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红外光谱 (Infrared Spectrometry)

红外光谱 (Infrared Spectrometry). 曹同成. 红外光谱的定义. 当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收某些频率的辐射，并由其振动运动或转动运动引起偶极矩的净变化，产生的分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，从而形成的分子吸收光谱称为红外光谱。又称为分子振动转动光谱。. 第一部分 原理. 概述. 分子中基团的振动和转动能级跃迁产生：振-转光谱. 辐射 → 分子振动能级跃迁 → 红外光谱 →官能团→分子结构. 电子能级. 振动能级. 转动能级. 分子能级示意图. 红外光谱产生的原因. 红外光 区的划分.

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红外光谱 (Infrared Spectrometry)

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Presentation Transcript

  1. 红外光谱(Infrared Spectrometry) 曹同成

  2. 红外光谱的定义 • 当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收某些频率的辐射，并由其振动运动或转动运动引起偶极矩的净变化，产生的分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，从而形成的分子吸收光谱称为红外光谱。又称为分子振动转动光谱。

  3. 第一部分 原理

  4. 概述 分子中基团的振动和转动能级跃迁产生：振-转光谱 辐射→分子振动能级跃迁→红外光谱→官能团→分子结构

  5. 电子能级 振动能级 转动能级 分子能级示意图 红外光谱产生的原因

  6. 红外光区的划分 • 红外光区分成三个区:近红外区、中红外区、远红外区。 • 其中中红外区是研究和应用最多的区域，一般说的红外光谱就是指中红外区的红外光谱. ■红外光区的划分如下表：

  7. 1)双原子分子的振动 δ δ 分子振动方式 用经典力学方法把双原子分子的振动形式用两个刚性小球的弹簧振动来模拟，如下图所示: 双原子分子振动示意图 影响基本振动频率的直接因素是相对原子质量和化学键的力常数。

  8. 2)多原子分子的振动 对于多原子分子，由于一个原子可能同时与几个其它原子形成化学键，它们的振动相互牵连,不易直观地加以解释，但可以把它的振动分解为许多简单的基本振动，即简正振动。 一般将振动形式分成两类：伸缩振动和变形振动。 a. 伸缩振动(νs νas ） 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。它又分为对称伸缩振动(νs ）和不对称伸缩振动(νas ） 。 b. 变形振动（又称弯曲振动或变角振动，用符号δ表示） 基团键角发生周期变化而键长不变的振动称为变形振动。变形振动又分为面内变形振动和面内变形振动。

  9. 水分子 水分子是非线型分子，振动自由度：3×3-6=3个振动形式，分别为不对称伸缩振动、对称伸缩振动和变形振动。这三种振动皆有偶极矩的变化是红外活性的。 如图所示:

  10. － － ＋ 1=1340 cm-1 (RM) 2=2368 cm-1 (IR) 3=4=668 cm-1 (IR) CO2分子简正振动及其吸收波数

  11. 亚甲基 伸缩振动 亚甲基： 变形振动 亚甲基

  12. 甲基的振动形式 伸缩振动 甲基： 对称 不对称 υs(CH3) υas(CH3) 2870 ㎝-1 2960㎝-1 变形振动 甲基 对称δs(CH3)1380㎝-1不对称δas(CH3)1460㎝-1

  13. 红外活性分子和非红外活性分子 产生红外吸收的分子称为红外活性分子，如CO2分子；反之为非红外活性分子,如O2分子。

  14. 红外光谱的三要素 1.峰位 分子内各种官能团的特征吸收峰只出现在红外光波谱的一定范围，如：C=O的伸缩振动一般在1700 cm-1左右。 以下列化合物为例加以说明： υC=O 1650 cm-1 υC=O 1715 cm-1 υC=O 1780 cm-1

  15. 红外光谱的三要素 2.峰强 红外吸收峰的强度取决于分子振动时偶极矩的变化，振动时分子偶极矩的变化越小，谱带强度也就越弱。 一般说来，极性较强的基团(如C=O,C-X)振动，吸收强度较大；极性较弱的基团(如C=C,N-C等)振动，吸收强度较弱；红外吸收强度分别用很强(vs)、强(s)、中(m)、弱(w)表示. 3.峰形 不同基团的某一种振动形式可能会在同一频率范围内都有红外吸收，如-OH、-NH的伸缩振动峰都在34003200 cm-1但二者峰形状有显著不同。此时峰形的不同有助于官能团的鉴别。

  16. 第二部分 红外光谱的应用

  17. 红外光谱的最大特点是具有特征性，谱图上的每个吸收峰代表了分子中某个基团的特定振动形式。红外光谱的最大特点是具有特征性，谱图上的每个吸收峰代表了分子中某个基团的特定振动形式。 • 定性分析 • 定量分析

  18. 定性分析 • 已知物的鉴定 谱图库搜索、比对算法 • 未知物的鉴定 谱图解析 • 首先应了解样品的来源、用途、制备方法、分离方法、理化性质、元素组成及其它光谱分析数据如UV、NMR、MS等有助于对样品结构信息的归属和辨认。

  19. 定量分析 Lambert-Beer定律 定量时吸光度的测定常用基线法。如图所示,图中I与I0之比就是透射比。 基线的画法

  20. 红外光谱与有机化合物结构—谱图解析 红外光谱图： 纵坐标为吸收强度， 和波数1/λ 单位：cm-1 可以用峰数，峰位，峰形，峰强来描述。 应用：有机化合物的结构解析。 定性：基团的特征吸收频率； 定量：特征峰的强度；

  21. C H O 2 4 H - 1 1 7 3 0 c m - 1 1 1 6 5 c m O H - 1 H 2 7 2 0 c m H C C （CH3）1460 cm-1，1375 cm-1。 （CH3）2930 cm-1，2850cm-1。

  22. 红外吸收光谱的特征性 与一定结构单元相联系的、在一定范围内出现的化学键振动频率——基团特征频率（特征峰）； 例： 2800  3000 cm-1 —CH3 特征峰； 1600  1850 cm-1 —C=O 特征峰； 基团所处化学环境不同，特征峰出现位置变化： —CH2—CO—CH2— 1715 cm-1 酮 —CH2—CO—O— 1735 cm-1 酯 —CH2—CO—NH— 1680 cm-1 酰胺

  23. 红外光谱信息区 常见的有机化合物基团频率出现的范围：4000  670 cm-1 依据基团的振动形式，分为四个区： (1)4000  2500 cm-1 X—H伸缩振动区（X=O，N，C，S） (2)2500  1900 cm-1 三键，累积双键伸缩振动区 (3)1900  1200 cm-1 双键伸缩振动区 (4)1200  670 cm-1 X—Y伸缩， X—H变形振动区

  24. 分子结构与吸收峰 1． X—H伸缩振动区（4000  2500 cm-1 ） （1）—O—H 3650  3200 cm-1 确定 醇、酚、酸 在非极性溶剂中，浓度较小（稀溶液）时，峰形尖锐，强吸收；当浓度较大时，发生缔合作用，峰形较宽。 注意区分 —NH伸缩振动： 3500  3100 cm-1

  25. （2）饱和碳原子上的—C—H —CH32960cm-1 反对称伸缩振动 2870cm-1 对称伸缩振动 —CH2— 2930cm-1 反对称伸缩振动 2850cm-1 对称伸缩振动 —C—H 2890 cm-1 弱吸收 3000 cm-1 以下 （3）不饱和碳原子上的=C—H（ C—H） 苯环上的C—H 3030 cm-1 =C—H 3010  2260 cm-1  C—H 3300cm-1 3000 cm-1 以上

  26. 2． 叁键（CC）伸缩振动区 （2500  1900 cm-1 ） 在该区域出现的峰较少； （1）RC  CH （2100  2140 cm-1 ） RC  CR’ （2190  2260 cm-1 ） R=R’ 时，无红外活性 （2）RC N （2100  2140 cm-1 ） 非共轭 2240  2260 cm-1 共轭 2220  2230 cm-1 仅含C、H、N时：峰较强、尖锐； 有O原子存在时；O越靠近C  N，峰越弱；

  27. 3． 双键伸缩振动区（ 1900  1200cm-1） （1） RC=CR’ 1620  1680 cm-1 强度弱，R=R’（对称）时，无红外活性。 （2）单核芳烃 的C=C键伸缩振动（1626  1650 cm-1 ）

  28. 2000 1600 苯衍生物的C=C 苯衍生物在 1650  2000 cm-1 出现 C-H和C=C键的面内变形振动的泛频吸收（强度弱），可用来判断取代基位置。

  29. （3）C=O （1850  1600 cm-1 ） 碳氧双键的特征峰，强度大，峰尖锐。 饱和醛(酮)1740-1720 cm-1 ；强、尖；不饱和向低波移动；

  30. 酸酐的C=O 双吸收峰：1820～1750 cm-1 ，两个羰基振动偶合裂分； 线性酸酐：两吸收峰高度接近，高波数峰稍强； 环形结构：低波数峰强； 羧酸的C=O 1820～1750 cm-1 ， 氢键，二分子缔合体；

  31. 4. X—Y，X—H 变形振动区 < 1650 cm-1 指纹区(1350  650 cm-1 ) ,较复杂。 C-H，N-H的变形振动； C-O，C-X的伸缩振动； C-C骨架振动等。精细结构的区分。 顺、反结构区分；

  32. 基团吸收带数据

  33. C=C =C-H CC C-H C-C，C-N，C-O O-H（氢键） O-H C=O S-H P-H N-N N-O C-X C-F CN C=N N-H C-H，N-H，O-H 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 常见基团的红外吸收带 特征区 指纹区

  34. 部分原子团的特征振动频率

  35. 第三部分 红外样品的测定

  36. 三部分 • 样品制备 • 仪器情况介绍 • 软件介绍

  37. 样品制备技术 1. 对试样的要求 (1)试样应该是单一组分的纯物质，纯度应>98%，便于与纯化合物的标准进行对照。多组分试样应在测定前尽量预先用分馏、萃取、重结晶、区域熔融或色谱法进行分离提纯。 (2)试样中不应含有游离水。水本身有红外吸收，会严重干扰样品谱，而且还会侵蚀吸收池的盐窗。 (3)试样的浓度和测试厚度应选择适当，以使光谱图中的大多数吸收峰的透射比处于10%~80%范围内。

  38. 样品制备技术 2.制样方法 (1) 固体样品的制备 a.压片法: 将1~2mg固体试样与200mg纯KBr研细混合，研磨到粒度小于2μm，在油压机上压成透明薄片，即可用于测定。 b.糊状法: 研细的固体粉末和石蜡油调成糊状，涂在两盐窗上，进行测试。此法可消除水峰的干扰。液体石蜡本身有红外吸收，此法不能用来研究饱和烷烃的红外吸收。

  39. 压片法注意事项 • 制备主要方法 • 样品加入量控制 • KBr和样品的烘干 • 研磨 • 压片量控制

  40. 样品制备技术 (2) 液体样品的制备 a.液膜法 b. 液体吸收池法 c. 样品滴入压好的Kbr薄片上测试 (3) 气态样品的制备:气态样品一般都灌注于气体池内进行测试。

  41. 样品制备技术 (4)特殊样品的制备—薄膜法: a. 熔融法:对熔点低，在熔融时不发生分解、升华和其它化学变化的物质，用熔融法制备。可将样品直接用红外灯或电吹风加热熔融后涂制成膜。 b. 热压成膜法:对于某些聚合物可把它们放在两块具有抛光面的金属块间加热，样品熔融后立即用油压机加压，冷却后揭下薄膜夹在夹具中直接测试。 c. 溶液制膜法:将试样溶解在低沸点的易挥发溶剂中，涂在盐片上，待溶剂挥发后成膜来测定。如果溶剂和样品不溶于水，使它们在水面上成膜也是可行的。比水重的溶剂在汞表面成膜。

  42. 多功能反射头 适合宝石、玉、不透明薄膜等样品测试

  43. 气体测试管

  44. 样品 检测器 劈光器 (干涉谱图) 激光器 动镜 固定镜 光源 干涉仪 红外光谱中干涉谱图形成原理示意图 傅立叶变换红外光谱仪简介

  45. b Volts a 8600 8400 8200 8000 7800 7600 Data points 背景(a)和聚苯乙烯薄膜(b)的干涉谱图

  46. Single Beam b 500 a 3500 3000 2500 2000 1500 1000 Wavenumbers (cm-1) 背景(a)和聚苯乙烯薄膜(b)谱图—傅里叶变换

  47. Absorbance 500 3500 3000 2500 2000 1500 1000 Wavenumbers (cm-1) 聚苯乙烯薄膜的红外光谱图

  48. 仪器介绍 Nicolet FT-IR 傅立叶红外仪 美国热电尼高力仪器公司（Thermo Nicolet Corporation） 多功能反射头

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