仪器分析红外吸收光谱法

1、第6章红外吸收光谱法 6.1 内容提要 基本概念红外吸收光谱当用红外光照射物质时，物质分子的偶极矩发生变化而吸收红外光光能，有振动能级基态跃迁到激发态（同时伴随着转动能级跃迁），产生的透射率随着波长而变化的曲线。红外吸收光谱法利用红外分光光度计测量物质对红外光的吸收及所产生的红外光谱对物质的组成和结构进行分析测定的方法，称为红外吸收光谱法。振动跃迁分子中原子的位置发生相对运动的现象叫做分子振动。不对称分子振动会引起分子偶极矩的变化，形成量子化的振动能级。分子吸收红外光从振动能级基态到激发态的变化叫做振动跃迁。转动跃迁不对称的极性分子围绕其质量中心转动时，引起周期性的偶极矩变化，形成量子化的转动

2、能级。分子吸收辐射能（远红外光）从转动能级基态到激发态的变化叫做转动跃迁。伸缩振动原子沿化学键的轴线方向的伸展和收缩的振动。弯曲振动原子沿化学键轴线的垂直方向的振动，又称变形振动，这是键长不变，键角发生变化的振动。红外活性振动凡能产生红外吸收的振动，称为红外活性振动，不能产生红外吸收的振动则称为红外非活性振动。诱导效应当基团旁边连有电负性不同的原子或基团时，通过静电诱导作用会引起分子中电子云密度变化，从而引起键的力常熟的变化，使基团频率产生位移的现象。共轭效应分子中形成大p键使共轭体系中的电子云密度平均化，双键力常数减小，使基团的吸收频率向低波数方向移动的现象。氢键效应氢键使参与形成氢键的原化

3、学键力常数降低，吸收频率将向低波数方向移动的现象。溶剂效应由于溶剂（极性）影响，使得吸收频率产生位移现象。基团频率通常将基团由振动基态跃迁到第一振动激发态所产生的红外吸收频率称为基团频率，光谱上出现的相应的吸收峰称为基频吸收峰，简称基频峰。振动偶合两个相邻基团的振动之间的相互作用称为振动偶合。基团频率区红外吸收光谱中能反映和表征官能团（基团）存在的区域。指纹区红外吸收光谱中能反映和表征化合物精细结构的区域。分子振动自由度多原子分子中原子振动形式的数目，称为分子振动自由度。倍频峰振动能级由基态跃迁至第二激发态、第三激发态所产生的吸收峰称为倍频峰。组（合）频峰多原子分子中由于各种振动之间的相互作用

4、而形成的组合频率（等于两个或多个基团频率之和或差）的吸收峰。泛频与泛频峰倍频与组（合）频，统称为泛频。相应的吸收峰称为泛频峰。相关峰表征某一基团存在的一组特征峰称为相关峰。 基本内容1. 红外吸收光谱的基本原理利用物质分子对红外辐射的吸收，并有其振动及转动引起偶极矩的净变化产生振动和转动能级由基态跃迁到激发态，获得分子振动和转动能级变化的振动-转动光谱，即红外吸收光谱。除对称分子外，几乎所有具有不同结构的化合物都有相应的特征红外吸收光谱。它反映了分子中各基团的振动特征。因此可以用以确定化学基团和鉴定未知物结构。同时，物质对红外辐射的吸收符合朗伯-比尔定律，故可用于定量分析。2. 红外吸收光谱产

5、生的条件（1）照射的红外光必须满足物质振动能级跃迁时所需的能量，即光的能量E = hv必须等于两振动能级间的能量差DE(DE =E振动激发态-E振动基态)。（2）红外光与物质之间有偶合作用及分子的振动必须是能引起偶极矩变化的红外活性振动。3. 分子的振动方程 由方程可知，振动波数s（或频率n）随键力常数k的增加或折合相对原子质量Ar的减少而增大，实际用于真实分子时应加以修正。4. 分子振动的形式和类型分子中的基本振动形式（理论数）：对于非线性分子有（3N6）个基本振动（即简正振动）形式；线性分子有（3N5）个基本振动形式（N为分子中原子数目），实际上大多数化合物在红外光谱图上出现的吸收峰数目比

6、理论数要少。振动类型：多原子分子中有伸缩振动（对称和非对称伸缩振动）和弯曲（或变形）振动两大类。5. 红外吸收光谱与有机化合物分子结构的关系（1）红外吸收光谱的分区：按照红外吸收光谱与分子结构的关系可将其分为基团频率区（或特征区）（40001300cm-1）和指纹区（1300670cm-1）两大区域。基团频率区包括：XH伸缩振动区（40002500cm-1），主要包括CH，OH，NH和SH键伸缩振动频率区；三键及积累双键区（25001900cm-1），主要包括CC，CN键伸缩振动及CCC和CCO等累积双键的不对称伸缩振动频率区；双键伸缩振动区（19001500cm-1），主要包括CO（1900

7、1650cm-1）和CC（16801500cm-1）伸缩振动频率区。指纹区包括：1300900cm-1振动区：主要包括CO，CN，CF，CP，CS，PO，SiO等单键和CS，SO，PO等双键的伸缩振动频率区以及一些弯曲振动频率区。如CO的伸缩振动（13001000cm-1）和甲基的弯曲振动（1380cm-1）；900cm-1以下振动区，主要包括一些重原子伸缩振动和一些弯曲振动频率区，dfCH在这一区域的吸收峰可用来确定苯环的取代类型。某些吸收峰还可用来判定化合物的顺反构型。（2）常见基团的特征频率表表6-1 红外吸收光谱与有机化合物分子结构的关系基团吸收波数/ cm-1振动方式吸收强度说明OH

8、（游离）OH（缔合）3650358034003200伸缩伸缩m,shs,b判断有无醇类、酚类和有机酸的重要依据判断有无醇类、酚类和有机酸的重要依据-NH2,-NH(游离)-NH2,-NH(缔合)-SHC-H伸缩振动不饱和C-H（三键）C-H（双键）苯环中C-H饱和C-H-CH3-CH3-CH2-CH2-3500330034003100260025003300附近304030103030附近2960±102870±102925±102850±10伸缩伸缩伸缩伸缩伸缩伸缩反对称伸缩对称伸缩反对称伸缩对称伸缩ms,bsssssss不饱和C-H伸缩振动在3000

9、 cm-1以上末端C-H2出现在3085 cm-1附近强度上比饱和C-H稍弱，但谱带较尖锐饱和C-H伸缩振动出现在3000 cm-1以下(30002800 cm-1)，取代基影响小三元环中的C-H伸缩振动出现在3050 cm-1次甲基中的C-H出现在2890 cm-1，很弱C=C=CC=C226022202310213522602100195016801620伸缩伸缩伸缩伸缩伸缩s针状mvvm干扰少,21402100 cm-1；,22602100 cm-1;若R=,对称分子，无红外光谱芳环中C=CC=ONO2NO2S=O1600，15801500，14501850160016001500130

10、0125012201040伸缩伸缩反对称伸缩对称伸缩伸缩vssss芳环的骨架振动其他吸收带干扰少，是判断羰基(酮类,酸类,酯类,酸酐)的特征频率,位置变动大COCOCCH3,CH2CH3NH2CFCClCBrCICH2(CH2)n,n41300100011509001460±10138013701650156014001000800600600500500200910890720伸缩伸缩CH3反对称变形CH2变形对称变形变形伸缩伸缩伸缩伸缩面外摇摆面内摇摆sssmssssssvCO(酯、醚、醇类)的极性很强,故强度强。常成为谱图中最强的吸收醚类中COC的反对称伸缩产生1100

11、7;50 cm-1的峰是最强的吸收，COC的对称伸缩在1000900 cm-1，较弱大部分有机物都含CH3,CH2,故此峰经常出现很少受取代基影响，且干扰少，是CH3的特征吸收注：s-强吸收，b-宽吸收带，m-中等强度吸收，w-弱吸收，sh-尖锐吸收峰，v-吸收强度可变6. 影响红外吸收光谱的主要因素（1）影响吸收峰位置（即基团频率）的因素 内部因素：诱导效应、共轭效应和氢键效应；外部因素：物质的物理状态和溶剂效应。（2）影响吸收峰数目的因素 通常大多数化合物在红外光谱上出现的吸收峰数目比理论计算数目有所增减，这主要是由于：分子中存在着红外非活性振动；某些振动频率完全相同，即简并为一个吸收峰；

12、有些振动频率相近，仪器分辨不出来；某些振动吸收强度太弱，仪器检测不出来或某些振动吸收频率超出了仪器的检测范围；倍频峰和合频峰的产生，使吸收峰增加；振动偶合使得吸收峰发生分裂； 费米共振，倍频峰和组频峰与基频峰之间相互偶合而产生的吸收峰的分裂，使吸收峰增多。7. 红外吸收光谱仪用于测量和记录待测物质红外吸收光谱并进行结构分析及定性、定量分析的仪器，称为红外吸收光谱仪或红外吸收分光光度计。仪器的类型：色散型红外吸收光谱仪和干涉型红外吸收光谱仪。仪器的结构：红外光谱仪的基本结构与紫外光谱仪类似，也由光源、吸收池、单色器、检测器和记录系统等部分组成。干涉型（傅里叶变换型）与普通色散型红外光谱的主要区别

13、在于它有干涉仪和计算机两部分。8. 红外吸收光谱法的应用红外吸收光谱法广泛用于有机物的定性分析、定量分析及未知物结构的确定。6.2 习题解答1. 红外光谱是如何产生的？红外光谱区波段是如何划分的？答：红外光谱是由分子振动能级的跃迁同时伴随转动能级跃迁而产生的。红外光谱波段分为：近红外光（0.782.5m）、中红外光（2.550m）、远红外光（501000m）。2. 产生红外吸收的条件是什么？是否所有的分子振动都会产生红外吸收光谱？为什么？答：产生的条件是：某红外光刚好能满足物质振动能级跃迁时所需要的能量；红外光与物质之间有偶合作用。并非所有的振动都会产生红外吸收，只有当红外光的频率与分子的偶极

14、矩的变化频率相匹配时，分子的振动才能与红外光发生偶合而增加其振动能，使得振幅增大，即分子由原来的振动基态跃迁到激发态，对于非极性双原子分子如N2等完全对称的分子其偶极矩为0，分子的振动并不引起的改变，因此，与红外光不发生偶合，不产生红外吸收。3. 多原子分子的振动形式有哪几种？答：多原子分子的振动类型主要有：伸缩振动，即原子沿化学键轴线的方向伸展和收缩，包括对称伸缩振动和不对称伸缩振动；弯曲振动，即原子沿化学键轴的垂直方向的振动。振动时键长不变、键角发生变化，包括面内弯曲振动和面外弯曲振动。面内弯曲振动又包括剪式振动和面内摇摆，面外弯曲振动又包括面外摇摆和扭曲振动。4. 影响红外吸收频率发生位

15、移的因素有哪些？答：影响因素主要有内部因素和外部因素。内部因素：诱导效应、共轭效应和氢键效应；外部因素：物态的影响和溶剂的影响。5. 傅里叶变换红外光谱仪的突出优点是什么？答：（1）测定速度快 从而可实现与色谱的联用；（2）灵敏度和信噪比高 干涉仪部分无狭缝装置因而无能量损失、灵敏度高；（3）分辨率高 波数精度可达0.01 cm-1；（4）测定范围广。6. 红外光谱中官能团区和指纹区是如何划分的？有何实际意义？答：将红外光谱中40001300cm-1的区域称为官能团区；1300670cm-1的区域称为指纹区。在官能团区每一个红外吸收峰都和一定的官能团相对应，可以根据红外光谱找出化合物中存在的官

16、能团；在指纹区，各种单键伸缩振动之间及与CH弯曲振动之间会发生偶合，使该区域的吸收带很复杂，与已知化合物图谱比较，可得出未知物与已知物结构相同或不同的结论。 7. 由下述力常数k数据，计算各化学键的振动频率（波数）。 （1）乙烷的CH键，k=5.1N·cm-1;(2) 乙炔的CH键，k=5.1N·cm-1 (3) 苯的C=C键，k=7.6N·cm-1;(4) 甲醛的C=O键, k=12.3N·cm-1。由所得计算值，你认为可以说明一些什么问题？答：计算（1）乙烷的CH键，同理可得（2）乙炔的CH键：s2=3304 cm-1（3）苯的C=C键：s3=147

17、1 cm-1（4）甲醛的C=O键：s4=1750 cm-1由此可知，折合相对原子质量Ar的平方根与化学键的振动频率（波数）成反比，与折合相对原子质量Ar小的CH键相比，C=C键和C=O键的振动波数比较低；键力常数k的平方根与化学键的振动频率（波数）成正比，不同的化学键有不一样的键力常数，键力常数差异决定了折合相对原子质量相近的化学键，如C=C键和C=O键的频率（波数）有明显的差异。8. 氯仿（CHCl3）的红外光谱表明其CH伸缩振动频率为3100 cm-1,对于氘代氯仿(CDCl3)，其CD伸缩振动频率是否会改变，如果变动，是向高波数还是低波数方向移动？答：因为s=1307（k1/Ar）1/2

18、,的折合相对原子质量Ar1=12×1/（12+1）=12/13，而C2H的折合相对原子质量Ar2=12×2/（12+2）=12/7，显然，Ar22 Ar1，所以，与氯仿（CHCl3）红外光谱中的CH伸缩振动频率比较，氘代氯仿(CDCl3)的C2H伸缩振动频率会改变。从Ar22 Ar1来看，C2H伸缩振动频率向低波数方向移动。 9. 图6-1为1-辛烯的红外光谱，试给出各峰的归属。 图6-1 1-辛烯的红外光谱图答：（1）如CH2的反对称伸缩振动（末端CH出现在3085 cm-1附近）及CH2的对称伸缩振动（CH2出现在2975 ±10cm-1附近），CH的伸缩振动

19、（CH伸缩振动出现在30403010cm-1附近）。（2）CC的振动（CC伸缩振动出现在16801620cm-1附近）。（3）CH2，CH3的反对称变形（在1460±10cm-1附近）及CH3的对称变形（在13701380cm-1附近）。（4）CH的面外弯曲振动（在1000650cm-1处出现强吸收峰）。（5）CH2面外摇摆振动（910890cm-1附近）（6）(CH2)5面外摇摆振动 (CH2)n(n4)的面内摇摆振动720cm-1。 10. 化合物C8H10O的红外光谱如图6-2所示，推测其结构式。 图6-2 化合物C8H10O的红外光谱图解：不饱和度=1+8+1/2(0-10)=4 可能有苯环存在谱峰分析峰位/ cm-1归属分析335030403030处三峰16501450处三峰750700293528551380处无吸收峰vOH(缔合) v f CHvf CCf CHvas CH2vs CH2在3400320cm-1的款吸收峰说明有缔合的OH说明苯环的存在说明苯环的存在苯环单取代说明CH2存在说明CH2存在说明无CH3存在推测结构C8H10O的结构是 11. 红外吸收光谱与拉曼光谱有何异同点？答：红外吸收光谱与拉曼光谱都属分子光谱范畴，都属于分子