红外线吸收光谱

1、1234(infrared absorption spectroscopy，IR)第二十四章第二十四章 红外吸收光谱分析法红外吸收光谱分析法5一一 红外分光光度法红外分光光度法w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，又称红外吸收光谱法概述概述6 0.762.5m 近红外区近红外区 红外光区红外光区 2.525 m 中红外区（中红外区（4000400cm-1) 25 m 以上以上 远红外区远红外区二二 红外光区红外光区（动画）（动画）红外线红外线faxian 7三三 红外吸收过程红外吸收过程 fazed （yq） (zongjie）*9T 曲线曲线 前

2、疏后密前疏后密)(10)(41mcm10红外光谱图红外光谱图11 IR UV起源起源 分子振动能级伴随转动能级跃迁 分子外层价电子能级跃迁适用适用 所有红外吸收的有机化合物 具n-*跃迁有机化合物 具-*跃迁有机化合物特征性特征性 特征性强 简单、特征性不强用途用途 鉴定化合物类别 定量 鉴定官能团 推测有机化合物共轭骨架 推测结构121可以确定化合物的类别（芳香类）2确定官能团：例：CO，CC，CC3推测分子结构（简单化合物）4定量分析1314 除了单原子和同核分子如除了单原子和同核分子如NeNe、HeHe、O O2 2、H H2 2等之外，几乎所有的有机化合等之外，几乎所有的有机化合物在红

3、外光谱区均有吸收。除光学异物在红外光谱区均有吸收。除光学异构体，某些高分子量的高聚物以及在构体，某些高分子量的高聚物以及在分子量上只有微小差异的化合物外，分子量上只有微小差异的化合物外，凡是具有结构不同的两个化合物，一凡是具有结构不同的两个化合物，一定不会有相同的红外光谱。定不会有相同的红外光谱。15第一节 红外吸收光谱的基本原理eVEeVE05. 00001. 00 . 105. 0转振转振EEE1振动能级与振动光谱振动能级与振动光谱16双原子分子简谐振动 E振振=（V+1/2）h 3210，分子振动量子数分子振动频率VV17续前hVE振分子振动能级差LLhE光子照射能量LEE振产生红外光谱

4、前提VL即分子的振动频率红外光的照射频率L182基频峰与泛频峰基频峰与泛频峰1）基频峰：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V=0 1产生的峰）LV119泛 倍频峰 二倍频峰（V=0V=2）频 三倍频峰（V=0V=3）峰 合频峰 差频峰续前2）泛频峰）泛频峰倍频峰：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V=1V=2，3- - -产生的峰）22LVVL即33LV21L21L注：泛频峰强度较弱，难辨认却增加了光谱特征性20 v红外活性振动：红外活性振动：分子振动产生偶极矩的变化， 从而产生红外

5、吸收的性质v红外非活性振动红外非活性振动：分子振动不产生偶极矩的变化， 不产生红外吸收的性质(1)分子吸收红外辐射的频率恰等于分子振动频率整数倍VL即0即(2)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(动画）21辐射与物质之间必须有耦合作用辐射与物质之间必须有耦合作用磁场磁场电场电场交变磁场交变磁场 分子固有振动分子固有振动 a a偶极矩变化偶极矩变化（能级跃迁）（能级跃迁）耦合耦合不耦合不耦合红外吸收红外吸收无偶极矩变化无偶极矩变化无红外吸收无红外吸收下列物质哪些具有红外活性?22N2、O2、Cl2 、HCl、CO23二、分子中基团的基本振动形式二、分子中基团的基本

6、振动形式 basic vibration of the group in molecular1 两类基本振动形式两类基本振动形式（动画）（动画）24特点归纳特点归纳伸缩振动伸缩振动: :键长变化键长变化, ,键角键角不变不变弯曲振动弯曲振动: :键长不变键长不变, ,键角键角变化变化25变形振动（多个化学键的原子相对于分子的其余部分的弯曲振动)：形式 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 同时变大或减小型分子3AX型分子3AX113753cmsCH114503cmasCH26 （CH3）1460 cm-1，1375 cm-1

7、。 （CH3）2930 cm-1，2850cm-1。C2H4O1730cm-11165cm-12720cm-1HHHHOCC27三、振动的自由度三、振动的自由度指分子独立的振动数目，或基本的振动数目指分子独立的振动数目，或基本的振动数目N3振动自由度转动自由度平动自由度分子自由度转动自由度）（平动自由度分子振动自由度 N3转动转动平动平动平动平动28xyz线性分子平动和转动自由度线性分子平动和转动自由度yxz29xyz非线性分子平动和转动自由度非线性分子平动和转动自由度30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注：计算公式：计算公式： 线型分子振动自由度线

8、型分子振动自由度f 3N5； 非线型分子振动自由度非线型分子振动自由度f 3N6；31示例水分子非线性分子3633F（振动形式）（振动形式）32示例CO2分子 线性分子4533F吸收峰数少于振动自由度的原因：吸收峰数少于振动自由度的原因：发生了简并发生了简并即振动频率相同的峰重叠即振动频率相同的峰重叠 红外非活性振动红外非活性振动（振动形式）（振动形式）33341基本振动频率基本振动频率 （一）吸收峰的位置（峰位） c2135w讨论：讨论：k k,u, u相同的同类原子，相同的同类原子，k k,。键类型键类型 C C C = C CC 力常数力常数 15 10 5峰位峰位 2060cm-1 1

9、680cm-1 1190cm-1 k k 相同，相同，u,键类型键类型 CH CC u 1 6峰位峰位 2910cm-1 1190cm-1含氢原子单键的振动吸收峰一般都出现在高波数区含氢原子单键的振动吸收峰一般都出现在高波数区36续前2基频峰分布图基频峰分布图37381内部因素： （1）诱导效应（吸电效应）： 使振动频率移向高波数区K，双键性吸电性39（2 2）共轭效应：）共轭效应： 使振动频率移向低波数区K，电子离域，双键性共轭效应使40C OHOCOHOOHOC 1760cm-11710cm-1气体或非极性溶剂的极稀溶液气体或非极性溶剂的极稀溶液液态或固态液态或固态41R1COOR2O42

10、43续前2外部因素：外部因素： 受溶剂的极性和仪器色散元件性能影响 溶剂极性，极性基团的伸缩振动频率色散元件性能优劣影响相邻峰的分辨率44（一）吸收峰强的表示方法（一）吸收峰强的表示方法45吸收峰强度：吸收峰强度： 反对称伸缩振动反对称伸缩振动对称伸缩振动对称伸缩振动变变形振动形振动 （二）影响峰强度的因素（二）影响峰强度的因素46注：影响偶极矩大小的因素注：影响偶极矩大小的因素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）分子的对称性 完全对称的结构，完全对称的结构，=0=0，产生红外非活，产生红外非活性振动性振动不对称的结构，不对称的结构，00，产生红外活性振，产生红

11、外活性振动动 47（一）特征峰：（一）特征峰： 可用于鉴别官能团存在的吸收峰，称48（二）相关峰：（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，称注：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基团的存在49图示back12247cmNC130902cmasCH11639cmCC19902cmCH1909cmCH501特征区（特征频谱区）：特征区（特征频谱区）：40001250cm-1的的高频区高频区特点：吸收峰稀疏、较强，易辨认特点：吸收峰稀疏、较强，易辨认包含包含H的各种单键、双键和三键的伸缩振动的各种单键、双键和三键的伸缩振动及面内弯

12、曲振动及面内弯曲振动注：注：特征峰特征峰常出现在特征区常出现在特征区512指纹区： 1250400cm-1的低频区指纹区内一般含有各种单键的伸缩振动峰，指纹区内一般含有各种单键的伸缩振动峰， 多数基团的面外弯曲振动峰多数基团的面外弯曲振动峰特点：吸收峰密集、难辨认指纹注：相关峰常出现在指纹区52横坐标波数，纵坐标百分透过率横坐标波数，纵坐标百分透过率 ，谷底表示吸收峰。，谷底表示吸收峰。特征区：特征区：4000-1250指纹区：指纹区： 1250 400 cm-1531 1烷烃烷烃（CH3，CH2，CH）(CC,CH )-（CH2）n-nasas14601460 cm-1 s s1380138

13、0 cm-1CH3 CH2 s s14651465 cm-1CH2 720 cm720 cm-1-1（水平摇摆）重重叠叠 CH2 对称伸缩对称伸缩2853cmcm-1-11010CH3 对称伸缩对称伸缩2872cmcm-1-11010 CH2不对称伸缩不对称伸缩2926cmcm-1-11010 CH3不对称伸缩不对称伸缩2962cmcm-1-11010 3000cm-1 饱和烃:CH3：2960、28701460、1380（此峰分叉表示偕二甲基） CH2：2925、28501465第二节各种化合物的典型光谱第二节各种化合物的典型光谱54讨论讨论当分子中出现异丙基时：1380 cm-1 分裂为1

14、385 、1370cm-1两强度相似的吸收峰。当分子中出现叔丁基时：1380 cm-1 分裂为1395 、1370cm-1两强度不等的吸收峰。55w识图先学饱和烃，三千以下看峰形。2960、2870是甲基，2930、2850亚甲峰。w 1470碳氢弯，1380甲基显。二个甲基同一碳，1380分二半。甲基甲基56面内摇摆720，长链亚甲亦可辨。 57烯烃烯烃烯烃的重要特征吸收带：烯烃的重要特征吸收带： 3100 3010 cm-1，峰尖锐；，峰尖锐； C = C 16801620 cm-1 =CH 1010650 cm-1 烯烃烯烃: =C-H：3100-30101010-650 C=C：168

15、0-1620=C-H 58烯基烯基5960续前3 炔烃炔烃 C-H振动 CC骨架振动 （强）133003310cmCH（强）1600700cmCH（中）121002200cmCC炔烃:C-H：3310-3300700-600C=C：2200-210061炔 烃 炔氢伸展三千三，峰强很大峰形尖。三键伸展二千二，炔氢摇摆六百八。62示例29252asCH28502sCH28703sCH14603asCH29603asCH13903sCH14652CH7232CH3000CH1642CC1000CH9122CH3300CH2200CC634 芳香烃类芳香烃类 =CH 3100 3000 cm-1，特

16、征，高分辨，呈多重峰。，特征，高分辨，呈多重峰。 C = C 1600、1500、1450 cm-1，高度特征，确定芳环存，高度特征，确定芳环存在的重要标志；在的重要标志；w-共轭时或与共轭时或与p -共轭共轭1600 cm-1带常分裂成带常分裂成1600及及1580 cm-1两个吸收带；两个吸收带； =CH 900 650 cm-1；特征；特征苯环:C-H：3100-3010苯环C = C ：1450、1500、1580、1600 （苯环特征，但这几个峰不一定同时出现）苯环弯曲：900-6506465芳 烃666768示例3000H双峰1500,1600CC（单峰）（邻）1743cmH692

17、,767（间）H（单峰）792H695 醇醇O -H1.游离羟基吸收峰：游离羟基吸收峰： 3650-3600cm-1 （ 高而尖）高而尖）氢键缔合吸收峰：氢键缔合吸收峰： 3500-3200cm-1 （ 低而宽）低而宽）C-O2.1300 1000cm-170713340cm-11100cm-172醇羟基736 羰基化合物羰基化合物C=O18501650cm-1红外光谱中最具特色的吸收红外光谱中最具特色的吸收羰基极性大吸收强度高；羰基极性大吸收强度高；在在18501650cm-1区域几乎无其它区域几乎无其它的吸收干扰的吸收干扰74醛醛C=O1.17501700cm-1-C _ HO=2.282

18、0cm-1、 2720cm-175761730cm-12820cm-12720cm-177酮酮C =O1.1715cm-1C = C - C=O2.1685cm-178根据红外光谱判断化合物类型：根据红外光谱判断化合物类型：1715cm-1酮羰基酮羰基79羧酸酯羧酸、酯、酸酐羧酸、酯、酸酐 （强、钝峰）（羧酸）116801740cmOC（强、宽峰）（羧酸）125003400cmOH（中强）（羧酸）112001320cmOC（强）（酯）11735cmOC111001280cmOC（酯）（强）111001280cmasOC（弱）110001150cmsOC8081酸酐（较强）（强）双峰（酸酐）11

19、1740178018001850cmcmsOCasOCOC（强）（酸酐）19001300cmOC821718（羧酸）OC1744（酯）OC（双）（酸酐）1757,1824OC1248OC为中心（强宽）以3000OH1190OC（强）1042OC837 胺胺特征区分特征区分 峰强峰弱；芳香胺脂肪胺（强度不定）（胺）133003500cmNH峰叔胺：无单峰仲胺：伯胺：双峰NH（中，单峰）115601650cmNH（中强）仲胺：（弱）伯胺：1115501650159016502cmcmNHNH（中）（胺）111001300cmNC84示例（双）HN（单）HN（强单）HN3000H（仲）中强NC（伯）

20、弱NC（双）1500,1600CC85小结：官能团区：官能团区：4000-1250cm-1 指纹区：指纹区： 1250-650分为6个区：（一）4000-2500（XH）（1）OH3200-3650（2）NH与羟基类似，伯胺两个吸收峰、叔胺无吸收（3）CH 3000为分界限醛类在2820及2720处有两个吸收峰气态游离：高波数、峰尖形成氢键：波数低、宽羧酸：缔合，峰型宽不饱和3000 饱和300086（二）、2500-2000三键和积累双键区 （CO2吸收2365、2335需扣除）C=C， C=N，（三）、2000-1500双键振动区C=C 1600-1670 （中、低强度）苯环 1450、1

21、500、1580、1600 （特征）C=O 脂肪酮：1715左右取代基使双键性减弱，吸收频率下降：87（四）、1500-1300CH 弯曲振动区CH314601380（此峰分叉表示偕二甲基）CH21470 左右（五）、1300-910单键伸缩、分子骨架振动、部分含氢基团弯曲振动等我们曾计算得： CC 1200CO 110088（六）、910 以下苯环取代烯的碳氢弯曲振动（本区和上区）89常见基团的红外吸收带常见基团的红外吸收带特征区特征区指纹区指纹区500100015002000250030003500C-H，N-H，O-HN-HC NC=NS-HP-HN-O N-NC-FC-XO-HO-H（

22、氢键）氢键）C=OC-C，C-N，C-O=C-HC-HC CC=C90分析应用分析应用定性分析定性分析1.已知物的鉴定已知物的鉴定2.未知物结构的测定未知物结构的测定-结构解析结构解析标准图谱集标准图谱集-Sadtler红外谱图集红外谱图集药品红外光谱集药品红外光谱集91第三节第三节 红外吸收光谱分析红外吸收光谱分析222134nnn92不饱和度F+1+(T-O) /2F：4价C原子的原子个数T：3价N原子的原子个数O：1价H原子的原子个数93不饱和度意义：不饱和度意义：一个双键分子中可能含苯环分子中可能含苯环环，或一个叁键或一个双键，分子中可能含两个双键或一个环分子中可能含一个双键构分子中无

23、双键或环状结5421094续前例1：苯甲醛（C7H6O）不饱和度的计算52672295（二）光谱解析（三）确定化合物可能结构 （四）该化合物标准图谱进行比较， 最后确定化合物结构Sadtler红外图谱集药品红外光谱集（五）对于复杂化合物或新化合物，红外光谱解析困难时要结合紫外光谱、核磁共振光谱、质谱等手段进行综合光谱解析，结论要与标准光谱对照。96续前二二 红外光谱解析程序红外光谱解析程序 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9798三三

24、 IR光谱解析实例光谱解析实例99C8H8O171069027202820160015807803030100例例1 化合物化合物C8H8O的红外谱图的红外谱图1）不饱和度：）不饱和度：(8 2 2 8) 2=5 大于大于4， 一般有苯环，一般有苯环，C6H53）1710 cm 1，C=O， 2820，2720 cm 1，醛基，醛基CH3CHO2）3000 cm 1以上，不饱和以上，不饱和 C-H 伸缩伸缩 可能为烯，炔，芳香化合物可能为烯，炔，芳香化合物 1600，1580 cm 1，含有苯环，含有苯环 指纹区指纹区780，690 cm 1，间位取代苯，间位取代苯4）结合化合物的分子式）结合化合物的分子式 此化合物为间甲基苯甲醛此化合物为间甲基苯甲醛1710690272028201600158078030301014 0 0 03 6 0 03 2 0 02 8 0 02 4 0 02 0 0 01 6 0 01 2 0 08 0 04 0 001 02 03 04 05 06 07 08 09 01 0 0 Transmittance %W a v e n u m b e r(c m-1)化合物的分子式为化合物的分子式为C8H8O