波谱-红外IR教材

第二章红外吸收光谱法

Infraredspectroscopy（IR）1、掌握IR吸收光谱产生的条件及峰位、峰数、峰强取决于哪些因素。教学目标

2、能确定八个主要的光谱区域，并能鉴别在这些区域里引起吸收的键的振动类型，常见基团的特征吸收频率。3、能利用IR鉴别各种异构体，并能解析简单化合物的结构。4、了解IR的实验技术。1、峰位的影响因素教学重点

2、红外吸收光谱中的八个重要区段3、IR的解析

第二章

红外吸收光谱法第一节IR产生基本原理Infraredspectroscopy（IR）二、IR图的表示三、IR产生的基本原理一、波长范围和分区四、IR产生的必要条件五、IR的几个术语一、波长范围和分区

12500~25cm-1(0.78~1000μm)

红外光的三个区域：1）近红外区：12500~4000cm-1(0.8~2.5m)，主要用于研究分子中的O-H、N-H、C-H键的振动倍频与组频。2）中红外区：4000~400cm-1(2.5~25m)，主要用于研究大部分有机化合物的振动基频，研究应用最多的区域。3）远红外区：400~10cm-1(25~1000m)，主要用于研究分子的转动光谱以及重原子成键、氢键和一些络合物、超分子化合物的非共价键的振动光谱。二、

IR图的表示

横坐标:λ(μm)或υ(cm-1)表示吸收峰的位置.

纵坐标:透过率T%,表示吸收强度.

注意:T-λ或T-υ曲线上的吸收峰是图谱上的谷.

T(%)苯酚红外光谱分子的两个原子以其平衡点为中心，以很小的振幅（与核间距相比）作周期性“简谐”振动，其振动可用经典力学模型描述，根据Hoocke定律和Newton定律可导出振动频率：

一个双原子分子只有对称伸缩振动一种振动形式

k—化学键的力常数（N·m-1）

c—光速3×108m/sμ—双原子折合质量（kg）

2、双原子分子的振动三、IR产生的基本原理1、分子的振动红外光谱：引起分子振动能级和转动能级的跃迁,所以又称振-转光谱。μ=若化学键的力常数k以（N·m-1）为单位，折合质量以原子质量为单位，则可简化为

双原子分子的振动频率取决于化学键的力常数和原子的质量。化学键越强（K值越大），相对原子质量越小，振动频率越高例HCl分子K=4.8×102N·m-1,计算出HCl的振动频率。3、多原子分子的振动（1）分子的振动自由度振动自由度：基本振动的数目。分子自由度数（3N）=平动自由度+转动自由度+振动自由度振动自由度=分子自由度数（3N）-(平动自由度+转动自由度)理论上，每个振动自由度（基本振动数）在红外光谱区均产生一个吸收峰带。线形分子只有两个转动自由度振动自由度与峰数振动自由度：基本振动的数目。分子自由度数（3N）=平动自由度+转动自由度+振动自由度振动自由度=分子自由度数（3N）-(平动自由度+转动自由度)理论上，每个振动自由度（基本振动数）在红外光谱区均产生一个吸收峰带含N个原子的线型分子振动自由度为3N-5非线型分子振动自由度为3N-6分子振动自由度数目越大，则在IR中出现的峰数也越多。峰数常小于振动自由度。

CO2分子，其振动自由度=3×3-5=4

（只出现2个吸收谱带）后两种振动简并如H2O分子，

其振动自由度=3×3-6=3

（出现3个吸收谱带）非活性振动CO2分子的基本振动形式及IR光谱2349cm-1667cm-1

（2）分子的振动类型a伸缩振动——键长发生周期性改变（υ）对称伸缩振动υs

反对称伸缩振动υas

b弯曲振动——变形或变角面内弯曲振动δ面外弯曲振动γ面内摇摆弯曲振动

剪式弯曲振动面外摇摆弯曲振动

扭曲变形振动

as>

s>

>γ高频低频四、IR产生的必要条件

r—分子中正、负电荷中心的距离

δ—正、负电荷中心所带电荷偶极矩：μ＝δ·rΔμ≠0极性分子1、Δμ≠02、hυ0=ΔE（红外光能量=分子振动能量）Δμ=0（IR非活性分子）非极性分子五、IR的几个术语1基频峰：泛频峰倍频峰：0→

2、

0→

3…一般，基频峰强度＞倍频峰组频峰合频峰强度更弱，不易辨认差频峰2特征峰：凡能用于鉴定原子基团存在并有较高强度的吸收峰相关峰：相互依存，又相互佐证的峰3特征区：4000~1330cm-1峰较疏，易辨认指纹区：1330~650cm-1峰密集，确定有机物时用途很大。（分子结构上微小变化指纹区明显改变）振动能级从基态（

0

）跃迁到第一激发态（

1

）产生的吸收峰

第二章

红外吸收光谱法第二节峰强、峰位的影响因素Infraredspectroscopy（IR）二、峰位的影响因素一、峰强的影响因素一、峰强的影响因素1、峰强表示：ε、A、T%A=lg1/T

“谷”越深（T%小），吸光度越大，吸收强度越强。

峰强的定性表示：

ε＞200ε75～200ε25～75ε5～250～5

VSSmWVW补充：峰形（IR中）

宽峰尖峰肩峰双峰2、峰强的影响因素（1）瞬间偶极矩的大小（Δμ）峰强与

Δμ的平方成正比a原子的电负性相邻两个原子电负性相差越大，Δμ↑，峰强↑b分子振动类型υas＞υs＞δc分子对称性对称性越好，Δμ越小，峰强越小。完全对称，Δμ=0，无IR峰。d其它因素氢键的形成Δμ↑，峰强↑费米共振：倍频峰或组合频峰与某基频峰相接近时，发生相互作用，使原来很弱的倍频或组合频峰↑C=C、C=O共轭，峰强↑（2）跃迁几率分子在跃迁过程中激发态分子占总分子的百分数.几率大，峰强↑，样品浓度↑，几率↑偶极矩的影响因素：例：以C=O为例，υC=O随电负性↑，吸电子诱导效应↑，使羰基双键性↑，υC=O向高波数移动。υC=O1715cm-11735cm-11800cm-11870cm-11928cm-1二、峰位的影响因素（一）内部因素1、诱导效应（I效应）①定义：由于取代基的不同电负性，通过静电诱导作用，使分子中电子云分布发生变化，从而引起化学键力常数K的变化，影响基团振动频率。②结果：亲电诱导效应：使峰位向高波数移动（蓝移）

υC=O1715cm-11690cm-11665cm-12、π-π共轭效应（Ｃ效应）①定义：当两个或更多的双键共轭时，因π电子离域增大，即共轭体系中电子云密度平均化，使双键的键强降低，双键基团的振动频率随之降低。②结果：共轭效应：使峰位向低波数移动（红移）例：

υC=O1715cm-11690cm-11665cm-1I＞ＣI＞ＣＣ＞I3、中介效应①定义：氧、氮和硫等原子含有孤电子对，能与相邻的不饱和基团共轭，为与π-π共轭区分称中介效应。②结果：诱导效应与共轭效应共存，哪个占主导地位，那种效应占优势，谱带的位置就向哪边移动。例：例：4、氢键效应①定义：偶极矩很大的X-H键与带部分负电荷的原子Y充分接近时，产生强烈静电吸引作用，构成X-H…Y。

氢键的形成，使质子的给予基团和接受基团的振动频率都发上变化。②结果：

使伸缩振动频率向低波数移动（红移）

吸收峰变宽羧酸υC=O

游离1760cm-1左右缔合1725~1700cm-1υO-H游离~3550cm-1

缔合3300~2500cm-1峰形宽而散

5、空间效应（1）空间位阻效应：

抑制共轭，使峰位向高波数移动。（蓝移）

υC=O1663cm-11686cm-11693cm-1

例：（2）环的张力（环缩小，环张力增大）a随着环张力增加，环外基团伸缩振动频率增加。b随着环张力增加，环内基团伸缩振动频率下降。υC=O1715cm-11745cm-11780cm-1υC=C1639cm-11623cm-11566cm-1例6、振动偶合效应①定义：频率相同或相近的两个基团相邻时，它们之间会产生相互作用，这种相互作用称为振动偶合效应。υas（C=O）

～1815cm-1υs（C=O）

～1790cm-1

例：两个羰基振动偶合

②结果：峰裂分成两个，一个高于正常频率，

一个低于正常频率。气体υC=O1780cm-1（游离）

非极性溶剂υC=O1760cm-1（游离）

乙醚（极性）

υC=O1735cm-1（分子间氢键）乙醇中

υC=O1720cm-1（分子间氢键）

碱液中

υC=Oυas

1610～1550cm-1υs1400cm-1

（二）外部因素1、样品的物理状态CH3COCH3υC=O

气态1738cm-1

液态1715cm-1

2、溶剂的影响极性基团的伸缩振动频率随溶剂极性的增大而降低例：羧酸中的υC=O

波数如下：

第二章

红外吸收光谱法第三节

IR光谱解析Infraredspectroscopy（IR）二、重要有机化合物的

IR光谱一、红外吸收光谱中的八个重要区段三、IR的解析两大区八大段一、红外吸收光谱中的八个重要区段①O-H、N-H伸缩振动区

3750~3000cm-1②不饱和C-H伸缩振动区3300~3000cm-1③饱和C-H伸缩振动区3000~2700cm-1④叁键和累积双键的伸缩振动区

⑤C=O伸缩振动区1900~1650cm-1⑥双键伸缩振动区1690~1500cm-1⑦C-H面内弯曲振动及C-X伸缩振动区

⑧C-H面外弯曲振动区1000~650cm-1

官能团区（特征区）

4000-1330指纹区1330-6504000~650cm-12400~2100cm-1υC=O（酸、酮、醛、酰胺、酯、酸酐）υC=C，υC=N（X为C、O、N）1475~1000cm-1

δC-H，υC-C（烷基），υC-O，υC-NγC=C-H、Ar-H，γCH21、υO-HυN-H（3750~3000cm-1）基团类型波数/cm-1峰的强度υO-H游离υO-H分子间氢键二分子缔合多分子缔合羧基υO-H分子内氢键螯形化合物

π-氢键

υN-H游离缔合酰胺3700~32003700~3500

3550~34503400~32003500~25003570~34503200~2500

3600~3500

3500~33003500~31003500~3300VSVS，尖锐的吸收带

VS，尖锐S，宽VS，宽VS，尖锐W，宽（OH与分子内的C=O、NO2等形成螯合键）π体系（如烯烃）和OH的作用W，尖锐W，尖锐可变表1O-H、N-H伸缩振动吸收位置2、不饱和υC-H

（3300~3000cm-1）υC-H()υC-H（-C=C-H）υC-H

（Ar-H）~33003100~30003050~3010VSmm3、饱和υC-H

（3000~2700cm-1）υC-H()

υC-H()

υC-H()

υC-H()υasC-H2960±20υsC-H2870±10υasC-H2930±20υsC-H2850±10

2890

2720（醛基特征峰）VSVSVSVS

W，强度很弱，甚至观测不到

W，尖锐4、叁键和累积双键伸缩振动区（2400~2100cm-1）R—N=N=NR—N=C=N—RO=C=OR—N=C=O2140~21002260~2190无吸收2260~22402160~21202155~2130~1950

~2150

~2000

~23492275~2250m可变

SSSS

S5、υC=O

（1900~1650cm-1）饱和脂肪醛α，β-饱和脂肪醛芳香醛饱和脂酮α，β-不饱和脂酮α-卤代酮芳香酮脂环酮（四员环）（五员环）（六员环）酯（非环状）六及七员环内酯五员环内酯酰卤酸酐

酰胺1740~17201705~16801715~16901725~17051685~16651745~17251700~16801800~17501780~17001760~16801740~17101750~17301780~17501815~17201850~1800，1780~1740双峰相距约60cm-11700~1680（游离）1660~1640（缔合）SSSSSSSSSSSSSSS

6、双键伸缩振动区

（1690~1500cm-1）

苯环骨架

1680~1620

1620~1450

1690~1640

1630~1575

1615~1510υas1390~1320υs不定

不定

不定

SS芳环上υC=C：

※

1600cm-1和1500cm-1附近的这两个峰是鉴别有无芳核存在的重要标志之一。

1500cm-1附近（1520~1480cm-1）吸收峰最强。1600cm-1附近（1620~1590cm-1）吸收峰居中。

1580cm-1最弱，常被1600cm-1附近的吸收峰掩盖或变成它的一个肩峰。

1450cm-1附近吸收峰常被取代基-CH3的不对称弯曲振动和-CH2-的剪式振动所重叠，不易观察。7、δC-H，υC-X（C-O、C-C、C-N）（1475~1000cm-1）

烷基δas（C-H）δs醇υC-O伯醇仲醇叔醇

酚υC-O

醚υC-O-C

脂肪醚芳香醚乙烯醚酯υC-O-C胺υC-N14601380

1385及1375双峰

1395及1365双峰

1200~10001065~10151100~10101150~1100

1300~12001220~1130

1275~10601150~10601275~12101225~12001300~10501360~1020

双峰强度约相等（1：1）

双峰强度高波数弱，低波数强

SSSS

SS

SSSSSS

8、γC-H

（1000~650cm-1）

此区吸收峰用来鉴别各种取代类型的烯烃及芳环上取代基位置。

①烯烃RHC=CH2

R1R2C=CH2R1HC=CHR2

顺式反式R1R2C=CHR3995~985915~905895~885~690980~965840~790SSS

Sm②取代苯二、重要有机化合物的IR光谱

（一）烷烃

4种振动吸收（对于链烷和C5以上的环烷烃）

1363138413941366（二）烯烃1380138014601460（三）炔烃（四）芳烃1．υAr-H3100~3000cm-1与烯烃频率相近，特征性不强，常有数个峰。2．υC=C（苯环）四条谱带1600、1580、1500、1450cm-1①1450cm-1峰常被-CH3和-CH2-的δC-H重叠，不易观察。②1500cm-1附近峰最强，1600cm-1附近峰居中，1580cm-1最弱。

1580cm-1常被1600cm-1附近的峰所掩盖或变成它的一个肩峰。③1600、1500cm-1附近的这两个峰用来鉴别有无芳核存在。④当芳环与不饱和基或具有孤对电子的基团（如C=C、C=O、

OH、NH2）共轭时往往使1580cm-1处的峰加强。3．γAr-H900~650cm-1强吸收，用于识别苯环上取代基位置和数目情况。（见第8区段表）某化合物经高分辨质谱可知分子式为C8H8，IR如图，求该化合物结构式。稠环化合物与芳环化合物相似，C-H伸缩振动，C-H弯曲振动，C=C振动(骨架振动)与单环芳烃数据相近。（五）醇和酚

1．υO-H3670~3200cm-1区域

游离OH

3640~3500cm-1尖峰缔合OH3500~3200cm-1宽、强二聚体3500cm-1

多聚体3200cm-1

2．υC-O1250~1000cm-1

伯醇1050cm-1

仲醇1100cm-1

叔醇1150cm-1

酚1300~1200cm-13．δO-H1500~1300cm-1用途不大4．γO-H650cm-1左右某化合物经高分辨质谱可知分子式为C6H6O，IR如图，求该化合物结构式。160015001450（六）醚醚与醇的最明显区别：醚在3600~3200cm-1之间无吸收峰。

1．饱和脂肪醚υasC-O-C1150~1060cm-12．芳香醚

υasC-O-C1300~1200cm-1υsC-O-C1075~1020cm-113801460某化合物经高分辨质谱可知分子式为C8H18O，IR如图，求该化合物结构式。13801460（七）羰基化合物1．醛

υC-H()与δC-H()的倍频发生费米共振，在2820和2720cm-1出现双峰，是醛区别于其它羰基化合物的特征吸收峰。

υC=O比相应酮吸收峰高10～15cm-1左右。146013806907301600158015001450某化合物经高分辨质谱可知分子式为C7H6O，IR如图，求该化合物结构式。69073016001580150014502．酮

υC=O

是谱带第一强峰，几乎是酮唯一特征峰。脂肪酮υC=O1715cm-1

芳酮或α、β-不饱和酮的υC=O向低频位移20~40cm-115001450138513757306901170某化合物经高分辨质谱可知分子式为C10H12O，IR如图，求该化合物结构式。2．酮

υC=O

是谱带第一强峰，几乎是酮唯一特征峰。脂肪酮υC=O1715cm-1

芳酮或α、β-不饱和酮的υC=O向低频位移20~40cm-115001450138513757306903．羧酸和羧酸盐

②羧酸盐羧酸与碱作用成为羧酸盐后，IR光谱变化很大，原有的υC=O、υO-H、γO-H产生的三个特征峰消失，新出现-CO2-的υas

1610~1500cm-1

υs

1400cm-1左右①羧酸υC=O

游离1760cm-1左右缔合1725~1700cm-1

共轭1690~1680cm-1υO-H游离~3550cm-1

缔合3300~2500cm-1峰形宽而散

υC-O1440~1200cm-1

弱峰

δO-H1420cm-1

γO-H

二分子缔合~920cm-1

特征性较强138593013754．酯

①υC=O甲酸酯类υC=O1725~1720cm-1

大多数饱和酯υC=O1740cm-1

②υC-O-Cυas

C-O-C1300~1100cm-1

较强峰

υs

C-O-C1140~1030cm-1较弱峰

υas

C-O-C在酯的红外光谱中常为第一强峰，是区分酯和其他羰基化合物的主要依据．14601380某化合物经高分辨质谱可知分子式为C3H6O2，IR如图，求该化合物结构式。146013805．酰卤

①υC=O非共轭酰卤

~1800cm-1

芳香酰卤或α,β-不饱和酰卤

1780~1750cm-1

②υCL-C(O)脂肪酰卤

965~920cm-1

芳香酰卤

890~850cm-1,1200cm-1

有时，在<1800cm-1另有一强吸收带，稍弱于υC=O

，是υC-CL的倍频和υC=O的费米共振产生的。６．酸酐

①υC=OυasC=O1860~1800cm-1υsC=O1800~1750cm-1②υC-O链状1170~1050cm-1

环状

1310~1210cm-1鉴别开链酸酐和环状酸酐：开链酸酐两峰强度相近，高频率峰略强于低波数峰，但环状酸酐的低频率峰强于高波数峰，并且环越小，两峰的强度差别越大（八）胺和酰胺

1．胺

①υN-H

伯胺R-NH23500~3300cm-1

双峰仲胺R-NH-R’3500~3300cm-1

单峰

叔胺

无峰

②υC-N

脂肪胺1230~1030cm-1

芳香胺

1380~1250cm-1

③δN-H1650~1500cm-1

伯1650~1590cm-1

中等强度仲1550~1510cm-1

弱叔无峰芳

1630~1600cm-1

强

④γN-H900~600cm-1

较强二己胺的红外光谱图13807202．酰胺

伯酰胺

①υN-H3500~3100cm-1

伯酰胺游离~3520和~3400cm-1双峰缔合3350和3180cm-1

双峰仲酰胺游离~3440cm-1单峰缔合~3100cm-1单峰叔酰胺无此峰②酰胺3带酰胺第Ⅰ谱带υC=O伯1690~1650cm-1

仲1680~1655cm-1

叔1670~1630cm-1

酰胺第Ⅱ谱带δN-H

伯1640~1600cm-1

仲1550~1530cm-1

叔

无此峰

酰胺第Ⅲ谱带υC-N伯1420~1400cm-1

仲1300~1260cm-1

叔无此峰3（九）硝基化合物脂肪族υasNO21600~1500cm-1S

υsNO21370~1300cm-1S芳香族υasNO21530~1500cm-1S

υsNO21360~1330cm-1S（十）腈2400~2100cm-1中等强度，比强（十一）有机卤化物C-XC-F1400~1000cm-1C-Cl800~600cm-1C-Br600~500cm-1C-I500~200cm-1三、IR的解析

（一）IR的解析方法

1．直接法：a把已知物的标准品与被测品在相同条件测IR光谱，并进行对照。

b与标准谱图对比。

2．否定法

3．肯定法（二）IR的解析步骤

1．了解样品来源，纯度（要求98%以上）

2．确定化合物的分子式，计算不饱和度

3．根据谱图上的峰位，峰强确定特征官能团。

先特征，后指纹；先最强峰，后次强峰；先粗查，后细找；先否定，后肯定；一抓一组相关峰

4．从分子式中扣除已知部分结构单元,找到剩余部分官能团。

5．连接部分结构单元。

6．验证。例1该化合物是芳香族还是脂肪族？是否为醇类？是否为醛、酮、酸类？是否含有双键或三键？例2例32例4

未知物分子式为C6H14，其IR图谱如下，试推其结构。例4

未知物分子式为C6H14，其IR图谱如下，试推其结构。例5未知物分子式为C4H5N，其红外图谱如下图所示，试推其结构。例5未知物分子式为C4H5N，其红外图谱如下图所示，试推其结构。例6未知物分子式为C7H9N，其红外图谱如下图所示，试推其结构。例6未知物分子式为C7H9N，其红外图谱如下图所示，试推其结构。例7未知物分子式为C8H8O2，其红外图谱如下图所示，试推其结构。30761442例7未知物分子式为C8H8O2，其红外图谱如下图所示，试推其结构。30761442例8未知物分子式为C8H16，其红外图谱如下图所示，试推其结构。721例8未知物分子式为C