红外吸收光谱分析.ppt

红外吸收光谱分析讲述人 主要内容一概述二红外吸收基本理论三红外吸收光谱分析方法和应用 红外光谱是根据物质对红外光的特征吸收建立起来的一种光谱分析方法 一 红外光区的划分及主要应用 一 概述 红外光谱在可见光和微波光区之间 其波长范围约0 78 1000 m 习惯上按红外光波长 将红外光谱分成三个区域 近红外 泛频区 0 78 2 5 m 12000 4000cm 1中红外 基本振动区 2 5 50 m 4000 200cm 1远红外 转动区 50 1000 m 200 10cm 1 二 红外光谱法特点 红外光谱不涉及分子的电子能级 主要是振动能级跃迁和转动能级的跃迁 2 涉及绝大多数有机物 3 红外光谱的结构信息丰富 4 物质对红外辐射的吸收强度与物质含量的关系符合朗伯 比尔定律 可以定量分析 但一般只做结构分析 5 非破坏性分析 三 红外光谱图表示方法以透射比T 为纵坐标 以波长 m 或波数1 cm 1 为横坐标作图得到红外吸收光谱图 从红外光谱图上得到的信息 峰的数目 峰的形状 峰的位置 峰的强度 二 红外吸收基本理论 一 分子的振动与振动能级 1 对简单的双原子分子的振动可以用谐振子模型来模拟双原子分子的化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧 这里弹簧的k值就相当于化学键的强度 N cm 二 分子的振动方式构成分子的原子不是静止不动的 原子在其平衡位置做相对运动 从而产生振动 原子与原子之间的相对运动无非有两种情况 即 键长发生变化 伸缩振动 键角发生变化 弯曲振动 对于双原子分子 没有弯曲振动 只有一个伸缩振动 伸缩振动有对称和不对称伸缩以亚甲基 CH2为例 对于多原子分子来说 包括伸缩振动和弯曲振动 nsVas 弯曲振动 键角发生变化而键长不变弯曲振动分为面内弯曲振动和面外弯曲振动 r d 面外弯曲振动 w t 三 分子的振动自由度分子振动形式的多少称为振动的自由度 如果一个分子有N个原子 在三维空间里N个原子的总运动自由度为3N 1 平动 分子作为一个整体在空间平移 分子在空间的运动形式有三种 平动 转动 振动 2 转动 分子在空间围绕一个通过其质心的轴转动 对于线形分子 有两种转动方式 转动自由度为2 对于非线形分子 有三种转动方式 转动自由度为3 3 振动对于有N个原子的分子来说 振动自由度 运动自由度 平动自由度 转动自由度对于线性分子 振动自由度 3N 5对于非线性分子 振动自由度 3N 6苯 3N 6 30种 实际上苯的红外谱图上只有几个吸收峰 说明 不单苯 许多化合物在红外谱图上的吸收峰数目要远小于其振动自由度 理论计算值 原因 1 相同频率的峰重叠 2 频率接近或峰弱 仪器检测不出 3 有些吸收峰落在仪器的检测范围之外 4 并不是所有的振动都产生红外吸收 那什么情况下的振动产生红外吸收 光是电磁波 分子也有电场 偶极矩 分子中的原子在振动时 偶极矩会发生变化 红外吸收的产生是由于分子电场和红外光电场的相互耦合作用 分子吸收红外辐射必须同时满足三个条件 1 辐射应具有刚好满足振动跃迁所需的能量 2 只有能使偶极矩发生变化的振动形式才能吸收红外辐射 3 分子的振动频率与红外辐射的频率相同时才能发生红外吸收 a 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 b 非对称分子 有偶极矩 红外活性 跃迁几率和偶极矩的变化值 1 从基态向第一激发态跃迁几率大 基频峰一般较强 而倍频峰一般较弱 2 对于基频峰 偶极矩变化越大的振动 吸收峰越强原子的电负性相差越大 即键的极性越大 偶极矩变化越大 C Cl比C H强偶极矩比较 不对称伸缩 对称伸缩 伸缩 弯曲分子的对称性越差 偶极矩变化越大 五 基团振动与红外吸收光谱 1 各种基团的振动频率不一样 因此其对红外光的吸收频率也不一样 每种基团都有特征的红外吸收光谱 无论该基团是在什么样的分子结构中 2 同一基团在不同的化学环境中其吸收峰会发生变化 如羰基 C O 红外吸收峰在1700cm 1附近R C OH1730 R C O OH1760R C O OR1740 R C O NH21690 几个名词术语 1 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 基频峰是红外主要吸收峰 2 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 3 组频峰 振动之间相互作用产生的吸收峰 4 泛频峰 倍频峰 组频峰 5 特征峰 可用于鉴别官能团存在的吸收峰 6 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 红外光谱可分为基频区和指纹区两大区域 1 基频区 4000 1350cm 1 又称为特征区或官能团区 其特征吸收峰可作为鉴定基团的依据 特点 吸收峰稀疏 易辨认 一般为伸缩振动产生 X H伸缩振动区 4000 2500cm 1 三键及累积双键区 2500 1900cm 1 双键伸缩振动区 1900 1200cm 1 2 指纹区 1350 600cm 1 指纹区的吸收峰是由于C N C O C S等单键和C S S O等双键的伸缩振动以及分子骨架中多数基团的变形振动所引起 特点 各种单键的强度接近 相邻单键之间相互作用 吸收光谱复杂 弯曲振动的能级差小 谱带结构细微差别 在指纹区有反映 三 红外吸收光谱分析方法 红外光谱仪由光源 硅碳棒 吸收池 干涉仪 计算机 检测器和记录仪组成 制样 气体样品 一般灌注于玻璃气槽内测定 样品池两端黏合能透红外光的窗片 抽成真空再灌注试样测定 液体试样 溶液法和液膜法 溶液法是将液体试样溶在适当的红外溶剂中 CS2 CCl4 CHCl3等 然后注入固定池中进行测定 液膜法是在可拆池两窗之间 滴入几滴试样使之形成一层薄的液膜 固体试样 压片法 糊状法和薄膜法 压片法通常按照固体样品和KBr为1 100研磨 用高压机压成透明片后再进行测定 糊状法就是把试样研细滴入几滴悬浮剂 石蜡油 继续研磨成糊状然后进行测定 薄膜法主要用于高分子化合物的测定 通常将试样溶解在沸点低易挥发的溶剂中 然后倒在玻璃板上 待溶剂挥发成膜后再用红外灯加热干燥进一步除去残留的溶剂 制成的膜直接插入光路进行测定 红外吸收光谱分析方法 计算给出化学式化合物的不饱和度U 1 n4 n3 n1 2 n1 n3 n4分别表示含有一价 三价和四价原子的数目 将整个红外光谱划分成特征官能团区 4000 2500cm 1 和指纹区 1333 667cm 1 从高频到低频检查吸收峰存在的情况 找到化合物可能类别和主要官能团 将官能团划分成三波段 4000 2500cm 1该区域的吸收峰表征有氢原子官能团 如羟基羧基 再看相应基团的吸收峰确定官能团 2500 2000cm 1反映了含三键的化合物以及X H S Si B P 基团的存在 2000 1333cm 1反映了含有双键的化合物 将指纹区分为两个区 1333 990cm 1区包括了C O C N C P C Si P O等单键的伸缩振动吸收和C S S O P O等键的伸缩振动吸收获变形吸收 在900 667cm 1区内的吸收可以指示 CH2 4 反映双键的取代程度 构型 苯环上取代基的位置等 确