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1、第9章 红外吸收光谱分析本讲稿第一页，共二十九页10-110-1红外吸收光谱分析概述红外吸收光谱分析概述本讲稿第二页，共二十九页一、红外光的区划与吸收过程一、红外光的区划与吸收过程 波长在波长在0.76m-1000 m的电磁辐射称为红外光，该区的电磁辐射称为红外光，该区域称为红外光谱区或红外区。红外光又可划分为近红外区域称为红外光谱区或红外区。红外光又可划分为近红外区(0.76m-2.5m)、中红外区、中红外区(2.5m-50m)、远红外区、远红外区（50m-1000m）。）。红外吸收光谱法是以连续波长的红外光为光源照射红外吸收光谱法是以连续波长的红外光为光源照射样品，引起分子振动能级之间跃迁
2、，从而研究红外光与样品，引起分子振动能级之间跃迁，从而研究红外光与物质之间相互作用的方法。所产生的分子振动光谱，称物质之间相互作用的方法。所产生的分子振动光谱，称红外吸收光谱。在引起分子振动能级跃迁的同时不可避红外吸收光谱。在引起分子振动能级跃迁的同时不可避免的要引起分子转动能级之间的跃迁，故红外吸收光谱免的要引起分子转动能级之间的跃迁，故红外吸收光谱又称振又称振-转光谱。转光谱。本讲稿第三页，共二十九页二、红外光谱的表示方法二、红外光谱的表示方法红外区的光谱除用波长红外区的光谱除用波长表征外，更常用波数表征外，更常用波数表征。表征。波数是波长的倒数，表示每厘米长光波中波的数目。若波波数是波长
3、的倒数，表示每厘米长光波中波的数目。若波长以长以m为单位，波数的单位为为单位，波数的单位为cm-1，则波数与波长的关系，则波数与波长的关系是：是：中中红外区的波数为红外区的波数为4004000 cm-1。本讲稿第四页，共二十九页二、红外光谱的表示方法二、红外光谱的表示方法本讲稿第五页，共二十九页三、三、红外光谱的应用及特点红外光谱的应用及特点1、红外光谱的应用、红外光谱的应用分子结构的基础研究：测定分子的键长、键角，推断分子结构的基础研究：测定分子的键长、键角，推断出分子的立体构型；根据所得的力常数可以知道化学键出分子的立体构型；根据所得的力常数可以知道化学键的强弱；由简正频率来计算热力学函数
4、。的强弱；由简正频率来计算热力学函数。化学组成的分析：根据光谱中吸收峰的位置和形状来推化学组成的分析：根据光谱中吸收峰的位置和形状来推断未知物结构，依照特征吸收峰的强度来测定混合物中各断未知物结构，依照特征吸收峰的强度来测定混合物中各组分的含量。组分的含量。2、特点、特点快速、高灵敏度、检测试样用量少、能分析各种状态的试快速、高灵敏度、检测试样用量少、能分析各种状态的试样。样。本讲稿第六页，共二十九页10-210-2红外光谱分析基本原理红外光谱分析基本原理本讲稿第七页，共二十九页一、红外吸收光谱产生的条件一、红外吸收光谱产生的条件1、分子吸收红外光应满足的条件、分子吸收红外光应满足的条件红外光
5、的能量应恰好满足振动能级跃迁所需要的能量。红外光的能量应恰好满足振动能级跃迁所需要的能量。即当红外光的频率与分子中某基团的振动频率相同时，即当红外光的频率与分子中某基团的振动频率相同时，红外光的能量才能被吸收。红外光的能量才能被吸收。红外光与物质之间有耦合作用。分子必须有偶极矩的变红外光与物质之间有耦合作用。分子必须有偶极矩的变化。化。2、分子偶极矩、分子偶极矩本讲稿第八页，共二十九页一、红外吸收光谱产生的条件一、红外吸收光谱产生的条件并非所有的振动都会产生红外吸收，并非所有的振动都会产生红外吸收，只有发生偶极矩变化只有发生偶极矩变化(0)的振动才能引起可观测的红的振动才能引起可观测的红外吸收
6、光谱，该分子称之为外吸收光谱，该分子称之为红外活性红外活性的。的。像像N2，O2，Cl2等对称分子，不能产生红外吸收光谱。即等对称分子，不能产生红外吸收光谱。即=o的分子振动不能产生红外振动吸收，称为的分子振动不能产生红外振动吸收，称为非红外活性非红外活性的。的。本讲稿第九页，共二十九页一、红外吸收光谱产生的条件一、红外吸收光谱产生的条件3、红外光谱的产生、红外光谱的产生本讲稿第十页，共二十九页二、分子振动方程式二、分子振动方程式m1m2本讲稿第十一页，共二十九页二、分子振动方程式二、分子振动方程式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，发生振动能级跃迁需要能量
7、的大小取决于键两端原子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，即取决于分子的结构特征。的折合质量和键的力常数，即取决于分子的结构特征。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量越小，化学键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区。数区。本讲稿第十二页，共二十九页表表 某些某些键的伸的伸缩力常数（毫达因力常数（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
8、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。量越小，化学键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区。二、分子振动方程式二、分子振动方程式本讲稿第十三页，共二十九页三、分子中基团的基本振动形式三、分子中基团的基本振动形式伸缩振动伸缩振动变形振动变形振动 s as 本讲稿第十四页，共二十九页四、红外光谱的吸收强度四、红外光谱的吸收强度例例 CO2分子分子2、由基态跃迁到第一激发态，产生一个强的吸收峰，、由基态跃迁到第一激发态，产生一个强的吸收峰，基频峰；基频峰；3、由基态直接跃迁到第二激发态，产生一个弱的吸收
9、峰，、由基态直接跃迁到第二激发态，产生一个弱的吸收峰，倍频峰；倍频峰；1、瞬间偶基距变化大，吸收峰强；键两端原子电负性相差越、瞬间偶基距变化大，吸收峰强；键两端原子电负性相差越大（极性越大），吸收峰越强；大（极性越大），吸收峰越强；本讲稿第十五页，共二十九页10-3 红外光谱的特征性红外光谱的特征性,基团频率基团频率本讲稿第十六页，共二十九页一、一、特征基团频率特征基团频率 波数波数(cm-1)振动类型振动类型3750-3000OH,NH3300-3000CHCH ArH3000-2700CH(-CH3,饱和饱和CH2及及CH,-CHO)2400-2100C-c C-N1900-1650C-O
10、(酸酐酸酐,酰氯酰氯,酯酯,醛醛,酮酮,羧酸羧酸,酰胺酰胺)1675-1500C-C,C-N1475-1300C-H(各种面内弯曲振动各种面内弯曲振动)1300-1000C-O(酚酚,醇醇,醚醚,酯酯,羧酸羧酸)1000-650CH(不饱和碳不饱和碳-氢面外弯曲振动氢面外弯曲振动)1 1、特征峰、特征峰本讲稿第十七页，共二十九页一、一、特征基团频率特征基团频率 2、相关峰、相关峰相相关关峰峰是是指指一一组组相相互互依依存存，相相互互佐佐证证的的吸吸收收峰峰。一一个个基基团团有有数数种种振振动动形形式式，每每种种红红外外活活性性的的振振动动都都通通常常相相应应给给出出一一个个吸吸收收峰峰。如如芳
11、芳环环化化合合物物相相关关峰峰有有五五种种振振动动形形式式：Ar-H、泛泛频频区区、C=C、Ar-H和和Ar-H，可可作作为为佐佐证证苯苯环环存存在在的的依据。依据。Ar-H在在3030cm-1，中中等等强强度度；C=C在在1650cm-1-1 450cm-1范范围围内内出出现现多多个个吸吸收收;泛泛频频区区：芳芳香香族族化化合合物物面面外外弯弯曲曲振振动动的的泛泛频频峰峰出出现现在在2000cm-1-1660cm-1范范围围内内，强强度度很很弱弱，这这一一范范围围内内的的吸吸收收峰峰的的形形状状和和数数目目可可以以提提供供芳芳香香族族化化合合物物取代类型的重要信息。取代类型的重要信息。本讲稿
12、第十八页，共二十九页二、二、特征区和指纹区特征区和指纹区1、特征区、特征区红红外外光光谱谱中中4000cm-1-1300cm-1的的区区域域称称为为特特征征区区，特特征征区区出出现现的的吸吸收收峰峰比比较较稀稀疏疏，容容易易辨辨认认，一一般般可可用用于于鉴鉴定定官官能能团团的的存存在在，是是化化学学键键和和基基团团的的特特征征振振动动频频率率区区。例例如如2500cm-1-1600cm-1称称为为不不饱饱和和区区，是是辨辨认认CN、CC、C=O、C=C等等基基团团的的特特征征区区，其其中中CN和和C=O的的吸吸收收特特征征性性更更强强。1600cm-1-1450cm-1是是由由苯苯环环骨骨架架
13、振振动动引引起起的的区域，是辨认苯环存在的特征吸收区。区域，是辨认苯环存在的特征吸收区。本讲稿第十九页，共二十九页二、二、特征区和指纹区特征区和指纹区2、指纹区、指纹区红红外外光光谱谱中中1300cm-1-400cm-1的的区区域域称称为为指指纹纹区区，指指纹纹区区出出现现的的吸吸收收峰峰比比较较密密集集，不不容容易易辨辨认认，但但特特征征性性强强，一一般般可可用用于于区区别别不不同同化化合合物物结结构构上上的的微微小小差差异异。例例如如1000cm-1-650cm-1称为面外弯曲振动区，是确定称为面外弯曲振动区，是确定不不饱饱和和化化合合物物取取代代类类型型和和位位置置的的重重要要区区域域。
14、所所以以指指纹纹区区对对于于化化合合物物来来说说就就犹犹如如人人的的“指指纹纹”，没没有有两两个个不不同同的的人人具具有有相相同同的的指指纹纹，没没有有两两个个不不同同的的化化合合物物具具有有相相同同的的指指纹纹区区吸吸收收光光谱。谱。本讲稿第二十页，共二十九页10-310-3红外吸收光谱定性分析红外吸收光谱定性分析本讲稿第二十一页，共二十九页一、一、红外光谱结构解析的一般步骤红外光谱结构解析的一般步骤 1、了解样品的来源、性质、纯度、分子式及其它相关分析、了解样品的来源、性质、纯度、分子式及其它相关分析数据。数据。2、检检查查红红外外光光谱谱图图是是否否有有H2O的的吸吸收收(3400cm-
15、1,1640cm-1,650cm-1)、CO2的的吸吸收收(2349cm-1,667cm-1)、重重结结晶晶溶溶剂峰、平头峰。基线的透光率是否满足要求等。剂峰、平头峰。基线的透光率是否满足要求等。3、通过对红外光谱中特征吸收的位置、强度及峰形的、通过对红外光谱中特征吸收的位置、强度及峰形的逐一解析，找出与结构有关的信息，确定化合物所含的逐一解析，找出与结构有关的信息，确定化合物所含的基团及化学键的类型。基团及化学键的类型。本讲稿第二十二页，共二十九页一、一、红外光谱结构解析的一般步骤红外光谱结构解析的一般步骤 4、通过已确定化合物所含的基团及化学键的类型，结合、通过已确定化合物所含的基团及化学
16、键的类型，结合其他相关分析数据，确定化合物的可能结构。其他相关分析数据，确定化合物的可能结构。5、对已确定的化合物与该化合物标准图谱进行比、对已确定的化合物与该化合物标准图谱进行比较，最后确定化合物结构。较，最后确定化合物结构。本讲稿第二十三页，共二十九页二、二、光谱解析实例光谱解析实例例例 由由C、H组组成成的的液液体体化化合合物物，相相对对分分子子量量为为84.2，沸沸点点为为63.4。其其红红外外吸吸收收光光谱谱见见图图，试试通通过过红红外外光光谱谱解解析析，判判断断该化合物的结构。该化合物的结构。解解：由由化化合合物物的的分分子子量量84.2、又又只只有有C、H组组成成，可可推推断分子
17、式为断分子式为C6H12，不饱和度为：，不饱和度为：本讲稿第二十四页，共二十九页二、二、光谱解析实例光谱解析实例特征区的第一强峰特征区的第一强峰1 642 cm-1，为烯烃的，为烯烃的C=C特征吸收，可确特征吸收，可确定是烯烃类化合物。用于鉴定烯烃类化合物的吸收峰有定是烯烃类化合物。用于鉴定烯烃类化合物的吸收峰有=CH、C=C和和=CH。(1)=CH3080cm-1强度较弱。强度较弱。(2)C=C非共非共轭发生在轭发生在1642 cm-1，强度中等。，强度中等。(3)=CH出现在出现在910 cm-1范围范围内，强度较强，为同碳双取代结构，该化合物为端基烯。内，强度较强，为同碳双取代结构，该化
18、合物为端基烯。本讲稿第二十五页，共二十九页二、二、光谱解析实例光谱解析实例特特征征区区的的第第二二强强峰峰1459 cm-1,粗粗查查为为饱饱和和烃烃的的asCH，用用于于鉴鉴定定烷烷烃烃类类化化合合物物的的吸吸收收峰峰有有-CH、asCH。(1)-CH2967cm-1、2933cm-1、2878cm-1、2865cm-1强强度度较较强强,(2)asCH1459cm-1,sCH1379cm-1,有有端端甲甲基基,此此峰峰未未发发生生分分裂裂,证证明明端端基基只只有有一一个个甲甲基基。CH2740cm-1，该该化化合合物物中中有有直直链链(CH2)n结结 构构。所所 以以 化化 合合 物物 结结
19、 构构 为为：CH2=CH(CH2)3CH3 本讲稿第二十六页，共二十九页二、二、光谱解析实例光谱解析实例峰峰归归属属：3080cm-1为为=CH,2967cm-1、2933cm-1、2878cm-1、2865cm-1为为-CH,1642cm-1 C=C,1459cm-1为为 asCH，1379cm-1为为 sCH，993cm-1、910cm-1为为=CH,740 cm-1为为CH2。本讲稿第二十七页，共二十九页红红外外光光谱谱显显示示各各种种来来源源的的胡胡敏敏酸酸均均在在3431cm-1、2927cm-1、1631cm-1及及1042cm-1出出现现吸吸收收峰峰，表表明明这这些些胡胡敏敏酸酸均均含含有有缔缔合合羟羟基基、苯苯环环、酰酰基基 醌醌基基或或氢氢键键共共轭轭的的酮酮及及多糖或多糖类物质，多糖或多糖类物质，二、二、光谱解析实例光谱解析实例本讲稿第二十八页，共二十九页分分子子吸吸收收红红外外光光应应满满足足的的条条件件；红红外外活活性性；非非红红外外活活性性；分子振动的基本形式；特征区和指纹区。分子振动的基本形式；特征区和指纹区。本章主要内容本章主要内容本讲稿第二十九页，共二十九页