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1、红外光谱分析法本讲稿第一页，共二十四页一、红外光谱法的发展一、红外光谱法的发展 19世纪初世纪初 红外光的存在红外光的存在 二十世纪初二十世纪初 不同官能团有不同红外吸收频率不同官能团有不同红外吸收频率 1950年以后年以后 自动记录式红外分光光度计自动记录式红外分光光度计 1970年以后年以后 傅立叶变换型红外光谱仪傅立叶变换型红外光谱仪红外测定技术的不断发展和完善红外测定技术的不断发展和完善 1、概述、概述本讲稿第二页，共二十四页二、红外光谱法的应用二、红外光谱法的应用 有机化合物有机化合物结构解析结构解析的重要手段之一的重要手段之一红外光谱法的优点红外光谱法的优点 每种化合物均有红外吸收
2、每种化合物均有红外吸收 任何气态、液态、固态样品均可进行红外光谱测定任何气态、液态、固态样品均可进行红外光谱测定 能提供丰富的结构信息能提供丰富的结构信息 本讲稿第三页，共二十四页三、红外光谱区域三、红外光谱区域 本讲稿第四页，共二十四页中红外光区吸收带（中红外光区吸收带（2.5 25m）是绝大多数是绝大多数有机化合物和无机有机化合物和无机离子的基频吸收带由于基离子的基频吸收带由于基频振动是红外光谱中吸收最强的振动，所以频振动是红外光谱中吸收最强的振动，所以该区最适于进行红外光谱的定性和定量分析。该区最适于进行红外光谱的定性和定量分析。同时，由于中红外光谱仪最为成熟、简单，同时，由于中红外光谱
3、仪最为成熟、简单，而且目前已积累了该区大量的数据资料，因而且目前已积累了该区大量的数据资料，因此它是应用极为广泛的光谱区。此它是应用极为广泛的光谱区。远红外光区吸收带远红外光区吸收带（25 1000m）倍频峰。）倍频峰。本讲稿第五页，共二十四页红外光区光谱常用波数表征。红外光区光谱常用波数表征。波长波长 与与 波数波数之间的关系为：之间的关系为：（cm-1）=104/（m）中红外区的中红外区的 波数范围是波数范围是4000 400 cm-1。本讲稿第六页，共二十四页四、四、红外光谱法的特点红外光谱法的特点红外光谱法主要研究在振动中伴随有偶极矩变红外光谱法主要研究在振动中伴随有偶极矩变化的化合物
4、化的化合物（没有偶极矩变化的振动在拉曼光谱中（没有偶极矩变化的振动在拉曼光谱中出现）。因此，除了单原子和同核分子如出现）。因此，除了单原子和同核分子如Ne、He、O2、H2等之外，几乎所有的有机化合物在红外等之外，几乎所有的有机化合物在红外光谱区均有吸收。光谱区均有吸收。凡是具有结构不同的两个化合物，一定不会凡是具有结构不同的两个化合物，一定不会有相同的红外光谱。有相同的红外光谱。本讲稿第七页，共二十四页红外吸收带的波数位置红外吸收带的波数位置波峰的数目波峰的数目吸收谱带的强度吸收谱带的强度分子结分子结构特点构特点与分子组成或化学基团的含与分子组成或化学基团的含量有关，可进行定量分析量有关，可
5、进行定量分析定定性性分分析析本讲稿第八页，共二十四页红外光谱图红外光谱图：纵坐标为吸收强度，纵坐标为吸收强度，横坐标为波长横坐标为波长（m）和波数和波数1/单位：单位：cm-1可以用峰数，峰位，峰可以用峰数，峰位，峰形，峰强来描述形，峰强来描述。应用：有机化合物的结构解析。应用：有机化合物的结构解析。定性：基团的特征吸收频率；定性：基团的特征吸收频率；定量：特征峰的强度；定量：特征峰的强度；五、红外光谱与有机化合物结构五、红外光谱与有机化合物结构本讲稿第九页，共二十四页22、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)辐辐射射应应具具有有能能满满足足
6、物物质质产产生生振振动动跃跃迁迁所所需需的的能量；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。对称分子：对称分子：没有偶极矩，辐射不能引起共没有偶极矩，辐射不能引起共振，无红外活性。振，无红外活性。如：如：N2、O2、Cl2 等。等。非对称分子：非对称分子：有偶极矩，红外活性。有偶极矩，红外活性。偶极子在交变电场中的作用示意图偶极子在交变电场中的作用示意图本讲稿第十页，共二十四页33、分子振动方程式、分子振动方程式分子的振动能级（量子化）：分子的振动能级（量子化）：E振振=（V+1/2）h V：化学键的化学键的 振动频率；振动频率；：振动量子数。振动量子数。双原子
7、分子的简谐振动及其频率双原子分子的简谐振动及其频率化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧本讲稿第十一页，共二十四页本讲稿第十二页，共二十四页 任意两个相邻的能级间的能量差为：任意两个相邻的能级间的能量差为：本讲稿第十三页，共二十四页 K化学键的力常数，与键能和键长有关，化学键的力常数，与键能和键长有关，为双原子的为双原子的折合质量折合质量 =m1m2/（m1+m2）发生振动能级跃迁需要能量的大小取决于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的力常数，即取决键两端原子的折合质量和键的力常数，即取决于分子的结构特征。于分子的结构特征。本讲稿第十
8、四页，共二十四页表表 某些键的伸缩力常数（毫达因某些键的伸缩力常数（毫达因/埃）埃）键类型键类型 C C C=C C C 力常数力常数 15 17 9.5 9.9 4.5 5.6峰位峰位 4.5 m 6.0 m 7.0 m 化学键键强越强（即键的力常数化学键键强越强（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。键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区。本讲稿第十五页，共二十四页 例题例题:由表中查知由表中查知C=C键的键的K=9.5 9.9,令其为令其为9.6,计算波数值。计算波数值。正己烯中正己烯中C=C键伸缩振动频率实测值
9、为键伸缩振动频率实测值为1652 cm-1本讲稿第十六页，共二十四页4、分子中基团的基本振动形式、分子中基团的基本振动形式 basic vibration of the group in molecular1 1两类基本振动形式两类基本振动形式伸缩振动伸缩振动 亚甲基：亚甲基：变形振动变形振动 亚甲基亚甲基本讲稿第十七页，共二十四页 一般分成两类：一般分成两类：伸缩振动伸缩振动和和变形振动变形振动。（1 1）伸缩振动）伸缩振动 原子沿键轴方向伸缩，键长发生变化而键角不变的原子沿键轴方向伸缩，键长发生变化而键角不变的振动称为伸缩振动振动称为伸缩振动，用符号，用符号 表示。表示。它又可以分为对称伸
10、缩振动（它又可以分为对称伸缩振动（s）和不对称伸缩振动（）和不对称伸缩振动（as ）。）。对同一基团，不对称伸缩振动的频率要稍高于对称伸缩对同一基团，不对称伸缩振动的频率要稍高于对称伸缩振动。振动。振动的基本形式振动的基本形式本讲稿第十八页，共二十四页（2 2）变形振动（又称弯曲振动或变角振动）变形振动（又称弯曲振动或变角振动）基团键角发生周期变化而键长不变的振动称基团键角发生周期变化而键长不变的振动称为变形振动，用符号为变形振动，用符号 表示表示。变形振动又分为面内变形和面外变形振动。变形振动又分为面内变形和面外变形振动。面内变形振动又分为面内变形振动又分为剪式（以剪式（以 表示表示）和平面
11、和平面摇摆振动（以摇摆振动（以 表示表示）。）。面外变形振动又分为面外变形振动又分为非平面摇摆非平面摇摆（以以 表示表示）和）和扭曲振动（以扭曲振动（以 表示表示）。）。本讲稿第十九页，共二十四页讨论：讨论：二氧化碳分子的振动方式有几种？哪二氧化碳分子的振动方式有几种？哪些具有红外活性？些具有红外活性？乙烯分子具有的振动方式中，哪些具乙烯分子具有的振动方式中，哪些具有红外活性？有红外活性？本讲稿第二十页，共二十四页O C O对称伸缩对称伸缩O C O反对称伸缩反对称伸缩O C O面内变形面内变形O C O面外变形面外变形（2349cm-1)（667cm-1)（667cm-1)本讲稿第二十一页，
12、共二十四页 CCHHHH CCHHHH CCHHHH CCHHHH(1)(2)(3)(4)本讲稿第二十二页，共二十四页 CCHHHH CCHHHH CCHHHH CCHHHH(5)(6)(7)(8)本讲稿第二十三页，共二十四页3.3.影响峰数减少的原因影响峰数减少的原因实际上，实际上，绝大多数化合物在红外光谱图上出现绝大多数化合物在红外光谱图上出现的峰数远小于理论上计算的振动数的峰数远小于理论上计算的振动数，这是由如下原，这是由如下原因引起的：因引起的：（1 1）没有偶极矩变化的振动，不产生红外吸收；）没有偶极矩变化的振动，不产生红外吸收；（2 2）相同频率的振动吸收重叠，即简并；）相同频率的振动吸收重叠，即简并；（3 3）仪器不能区别频率十分接近的振动，或吸收）仪器不能区别频率十分接近的振动，或吸收带很弱，仪器无法检测；带很弱，仪器无法检测；（4 4）有些吸收带落在仪器检测范围之外。）有些吸收带落在仪器检测范围之外。本讲稿第二十四页，共二十四页