清华仪器分析课件--第十章 红外吸收光谱分析法.ppt

第十章红外吸收光谱分析法 InfraredAbsorptionSpectroscopy IR 10 1红外吸收光谱分析概述 红外吸收光谱法 利用物质对红外光区电磁辐射的选择性吸收特性来分析分子中有关基团结构的定性 定量信息的分析方法 一 红外光的区划二 红外吸收过程三 红外光谱的作用四 红外光谱的表示方法五 IR与UV的区别 一 红外光的分区 红外线 波长在0 76 500 m 1000 m 范围内的电磁波称为红外线 二 红外光谱的作用 1 可以确定化合物的类别 芳香类 2 确定官能团 例 CO C C C C 3 推测分子结构 简单化合物 4 定量分析 三 红外光谱图表示形式的意义 T 曲线 前疏后密 T 曲线 前密后疏 一 红外吸收光谱的产生的条件 红外光谱主要由分子的振动能级跃迁产生分子的振动能级差远大于转动能级差分子发生振动能级跃迁必然同时伴随转动能级跃迁 1 振动能级 10 2红外分光光度法基本原理 2 振动光谱 双原子分子A B 近似看作谐振子两原子间的伸缩振动 近似看作简谐振动 3 基频峰与泛频峰 a 基频峰 分子吸收一定频率红外线 振动能级从基态跃迁至第一振动激发态产生的吸收峰 即 0 1产生的峰 基频峰的峰位等于分子的振动频率基频峰强度大 红外主要吸收峰 b 泛频峰 倍频峰 分子的振动能级从基态跃迁至第二振动激发态 第三振动激发态等高能态时所产生的吸收峰 即 1 2 3 产生的峰 注 泛频峰强度较弱 难辨认 却增加了光谱特征性 4 红外光谱产生条件 红外活性振动 分子振动产生偶极矩的变化 从而产生红外吸收的性质红外非活性振动 分子振动不产生偶极矩的变化 不产生红外吸收的性质 分子吸收红外辐射的频率恰等于分子振动频率整数倍分子在振 转过程中的净偶极矩的变化不为0 即分子产生红外活性振动 且辐射与分子振动发生能量耦合 一 伸缩振动指键长沿键轴方向发生周期性变化的振动 1 对称伸缩振动 键长沿键轴方向的运动同时发生2 反称伸缩振动 键长沿键轴方向的运动交替发生 10 3分子振动的形式 多原子分子 二 弯曲振动 变形振动 变角振动 指键角发生周期性变化 而键长不变的振动 1 面内弯曲振动 弯曲振动发生在由几个原子构成的平面内1 剪式振动 振动中键角的变化类似剪刀的开闭2 面内摇摆 基团作为一个整体在平面内摇动 2 面外弯曲 弯曲振动垂直几个原子构成的平面1 面外摇摆 两个X原子同时向面下或面上的振动2 蜷曲 一个X原子在面上 一个X原子在面下的振动 3 变形振动 1 对称的变形振动 s 三个AX键与轴线的夹角同时变大2 不对称的变形振动 as 三个AX键与轴线的夹角不同时变大或减小 注 振动自由度反映吸收峰数量并非每个振动都产生基频峰吸收峰数常少于振动自由度数 三 振动的自由度 指分子独立的振动数目 或基本的振动数目 N个原子组成分子 每个原子在空间具三个自由度 示例 水分子 非线性分子 示例 CO2分子 线性分子 吸收峰数少于振动自由度的原因 发生了简并 即振动频率相同的峰重叠红外非活性振动 四 特征峰与相关峰 一 特征峰 可用于鉴别官能团存在的吸收峰 二 相关峰 由一个官能团引起的一组具有相互依存关系的特征峰 注 相关峰的数目与基团的活性振动及光谱的波数范围有关用一组相关峰才可以确定确定一个官能团的存在 10 4红外光谱的吸收强度 一 吸收峰强的表示方法 二 影响峰强度的因素 强峰 20 100中强峰 10 20弱峰 1 10极弱峰 1 基频峰高于泛频峰振动过程中偶极矩的变化跃迁几率 激发态分子占所有分子的百分数 注 跃迁几率 影响偶极矩大小的因素有 1 化学键连有原子电负性的大小电负性差别 峰 2 分子的对称性完全对称的结构 0 产生红外非活性振动不对称的结构 0 产生红外活性振动 1 特征区 特征频谱区 4000 1250cm 1的高频区包含H的各种单键 双键和三键的伸缩振动及面内弯曲振动特点 吸收峰稀疏 较强 易辨认 2 指纹区 1250 400cm 1的低频区包含C X X O H N 单键的伸缩振动及各种面内弯曲振动特点 吸收峰密集 难辨认 指纹 10 5红外光谱的特征性 基团频率一 特征区与指纹区 烷烃1 C H伸缩振动2 C H弯曲振动3 C C骨架振动 二 常见有机化合物基团的特征频率 一 脂肪烃类化合物 4 甲基与芳环或杂原子相连 烯烃 1 C H振动2 C C骨架振动 顺式 反式取代基完全对称时 峰消失 3 发生 共轭或n 共轭 共轭效应将使吸收峰位移向低波数区10 30cm 1 炔烃 1 C H振动2 C C骨架振动 取代基完全对称时 峰消失 二 芳香族化合物 1 芳氢伸缩振动2 芳环骨架伸缩振动 确定苯环存在 3 芳氢弯曲振动 判断苯的取代形式 单取代双取代邻取代对取代间取代多取代 1 单取代 含5个相邻H 2 双取代 邻取代 4个相邻H 间取代 3个相邻H 1个孤立H 对取代 2个相邻H 3 多取代 三 醇 酚 醚 1 O H伸缩振动 2 C O伸缩振动 醇 酚 注 酚还具有苯环特征 醚 1 链醚和环醚2 芳醚和烯醚 四 羰基化合物 1 酮2 醛3 酰氯 酮 醛 酰氯 共轭效应使吸收峰 低波数区环酮 环张力 吸收峰 高波数区 共轭效应使吸收峰 低波数区双峰原因 费米共振 诱导效应使吸收峰 高波数区 峰位排序 酸酐 酰卤 羧酸 游离 酯类 醛 酮 酰胺 1 羧酸2 酯3 酸酐 羧酸 酯 酸酐 五 含氮化合物 胺 特征区分 酰胺 特征区分 注 共轭 诱导 波数 示例 硝基 腈 10 6影响基团频率位移的因素 1 基本振动频率 一 吸收峰的位置 峰位 即振动能级跃迁所吸收的红外线的波长或波数 例 例 讨论 2 基频峰分布图 二 影响吸收峰位的因素 1 内部因素 1 诱导效应 吸电效应 使振动频率移向高波数区 2 共轭效应 使振动频率移向低波数区 3 氢键效应 使伸缩频率降低 分子内氢键 对峰位的影响大不受浓度影响 分子间