材料现代分析技术第六章红外光谱

1、 红外光谱的基本概念红外光谱的基本概念红外光谱的形成红外光谱的形成 当用一束具有当用一束具有连续波长的红外光连续波长的红外光照射一物质时，照射一物质时，该物质就要吸收一部分光能，并将其变为另一种能该物质就要吸收一部分光能，并将其变为另一种能量，即量，即分子的振动能量和转动能量分子的振动能量和转动能量。若将其透过的。若将其透过的光用单色器进行色散，就可以得到一带暗条的谱带。光用单色器进行色散，就可以得到一带暗条的谱带。如果以波长或波数为横坐标，以吸光度或透过率为如果以波长或波数为横坐标，以吸光度或透过率为纵坐标，把这谱带记录下来，就得到了该物质的红纵坐标，把这谱带记录下来，就得到了该物质的红外（

2、吸收）光谱图。外（吸收）光谱图。 产生红外光谱的原因产生红外光谱的原因 分子的化学键发生分子的化学键发生(弯曲或者伸缩弯曲或者伸缩)振动的能量振动的能量在在850KJ/mol，正好处在红外光波的能量范围内。，正好处在红外光波的能量范围内。常用红外光谱仪的波长为常用红外光谱仪的波长为2500nm15000nm。产生红外光谱的特征性产生红外光谱的特征性两种不同分子的红外光谱不可能是一样的。两种不同分子的红外光谱不可能是一样的。因此红外光谱可以象人们的指纹一样作为化因此红外光谱可以象人们的指纹一样作为化合物的分子指纹。合物的分子指纹。图图1 红外光谱红外光谱红外光谱图红外光谱图红外光谱图中的横纵坐标

3、红外光谱图中的横纵坐标红外光谱图的纵坐标红外光谱图的纵坐标，常用百分透过率（T）表示即： 透射率 T = 光透过后强度 / 入射光强度 100% 也有吸光度A作为纵坐标的红外光谱图的横坐标红外光谱图的横坐标，波长（波长（）多用微米）多用微米( m)表表示。微米和埃示。微米和埃()、毫微米、毫微米(m 或纳米或纳米nm)、厘米、厘米(cm)的关系是的关系是1 10-8cm1 m10-4cmlnm10-7cm但在中红外区横坐标更常用的一种单位是波数但在中红外区横坐标更常用的一种单位是波数 ，波数用波数用cm-1表示，波数与波长的关系是表示，波数与波长的关系是红外区的分类红外区的分类 光谱工作者常常

4、把红外区分成三个区域，即光谱工作者常常把红外区分成三个区域，即近红外区、中红外区和远红外区。简正振动简正振动 分子真实的振动是复杂的，但在分子真实的振动是复杂的，但在一定条件下作为很好的近似，分子一切一定条件下作为很好的近似，分子一切可能的任意复杂的振动方式都可以看成可能的任意复杂的振动方式都可以看成是有限数量的是有限数量的相互独立的和比较简单的相互独立的和比较简单的振动振动方式的迭加，这些比较简单的振动方式的迭加，这些比较简单的振动称为简正振动称为简正振动 。化学键的振动方式及能量化学键的振动方式及能量 伸缩振动伸缩振动 -对称伸缩振动对称伸缩振动 s -不对称伸缩振动不对称伸缩振动 as

5、弯曲振动弯曲振动 -面内弯曲振动面内弯曲振动 剪式振动剪式振动 s 面内摇摆面内摇摆 -面外弯曲振动面外弯曲振动 面外摇摆面外摇摆 扭曲振动扭曲振动 简正振动模式（形式）简正振动模式（形式）一般分为两类：一般分为两类：分子的简正振动数目称为分子的简正振动数目称为振动自由度振动自由度不同振动形式按能量高低为：不同振动形式按能量高低为： as s s高频区高频区 低频区低频区 含含n个原子的分子，自由度为：个原子的分子，自由度为： 线性分子有线性分子有 3n-5 个个 非线性分子有非线性分子有 3n-6 个个 根据它们的振动方向不同，振幅不等，根据它们的振动方向不同，振幅不等，可以吸收各种波长不同

6、的光，形成复杂的红可以吸收各种波长不同的光，形成复杂的红外光谱。外光谱。简正振动自由度和峰数简正振动自由度和峰数理论上每个自由度在理论上每个自由度在IR中可产生中可产生1个吸收峰，实际上个吸收峰，实际上IR光谱中的峰数少于基本振动自由度，原因是：光谱中的峰数少于基本振动自由度，原因是： 1 振动过程中，伴随有偶极矩振动过程中，伴随有偶极矩变化变化的振动才能产生的振动才能产生吸收峰吸收峰 2 频率完全相同的吸收峰，彼此发生简并（峰重叠）频率完全相同的吸收峰，彼此发生简并（峰重叠） 3 强、宽峰覆盖相近的弱、窄峰强、宽峰覆盖相近的弱、窄峰 4 有些峰落在中红外区之外有些峰落在中红外区之外 5 吸收

7、峰太弱，检测不出来吸收峰太弱，检测不出来例如例如 线型对称的线型对称的CO2分分子，其简正振动模子，其简正振动模式有式有3n-533 -54红外活性与非活性振动红外活性与非活性振动 在振动过程中，分子电偶极距发生改变在振动过程中，分子电偶极距发生改变的振动才能吸收红外光子的能量，产生的振动才能吸收红外光子的能量，产生红外吸收谱带，这种振动称为红外活性红外吸收谱带，这种振动称为红外活性振动，反之称为红外非活性振动，这就振动，反之称为红外非活性振动，这就是是红外跃迁的选择定则（选律）。红外吸收光谱的产生及条件红外吸收光谱的产生及条件: 辐射光子具有的能量与发生振动跃迁辐射光子具有的能量与发生振动跃

8、迁所需的跃迁能量相等所需的跃迁能量相等 辐射与物质之间有耦合作用辐射与物质之间有耦合作用 为满足这个条件，分子振动必须伴随偶为满足这个条件，分子振动必须伴随偶极矩的变化。极矩的变化。1、已知、已知CO2的结构式为的结构式为O=C=O，其红外光谱中，其红外光谱中，振动自由度为（振动自由度为（ ） A4 B3 C2 2、下列振动中，何种属于红外非活性振动、下列振动中，何种属于红外非活性振动3H2O为非线性分子，其红外光谱中，振动自由度为非线性分子，其红外光谱中，振动自由度为（为（ ）A4 B3 C2 =0.9nm=910-10m=910-8cm对于波长为对于波长为0.9纳米的光子计算其波数纳米的光

9、子计算其波数,频率及能量频率及能量,指纹区指纹区1500600 cm-1 吸收带多，整个分子振动转动引起的，反映整个吸收带多，整个分子振动转动引起的，反映整个分子的特征。可用于鉴定两个化合物是否同一化合物分子的特征。可用于鉴定两个化合物是否同一化合物。官能团区官能团区4000 1500 cm-1 吸收带不多，化学键和官能团的特征频率区。吸收带不多，化学键和官能团的特征频率区。 OH 36503100 cm-1 1700 cm-1 红外光谱的分区红外光谱的分区4000-2500cm-1:这是这是X-H单键的伸缩振动区。单键的伸缩振动区。2500-2000cm-1:此处为叁键和累积双键伸缩振动区此

10、处为叁键和累积双键伸缩振动区2000-1500cm-1:此处为双键伸缩振动区此处为双键伸缩振动区1500-600cm-1:此区域主要提供此区域主要提供C-H弯曲振动的信息弯曲振动的信息 1 在有机化合物的红外吸收光谱分析中，出现在在有机化合物的红外吸收光谱分析中，出现在40002500cm-1频率范围的吸收峰可用于鉴定官能团，这频率范围的吸收峰可用于鉴定官能团，这一段频率范围称为一段频率范围称为_。A指纹区，指纹区， B叁键区叁键区 C官能团区，官能团区， D单键单键区。区。2 能级间隔越小，分子化学键振动能级跃迁吸收光能级间隔越小，分子化学键振动能级跃迁吸收光子的（子的（ )。A能量越高能量

11、越高 B波长越长波长越长C频率越高频率越高典型有机化合物的红外光谱及谱图解析典型有机化合物的红外光谱及谱图解析计算不饱和度计算不饱和度-谱图解析谱图解析 不饱和度不饱和度是指分子内含有环、双键和叁键（相当是指分子内含有环、双键和叁键（相当于两个双键）的总和。于两个双键）的总和。饱和烃类不饱和度为饱和烃类不饱和度为0;双键及环不饱和度为双键及环不饱和度为1;三键为三键为2;芳环为芳环为4（1）计算不饱和度）计算不饱和度计算公式计算公式：其中，其中，n n4 4为分子中四价原子的数目，为分子中四价原子的数目，n n1 1为为分子中一价原子的数目，分子中一价原子的数目，n n3 3为分子中三价为分子

12、中三价原子的数目。原子的数目。例例 求分子式为求分子式为C6H12O的分子的不饱和度的分子的不饱和度解：解：四价原子四价原子=6一价原子一价原子=12代入公式：代入公式：（2）依据谱图推出化合物碳架类型）依据谱图推出化合物碳架类型 分析分析 3300 2800 cm 1区域区域 C-H 伸缩振动吸收伸缩振动吸收以以 3000 cm 1为界为界: 高于高于 3000 cm 1为不饱和碳为不饱和碳 C-H 伸缩振动吸收伸缩振动吸收 可能为烯可能为烯, 炔炔, 芳香化合物芳香化合物 低于低于 3000 cm 1 一般为饱和一般为饱和 C-H 伸缩振动吸收伸缩振动吸收(3) 若在稍高于若在稍高于 30

13、00 cm 1有吸收有吸收, 则应在则应在 2250 1450 cm 1 频区频区 分析不饱和碳碳键的伸缩振动吸收特征峰分析不饱和碳碳键的伸缩振动吸收特征峰炔炔 2200 2100 cm 1烯烯 1680 1640 cm 1 芳环芳环 1600,1580,1500,1450 cm 1烯或芳香化合物则应解析指纹区烯或芳香化合物则应解析指纹区 1000 650 cm 1频区频区 以确定取代基个数和位置以确定取代基个数和位置(5) 解析时应注意把描述各官能团的相关峰联解析时应注意把描述各官能团的相关峰联系起来，以准确判定官能团的存在系起来，以准确判定官能团的存在 如如 2820，2720 和和 17

14、501700 cm 1的三个峰的三个峰 说明醛基的存在说明醛基的存在(4) 碳骨架类型确定后碳骨架类型确定后, 再依据其他官能团再依据其他官能团, 如如 C=O, O-H, C-N 等特征吸收来判定等特征吸收来判定 化合物的官能团化合物的官能团 烷烃烷烃 基本结构信息 C-H 伸缩振动（伸缩振动（3000 2850 cm 1 ） C-H 弯曲振动（弯曲振动（1465 1340 cm 1 ） 一般饱和烃一般饱和烃 C-H 伸缩均在伸缩均在 3000 cm 1 以下以下接近接近 3000 cm 1 的频率吸收。的频率吸收。CH3 : 2962 as 2872 s CH3 (CH2 ): 1450

15、1375 ()CH2: 2926 as 2853 s十二烷十二烷特殊结构信息1) 1380 cm 1 只有一个峰存在甲基只有一个峰存在甲基,则不存在异丙基和叔丁则不存在异丙基和叔丁基基若为异丙基若为异丙基 CH(CH3)2 1385 cm 1 , 1370 cm 1 两个等强度吸收峰且伴随有两个等强度吸收峰且伴随有11701145 cm 1 碳骨架振动吸收峰碳骨架振动吸收峰若为叔丁基若为叔丁基 C(CH3)31395 cm 1 , 1370 cm 1 一弱一强两个吸收峰且伴有一弱一强两个吸收峰且伴有1250 cm 1 ,1210 cm 1 碳骨架振动吸收峰碳骨架振动吸收峰烯烃烯烃 烯烃烯烃 C

16、-H 伸缩（伸缩（3100 3010 cm 1） 末端烯烃末端烯烃 3080 cm 1 C=C 伸缩伸缩 (1675 1640 cm 1) 烯烃烯烃 C-H 弯曲振动（弯曲振动（1000 675 cm 1）基本结构信息A 3075 B 1645C 986 907ABCC1-癸烯癸烯特殊结构信息特殊结构信息1) RHC=CH2 995 cm 1 , 910 cm 12)若为若为970 cm 13)若为若为675725cm 1A 675 顺顺-2-丁烯丁烯 B 970 反反-2-丁烯丁烯1）不：）不：12）3008，1650 烯烯3）990，910 单取代烯烃单取代烯烃谱图解析谱图解析化合物化合物

17、C6H12的红外光谱如下的红外光谱如下,写出结构式写出结构式1) 不：不：1 2) 3010cm -1 烯烃烯烃 C-H 伸缩伸缩3) 1640碳弹双键伸缩振动碳弹双键伸缩振动4）29802860cm-1, 1460cm 1 CH3,CH2 的伸缩及弯曲振动的伸缩及弯曲振动5) 1390cm 1, 1365cm 1 异丙基异丙基 6) 670cm 1 顺式双取代顺式双取代炔烃炔烃 伸缩振动（伸缩振动（2250 2100 cm 1）炔烃炔烃 C- H伸缩振动（伸缩振动（3300 cm 1附近）附近）炔烃炔烃 C- H弯曲振动（弯曲振动（635 cm 1附近）附近）CCA 3268B 2857-2

18、941C 21101-己炔己炔ABC化合物化合物C6H10的红外光谱如下的红外光谱如下,写出结构式写出结构式谱图解析1) 不：不：2 2) 3300cm -1 分子中有分子中有3) 2100cm -1 4) 29802860cm-1, 1460cm 1 CH3,CH2 的伸缩及弯曲振动的伸缩及弯曲振动5) 1395cm 1, 1365cm 1 (1250,1210) 叔丁基叔丁基 6) 630cm 1 弯曲振动弯曲振动CC芳烃芳烃 3100 3000 cm 1 芳环上芳环上 C-H 伸缩振动伸缩振动 1600 1450 cm 1 C=C 骨架振动骨架振动 880 680 cm 1 C-H 面外

19、弯曲振动面外弯曲振动 芳香化合物的重要特征芳香化合物的重要特征: 一般在一般在 1600，1580， 1500 和和 1450 cm 1可能出现强度不等的可能出现强度不等的4个峰个峰880 680 cm 1 C-H 面外弯曲振动吸收面外弯曲振动吸收 依苯环上取代基个数和位置不同而发生变化依苯环上取代基个数和位置不同而发生变化在芳香化合物红外谱图分析中常常用此频区在芳香化合物红外谱图分析中常常用此频区吸收判别异构体吸收判别异构体单取代单取代: 770730cm-1, 710690 cm-1对位取代对位取代 : 840810cm-1间位取代间位取代:810750cm-1,710690cm-1,90

20、0cm-1邻位取代邻位取代: 770735cm-1A 3008 B 1605, 1495, 1466C 742芳芳环环芳芳环环二甲二甲苯苯ABC1）不：）不：42）3050；1600，1500 760，700 单取代苯单取代苯3）1380 异丙基异丙基谱图解析谱图解析醇和酚醇和酚 主要特征吸收是主要特征吸收是 O-H 和和 C-O 的伸的伸缩振动吸收缩振动吸收O-H 的伸缩振动：的伸缩振动： 3700 3100 cm 1 馒头峰馒头峰C-O 伸缩振动伸缩振动 1300 1000 cm 1O-H 面外弯曲面外弯曲 769 659 cm 1A 3300B 3100 3000C 2980 2840D

21、 1497,1453E 1017F 735芳面外弯曲苯甲醇苯甲醇ABCDEFA 3333B 3045芳C 1580, 1495, 1468D 1223ABCD苯酚苯酚1）不饱和度）不饱和度2 可能为烯，炔及含有羰基的化合物可能为烯，炔及含有羰基的化合物2）3300 cm 1 处宽带，羟基处宽带，羟基 结合结合 1040 cm 1 处的吸收，可推测含有处的吸收，可推测含有O-H, 由此可排除含有羰基的可能性由此可排除含有羰基的可能性3）2110 cm 1 处的吸收，可知此化合物有碳碳三键吸收处的吸收，可知此化合物有碳碳三键吸收 结合化合物的分子式可知此化合物为结合化合物的分子式可知此化合物为 2

22、-丙炔醇丙炔醇谱图解析化合物化合物C3H4O的红外光谱如下的红外光谱如下,写出结构式写出结构式谱图解析化合物C9H12O的红外光谱如下，写出结构式1)不饱和度：不饱和度： 4 可能含有苯环可能含有苯环2）3000 cm 1 以上，以上， 以及以及 1600 cm 1 ， 1580 cm 1 1500 cm 1 ，1460cm1表明含有苯表明含有苯环环 830 cm 1 表明苯环对位取代表明苯环对位取代3）3350 cm 1 氢氧的伸缩振动，证明由氢氧的伸缩振动，证明由OH存在存在 4) 1230 cm 1 碳氧的伸缩振动碳氧的伸缩振动 证明是酚证明是酚 5） 1380 cm 1 ， 1365

23、cm 1 异丙基异丙基醛和酮醛和酮 醛的主要特征吸收醛的主要特征吸收: 1750 1700 cm 1（C=O 伸缩）伸缩） 2820，2720 cm 1（醛基（醛基 C-H 伸缩）伸缩）A 3077,3040芳B 2985,2941饱和E 1600,1497,1453F 760 700面外弯D 1730C 2825,2717醛苯基丙醛苯基丙醛ABCDEFA B C 2955,2930,2866饱和D 17252-戊酮戊酮B 1683共轭共轭苯乙酮苯乙酮有一物质分子式为C5H10O，其IR光谱表明在1725cm-1处有强吸收，请判断它可能属于下列何种物质（ ） DCBA 1) 不：不：12）28

24、20，2720； 1730 醛醛3）C3H7- ; 1380 异丙基异丙基4) NMR Check谱图解析醚醚 特征吸收特征吸收 C-O-C 1300 1000 cm 1 的伸的伸缩振动缩振动脂肪醚脂肪醚 1150 1060 cm 1 ,940cm-1 强的吸收峰强的吸收峰 芳香醚芳香醚 两个两个 C-O 伸缩振动吸收伸缩振动吸收 1270 1230 cm 1（为（为 Ar-O 伸缩）伸缩） 1050 1000 cm 1（为（为 R-O 伸缩）伸缩）A 3060,3030,3000 2950B 2830 -OCH3C 1590,1480D 1245E 1030F 800740面外弯苯甲醚苯甲醚

25、ABCDEF羧酸羧酸 cm 1 宽宽,强的强的 O-H 伸缩吸收伸缩吸收 1720 1706 cm 1 C=O 吸收吸收 1320 1210 cm 1 C-O 伸缩伸缩 920 cm 1 成键的成键的 O-H 键的面外弯曲振动键的面外弯曲振动A 3300-2500B 2950,2920,2850D 1280E 930面外弯C 1730庚酸庚酸DEABCCH3CH2COOH1）不：）不：12）3000， O-H；酸酸 930， O-H, 3) 1700, C=O 4) 1230， C-O谱图解析胺胺 （不要求）（不要求） *1650 1500 cm 1 H-N 的弯曲振动吸收的弯曲振动吸收 90

26、0 650 cm 1 H-N 的面外弯曲振动吸收的面外弯曲振动吸收(宽峰并且常在宽峰并且常在850) 谱图解析某化合物分子式为C8H11N,试根据红外光谱推测结构.1) 不饱和度不饱和度=4 可能含有苯环可能含有苯环2) 33003400cm 1 两个峰两个峰,伯胺伯胺(N-H 伸缩振动伸缩振动)3) 3000 cm 1 以上，以上， 以及以及 1600，1500,1460 cm 1, 表明含有苯环（表明含有苯环（-C6H5）740，表明苯环邻位取代，表明苯环邻位取代3) 850 cm 1( N-H)酰胺（不要求）酰胺（不要求） 3500 3100 cm 1 N-H伸缩振动伸缩振动 1680

27、1630 cm 1 C=O 伸缩振动伸缩振动 （酰胺（酰胺I谱带）谱带） 1655 1590 cm 1 N-H 弯曲振动弯曲振动 （酰胺（酰胺II谱带）谱带） 1420 1400 cm 1 C-N 伸缩伸缩A 3350,3170B 1640伸缩伸缩 I 谱谱弯曲弯曲 II谱谱C 1425异丁酰胺异丁酰胺CBA1) 不：不：12）3350，3180，-NH2 1680,1580, 伯酰胺伯酰胺谱图解析腈腈 腈类的光谱特征腈类的光谱特征:三键伸缩振动区域三键伸缩振动区域 脂肪族腈脂肪族腈 2260 2240 cm 1 芳香族腈芳香族腈 2240 2222 cm 1A 3070,3025芳B 2910,2860脂肪C 2210CA B1) 不：不：32）2240， CN3) 3100, 1620 , C=C4) 975, 900 单取代烯单取代烯 谱图解析练习典型无机化合物的红外光谱及谱图解析典型无机化合物的红外光谱及谱图解析水的红外光谱 碳酸盐的基团振动的红外光谱硫酸盐化合物的红外光谱续表IR-(1)-1 红外光谱仪红外光谱仪测量和记录红外光谱的仪器称为红外光谱仪。测量和记录红外光谱的仪器称为红外光谱仪。按