Transmittance透射比 透射率 透过率 2020 2 17 美国尼高力 傅立叶变换红外光谱仪 2020 2 17 岛津IRPrestige 21型傅里叶变换红外分光光度计 常用ATR装置及特点 水平型ATR装置 45 入射角 晶体面积大 灵敏度高适用范围 液体与胶状样品固体样品 如纸张 布 纱线等金属或树脂表面的涂层 1 m 聚合物膜 纸张 涂料 固体基底上镀膜 层状膜 2020 2 17 仪器 生产厂家 美国尼高力 1999年购买 傅立叶变换红外光谱仪型号 AVATAR360特点 1 分辨率高 2 测定精度高 3 光谱范围广 4 测量速度快 2020 2 17 仪器设备 组成 1 光谱仪2 计算机 打印机 数据采集卡3 软件 操作系统WINDOWS95 98 应用软件EZ OMNICE S P 2020 2 17 五 Fourier变换红外光谱仪 FTIR仪 1 仪器组成及工作原理 付立叶变换红外光谱仪主要由光源 硅碳棒 高压汞灯 Michellson干涉仪 检测器 计算机和记录仪组成 2020 2 17 Fourier变换红外光谱仪工作原理 2020 2 17 2020 2 17 仪器操作及工作环境 检查冷却排气孔 应不被堵塞 打开稳压电源 开计算机显示屏 打印机 计算机主机 待电压稳定 最后打开光学台的开关 电源指示灯亮 扫描指示灯不断闪烁 待光学台预热至少15分钟后 最好是1个小时后 再进行样品测试 制样 液体样品应干燥至无水 制样应在红外灯照射下进行 防止吸潮 固体样品取量应适量 压片要透明 一 操作规程 2020 2 17 一 操作规程 迅速打开样品仓滑动门 快速将样品架插入样品支架 立即关闭样品仓 操作过程应屏住呼吸 防止较多的水 二氧