17 第十四章 红外吸收光谱法.ppt

第1页：第十三章

第十三章Chapter ThirteenInfrared AbsorptionSpectrumFor Short：IR红外吸收光谱法

第2页：概述分子中基团

一、概述分子中基团的振动和转动能级跃迁产生的吸收光谱。红外光谱也称分子的振、转动光谱。1.红外光谱§13.1红外光谱法基本原理E1E0υ0υ1υ21J023J0231J0231J0231分子振动吸收光谱分子转动吸收光谱μmμm作用：有机化合物的结构解析的重要工具，根据有机化合物红外特征吸收频率，确定化合物结构中基团；也可依据特征峰的强度变化进行定量分析。

第3页：近红外光

• 波谱区近红外光中红外光远红外光波长/
• m0.75~2.52.5~5050~1000波数/ cm-113333~40004000~200200~10跃迁类型分子振动分子转动近红外光谱区：
• 低能电子能级跃迁
• 含氢原子团：-OH、-NH、-CH伸缩振动的倍频吸收峰
• 稀土及过渡金属离子配位化学的研究对象
• 适用于水、醇、高分子化合物、含氢原子团化合物的定量分析红外吸收光谱法：分子的振动、转动基频吸收光谱区应用最为广泛的红外光谱区远红外光谱区：
• 气体分子的转动能级跃迁
• 液体与固体中重原子的伸缩振动
• 晶体的晶格振动
• 某些变角振动、骨架振动-异构体的研究
• 金属有机化合物、氢键、吸附现象研究该光区能量弱,较少用于分析2. 红外光谱的区的划分（0.75~1000
• m）

第4页：红外光谱产生的条件

二、红外光谱产生的条件(2)辐射与物质间有相互偶合作用，产生偶极炬的变化(1)辐射能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；没有偶极矩变化的振动跃迁，无红外活性：如：单原子分子、同核分子：He、Ne、N2、O2、Cl2、H2等。没有红外活性。如：对称性分子的非对称性振动，有偶极矩变化的振动跃迁，

第5页：双原子分子振动

三、双原子分子振动方程式1．双原子分子的简谐振动及其频率分子的振动能级（量子化）：E振动=（V+1/2）hνν：化学键的振动频率；V：振动量子数（V=0、1、2......）,当V=0时，E≠0，称为零点能。根据经典力学的虎克定律：k-----化学键的力常数(达因)，与键能和键长有关；μ---双原子的折合质量: μ=m1m2/(m1+m2)k-----化学键的力常数(N/cm)，与键能和键长有关；μ---双原子的折合原子量: μ=M1M2/（M1+M2）。πμμλ

第6页：红外吸收增大

红外吸收增大

μ增大v减少k增大v增大例1:由表中查知C=C键的k= 9.5～9.9 (N/cm),令其为9.6,计算正己烯中C=C键伸缩振动频率，实测值为1652 cm-1μ例2:由表中查知H-Cl键的k= 4.8 ,计算波数值正己烯中H-Cl键伸缩振动频率实测值为2892.6 cm-1 (N/cm),实验值：2885.9cm-1μμC-C C=CC≡Cμ相同:1429 cm-11667 cm-12222cm-1C-C C-NC-O1429 cm-11330 cm-11280cm-1k相近: 任意两个相邻的能级间的能量差为：πμ当；V=1时，0→ 1振动能级的跃迁，称为基本振动频率或基频吸收带。

第7页：动能级跃迁

发生振动能级跃迁需要能量的大小取决于键两端原子的折合质量和键力常数，即取决于分子的结构特征。某些键的伸缩力常数（毫达因/埃）键分子kH-FHF9.7H-ClHCl4.8H-BrHBr4.1H-IHI3.2H-OH2O7.8H-SH2S4.3H-NNH36.5H-CCH3X4.7~5.0化学键键强越强（即键的力常数k越大）原子折合质量越小，化学键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区。键分子kH=CCH2=CH25.1H ≡ CCH ≡CH5.9C-ClCH3Cl3.4C-C4.5~5.6C=C9.5~9.9C≡C15~17C-O12~13C=O16~18

第8页：子的振动

• 2．非谐振子的振动谐振子的振动模式是理想化的，实际上振动模式是非理想化的：E振动=(V+1/2)hν-(V+1/2)2hνX +(V+1/2)3hνX-……当
• V=±1、±2、±3……振动能级的跃迁也可能存在。X非谐性常数四、多原子分子振动1．振动的基本类型对称性伸缩振动VS反对称性伸缩振动VaS面内变形振动面外变形振动变形振动

第9页：基本振动的理论数对于

2．基本振动的理论数对于由N个原子组成的分子：3N=平动自由度+转动自由度+振动自由度xyz由N个原子组成的分子：平动自由度=3振动自由度= 3N-平动自由度-转动自由度由N个原子组成的线形分子：转动自由度=2由N个原子组成的非线形分子：转动自由度=3线形分子：振动自由度= 3N-5非线形分子：振动自由度= 3N-6

第10页：振动的非谐性振动的基频

3．振动的非谐性振动的基频

0→1振动能级的跃迁v0→1振动的倍频：0→2、3、4….振动能级的跃迁v0→2、v0→3、v0→4振动的组频：基频的和v10→1+v20→1振动的差频：基频的差v10→1-v20→14．振动的耦合1760 cm-11820 cm-15．费米共振倍频、组频、差频与基频相近时，产生共振耦合时红外吸收峰分裂

第11页：红外吸收峰的数目例如

6. 红外吸收峰的数目例如

苯的简谐振动的自由度=3*12-6=30；再考虑到倍频、组频、差频、振动的耦合与费米共振等，产生的红外吸收峰应该非常多。实际上大多数红外吸收光谱图上的吸收峰数目小于理论数目。为什么？(1)存在没有偶极矩变化的振动模式(2)存在能量简并态的振动模式(3)仪器的分辨率分辨不出的振动模式(4)振动吸收的强度小，检测不到(5)某些振动模式所吸收的能量不在中红外光谱区。五、影响红外吸收峰强度的因素1．红外吸收峰强度的分类ε >100非常强吸收峰vs20<ε<100强吸收峰s10<ε< 20中强吸收峰m1<ε<10弱吸收峰w

第12页：红外吸收峰

2. 红外吸收峰强度的影响因素振动能级的跃迁几率振动的基频(v0→1) 的跃迁几率大于振动的倍频(v0→2、v0→3、v0→4)，因此基频( v0→1) 的吸收峰强度比倍频(v0→2、v0→3、v0→4)强。振动能级跃迁时，偶极矩的变化同样的基频振动(v0→1)，偶极矩的变化越大，吸收峰也越强。化学键两端连接原子的电负性相差越大，或分子的对称性越差，伸缩振动时偶极矩的变化越大，吸收峰也越强。吸收峰强度：反对称伸缩振动>对称伸缩振动>变形振动vC=O> vC=C

第13页：红外吸收峰

六、影响红外吸收峰位移的因素(1)电子效应(I效应)化学键的振动频率不仅与其性质有关，还受分子的内部结构和外部因素影响。相同基团的特征吸收并不总在一个固定频率上。而是在一定范围内波动。了解影响峰位移的因素将有助于推断分子中相邻部分的分子结构。1．内部因素

第14页：中介效应

(2)中介效应(M效应)p→π共轭I效应> M效应vC=0=1680cm-1vC=0=1715cm-1vC=0=1690cm-1vC=0=1680cm-1M效应> I效应vC=0=1730cm-1vC=0=1735cm-1vC=0=1715cm-1I效应解释不了

第15页：共轭效应

(3)共轭效应(C效应)π→π共轭vC=0=1670~1660cm-1vC=0=1700~1680cm-1vC=0=1670~1660cm-1vC=0=1685~1665cm-1vC=0=1715cm-1vC=0=1725~1705cm-1

第16页：两个振动频率相同或相近

• 当两个振动频率相同或相近的基团相邻并由同一原子相连时，两个振动相互作用（微扰）产生共振，谱带一分为二（高频和低频）。2.氢键效应（X-H）形成氢键使电子云密度平均化（缔合态），使体系能量下降，基团伸缩振动频率降低，其强度增加但峰形变宽。如: 羧酸RCOOH
• C=O=1760cm-1 ,
• O-H=3550cm-1;(RCOOH)2
• C=O=1700cm-1,
• O-H=3250-2500cm-1如: 乙醇CH3CH2OH
• O=H=3640cm-1 (CH3CH2OH)2
• O=H=3515cm-1 (CH3CH2OH)n
• O=H=3350cm-13.振动耦合
• s1760 cm-1
• as1820 cm-1
• C=O

第17页：费米共振当一振动的倍频

• 4.费米共振当一振动的倍频与另一振动的基频接近（2
• A=
• B）时，二者相互作用而产生强吸收峰或发生裂分的现象。
• Ar-C(δ)=880-860cm-1
• C=O(as)=1774cm-11773cm-11736cm-15）空间效应由于空间阻隔，分子平面与双键不在同一平面，此时共轭效应下降，红外峰移向高波数。CCH3OOCH3CCH3
• C=O=1663cm-1
• C=O=1686cm-1空间效应的另一种情况是张力效应：四元环>五元环>六元环。随环张力增加，红外峰向高波数移动。
• C=C=1576 cm-1
• C=C=1611 cm-1
• C=C=1644 cm-1
• C=C=1657 cm-1

第18页：物质状态及制样方法通常

• 1）物质状态及制样方法通常，物质由固态向气态变化，其波数将增加。如:丙酮液态时：
• C=O=1718cm-1;气态时：
• C=O=1742cm-1，因此在查阅标准红外图谱时，应注意试样状态和制样方法。2）溶剂效应极性基团的伸缩振动频率通常随溶剂极性增加而降低。如：羧酸中的C=O：气态：
• C=O=1780cm-1非极性溶剂：
• C=O=1760cm-1乙醚溶剂：
• C=O=1735cm-1乙醇溶剂：
• C=O=1720cm-1因此红外光谱通常需在非极性溶剂中测量。2．外部因素

第19页：红外吸收光谱仪一

§13.3红外吸收光谱仪一、色散型红外吸收光谱仪的基本组成光源单色器吸收池样品检测器数据处理和仪器控制参比切光器（斩波器）检测器光源单色器吸收池数据处理仪器控制1．组成结构框图硅碳棒

第20页：零点平衡法红外吸收分光光

零点平衡法红外吸收分光光度计组成示意图

第21页：光源目前

2．光源目前，中红外光区最常用的红外光源是：硅碳棒和能斯特灯。(1)硅碳棒(Globar)硅碳棒是由SiC加压在20000K烧结而成供电电流：4~5A;工作温度：1200~15000C;使用寿命：1000h.φ3×30mm、3.6~4.6Ω发光体φ7×27mm(2)能斯特灯(Nernst Lamp)主要成分：氧化锆(75%)、氧化钇、氧化钍等，并含有少量的氧化钙、氧化钠、氧化镁等.

第22页：单色器(1)中红外光

3．单色器(1)中红外光谱区的透光材料2.5~25 μm, 4000~400 cm-1平面衍射光栅线色散率聚光本领分辨率第一代色散型—棱镜（NaCl晶体）1947年4．样品池材料名称化学组成氯化钠NaCl溴化钾KBr碘化铯CsIKRS-5TlBr+TlI氯化银AgCl氟化钙CaF2氟化钡BaF2第二代色散型—衍射光栅1960~70年第三代色散型—衍射光栅+计算机非色散型—干涉型+傅立叶变换70年代以后第四代激光红外光谱仪透光范围cm-1μm5000~6252~165000~4002~255000~1652~615000~2502~405000~4352~235000~11102~95000~8302~12水中溶解度(g/100ml)35.7(0 0C)53.5 (0 0C)44.0 (0 0C)0.02 (20 0C)不溶0.0016 (20 0C)0.17(20 0C)折射率1.541.561.792.372.01.431.46

第23页：近红外光谱区的透光材料

(2)近红外光谱区的透光材料

石英、玻璃(3)远红外光谱区的透光材料：KRS-5、聚乙烯膜或颗粒(4)样品池的类型：固定池、可拆池、可变厚度池、微量池、气体池固定池可拆池气体池橡胶垫窗片前后框架汞剂化铅间隔片样品进、出口前后框架窗片橡胶垫汞剂化铅间隔片窗片试样气体气泵

第24页：红外吸收光谱

5．检测器红外吸收光谱仪的检测器主要有：高真空热电偶、测热辐射计、热释电检测器、光导电检测器等。(1) 高真空热电偶用两种不同温差电动势的金属制成热容量很小的结点，装在涂黑的接收面上(0.2~0.4×2mm) ；接受面吸收红外辐射后引起结点的温度上升，温差电动势同温度的上升成正比，对电动势的测量就相当于对辐射强度的测量；为了提高灵敏度，热电偶密封在酚10-5mm Hg的真空容器内；热电偶的时间常数大，>0.05sec，不适合于快速扫描的过程。+-热辐射

第25页：些物质的单晶存在一个轴

某些物质的单晶存在一个轴向，沿着这个轴向存在有永久电偶极矩，如果沿垂直与轴向的方向切开，其表面将存在电荷分布，但这种效应通常较少观察到。当它接受红外辐射后温度升高，TGS表面的电荷减少，相当于释放了电荷，此时形成一个明显的外电场变化。通过外电场大小的检测，就可以反映出偶极矩的温度效应，这种效应称为：热释电效应。

第26页：傅里叶变换红

二、傅里叶变换红外吸收光谱仪简介1．组成结构框图及工作原理检测器迈克尔逊干涉仪吸收池数据处理仪器控制光源傅里叶变换干涉图Fourier Transform Infrared SpectrometerFT-IR分束器红外吸收光谱图

第27页：傅里叶变换红

2．傅里叶变换红外吸收光谱仪的特点由于傅里叶变换红外吸收光谱仪可以在任何测量时间内获得辐射源所有频率的所有信息，同时也消除了色散型光栅仪器的狭缝对光谱通带的限制，使光能的利用率大大提高，因此具有许多优点。测量时间短：在不到一秒钟的时间内可以得到一张谱图，比色散型光栅仪器快数百倍；可以用于GC-IR联用分析。分辨率高：

第28页：傅里叶变换红（续）

第29页：样的制备试样中

§13.4试样的制备试样中的微量杂质(<0.1~1%)可以不需要进行处理，超过0.1~1%，就需分离出去微量杂质。分离体提纯的方法：重结晶、精馏、萃取、柱层析、薄层层析、气液制备色谱等。一、试样的前处理与提纯窗片试样气体气泵对于一些难提纯的混合组分，也要尽可能地减少组分数。二、气体样品气体、蒸气压高的液体、固体或液体分解所产生的气体，都可以用气体池测定。

第30页：液体样品用溶剂

三、液体样品用溶剂CS2、CCl4、CHCl3等溶解吸收很强的液体后，再液膜法进行测定。主要起稀释作用。注意：溶剂化效应、溶剂自身的红外吸收峰。液膜<0.015 mm以下时，可以借助窗片的附着力，使其自然形成液膜。1．样品池的类型固定池、可拆池、可变厚度池、微量池2．液体样品的制备(1)液膜法固定池：用于易挥发性液体的测定。

第31页：固体样品1．压片法

四、固体样品1．压片法KCl、KBr在加压下呈现所谓冷胀现象并变为可塑物，在中红外光区完全透明，因此常用作固体样品的稀释剂。稀释剂的比例：样品/稀释剂≈1/100稀释剂的要求：纯度高、粒度小于2.5μm、不含水分。油压机压力：5~10×107Pa (5~10t/cm2)；加压同时要抽去空气。光散射现象较严重

第32页：薄膜法

3．薄膜法(10~50μm)熔融法

对于熔点较低，而且热稳定性好的样品，可以采用此法。常用于高分子有机化合物的测定。2．糊状法选取与试样的折射率相近的液体分散介质与固体粉末混合研磨制成糊膏，然后用液体池进行测定。减少了光散射现象。固体有机化合物的折射率一般在1.5~1.6。常用的液体分散介质：液体石蜡油(nd=1.46)、六氯丁二烯(nd=1.55)、氟化煤油

第33页：红外吸收光谱

§13.5红外吸收光谱法的应用红外吸收光谱法应用最多的是未知化合物的结构鉴定。一、红外吸收光谱图1．红外吸收光谱图2．红外吸收光谱图的分区官能团区4000~1300cm-1指纹区1300~600cm-1x-H伸缩振动区4000~2500cm-1三键和积累双键区2500~2000cm-1双键伸缩振动区2000~1300cm -1C-X (X：O、N、F、P、S)、P-O、Si-O伸缩振动区1300~900cm-1-CH2平面摇摆、苯环取代、—C-H面外变形振动区900~600(400)cm-1cm-1~ T%μm ~ T%红外吸收光谱图中的假谱带：H2O3400cm-11640cm-1650cm-1CO22350cm-1667cm-1

第34页：定性分析1．已知物

二、定性分析1．已知物及其纯度的定性鉴定在得到样品的红外谱图后，与纯物质的红外谱图对照比较，如果各吸收峰的位置与强度基本一致，就可以认为样品就是该种物质。红外吸收峰对于手性异构体、烷基链的长度区别不是很明显。2．红外光谱标准谱图集Sadtler标准红外光谱集. 到1974年为止，共收集了47000种化合物的红外吸收光谱分子光谱文献“DMS (Documentation of Molecular Spectroscopy) 穿孔卡片，由美国和西德联合编制。“API”红外光谱资料，由美国石油研究所“API”编制。到1971年为止，共收集了3064种化合物的红外吸收光谱红外计算机谱图库：数万张各种类别物质的谱图，可以自动检索。

第35页：未知物结构的测定

• 3．未知物结构的测定
• 充分收集与运用与样品有关的资料与数据样品的来源、外观、纯度样品的元素分析结果样品的物理性质：分子量、沸点、熔点、折光率等结构的测定基本步骤：
• 确定未知物的不饱和度：根据样品的元素分析结果得到未知物的分子量与化学式计算未知物的不饱和度19U=0分子呈饱和状态；U=1分子含一个双键或一个饱和环；U=2

第36页：红外吸收例1

例1

化合物的分子式为C6H14，IR光谱图如下如下，试推断其可能的分子结构结构。773137814612874292629562963饱和-CH3、CH2对称与反对称伸缩振动亚甲基弯曲振动甲基弯曲振动乙基—CH2的平面摇摆振动不存在vC-C=1770±5cm-1(s)1175~1140cm-1(s)双峰强度相近n≥4722cm-1U=1+6+(0-14)/2=0

第37页：红外吸收例2

例2

化合物的分子式为C8H14，IR光谱图如下如下，试推断其可能的分子结构结构。U=1+8+(0-14)/2=2末端炔≡C-H伸缩振动3300cm-1末端炔≡C-H面外变形振动625cm-1C≡C伸缩振动2100cm-1-CH3面外变形振动1370cm-1n≥4720cm-1-CH2-面外变形振动1470cm-1饱和与不饱和CH

第38页：红外吸收例3

例3

化合物的分子式为C3H6O，IR光谱图如下如下，试推断其可能的分子结构结构。U=1921995102814241646184828662914298530863329末端亚甲基弯曲振动Vc-oVC=COH伸缩振动甲基变形振动921的倍频饱和与不饱和-CH3、CH2对称与反对称伸缩振动

第39页：红外吸收例4

例4

化合物的分子式为C8H8O，IR光谱图如下如下，试推断其可能的分子结构结构。U=5单取代苯甲基酮69176112651360144615951685292430053062苯环VC=C甲基弯曲振动甲基酮的特征C=0共轭酮饱和与不饱和-CH3、CH2对称与反对称伸缩振动

第40页：定量分析有利因素

三、定量分析有利因素

红外吸收峰多，选择的余地大；不利因素：摩尔吸光系数小，灵敏度低；吸收光程较难控制，测量误差大；吸收峰受化学环境、溶剂效应的影响较大。3.定量分析的方法吸收强度比较法补偿法4.定量分析的应用化合物二硫化碳氯丁乙烯乙硼烷1,2-乙二胺氰化氢甲硫醇硝基苯吡啶二氧化硫氯乙烯波长μm4.5411.43.9133.043.3811.814.28.610.9允许量(ppm)4100.1104.70.51521检测浓度(ppm)0.540.050.40.40.40.20.20.50.31.定量分析的影响因素2.定量分析的依据同紫外-可见吸收光谱法气体、水分分析

第41页：官能团

官能团区4000~1300cm-1指纹区1300~600cm-1x-H伸缩振动区4000~2500cm-1三键和积累双键区2500~2000cm-1双键伸缩振动区2000~ 1300cm -1C-X (X：O、N、F、P、S)、P-O、Si-O伸缩振动区-CH2：平面摇摆苯环：—C-H面外变形Hexane 己烷726.101379.631462.782865.392926.862959.72退回甲基、亚甲基对称与反对称伸缩振动吸收峰甲基、亚甲基面外变型振动吸收峰亚甲基面外摇摆振动吸收峰正己烷红外吸收光谱图1300~900cm-1900~600cm-1

第42页：退回770~730

退回770~730cm-1vs710~690cm-1s5个相邻H770~735cm-1vs4个相邻H900~860cm-1m810~750cm-1vs725~680cm-1m3个相邻H860~800cm-1vs2个相邻H-(CH2)n-平面摇摆δ n≥4 >720cm-1ms

第43页：退回双分子缔合物-

退回双分子缔合物-OH

第44页：固定池

固定池、可拆池、可变厚度池、微量池、气体池固定池可拆池气体池橡胶垫窗片前后框架汞剂化铅间隔片样品进、出口前后框架窗片橡胶垫汞剂化铅间隔片窗片试样气体气泵退回

第45页：红外吸收玻璃

玻璃

第46页：红外吸收石英

石英

第47页：红外吸收石英（接上）