紅外光譜同濟大學研究生分析化學精品課程ppt課件

1、 當樣品遭到頻率延續(xù)變化的紅外光照射時，分子吸收某些頻率的輻射，并由其振動運動或轉動運動引起偶極矩的凈變化，產生的分子振動和轉動能級從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷，從而構成的分子吸收光譜稱為紅外光譜。又稱為分子振動轉動光譜。分子中基團的振動和轉動能級躍遷產生：振分子中基團的振動和轉動能級躍遷產生：振- -轉光譜轉光譜概述概述輻射分子振動能級躍遷紅外光譜官能團分子構造電子能級振動能級轉動能級分子能級表示圖6區(qū)域稱號區(qū)域稱號波長波長(m)(m)波數(shù)波數(shù)(cm-1)(cm-1)能級躍遷類型能級躍遷類型近紅外區(qū)近紅外區(qū)泛頻區(qū)泛頻區(qū)0.75-2.50.75-2.513158-400013158-4000OHOH、

2、NHNH、CHCH鍵的倍鍵的倍頻吸收頻吸收中紅外區(qū)中紅外區(qū)根本振動區(qū)根本振動區(qū)2.5-252.5-254000-4004000-400分子振動分子振動/ /伴隨轉動伴隨轉動遠紅外區(qū)遠紅外區(qū)分子轉動區(qū)分子轉動區(qū)25-30025-300400-10400-10分子轉動分子轉動)(10)(41mcm紅外光區(qū)的劃分如下表：紅外光區(qū)的劃分如下表：紅外光區(qū)分成三個區(qū)紅外光區(qū)分成三個區(qū):近紅外區(qū)、中紅外區(qū)、遠紅外區(qū)。近紅外區(qū)、中紅外區(qū)、遠紅外區(qū)。其中中紅外區(qū)是研討和運用最多的區(qū)域，普通說的紅外光譜其中中紅外區(qū)是研討和運用最多的區(qū)域，普通說的紅外光譜就是指中紅外區(qū)的紅外光譜就是指中紅外區(qū)的紅外光譜. 用經典力

3、學方法把雙原子分子的振動方式用兩個剛性小球的彈簧振動來模擬，如以下圖所示: : 雙原子分子振動表示圖影響根本振動頻率的直接要素是相對原子質量和化學鍵的力常數(shù)。分子振動方式 對于多原子分子，由于一個原子能夠同時與幾個其它原子構成化學鍵，它對于多原子分子，由于一個原子能夠同時與幾個其它原子構成化學鍵，它們的振動相互牽連們的振動相互牽連,不易直觀地加以解釋，但可以把它的振動分解為許多簡單的不易直觀地加以解釋，但可以把它的振動分解為許多簡單的根本振動，即簡正振動。根本振動，即簡正振動。 原子沿鍵軸方向伸縮，鍵長發(fā)生變化而鍵角不變的振動稱為伸縮振動。它又原子沿鍵軸方向伸縮，鍵長發(fā)生變化而鍵角不變的振動稱

4、為伸縮振動。它又分為對稱伸縮振動分為對稱伸縮振動(s (s 和不對稱伸縮振動和不對稱伸縮振動(as (as 。b. 變形振動又稱彎曲振動或變角振動，用符號變形振動又稱彎曲振動或變角振動，用符號表示表示基團鍵角發(fā)生周期變化而鍵長不變的振動稱為變形振動。變形振動又分為面內變形振動和面內變形振動。a. 伸縮振動伸縮振動(s as 普通將振動方式分成兩類：伸縮振動和變形振動。普通將振動方式分成兩類：伸縮振動和變形振動。 水分子是非線型分子，振動自在度：水分子是非線型分子，振動自在度：33-6=3個振動方式，分別為不對稱伸縮振動、個振動方式，分別為不對稱伸縮振動、對稱伸縮振動和變形振動。這三種振動皆有偶

5、極矩的變化是紅外活性的。對稱伸縮振動和變形振動。這三種振動皆有偶極矩的變化是紅外活性的。 如下圖如下圖: 水分子1=1340 cm-1 (RM)2=2368 cm-1 (IR)3=4=668 cm-1 (IR)伸縮振動伸縮振動 亞甲基：亞甲基：變形振動變形振動 亞甲基亞甲基伸縮振動伸縮振動 甲基：甲基：變形振動變形振動 甲基甲基對稱對稱s(CH3)0-1 不對稱不對稱as(CH3)1460-1對稱對稱 不對稱不對稱s(CH3) as(CH3)2870 -1 2960-113 產生紅外吸收的分子稱為紅外活性分子，如CO2CO2分子；反之為非紅外活性分子, ,如O2O2分子。1.1.峰位 分子內各

6、種官能團的特征吸收峰只出如今紅外光波譜的一定范圍，分子內各種官能團的特征吸收峰只出如今紅外光波譜的一定范圍，如：如：C=O的伸縮振動普通在的伸縮振動普通在1700 cm-1左右。左右。 以以下化合物為例加以闡明：以以下化合物為例加以闡明：C=O 1650 cm-1C=O 1715 cm-1C=O 1780 cm-12.2.峰強3.3.峰形 不同基團的某一種振動方式能夠會在同一頻率范圍內都有紅外吸收，不同基團的某一種振動方式能夠會在同一頻率范圍內都有紅外吸收，如如-OH、-NH的伸縮振動峰都在的伸縮振動峰都在34003200 cm-1但二者峰外形有顯著但二者峰外形有顯著不同。此時峰形的不同有助于

7、官能團的鑒別。不同。此時峰形的不同有助于官能團的鑒別。 紅外吸收峰的強度取決于分子振動時偶極矩的變化，振動時分子偶極矩的變化紅外吸收峰的強度取決于分子振動時偶極矩的變化，振動時分子偶極矩的變化越小，譜帶強度也就越弱。越小，譜帶強度也就越弱。 普通說來，極性較強的基團普通說來，極性較強的基團(如如C=O,C-X)振動，吸收強度較大；極性較弱的振動，吸收強度較大；極性較弱的基團基團(如如C=C,N-C等等)振動，吸收強度較弱；紅外吸收強度分別用很強振動，吸收強度較弱；紅外吸收強度分別用很強(vs)、強、強(s)、中中(m)、弱、弱(w)表示表示. 紅外光譜的最大特點是具有特征性，譜圖上的每個吸收峰

8、代表了分子中某個基團的特定振動方式。 定性分析 定量分析 知物的鑒定 譜圖庫搜索、比對算法 未知物的鑒定 譜圖解析 首先應了解樣品的來源、用途、制備方法、分別方法、理化性質、元素組成及其它光譜分析數(shù)據如UV、NMR、MS等有助于對樣品構造信息的歸屬和識別。Lambert-Beer定律定量時吸光度的測定常用基線法。如下圖,圖中I與I0之比就是透射比。基線的畫法紅外光譜圖：紅外光譜圖：縱坐標為吸收強度，縱坐標為吸收強度，和波數(shù)和波數(shù)1/ 1/ 單位：單位：cm-1cm-1可以用峰數(shù)，峰位，峰形，可以用峰數(shù)，峰位，峰形，峰強來描畫。峰強來描畫。運用：有機化合物的構造解析。運用：有機化合物的構造解析。

9、定性：基團的特征吸收頻率；定性：基團的特征吸收頻率；定量：特征峰的強度；定量：特征峰的強度；紅外光譜與有機化合物構造紅外光譜與有機化合物構造譜圖解析譜圖解析 CH31460 cm-1，5 cm-1。 CH32930 cm-1，2850cm-1。C2H4O1 7 3 0 cm-11 1 6 5 cm-12 7 2 0 cm-1HHHHOCC* 與一定構造單元相聯(lián)絡的、在一定范圍內出現(xiàn)的化學鍵振動頻率與一定構造單元相聯(lián)絡的、在一定范圍內出現(xiàn)的化學鍵振動頻率基團基團特征頻率特征峰；特征頻率特征峰；例：例： 2800 3000 cm-1 CH3 特征峰；特征峰； 1600 1850 cm-1 C=O

10、特征峰；特征峰；基團所處化學環(huán)境不同，特征峰出現(xiàn)位置變化：基團所處化學環(huán)境不同，特征峰出現(xiàn)位置變化：CH2COCH2 1715 cm-1 酮酮CH2COO 1735 cm-1 酯酯CH2CONH 1680 cm-1 酰胺酰胺*常見的有機化合物基團頻率出現(xiàn)的范圍：常見的有機化合物基團頻率出現(xiàn)的范圍：4000 670 cm-1根據基團的振動方式，分為四個區(qū)：根據基團的振動方式，分為四個區(qū)：(1)4000 2500 cm-1 XH伸縮振動區(qū)伸縮振動區(qū)X=O，N，C，S(2)2500 1900 cm-1 三鍵，累積雙鍵伸縮振動區(qū)三鍵，累積雙鍵伸縮振動區(qū)(3)1900 1200 cm-1 雙鍵伸縮振動區(qū)

11、雙鍵伸縮振動區(qū)(4)1200 670 cm-1 XY伸縮，伸縮， XH變形振動區(qū)變形振動區(qū)*1 XH伸縮振動區(qū)4000 2500 cm-1 1OH 3650 3200 cm-1 確定 醇、酚、酸 在非極性溶劑中，濃度較小稀溶液時，峰形鋒利，強吸收；當濃度較大時，發(fā)生締協(xié)作用，峰形較寬。留意區(qū)分NH伸縮振動：3500 3100 cm-1 3不飽和碳原子上的不飽和碳原子上的=CH CH 苯環(huán)上的苯環(huán)上的CH 3030 cm-1 =CH 3010 2260 cm-1 CH 3300 cm-1 3000 cm-1 以上 CH3 2960 cm-1 反對稱伸縮振動 2870 cm-1 對稱伸縮振動 CH

12、2 2930 cm-1 反對稱伸縮振動 2850 cm-1 對稱伸縮振動 CH 2890 cm-1 弱吸收3000 cm-1 以下2 叁鍵C C伸縮振動區(qū)2500 1900 cm-1 在該區(qū)域出現(xiàn)的峰較少；在該區(qū)域出現(xiàn)的峰較少；1RC CH 2100 2140 cm-1 RC CR 2190 2260 cm-1 R=R 時，無紅外活性時，無紅外活性2RC N 2100 2140 cm-1 非共軛非共軛 2240 2260 cm-1 共軛共軛 2220 2230 cm-1 僅含僅含C、H、N時：峰較強、鋒利；時：峰較強、鋒利；有有O原子存在時；原子存在時；O越接近越接近C N，峰越弱；，峰越弱；

13、3 雙鍵伸縮振動區(qū) 1900 1200 cm-1 1 RC=CR 1620 1680 cm-1 強度弱，強度弱， R=R對稱時，無紅外活性。對稱時，無紅外活性。2單核芳烴單核芳烴 的的C=C鍵伸縮振動鍵伸縮振動1626 1650 cm-1 苯衍生物的苯衍生物的C=C 苯衍生物在苯衍生物在 1650 2000 cm-1 出現(xiàn)出現(xiàn) C-H和和C=C鍵的面內變形振動的鍵的面內變形振動的泛頻吸收強度弱，可用來判別取代基位置。泛頻吸收強度弱，可用來判別取代基位置。200016003C=O 1850 1600 cm-1 碳氧雙鍵的特征峰，強度大，峰鋒利。碳氧雙鍵的特征峰，強度大，峰鋒利。飽和醛飽和醛(酮酮

14、)1740-1720 cm-1 ；強、尖；不飽和向低波挪動；強、尖；不飽和向低波挪動；*酸酐的酸酐的C=O 雙吸收峰：雙吸收峰：18201750 cm-1 ，兩個羰基振動巧合裂分；，兩個羰基振動巧合裂分； 線性酸酐：兩吸收峰高度接近，高波數(shù)峰稍強；線性酸酐：兩吸收峰高度接近，高波數(shù)峰稍強； 環(huán)形構造：低波數(shù)峰強；環(huán)形構造：低波數(shù)峰強；羧酸的羧酸的C=O 18201750 cm-1 ， 氫鍵，二分子締合體；氫鍵，二分子締合體；4. XY，XH 變形振動區(qū)變形振動區(qū) 98%98%，便于，便于與純化合物的規(guī)范進展對照。多組分試樣應在測定前盡量預與純化合物的規(guī)范進展對照。多組分試樣應在測定前盡量預先用

15、分餾、萃取、重結晶、區(qū)域熔融或色譜法進展分別提純。先用分餾、萃取、重結晶、區(qū)域熔融或色譜法進展分別提純。 (2) (2) 試樣中不應含有游離水。水本身有紅外吸收，會嚴重試樣中不應含有游離水。水本身有紅外吸收，會嚴重干擾樣品譜，而且還會侵蝕吸收池的鹽窗。干擾樣品譜，而且還會侵蝕吸收池的鹽窗。 (3) (3) 試樣的濃度和測試厚度應選擇適當，以使光譜圖中的試樣的濃度和測試厚度應選擇適當，以使光譜圖中的大多數(shù)吸收峰的透射比處于大多數(shù)吸收峰的透射比處于10%80%10%80%范圍內。范圍內。樣品制備技術樣品制備技術(1) (1) 固體樣品的制備固體樣品的制備 a. a.壓片法壓片法: : 將將12mg

16、12mg固體試樣與固體試樣與200mg200mg純純KBrKBr研細混合，研磨到粒度小于研細混合，研磨到粒度小于2m2m，在油壓機，在油壓機上壓成透明薄片，即可用于測定。上壓成透明薄片，即可用于測定。 b. b.糊狀法糊狀法: : 研細的固體粉末和石蠟油調成糊狀，涂在兩鹽窗上，進展測試。此法可消研細的固體粉末和石蠟油調成糊狀，涂在兩鹽窗上，進展測試。此法可消除水峰的干擾。液體石蠟本身有紅外吸收，此法不能用來研討飽和烷烴的紅外除水峰的干擾。液體石蠟本身有紅外吸收，此法不能用來研討飽和烷烴的紅外吸收。吸收。 制備主要方法 樣品參與量控制 KBr和樣品的烘干 研磨 壓片量控制樣品制備技術樣品制備技術

17、 (2) (2) 液體樣品的制備液體樣品的制備 a. a. 液膜法液膜法 b. b. 液體吸收池法液體吸收池法 c. c. 樣品滴入壓好的樣品滴入壓好的KbrKbr薄片上測試薄片上測試(3) 氣態(tài)樣品的制備:氣態(tài)樣品普通都灌注于氣體池內進展測試。樣品制備技術樣品制備技術(4)(4)特殊樣品的制備特殊樣品的制備薄膜法薄膜法: : a. a. 熔融法熔融法: : 對熔點低，在熔融時不發(fā)生分解、升華和其它化學對熔點低，在熔融時不發(fā)生分解、升華和其它化學變化的物質，用熔融法制備?？蓪悠分苯佑眉t外燈或電吹風加熱熔變化的物質，用熔融法制備?？蓪悠分苯佑眉t外燈或電吹風加熱熔融后涂制成膜。融后涂制成膜。

18、b. b. 熱壓成膜法熱壓成膜法: : 對于某些聚合物可把它們放在兩塊具有拋對于某些聚合物可把它們放在兩塊具有拋光面的金屬塊間加熱，樣品熔融后立刻用油壓機加壓，冷卻后揭下薄光面的金屬塊間加熱，樣品熔融后立刻用油壓機加壓，冷卻后揭下薄膜夾在夾具中直接測試。膜夾在夾具中直接測試。 c. c. 溶液制膜法溶液制膜法: : 將試樣溶解在低沸點的易揮發(fā)溶劑中，涂將試樣溶解在低沸點的易揮發(fā)溶劑中，涂在鹽片上，待溶劑揮發(fā)后成膜來測定。假設溶劑和樣品不溶于水，使在鹽片上，待溶劑揮發(fā)后成膜來測定。假設溶劑和樣品不溶于水，使它們在水面上成膜也是可行的。比水重的溶劑在汞外表成膜。它們在水面上成膜也是可行的。比水重的溶劑在汞外表成膜。多功能反射頭適宜寶石、玉、不透明薄膜等樣品測試氣體測試管紅外光譜中干涉譜圖構成原理表示圖動鏡固定鏡劈光器樣品光源激光器檢測器(