药物分析红外吸收光谱

红外吸收光谱法,Infrared Spectroscopy ; IR,红外辐射是1800年被发现的，但由于红外线的检测比较困难，因此直到20世纪初，才较系统地研究了几百种有机和无机化合物的红外吸收光谱，并发现了某些吸收带与分子基团之间存在着相互关系。此时，红外光谱在化学上的价值开始逐渐被人们所重视。到20世纪30年代，化学家们开始考虑把红外光谱作为分析工具的可能性，并且着手研制红外光谱仪。到了50 年代，在化学领域已经开展了大量的红外光谱研究工作，积累了大量纯物质的标准红外光谱图。现在，红外光谱法已经成为有机结构分析中最成熟和最主要的手段之一。,红外光谱（IR）是物质分子吸收中红外区（2.5 25m ）的红外线后而得到的吸收光谱.,近红外区：0.76 2.5 m中红外区：2.5 25m（4000 400cm-1）远红外区：25 m以上,红外光是0.761000 m的电磁波（光波）,分子中基团的振动和转动能级跃迁产生：振-转光谱,辐射分子振动能级跃迁红外光谱官能团分子结构,红外光谱图：纵坐标为T%，横坐标为波长 （ m ）和波数 单位：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；,红外光谱与有机化合物结构,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。,第一节 红外吸收光谱法的基本原理,第二节 有机化合物的典型光谱第三节 红外光谱仪第四节 红外吸收光谱分析,一、分子的振动能级和振动形式二、红外吸收光谱产生的条件和吸收峰强度三、吸收峰的位置四、特征峰和相关峰,第一节 红外吸收光谱法的 基本原理,一、分子振动能级和振动形式（一）分子振动能级1、振动能级,位能图,r =re时，U=0；r re时，U0;r 0.,总能量：Ev=U+Tr =re时，U=0，Ev=T最远处，T=0，Ev=U,量子力学证明，分子振动的总能量为,振动能级是量子化的，其所吸收的光子的能量hL必须等于分子振动能级差，即 hL=EV EV = (V+1/2) h EV = Vh 将带入， hL= Vh ， 即L= V 红外辐射频率L等于分子振动频率 的V倍时，才产生红外光谱。由V=0跃迁至V=1时，L= ，基频峰,(二) 分子中基团的基本振动形式 basic vibration of the group in molecular,两类基本振动形式1.伸缩振动 (stretching vibration) 2.弯曲振动 (bending vibration),亚甲基的基本振动形式.swf,（1）面内弯曲（）：剪式（）：键角变化 面内摇摆（）：键角不变，其余部分作面内摇摆（2）面外弯曲（）： 面外摇摆（）：同向垂直平面上方运动 卷曲振动（）：反向垂直平面上方运动,（3）变形振动（）,甲基,对称s(CH3)1380-1 不对称as(CH3)1460-1,（三）振动自由度 指分子基本振动的数目，或分子的独立振动数。（1）双原子分子只有一种振动形式伸缩振动。（2）多原子分子虽然复杂，但可以分解为许多简单的基本振动（即伸缩振动和弯曲振动）来讨论。 分子作为一个整体，其运动状态又可分为：平动（移动）、转动、振动三类：,分子自由度数（3N）= 平动 + 转动 + 振动标定一个原子在空间的位置，需3个坐标，一个原子有3个自由度。振动= 分子自由度数（3N）（平动 + 转动）线性分子振动自由度 = 3N （3+2）= 3N 5,用途：估计分子基本振动形式的数目。,非线性分子振动自由度 = 3N （3+3）= 3N 6,例1：H2O,例2：CO2,CO2应出现四个峰：（对称）1340cm-1，（不对称）2350cm-1，C=O 666cm-1和 C=O 666cm-1 C=O和 C=O振动形式不同，频率相同，吸收红外线频率相同，出现一个峰。红外非活性振动：,二、红外吸收光谱产生的条件和吸收峰强度 condition of Infrared absorption spectroscopy,简并,CO2,（一）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)分子振动过程中其偶极距必须变化。,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。,把能引起偶极距变化的振动称为红外活性振动,偶极子在交变电场中的作用示意图,（二）吸收峰的强度(intensity of absorption band)峰带强度主要由两个因素决定： 能级的跃迁几率 振动过程中偶极矩的变化。,（1）能级跃迁几率的影响：分子吸收红外线的一定能量, 从Vo跃迁到 V1,因剩余能量较大继续被激发跃迁至V2，振幅加大 ,偶极矩变大, 峰强本该增大。但是由于这种跃迁几率很低, 结果峰强反而很弱。 样品浓度加大, 峰强也随之加大, 则是跃迁几率增加的结果,（2）振动过程中偶极矩变化的影响： 因为只有能够引起分子或基团电荷分布 (charge distribution) 不均匀的振动 ( 即电偶极矩的变化 ), 才能吸收红外线而引起能级的跃迁 , 而且瞬间偶极矩越大 , 吸收峰越强。基频峰的强度 ( 除浓度影响以外 ) 主要取决于振动过程中偶极矩的变化。,瞬间偶极矩的大小主要取决于下列几个因素 :（1） 原子的电负性 化学键两端连接的原子 , 电负性相差越大 ( 即极性越大 ), 则伸缩振动时 , 引起的吸收峰也越强 ( 有弗米 (Fermi) 共振等因素时除外 ) 。如 :,（2） 振动形式 振动形式不同对分子的电荷分布影响不同 , 故吸收峰强度也不同。 通常峰强与振动形式之间有下列规律 :,（3） 分子的对称性 结构对称的分子在振动过程中 , 由于振动方向也是对称的 , 所以整个分子的偶极矩始终为零 , 没有吸收峰出现。 如 CO2,吸收峰的绝对强度，一般用摩尔吸光系数表示,（一） 基本振动频率（基频峰的峰位）据Hook定律推导出简谐振动公式计算：,K为化学键力常数：单键、双键、三键的力常数分别近似为5、10、15N/cm（N=1105gcm/s2）K越大，化学键的强度越大,三、吸收峰的位置,简称峰位，用max、 max 、max表示。基频峰max = ,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。,CC K=15N/cm CC K=10N/cm u=6 1680 cm-1CC K=5N/cm u=6 1190 cm-1CH K=5N/cm,同种原子组成的化学键，K越大，基本振动频率越大,不同种原子组成的化学键，看K和u哪个占主导, 2910 cm-1,（二）基频峰与泛频峰,1. 基频峰：基态（=0）第一激发态（=1）,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,2. 泛频峰,倍频峰：V=0 V=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,倍频峰、合频峰和差频峰统称为泛频峰,（三）基频峰分布规律,1）u越小，伸缩频率越高。2）u相同的基团，K越大，伸缩振动基频峰的频率越高。 如：CC C=C CC； CN C=N CN等。3）u相同时，通常 .,基频峰的峰位不仅与K、u相关，还要受内部、外部因素的影响。,分子内部结构因素 电子效应、空间效应、互变异构、氢键、 费米共振外部因素 物态效应、溶剂效应,（四）影响峰位的因素,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. 分子内部结构因素1）电子效应（electron effect）诱导效应（inductive effect）吸电子基团（-I）的诱导效应，使吸收峰向高频方向移动。,吸电子基团的引入，使羰基的双键性增强，使K ，故其伸缩振动的频率,共轭效应（conjugative effect ；+C或+M ）,共轭效应，使吸收峰向低频方向移动。,诱导效应与共轭效应同时存在，由占主导地位的那一种效应来决定。,C=O 1690cm-1 1715cm-1 1735cm-1,2）空间效应（steric effect）环张力效应（键角效应）,环内双键的伸缩频率随环张力的而,环外双键被增强， 。,空间位阻（空间障碍）,3)互变异构,CO 1738 cm-1CO 1717 cm-1,CO 1650 cm-1,4）氢键,分子内氢键（与浓度无关），可使吸收带明显地向低频方向移动,，峰变宽,分子间氢键（受浓度影响较大）,游离状态：3640cm-1二聚体：3515cm-1三聚体：3350cm-1,5）费米共振(Fermi resonance),当两个相同基团在分子中靠得很近时，其相应的特征吸收峰常发生分裂，形成两个峰，这种现象叫振动偶合。,为泛频峰频和基频峰的振动偶合作用。结果使吸收峰的位置和峰强均发生改变。,例：环戊酮 （a）C-C889cm-1，二倍频峰1778cm-1，C=O1745cm-1倍频峰分裂为双峰；（b）重氢氘带后， C-C827cm-1，二倍频峰1654cm-1,离C=O较远，不被加强。,（2）外部因素1）物态效应,2）溶剂效应,极性基团的伸缩频率常随溶剂的极性增大而，,以羧酸的羰基为例：,（五）特征区和指纹区,1）特征区 ： 有机化合物的分子中一些主要官能团的特征吸收多发生在红外区域的40001300cm-1 (2.57.5m) 。 吸收峰比较稀疏 , 容易辨认 , 故也称特征谱带区。 该区相应的吸收峰称做特征频率或特征峰。 含H单键、双键、三键的峰，含H单键的峰,特征区在光谱解析中的作用，是通过在该区内查找特征峰的存在与否，来确定是否有官能团的存在，以确定化合物的类别,2）指纹区,红外吸收光谱上 1300400cm -1 (7.515 m) 的低频区 , 通常称为指纹区。该区域中出现的谱带主要是 C-X (X=C,N ,O) 单键的伸缩振动以及各种弯曲振动。由于这些单键的键强差别不大 , 原子质量又相似 , 所以峰带出现的区域也相近 , 互相间影响较大 , 加以各种弯曲振动能级差小 , 所以这一区域谱带特别密集 , 犹如人的指纹 , 故称指纹区。 各个化合物在结构上的微小差异在指纹区都会得到反映。因此 , 在核对和确认有 机化合物时用处很大。,红外光谱中的八个重要区段,四、特征峰和相关峰特征吸收峰： 是可用于鉴别官能团存在的吸收峰，简称特征峰或特征频率。相关峰： 一个基团常有数种振动形式 , 每种红外活性的振动通常都相应产生一个吸收峰。习惯上把这些相互依存而又相互佐证的吸收峰称为相关峰。,第二节 有机化合物的典型光谱,一、脂肪烃类二、芳香烃类三、醇、酚和醚类四、羰基化合物五、含氮有机化合物,1烷烃（CH3，CH2，CH）(C-H；C-H ),-（CH2）n-n,一、脂肪烃类,a)由于支链的引入，使CH3的s变化，产生双峰b)CC骨架振动明显,2. 烯烃,a)C-H 伸缩振动(3100 3000 cm-1),随双键上取代基数目增多移向高频（波数）乙烯、有对称中心的反式烯烃、四取代烯烃无C=C峰没有对称中心的反式烯烃、三取代烯烃C=C 16801665-1，峰尖，强度较弱。没有对称中心的共轭双烯，产生两个C=C,b)C=C 伸缩振动(1650 cm-1 ),c)C-H 弯曲振动,面外弯曲（=C-H） 1010-650 cm-1 （有价值）,CH（3300cm-1）吸收峰强且锐，易于辨认CC（2260 2100cm-1）,3. 炔烃,=CH、C=C、泛频峰、CH和=CH=CH 31003000 -1C=C16501450 -1常出现2-4个强度不等而尖锐的峰。 1600、1500与=CH 结合，可作为芳环存在的依据.泛频峰：2000 1667-1 ，与=CH联合鉴别芳环取代情况,二、芳香烃类,=CH 910-665cm-1随相邻H数目的减少，峰位移向高波数（高频）单取代（5H）:双峰770-730cm-1(vs),710-690cm-1(s)双取代： 邻(4H):770-735cm-1 (vs) 间(3H、1H):725-650cm-1(s), 810-750cm-1 (vs),900-860cm-1(m) 对(2H):860-800cm-1(vs) 五取代(1H)：900-860cm-1(s)三取代 ：810-750cm-1四取代：860-800cm-1,=CH,醇与酚（OH） OH，CO,a)-OH 伸缩振动(3640-3610 cm-1)：游离的-OH，峰尖锐,双分子缔合（二聚体）3600-3500 cm-1多分子缔合（多聚体）3500-3200 cm-1,游离OH及分子内氢键峰尖锐，形成分子间氢键峰变宽，浓度增加向低波数移动,三、醇、酚和醚类,b)碳氧伸缩振动(1260-1000cm-1),C-O波数由小到大：伯仲叔酚可用于区别醇类的伯、仲、叔的结构,苯酚,3333OH,1223CO,特征峰：C-O-C 的as和s与醇的区别：OH（1）脂肪醚： as 1150-1070cm-1 （vs）（2）烷基芳香醚 as 1275-1200cm-1（vs） 乙烯基醚 s1075-1020cm-1（s）,醚（COC）,氧与双键共轭，使=C-O移向高频,1126COC,正戊醚,1050COC,1250COC,四、羰基化合物,各种羰基化合物C=O伸缩振动频率-1,（一）酮,-不饱和酮及芳香酮C=O移向低频环酮移向高频,（二）醛,特征峰：C=O1725-1, CH(O) 2820-1 、2720-1（双峰） 不饱和醛、芳醛：C=O1710-1685-1， C=O的位电负性基团取代：C=O移向高波数,双峰产生原因：C-H与C-H（1390cm-1）的第一倍频费米共振2720峰尖锐，与其他C-H伸缩振动不干扰C=O1725和2720可判断是否有醛基,C=O,饱和C=O1800-1,不饱和C=O1780-1750-1,（三） 酰氯,（四）羧酸,主要特征吸收为OH 、C=O和OH,1. OH：游离：3550-1，峰尖锐。 缔合：34002500-1，峰宽且强。2. C=O : 游离：1760-1。 缔合：17101700-1，峰宽且强，比醛或酮更强更宽。如果发生共轭，如芳香羧酸C=O17051685-1，如被电负性基团取代，移向高波数。分子内氢键更大程度降低C=O吸收，如：水杨酸OH和C=O可以断定羧基的存在。3. OH：995915-1，峰宽强度变化很大，可作为羧基是否存在的旁证。,OH,OH,C=O,C=O,OH,OH,例：下列化合物在40001650-1的IR谱有何 不同？,(A) (B) (C),三者在17601650-1区域内均有强的吸收。A在34002500-1应有一胖而强的OH伸缩振动峰。B在2720-1和2820-1有两个中等强度的吸收峰。,（五）酸酐,C=O双峰,C-O1300900-1，是一宽而强的吸收带,C=O双峰,C-O,（六）酯,特征峰为C=O、 C-O-C 1.C=O 1735cm-1，饱和脂肪酯1750 1725cm-1甲酸酯、,-不饱和酯、芳香酸酯1730 1725cm-12. C-O-C 1300 1000cm-1， 不对称 1300 1150cm-1 （强度较大） 对 称 1150 1000cm-1,C=O,as,s,特征峰NH 、C=O（酰胺I带）、NH（酰胺带）,（七）酰胺,不同酰胺吸收峰数据,五、含氮有机化合物（一）胺,特征峰:vNH、NH 、vC-N 及NHvNH:3500-3300cm-1(m), 伯胺（双峰）：3500，3400cm-1 ，缔合-100cm -1 仲胺（单峰）：3500-3300cm-1，缔合3350-3310 cm -1 叔胺无vNH峰NH:伯胺1650-1570cm-1(m-w)vC-N：脂肪族胺1250-1020cm-1， 芳香族胺1380-1250cm-1,NH双峰,NH1600,CN1080,NH3300,CN1120,CN1090,例：下列化合物在4000-1650cm-1有何吸收？,(A) (B) (C),三者在3100-3000cm-1有Ar-H伸缩吸收；A在3500-3100cm-1有两个NH峰，B有一个NH，C无；A、C在1715cm-1附近有 C=O，B没有，C除了有C=O外，在3400-2500cm-1有宽而散的OH峰。,1.NO2：两个强峰: as15901500-1，s13901300-12.CN：920800-1,（二）硝基化合物,课本P251,（三）腈类化合物,特征峰CN 22602215-1，中等强度的尖峰,该图是含有C、H、O的有机化合物的红外光谱图，试问：1.该化合物是脂肪族还是芳香族？2.是否为醇类？3.是否为醛、酮、羧酸类？4.是否含有双键或三键？,第三节 红外光谱仪,红外光谱仪：辐射源、吸收池、单色器、检测器及记录仪等根据单色器的种类不同，这类仪器大体划分为三个发展阶段：,岩盐棱镜光栅式傅立叶变换红外光谱仪,一、光栅型红外光谱仪按仪器平衡原理：双光束光学自动平衡式双光束电学自动平衡式,1、辐射源（光源） 凡是其发射红外线的照射能量能按照连续波长分布、发散度小、寿命长的物体中红外区：硅碳棒、能斯特灯（1）硅碳棒：碳化硅；1200-1500；最大发射波数5500-5000cm-1（2）能斯特灯：氧化锆、氧化钍、氧化钇；1800；最大发射波数7100cm-1。,2、色散元件衍射光栅中的反射式平面光栅,3检测器,红外吸收光谱仪的检测器主要有：高真空热电偶、测热辐射计、热释电检测器、光导电检测器,真空热电偶,用两种不同温差电动势的金属制成热容量很小的结点，装在涂黑的接收面上(0.20.42mm) ；接受面吸收红外辐射后引起结点的温度上升，温差电动势同温度的上升成正比，对电动势的测量就相当于对辐射强度的测量.,4、吸收池分为气体池和液体池材料：中红外区透光性能良好的岩盐作为吸收池的窗片（1）气体池：气体、易挥发液体样品 光程：5、10cm，容积50-150ml,（2）液体池：液体样品 可拆卸吸收池：不易挥发样品。用于定性分析 光程取决于两个窗片间垫片的厚度。 固定吸收池：窗片间距离固定。易挥发样品的定性定量分析,（一）工作原理,二、傅里叶变换红外光谱仪,由光源、干涉仪、检测器、计算机和记录系统组成,（二）FTIR的主要部件,1.辐射源： 硅碳棒、能斯特灯2.单色器：迈克尔逊干涉仪 干涉光透过样品时，其中的某些光被样品吸收，使干涉图发生变化。当干涉图信号经检测器转变成电讯号，在计算机内经傅立叶变换得到IR图。,3.检测器： 热电型硫酸三苷肽，将TGS薄片正面真空渡铬（半透明），背面镀金，形成两电极。当红外辐射光照射到薄片上时，引起温度升高，TGS极化度改变，表面电荷减少，相当于“释放”了部分电荷，经放大，转变成电压或电流方式进行测量。 光导型灵敏度高，速度更快，适于快速扫描及和色谱仪联用4.计算机系统：将带有光谱信息的干涉图转换为IR谱,测量时间短：在不到1s内可以得到一张谱图，比色散型光栅仪器快数百倍；GC-IR联用分析。,分辨率高：波数精度达到0.5cm-1。,测定光谱范围宽：10000-10cm-1,测量精度高、杂散光小,灵敏度高：在短时间内可以进行多次扫描，多次测量得到的信号进行累加，噪音可以降低，灵敏度可以增大，10-9-10-11g。,（三）FTIR的主要特点,三、红外光谱仪的性能1、分辨率：指仪器将两个相邻峰分开的能力。 /或/（和 指两峰的波长差或波数差， 和 指二峰中任一峰的波长或波数）另外，也可采用一些简便的方法：用测某一样品在某一波数区间所能分辨出的峰数；用一定波数处相邻峰的分离深度表示。,2、波数准确度及重复性准确度：仪器所测得波数与文献值之差。 聚苯乙烯膜：3027、2851、1601、1028、907cm-1 FTIR在3000cm-1的波数差5，1000cm-1的波数差1cm-1重复性：多次重复测量最大峰位值与最小值之差,纯度大于98%,分离体提纯的方法：重结晶、精馏、萃取、柱层析、薄层层析、气液制备色谱等。,一、试样的制备,第四节 红外吸收光谱分析,样品应不含水,（一）固体试样,1压片法,KBr常用作固体样品的稀释剂。,稀释剂的比例：样品：稀释剂 12：100,稀释剂的要求：纯度高、粒度200目、不含水分。,试样与KBr置玛瑙乳钵中研磨。操作在红外灯下进行,2糊膏法,选取与试样的折射率相近的液体分散介质与固体粉末混合研磨制成糊膏，然后用液体池进行测定。减少了光散射现象。 固体有机化合物的折射率一般在1.51.6。 常用的液体分散介质： 液体石蜡油(nd=1.46)、六氯丁二烯(nd=1.55)、氟化煤油 这些液体分散介质自身也有各自的吸收峰。,3薄膜法(0.010.1mm),熔融法：适用于熔点低，热稳定性好的样品。 结晶性试样熔化后置于岩盐窗片上制样,常用于高分子有机化合物的测定。,溶液成膜法：将试样溶解于沸点较低的溶剂中，然后将溶液分布在成膜介质（水银、玻璃、塑料、金属板)上，让溶剂蒸发后形成试样膜。,（二）液体试样1、液体池法液体及没有合适溶剂的固体试样可注入封闭液体池中，液层厚度一般为0.011mm。溶剂：CCl4 、CS2、CHCl3、环己烷注意：溶剂自身的红外吸收峰。2、夹片法及涂片法（1）夹片法 沸点较高的试样，直接滴在两片KBr空白片之间，形成液膜。（2）涂片法：粘度大的液体,可以涂在一片空白片上，不必夹片。,二、红外光谱解析法解析红外光谱前应知：1、试样的来源和性质2、充分除去溶剂，制样时防止溶剂与试样反应3、试样的物理化学常数4、不饱和度作用：推断分子中含有双键、三键、环、芳环的数目。定义：指分子结构中达到饱和所缺一价元素的“对”数。如：乙烯变成饱和烷烃需要2个H，不饱和度为1。,计算： n1 ,n3 ,n4 分别为所含一,三,四价元素（H,N,C）的数目。,链状饱和脂肪族化合物为0一个双键或脂环为1一个三键为2一个苯环为4,例： C9H8O2 C3H4 C6H6C7H9N5、调节试样的浓度和厚度，使最强峰的透光率在1%5%，基线应调在透光率为90%95%。,（一）光谱解析方法1、解析红外光谱的三要素 识别峰位，观看峰强，分析峰形2、用一组相关峰确定一个官能团3、解析顺序：先特征