红外光谱分析法

1、 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 电子配套课件电子配套课件 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 基本原理 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 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 一、红外光的划分一、红外光的划分二、红外吸收过程二、红外吸收过程三、红外光谱的作用三、红外光谱

2、的作用四、红外和紫外的区别四、红外和紫外的区别五、红外吸收光谱法的特点五、红外吸收光谱法的特点 9.1 概述概述 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 红外线红外线：波长在0.76500m (1000m) 范围内的电磁波 二、红外吸收过程二、红外吸收过程 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 可以确定可以确定化合物的化合物的类别类别确定官能团确定官能团定量分析定量分析u苯环类苯环类u羰基类等羰基类等COCCCC推测分推测分子结构

3、子结构 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 T 曲线曲线 前疏后密前疏后密T曲线曲线 前密后疏前密后疏)(10)(41mcm 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 IR UV起源起源 分子振动能级伴随转动能级跃迁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所有红外吸收的有机化合物 具具n-*跃迁有机化合物跃迁有机化合物 具具-*跃迁有机化合物跃迁有机化合物特征性特

4、征性 特征性强特征性强 简单、特征性不强简单、特征性不强用途用途 鉴定化合物类别鉴定化合物类别 定量定量 鉴定官能团鉴定官能团 推测有机化合物推测有机化合物 共轭骨架共轭骨架 推测结构推测结构 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 六、红外光谱特点六、红外光谱特点1）红外吸收只有振）红外吸收只有振-转跃迁，能量低；转跃迁，能量低；2）应用范围广：除单原子分子及单核分子外，几乎所有）应用范围广：除单原子分子及单核分子外，几乎所有有机物均有红外吸收；有机物均有红外吸收；3）分子结构更为精细的表征：通过）分子结构更为

5、精细的表征：通过IR谱的波数位置、波谱的波数位置、波峰数目及强度确定分子基团、分子结构；峰数目及强度确定分子基团、分子结构；4）定量分析；）定量分析；5）固、液、气态样均可用，且用量少、不破坏样品；）固、液、气态样均可用，且用量少、不破坏样品；6）分析速度快。）分析速度快。7）与色谱等联用）与色谱等联用（GC-FTIR）具有强大的定性功能。具有强大的定性功能。 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 分子振动和红外光谱分子振动和红外光谱TEXT ADD HERE CONCENTRATION 红外吸收光谱产生的条件

6、和吸收峰强度红外吸收光谱产生的条件和吸收峰强度TEXT ADD HERE CONCENTRATION 吸收峰位置吸收峰位置TEXT ADD HERE CONCENTRATION 特征峰与相关峰特征峰与相关峰红外光谱红外光谱由吸收峰位置和吸收峰强度共同描述由吸收峰位置和吸收峰强度共同描述 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 红外光谱主要由分子的振动能级跃迁产生红外光谱主要由分子的振动能级跃迁产生 分子的振动能级差远大于转动能级差分子的振动能级差远大于转动能级差 分子发生振动能级跃迁必然同时伴随转动能级跃迁分子发

7、生振动能级跃迁必然同时伴随转动能级跃迁VEEVE05. 00001. 00 . 105. 0转振转振EEE1振动能级振动能级 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 振动光谱振动光谱双原子分子双原子分子A-BA-B近似看作谐振子近似看作谐振子两原子间的伸缩振动两原子间的伸缩振动近似看作简谐振动近似看作简谐振动 2)(21errKU简谐振动位能）化学键力常数（原子间平衡距离原子间实际距离cmNKrre/00UrrrrUrreee或当当 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytica

8、l Chemistry 分析化学分析化学 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 TUEV分子振动总能量动能位能TUTEUrrVe，当0UETrrVe，）最大当（0hVEV）（分子振动总能量213210，分子振动量子数分子振动频率VV 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 hVE振分子振动能级差LLhE光子照射能量LEE振产生红外光谱前提VL即分子的振动频率红外光的照射频率L 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材

9、规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 2. 振动形式振动形式对称对称伸缩振动伸缩振动 (s) 反对称反对称伸缩振动伸缩振动(as) 摇摆振动摇摆振动 ( )卷曲振动卷曲振动 () 面外面外弯曲振动弯曲振动 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 剪切振动剪切振动 (s) 摇摆振动摇摆振动 () 面内面内弯曲振动弯曲振动变形振动变形振动 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 注：注： 振动自由度反映吸收

10、峰数量振动自由度反映吸收峰数量 并非每个振动都产生基频峰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吸收峰数常少于振动自由度数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 N363 NF非线性分子：53 NF线性分子： 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 水分子非线性分子3633F 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 CO2分子 线性分子45

11、33F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 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 基本振动吸收峰数少于振动自由度的原因 ( (谱带谱带) )简并：简并：不同振动形式的振动频率相不同振动形式的振动频率相同，其吸收峰在红外吸收光谱的同，其吸收峰在红外吸收光谱的同一位置同一位置出出现。现。红外非活性振动：红外非活性振动：不能引起偶极矩变化不能引起偶极矩变化( (=0)=0)，不吸收红外线的振动。，不

12、吸收红外线的振动。 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 9.2.2 9.2.2 红外吸收光谱产生的条件红外吸收光谱产生的条件 满足两个条件：满足两个条件： (1)(1)辐射应具有能满足物质产生振动跃迁所需的能量；辐射应具有能满足物质产生振动跃迁所需的能量； (2)(2)辐射与物质间有相互偶合作用辐射与物质间有相互偶合作用, ,即有偶极矩的变化。即有偶极矩的变化。 对称分子对称分子：没有偶极矩，辐射不能引起共振，无红外活性。 如：N2、O2、Cl2 等。 非对称分子非对称分子：有偶极矩，红外活性。 偶极子在交变

13、电场中的作用示意图 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 9.2.2 红外吸收峰的强度红外吸收峰的强度IR谱带强度的划分谱带强度的划分摩尔吸光系数谱带强度表示符号100非常强峰vs20100强峰s1020中等强度峰m110弱峰wn同类原子u相同Kn不同原子K起主导作用K u起主导作用un不同原子K相近u 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 ，（光谱区右端），影响大，（光谱区左端），影响大，不同类原子：折折 LLmmKK1111

14、19016502060/5/10/15 cmcmcmcmNKcmNKcmNKCCCCCC例：例：峰位不同同同一基团的振动形式不sCHasCH例：例：OCCCHC 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 2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态跃迁至第一振动激发态产生的吸收峰 （即（即V=0 1产生的峰）产生的峰）LV1 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analyti

15、cal Chemistry 分析化学分析化学 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 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 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 影响吸收峰位置的因素影响吸收峰位置的因素内部因素外部因素电子效应电子效应 空间效应空间效应氢键效应氢键效应 杂化影响杂化

16、影响互变异构互变异构 费米共振费米共振溶剂溶剂 物态物态 晶型晶型 仪器仪器 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 u电子效应 诱导效应诱导效应 共轭效应共轭效应 孤立双键孤立双键 共轭双键共轭双键 苯苯 C=C 1650cm-1 1630cm-1 1600cm-1 C=O 1715cm-1 1685cm-1 1667cm-1 吸收峰向高频移动吸收峰向高频移动吸收峰向低频移动吸收峰向低频移动 C=O 1715cm-1 1800cm-1 1828cm-1 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划

17、教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 u空间效应空间效应-I+C -I+C 位阻效应位阻效应吸收峰向高频移动吸收峰向高频移动 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 u空间效应 环张力效应(键角效应)环内双键环内双键环外双键环外双键 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 u氢键效应吸收峰向低频移动 C3000cm-1；饱和氢；饱和氢 CH asCH22926cm-1(s) sCH32872cm-1(vs)

18、 sCH22853cm-1(s) 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 129603cmasCH129252cmasCH128703cmsCH128502cmsCH12014652cmCH114503cmasCH113753cmsCH17202cmCH 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 烯烃烯烃CH： 3100 3010 cm-1(中中)不对称烯烃不对称烯烃CC： 1680 1620 cm-1(中中)伸缩振动伸缩振动面外弯曲

19、振动面外弯曲振动CH： 1000 650 cm-1附录十附录十 各类型烯烃面外弯曲振动特征吸收各类型烯烃面外弯曲振动特征吸收(cm-1)RCHCH2910, 990R2CCH2890顺顺C RCHCHR 665730反C RCHCHR 960980R2CCHR 790840 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 烯烃烯烃=C-H31003000cm-1(m)C=C16701620cm-1(w)=C-H1000650cm-1(s)3000cm-1(不饱和)2,4,4-三甲基戊烯-1(c)的红外光谱 =C-H C=

20、C =C-H确定取代位置及构型 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 图图 9.7 (Z)3己烯的红外光谱图己烯的红外光谱图 T / % 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 图图 9.8 (E)2己烯的红外光谱图己烯的红外光谱图 T / % 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 炔烃炔烃C-H33333267cm-1(s，尖)CC2260210

21、0cm-1(w, 尖)己炔-1(d)的红外光谱 C-H C CCH 700600 cm-1 (强而宽强而宽) 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 29252asCH28502sCH28703sCH146023CHasCH29603asCH13903sCH7232CH3000CH1650CC1000CH9122CH3300CH2200CC1238CH 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 9.3.2 芳香烃类化合物-H 3100

22、3000cm-1(wm，通常有几个峰) C=C 1600cm-1, 1580cm-1 (双峰), 1500cm-1 (s), 1450cm-1 鉴定有无芳环存在-H910665cm-1(s)，确定芳环取代情况及鉴定芳环存在-H9501000cm-1(w)，易受干扰泛频峰：泛频峰：20001667cm-1(vw) -H的倍频峰和合频峰，常与的倍频峰和合频峰，常与 -H峰联用来峰联用来鉴别芳环的取代情况。鉴别芳环的取代情况。 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 泛频峰泛频峰共轭：共轭：1600cm-1, 1580

23、cm-1, 1500cm-1, 1450cm-1 C=C(双峰) 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 双取代双取代 邻取代邻取代（4 4个相邻个相邻H H） 间取代间取代（3 3个相邻个相邻H H，1 1个孤立个孤立H H） 对取代对取代（2 2个相邻个相邻H H） 与单取代峰位重叠（强，单峰）1750cmH（中强）（较强）（强）（三峰）111860900680725750810cmcmcmH（强，单峰）1800860cmH 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical

24、Chemistry 分析化学分析化学 3000H双峰1500,1600CC（单峰）（邻）1743cmH太弱（间）900692,767H（单峰）792H 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 取代苯的泛频峰图示单取代双取代邻间对 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 9.3.3 醇、酚、醚类化合物醇与酚都具有都具有 OH 及及 C-O峰，酚具有苯环特征峰，酚具有苯环特征不具有不具有 OH峰，是醚与醇类的主要区别峰，是醚与醇类的主要

25、区别特征吸收：特征吸收： C-O-C11501070cm-1(s) 醚 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 9.3.4 羰基化合物 酮 醛 酰氯 羧酸及其盐 酯 酸酐 酰胺 C=O = 18701540 cm-1 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 甲乙酮的红外光谱 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五

26、十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 共轭效应：向低频位移共轭效应：向低频位移 , -不饱和酮不饱和酮16851665cm-1(s) 环张力效应：环张力吸收峰向高频位移 C=O(cm-1) 1715 1685 1680 1665C=O(cm-1) 1815 1780 1745 1715 1705 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 醛醛丙醛的红外光谱 C=O注：醛、酮如何区分？注：醛、酮如何区分？ 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材An

27、alytical Chemistry 分析化学分析化学 酰氯酰氯丙酰氯的红外光谱 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 1715（酮）OC1725（醛）OC1800（酰氯）OC 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 羧酸羧酸 OH34002500cm-1游离游离 OH3550cm-1(尖锐尖锐)缔合缔合 OH34002500cm-1 (宽散宽散)，中心在，中心在3000cm-1 C=O17401650cm-1羧酸的羰基峰强度比酮

28、大得多，且峰形较钝羧酸的羰基峰强度比酮大得多，且峰形较钝 OH955915cm-1 (二聚体) 确认-COOH 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 酯酯乙酸乙酯的红外光谱 asC-O-C C=O sC-O-C 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 酸酐酸酐（较强）（强）双峰（酸酐）111740178018001850cmcmsOCasOCOC丁酸酐的红外光谱C=O(双峰) 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材

29、规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 1718（羧酸）OC1744（酯）OC（双）（酸酐）1757,1824OC1248OC为中心（强宽）以3000OH1190OC（强）1042OC 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 酰胺酰胺 C=O16801630cm-1(s) （酰胺谱带（酰胺谱带） NH16701510cm-1 （酰胺谱带（酰胺谱带）苯甲酰胺的红外光谱苯甲酰胺的红外光谱NH (伯酰胺双峰)C=ONH峰叔酰胺：无尖锐单峰仲酰胺：伯酰胺：双峰NH 全国高职高专全国高职高专 “

30、 “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 9.3.5 含氮有机化合物 胺 酰胺 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 胺盐：胺盐： NH3+33002200cm-1(s，宽，宽)合频振动谱带合频振动谱带28002000cm-1(wm,宽宽,精细结构精细结构) NH3+16301500cm-1(ms)； C-N14001300cm-1(m) 峰叔胺：无单峰仲胺：伯胺：双峰NH 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical C

31、hemistry 分析化学分析化学 正己胺(a)及其盐酸盐(b)的红外光谱NH(伯胺双峰)NH3+ (宽)asNH3+sNH3+NHC-NC-NNHCH3asCH3sCH3 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 （双）HN（单）HN（强单）HN3000H（仲）中强NC（伯）弱NC（双）1500,1600CC 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 腈类化合物腈类化合物对甲基苯甲腈的红外光谱CN-HC=C-HCH3CH3C=C 全国

32、高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 9.4傅立叶变换红外光谱仪（傅立叶变换红外光谱仪（FT-IR）和样品处理方法）和样品处理方法 9.4.1 傅立叶变换红外光谱仪傅立叶变换红外光谱仪 9.4.2 样品的制备样品的制备 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 9.4.1 傅立叶变换红外光谱仪辐射源单色器检测器计算机系统 硅碳棒 能斯特灯 迈克尔逊(Michelson)干涉仪 热电型(如TGS) 光电导型(如MCT) 傅立叶转换计算干涉

33、图红外光谱图 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 9.4.2 试样的制备 样品制备要求样品纯度98%样品应不含水分薄膜法糊膏法(浆糊法)压片法液体池法夹片法及涂片法 固体试样的制备 液体试样的制备 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 9.5 红外吸收光谱法的应用红外吸收光谱法的应用 9.5.1 已知化合物的定性鉴别已知化合物的定性鉴别 9.5.2 未知化合物的结构分析未知化合物的结构分析 9.5.3 定量分析定量分析 全国高

34、职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 样品的来源及性质 红外光谱定性鉴别方法l 来源、纯度、灰分l 物理化学常数l 分子式：计算不饱和度l 已知化合物标准品对照标准光谱对照2. 新化合物综合解析 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 不饱和度不饱和度222134nnnUU=0链状饱和脂肪族链状饱和脂肪族U=1一个双键一个双键/一个饱和环状结构一个饱和环状结构U=2一个叁键一个叁键/两个双键两个双键/一个双键一个双键+一个脂环一个脂环

35、U=4一个苯环一个苯环 U=5一个苯环一个苯环+一个双键一个双键 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 红外光谱解析方法 解析红外光谱三要素：峰位、峰强及峰形 官能团与特征频率的相关关系 遵循用一组相关峰确认一个官能团的原则 解析程序：四先、四后、相关法 先查特征区，后查指纹区 先最强峰，后次强峰 先粗查，后细找 先否定，后肯定5.不是所有的吸收峰都能找到其归属 全国高职高专全国高职高专 “ “十二五十二五”规划教材规划教材Analytical Chemistry 分析化学分析化学 C4H10O的红外光谱的红外光谱U=2+24-102=0饱和脂肪族asCH3sCH3asCH3sCH3 C-COH 、N