第五章紅外光譜的解析-1

有機(jī)波譜學(xué)譜圖解析

紅外譜圖解析*樊志理學(xué)院紅外光譜的作用不可忽視，其原因有下列幾點(diǎn):(1)紅外光譜突出一些官能團(tuán)〈特別是極性官能團(tuán)〉的信息，且對(duì)于解決未知物的結(jié)構(gòu)問(wèn)題常具有重要參考價(jià)值.(2)測(cè)定紅外光譜最容易：固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)均可進(jìn)行測(cè)定，紅外光譜儀相對(duì)廉價(jià)，紅外光譜的調(diào)定方便、快捷.(3)對(duì)于商品類(lèi)樣品〈經(jīng)常可能是混合物〉紅外光譜最適合測(cè)定，也易于與已知樣品（包括商品樣品）對(duì)比.(4)紅外光譜譜圖可以區(qū)分無(wú)機(jī)化合物和有機(jī)化合物，這是其他有機(jī)分析儀器所不能或者不方便實(shí)現(xiàn)的.第5章

紅外光譜的解析*5.1.1紅外光譜譜圖紅外圖譜的橫坐標(biāo)是波數(shù)(cm-1)，常見(jiàn)紅外光譜儀所測(cè)譜圖的范圍〈中紅外區(qū)域〉是400~4000cm–1.紅外譜圖的縱坐標(biāo)表示紅外吸收的強(qiáng)弱，常見(jiàn)的為透過(guò)率.紅外先譜中吸收峰的形狀-般不尖銳，有的能擴(kuò)展較寬，因此紅外吸收可稱為吸收峰，也可稱為吸收帶.5.1紅外譜圖的基本知識(shí)*紅外光譜分為官能團(tuán)區(qū)和指紋區(qū)兩個(gè)大區(qū).二者以1300cm-1為分界錢(qián).該分界線的較低波數(shù)區(qū)是指紋區(qū)，較高波數(shù)區(qū)為官能團(tuán)區(qū).官能團(tuán)區(qū)的吸收峰(帶)反映樣品中存在哪些官能團(tuán).原則上講，官能團(tuán)區(qū)的每個(gè)吸收峰(帶)部對(duì)應(yīng)一定的官能團(tuán).指紋區(qū)與官能團(tuán)區(qū)完全不同，雖然其中的一些吸收峰也啟示某些官能團(tuán)的存在，但是很多吸收峰僅反映化合物的整體特征，因此稱為指紋區(qū).由于每個(gè)有機(jī)化合物都有自己特殊的指紋吸收.因此紅外光譜可以作為很好的同定方法(證明選定的兩個(gè)化合物的結(jié)構(gòu)是否相同）.5.1.2紅外光譜的兩大分區(qū)*5.2.1紅外光譜的基本公式紅外先譜的基本公式表示紅外吸收波數(shù)和有關(guān)參數(shù)的關(guān)系，如式(5.1)所示5.2官能團(tuán)的特征吸收頻率*1.電子效應(yīng)1)誘導(dǎo)效應(yīng)如果脂肪酮羰基的一側(cè)被鹵素原子取代.由于鹵素原子吸電子，這將使羰基的雙鍵性增加(可以理解為鹵素使羰基不易往單鍵變化).因而酰鹵羰基比酮羰基有更高的紅外吸收頻率.5.2.2影響官能團(tuán)紅外吸收頻率的因素*2）中介(共振)效應(yīng)

共振效應(yīng)可以說(shuō)是一種思考方式，可以用共振效應(yīng)解釋一些譜學(xué)現(xiàn)象最典型的例子是酰胺的吸收.按照共振效應(yīng)，氨基連接羰基則有

因此羰基的雙鍵性降低，吸收頻率移向低波數(shù).酰胺的紅外吸收頻率都低于1690cm-1.*

當(dāng)羰基與其他雙鍵相連形成大的共軛體系時(shí)，其π電子的離域增大.雙鍵鍵級(jí)下降，因此吸收頻率下降.相比于脂肪酮的紅外吸收1715cm-1，，-不飽和酮的紅外吸收為1675cm-1，芳香酮的紅外吸收為1690cm-1是共軛效應(yīng)的說(shuō)明.3）共軛效應(yīng)*需要注意:3000cm-1恰是CH2與不飽和CH2的分界線，環(huán)丙燒的CH2

的吸收進(jìn)到了不飽和CH2的范圍，這在解析紅外光譜時(shí)需要特別留心.2空間效應(yīng)1）環(huán)張力:當(dāng)環(huán)張力加大時(shí)，其紅外吸收頻率上升.最典型的例子是環(huán)上CH2:2)空間障礙

共軛體系具有共平面的性質(zhì)，當(dāng)共軛體系的共平面性被破壞時(shí)，共軛體系也受到影響或破壞，紅外吸收頻率將移向較高波數(shù)(與形成共軛體系紅外吸收移向較低波數(shù)的方向相反).*無(wú)論形成分子間氫鍵還是形成分子內(nèi)氫鍵，都使形成氧鍵的原化學(xué)鍵的鍵力常數(shù)降低，因此紅外吸收頻率移向低波數(shù)方向.但是由于形成氫鍵之后，振動(dòng)時(shí)偶極矩的變化加大，因此吸收強(qiáng)度增加.氨基的情況與羥基類(lèi)似.3形成氫鍵的影響羧酸分子能形成強(qiáng)烈的氫鍵，使其紅外吸收移至3000cm-1

附近，其吸收尾部延伸到約2500cm-1，形成一個(gè)很寬的譜帶，這是羧酸紅外譜圖的明顯特征.4質(zhì)量效應(yīng)含氮基團(tuán)的氫原子被氘取代后，基團(tuán)的紅外吸收頻率移向低波數(shù)，因?yàn)樵瓉?lái)的折合質(zhì)量加大了.*從式(5.1)可容易理解紅外光譜的吸收頻率取決于官能團(tuán)的折合質(zhì)量和鍵力常數(shù)；當(dāng)官能團(tuán)的折合質(zhì)量小或鍵力常數(shù)大時(shí)紅外吸收的頻率高，反之則低.下面把紅外譜圖分為6個(gè)區(qū)進(jìn)行討論，其中前面4個(gè)區(qū)屬于官能團(tuán)區(qū).后面兩個(gè)區(qū)屬于指紋區(qū).5.3紅外光譜分區(qū)討論*1.4000~2500cm-1是X-H(X包括C,N,O,S等)的伸縮振動(dòng)區(qū)

1)羥基

醇和酚的羥基吸收處于3200-3650cm-1。未形成氫鍵時(shí)，羥基的吸收處于上述范圍的較高波數(shù)端(3610-3640cm-1)，且吸收峰較尖銳.當(dāng)形成分子間氫鍵或分子內(nèi)氫鍵時(shí)，由于鍵力常數(shù)的減小，吸收移向較低波數(shù)(3300cm-1附近)，峰型寬而鈍，但其強(qiáng)度增加因而吸收比較強(qiáng).

羧酸由于羥基和羰基的強(qiáng)烈締合，其羥基的吸收位移移至3000cm-1以下，吸收峰的底部可延續(xù)到約2500cm-1，形成一個(gè)寬的吸收帶.5.3.1官能團(tuán)區(qū)*

氨基的紅外吸收與羥基類(lèi)似，游離氨基的紅外吸收為3300-3500cm-1，締合后吸收位移降低約100cm-1.伯氨有兩個(gè)吸收峰.因NH2有兩個(gè)N-H鍵，故有對(duì)稱和反對(duì)稱伸縮振動(dòng)，這使得它與羥基的吸收形成明顯差別.仲氨NH只有一種伸縮振動(dòng)，故只有個(gè)吸收峰，吸收峰的形狀比羥基的要尖銳.

叔氨因氮上無(wú)氫.在這個(gè)區(qū)域沒(méi)有吸收.2)氨基*C-H鍵振動(dòng)的分界線是3000cm-1。不飽和碳〈雙鍵及苯環(huán)〉的碳?xì)渖炜s振動(dòng)頻率大于3000cm-1。飽和碳〈三元環(huán)除外〉的碳?xì)渖炜s振動(dòng)頻率低于3000cm-1.三C-H的吸收峰在約3300cm-1，峰很尖銳，易與OH和NH的吸收區(qū)別.由于吸收波數(shù)較高，很容易與其他不飽和碳?xì)鋮^(qū)分.烯氫和苯環(huán)氫的吸收位移大于3000cm-1，但是它們的吸收強(qiáng)度都比較低，往往以肩峰的形式存在.飽和碳的碳?xì)渖炜s振動(dòng)一般可見(jiàn)四個(gè)吸收峰.其中2960cm-1、2870cm-1，屬于CH3，2925cm-1、2850cm-1屬于CH2.CH3或CH2與氧原子相連時(shí)，其吸收位移移向較低波數(shù).3）烷基*這是三鍵和累積雙鍵的伸縮振動(dòng)區(qū).除去作圖時(shí)未能全扣除空氣中二氯化碳的吸收〈大約在2365cm-2335cm-1兩個(gè)峰〉之外，需要注意此區(qū)域內(nèi)任何吸收峰，哪怕是小的吸收峰.2.2500-2000cm-1*羰基吸收集中于1650-1900cm-1.除羧酸鹽等外，羰基峰都尖銳或僅稍寬，其強(qiáng)度都較大.在羰基化合物的紅外譜圖中，羰基的吸收一般為最強(qiáng)峰，偶爾為次強(qiáng)峰.碳碳雙鍵的吸收出現(xiàn)在1600--1670cm-1，強(qiáng)度中等或較低.苯環(huán)的骨架振動(dòng)在~1450cm-1，~1500cm-1，~1580cm-1，~1600cm-1。~1450cm-1的吸收與CH2、CH3的吸收很靠近，因此特征不明顯.后三處的吸收則清晰地表明苯環(huán)的存在.這三處的吸收不一定同時(shí)存在，只要在1500cm-1或1600cm-1附近有-處有吸收，原則上即可知有苯環(huán)〈或雜芳環(huán)〉存在.雜芳環(huán)和苯環(huán)有相似之處.例如，呋喃在~1600cm-1，~1500cm-1，~1400cm-1三處均有吸收譜帶.吡啶在~1600cm-1，~1570cm-1,~1500cm-1,~1435cm-1處有吸收.

這個(gè)區(qū)域還有C=N、N=O等基團(tuán)的吸收.3.2000-1500cm-1(雙鍵的伸縮振動(dòng)區(qū))此區(qū)域主要提供C-H彎曲振動(dòng)的信息.甲基在~1380cm-1

，~1460cm-1同時(shí)有吸收.如果化合物分子存在偕二甲基（兩個(gè)甲基連接在同-個(gè)碳原子上，包括異丙基和叔丁基).一般在1390-1360cm-1會(huì)看到有分叉的峰（兩個(gè)峰尖).CH2僅在~1470cm-1有吸收.4.1500-1300cm-11300cm-1以下為紅外光譜的指絞區(qū)，可分為下述兩個(gè)區(qū)5.3.2指紋區(qū)1.1300-910cm-1不含氫的官能閉的單鍵伸縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng)，部分含氫基團(tuán)的一些彎曲振動(dòng)、一些含重原子的雙鍵伸縮振動(dòng)、分子骨架振動(dòng)等都出現(xiàn)在這個(gè)區(qū)域.2.910cm-1以下

苯環(huán)因取代而產(chǎn)生的吸收(900~650cm-1)是這個(gè)區(qū)域很重要的內(nèi)容.當(dāng)苯環(huán)上有強(qiáng)極性基團(tuán)的取代時(shí)，常不能由這一段的吸收位移判斷取代情況；的碳?xì)鋸澢駝?dòng)頻率處于910cm-1以下及1300-910cm-1.本節(jié)的討論和5.3節(jié)的闡述有下列幾點(diǎn)不同：(1)在5.3節(jié)討論著重分析每一區(qū)域存在的官能閉，而在本節(jié)討論從譜圖解析著手，按照波數(shù)從高到低的方向逐次分析遇見(jiàn)的紅外吸收峰(帶).(2)在本節(jié)將綜合幾個(gè)區(qū)域的相關(guān)吸收，以鑒別所討論的官能團(tuán)是否存在.仍然從上面所分的六個(gè)區(qū)著手.5.4紅外譜圖逐段解析羥基、氨基處于締合狀態(tài)，4000~3600cm-1看不到紅外吸收.若有吸收則存在游離羥基；若羥基締合，在約3300cm-1處有個(gè)寬的鈍峰，其強(qiáng)度比較大.若溴化鉀有微量水時(shí)，在3300cm-1也會(huì)出峰.如水多，在1630cm-1處也有峰(游離水的峰)，而羥基無(wú)此峰；若鑒別微量水與羥基，可看指紋區(qū)內(nèi)是否有羥基的碳氧吸收(1250-1050cm-1).如果存在游離的氨基，它們的吸收低于3600cm-1。在3300cm-1若有像馬鞍形的兩個(gè)鈍吸收峰.斷定存在伯氨基.如果在3300cm-1附近只有一個(gè)鈍的吸收峰，這可能是存在羥基或仲氨基.羥基和仲氨基的區(qū)分：如果有羥基(包括酚羥基)，則在1050-1250cm-1有很強(qiáng)的碳氧吸收峰(帶).如果在3300cm-1有相對(duì)尖銳的吸收峰，可能是炔氫的吸收.進(jìn)一步可看在2100-2260cm-1有無(wú)碳碳叁鍵的吸收.1.4000-2500cm-1

是X一H(X：C，N，O，S)的伸縮振動(dòng)區(qū)再往低波數(shù)方向看，3000cm-1附近需要仔細(xì)查看、分析。3000cm-1是飽和與不飽和碳?xì)湮盏姆纸缇€.除三元環(huán)的碳?xì)湮湛梢猿^(guò)這個(gè)線外.所有超過(guò)3000cm-1的吸收都是不飽和碳?xì)涞奈铡慈h(huán)的碳?xì)涑诩t外光譜中有特殊的吸收位移外，在核磁共振氫譜和碳譜中也會(huì)表現(xiàn)化學(xué)位移數(shù)值明顯偏低的特點(diǎn)).因?yàn)檫@里的吸收強(qiáng)度都比較弱，出現(xiàn)的峰一般以肩峰的形式顯示，所以如果有3000cm-1以下的吸收帶以光滑的曲線延伸到高波數(shù)，則表明所測(cè)試的樣品不含不飽和碳?xì)?反之，如果在該曲線上有幾個(gè)小的凸起(肩峰).表明存在不飽和碳?xì)?在3000cm-1以下，CH3和CH2分別在的2960cm-1、2870cm-1、2920cm-1、2850cm-1出峰（前面兩個(gè)屬于CH3，后面兩個(gè)屬于CH2).如果2920cm-1

和2850cm-1

兩個(gè)峰相對(duì)高，而2960cm-1

和2870cm-1這兩個(gè)峰相時(shí)低.說(shuō)明在所測(cè)試的化合物中CH2多而CH3少，很可能是一個(gè)正構(gòu)烷基.此時(shí)應(yīng)請(qǐng)?jiān)俨榭?20cm-1

附近的吸收.當(dāng)有4個(gè)(在更多)CH2相連時(shí).會(huì)有720cm-1

附近的吸收.在約2820cm-1

和2720cm-1

有吸收，應(yīng)考慮所測(cè)試的化合物含有醛基，因?yàn)檫@是醛的碳?xì)湮?這個(gè)設(shè)想應(yīng)該由羰基的吸收（1680--1740cm-l)進(jìn)一步證實(shí).如果是有機(jī)化合物，由于總會(huì)存在碳?xì)滏I，故2800-3100cm-1

會(huì)有紅外吸收，而無(wú)機(jī)化合物在這個(gè)區(qū)域則沒(méi)有紅外吸收，因此在這個(gè)區(qū)域是否有紅外吸收是判別有機(jī)化合物和無(wú)機(jī)化合物的依據(jù).這個(gè)區(qū)域是叁鍵和累積雙鍵的伸縮振動(dòng)區(qū).由于紅外光譜儀的光路不可能完全平衡，空氣中的二氧化碳會(huì)在的2365cm-1、2335cm-1

產(chǎn)生相應(yīng)的紅外吸收峰.除上述二氧化碳的吸收峰外，此區(qū)域內(nèi)任何小的吸收峰都應(yīng)引起注意.因?yàn)樗鼈兌寄芴峁┙Y(jié)構(gòu)相對(duì)信息.炔鍵的吸收本來(lái)就比較弱，如果炔鍵的兩側(cè)對(duì)稱，該吸收可能就看不到.這是需要注意的.2.2500-2000cm-1這個(gè)區(qū)域內(nèi)最重要的是羰基的吸收.羰基的吸收一般為最強(qiáng)峰，至少為次強(qiáng)峰（幾十個(gè)碳原子長(zhǎng)鏈的羰基化合物可能羰基的吸收峰相對(duì)不強(qiáng)).如果在這個(gè)區(qū)域呈現(xiàn)弱的吸收，則所測(cè)試的樣品很可能含有羰基化合物的雜質(zhì).如果是羧酸，應(yīng)該在3000cm-1

附近有很強(qiáng)、很寬的吸收峰.如果是醛，在約2820cm-1

和2720cm-1有弱的吸收峰.如果是羧酸酯，在1050--1300cm-1有C-O-C的吸收峰.碳碳雙鍵的吸收出現(xiàn)在1600-1670cm-1，強(qiáng)度中等或較低.此時(shí)應(yīng)再查看大于3000cm-1的不飽和碳?xì)湮?另外，烯的不飽和碳?xì)湓?70-800cm-1

的吸收也應(yīng)該一同查看.3.2000--1500cm-1苯環(huán)的骨架振動(dòng)在~1450cm-1,~1500cm-1，~1580cm-1，~1600cm-1~1450cm-1的吸收與CH2、CH3的吸收很靠近.因此特征不明顯.后三處的吸收則清晰地表明苯環(huán)的存在.這三處的吸收不一定同時(shí)存在，只要在1500cm-1

或1600cm-1

附近有一處有吸收，原則上即可知有苯環(huán)〈或雜芳環(huán))存在.在大于3000cm-1的區(qū)域應(yīng)該看到苯環(huán)的不飽和碳?xì)湮眨绶逍问剑?雜芳環(huán)和苯環(huán)有相似之處，如呋喃在~1600cm-1、~1500cm-1、~1400cm-1–三處均有吸收譜帶，吡啶在~1600cm-1、~1570cm-1、~1500cm-1、~1435cm-1

處有吸收.硝基在1550-1530cm-1

有尖銳且強(qiáng)度高的吸收峰.另外，在1370-1340cm-1有強(qiáng)度稍低的吸收峰.碳碳雙鍵〈亞胺)的吸收在1690-1630cm-1，強(qiáng)度中等.甲基在~1380