第六章红外光谱.ppt

,上海应用技术学院材料工程系,材料现代分析技术,第六章红外光谱,红外光谱的基本概念,红外光谱的形成,当用一束具有连续波长的,红外光,照射一物质时，该物质就要吸收一部分光能，并将其变为另一种能量，即,分子的振动能量和转动能量,。若将其透过的光用单色器进行色散，就可以得到一带暗条的谱带。如果以波长或波数为横坐标，以吸光度或透过率为纵坐标，把这谱带记录下来，就得到了该物质的红外（吸收）光谱图。,产生红外光谱的原因,分子的化学键发生,(,弯曲或者伸缩,),振动的能量在,850KJ/mol,，,正好处在红外光波的能量范围内。常用红外光谱仪的波长为,2500nm15000nm,。,产生红外光谱的特征性,两种不同分子的红外光谱不可能是一样的。因此红外光谱可以象人们的指纹一样作为化合物的分子指纹。,图,1,红外光谱,红外光谱图,红外光谱图中的横纵坐标,红外光谱图的纵坐标,，,常用百分透过率（,T,）,表示即：,透射率,T=,光透过后强度,/,入射光强度,100%,也有吸光度,A,作为纵坐标的,红外光谱图的横坐标,，,波长（,）,多用微米,(,m,),表示。微米和埃,(),、,毫微米,(m,或纳米,nm,),、,厘米,(cm),的关系是,1,10,-8,cm,1,m,10,-4,cm,lnm,10,-7,cm,但在中红外区横坐标更常用的一种单位是波数,，波数用,cm-1,表示，波数与波长的关系是,红外区的分类,光谱工作者常常把红外区分成三个区域，即,近红外区,、,中红外区,和,远红外区,。,简正振动,分子真实的振动是复杂的，但在一定条件下作为很好的近似，分子一切可能的任意复杂的振动方式都可以看成是有限数量的,相互独立的和比较简单的振动,方式的迭加，这些比较简单的振动称为简正振动。,化学键的振动方式及能量,伸缩振动,-,对称伸缩振动,s,-,不对称伸缩振动,as,弯曲振动,-,面内弯曲振动,剪式振动,s,面内摇摆,-,面外弯曲振动,面外摇摆,扭曲振动,简正振动模式（形式）,一般分为两类：,分子的简正振动数目称为,振动自由度,不同振动形式按能量高低为：,as,s,s,高频区 低频区,含,n,个原子的分子，自由度为：,线性分子有,3n-5,个,非线性分子有,3n-6,个,根据它们的振动方向不同，振幅不等，可以吸收各种波长不同的光，形成复杂的红外光谱。,简正振动自由度和峰,数,理论上每个自由度在,IR,中可产生,1,个吸收峰，实际上,IR,光谱中的峰数少于基本振动自由度，原因是：,1,振动过程中，伴随有偶极矩的振动才能产生吸收峰,2,频率完全相同的吸收峰，彼此发生简并（峰重叠）,3,强、宽峰覆盖相近的弱、窄峰,4,有些峰落在中红外区之外,5,吸收峰太弱，检测不出来,例如,线型对称,的,CO2,分子，其简正振动模式有,3n-5,33-5,4,红外活性与非活性振动,在振动过程中，分子电偶极距发生改变的振动才能吸收红外光子的能量，产生红外吸收谱带，这种振动称为红外活性振动，反之称为红外非活性振动，这就是,红外跃迁的选择定则（选律）,。,红外吸收光谱的产生及条件,:,辐射光子具有的能量与发生振动跃迁所需的跃迁能量相等,辐射与物质之间有耦合作用,为满足这个条件，分子振动必须伴随偶极矩的变化。,1,、已知,CO,2,的结构式为,O=C=O,，其红外光谱中，振动自由度为（）,A,4 B,3 C,2,2,、下列振动中，何种属于红外非活性振动,3,H,2,O,为非线性分子，其红外光谱中，振动自由度为（）,A,4 B,3 C,2,相关题目 一,=0.9nm=910,-10,m=910,-8,cm,对于波长为,0.9,纳米的光子计算其波数,频率及能量,4,计算,指纹区,1500600 cm,-1,吸收带多，整个分子振动转动引起的，反映整个,分子的特征。可用于鉴定两个化合物是否同一化合物,。,官能团区,4000 1500 cm,-1,吸收带不多，化学键和官能团的特征频率区。,OH 36503100 cm,-1,1700 cm,-1,红外光谱的分区,4000-2500cm,-1,:,这是,X-H,单键的伸缩振动区。,2500-2000cm,-1,:,此处为叁键和累积双键伸缩振动区,2000-1500cm,-1,:,此处为双键伸缩振动区,1500-600cm,-1,:,此区域主要提供,C-H,弯曲振动的信息,1,在有机化合物的红外吸收光谱分析中，出现在,40002500cm,-1,频率范围的吸收峰可用于鉴定官能团，这一段频率范围称为,_,。,A,指纹区，,B,叁键区,C,官能团区，,D,单键区。,相关题目二,2,能级间隔越小，分子化学键振动能级跃迁吸收光子的（,),。,A,能量越高,B,波长越长,C,频率越高,典型有机化合物的红外光谱及谱图解析,计算不饱和度,-,谱图解析,不饱和度,是指分子内含有环、双键和叁键（相当于两个双键）的总和。,饱和烃类不饱和度为,0;,双键及环不饱和度为,1;,三键为,2;,芳环为,4,（,1,）计算不饱和度,计算公式,：,其中，,n,4,为分子中四价原子的数目，,n,1,为分子中一价原子的数目，,n,3,为分子中三价原子的数目。,例,求分子式为,C,6,H,12,O,的分子的不饱和度,解：,四价原子,=6,一价原子,=12,代入公式：,（,2,）依据谱图推出化合物碳架类型,分析,3300 2800 cm,1,区域,C-H,伸缩振动吸收,以,3000 cm,1,为界,:,高于,3000 cm,1,为不饱和碳,C-H,伸缩振动吸收,可能为烯,炔,芳香化合物,低于,3000 cm,1,一般为饱和,C-H,伸缩振动吸收,(3),若在稍高于,3000 cm,1,有吸收,则应在,2250 1450 cm,1,频区,分析不饱和碳碳键的伸缩振动吸收特征峰,炔,2200 2100 cm,1,烯,1680 1640 cm,1,芳环,1600,1580,1500,1450 cm,1,烯或芳香化合物则应解析指纹区,1000 650 cm,1,频区,以确定取代基个数和位置,(5),解析时应注意把描述各官能团的相关峰联系起来，以准确判定官能团的存在,如,2820,，,2720,和,17501700 cm,1,的三个峰 说明醛基的存在,(4),碳骨架类型确定后,再依据其他官能团,如,C=O,O-H,C-N,等特征吸收来判定,化合物的官能团,烷烃,基本结构信息,C-H,伸缩振动（,3000 2850 cm,1,）,C-H,弯曲振动（,1465 1340 cm,1,）,一般饱和烃,C-H,伸缩均在,3000 cm,1,以下接近,3000 cm,1,的频率吸收。,CH,3,:2962,as,2872,s,CH,3,(CH,2,):1450 1375(,),CH,2,:2926,as,2853,s,十二烷,特殊结构信息,1)1380 cm,1,只有一个峰存在甲基,则不存在异丙基和叔丁基,若为异丙基,CH(CH,3,),2,1385 cm,1,1370 cm,1,两个等强度吸收峰且伴随有,11701145 cm,1,碳骨架振动吸收峰,若为叔丁基,C(CH,3,),3,1395 cm,1,1370 cm,1,一弱一强两个吸收峰且伴有,1250 cm,1,1210 cm,1,碳骨架振动吸收峰,烯烃,烯烃,C-H,伸缩（,3100 3010 cm,1,）,末端烯烃,3080 cm,1,C=C,伸缩,(1675 1640 cm,1,),烯烃,C-H,弯曲振动（,1000 675 cm,1,）,基本结构信息,A 3075,B 1645,C 986 907,A,B,C,C,1-,癸烯,特殊结构信息,RHC=CH,2,995 cm,1,910 cm,1,2),若为,970,cm,1,3),若为,675725,cm,1,A 675,顺,-2-,丁烯,B 970,反,-2-,丁烯,1,）不：,1,2,）,3008,，,1650,烯,3,）,990,，,910,单取代烯烃,谱图解析,谱图解析,化合物,C,6,H,12,的红外光谱如下,写出结构式,不：,1,3010cm,-1,烯烃,C-H,伸缩,1640,碳弹双键伸缩振动,4,）,29802860cm,-1,1460cm,1,CH,3,CH,2,的伸缩及弯曲振动,5)1390cm,1,1365cm,1,异丙基,6)670cm,1,顺式双取代,炔烃,伸缩振动（,2250 2100 cm,1,）,炔烃,C-H,伸缩振动（,3300 cm,1,附近）,炔烃,C-H,弯曲振动（,635 cm,1,附近）,C,C,A 3268,B 2857-2941,C 2110,1-,己炔,A,B,C,化合物,C,6,H,10,的红外光谱如下,写出结构式,谱图解析,不：,2,3300cm,-1,分子中有,2100cm,-1,29802860cm,-1,1460cm,1,CH,3,CH,2,的伸缩及弯曲振动,5)1395cm,1,1365cm,1,(1250,1210),叔丁基,6)630cm,1,弯曲振动,芳烃,3100 3000 cm,1,芳环上,C-H,伸缩振动,1600 1450 cm,1,C=C,骨架振动,880 680 cm,1,C-H,面外弯曲振动,芳香化合物的重要特征,:,一般在,1600,，,1580,，,1500,和,1450 cm,1,可能出现强度不等的,4,个峰,880 680 cm,1,C-H,面外弯曲振动吸收,依苯环上取代基个数和位置不同而发生变化,在芳香化合物红外谱图分析中常常用此频区,吸收判别异构体,单取代,:770730cm,-1,710690 cm,-1,对位取代,:840810cm,-1,间位取代,:,810750cm,-1,710690cm,-1,900,cm,-1,邻位取代,:770735cm,-1,A,3008,B,1605,1495,1466,C,742,芳环,芳环,二甲,苯,A,B,C,1,）不：,4,2,）,3050,；,1600,，,1500,760,，,700,单取代苯,3,）,1380,异丙基,谱图解析,醇和酚,主要特征吸收是,O-H,和,C-O,的伸缩振动吸收,O-H,的伸缩振动：,3700 3100 cm,1,馒头峰,C-O,伸缩振动,1300 1000 cm,1,O-H,面外弯曲,769 659 cm,1,A 3300,B 3100 3000,C 2980 2840,D 1497,1453,E 1017,F 735,芳,面外弯曲,苯,甲醇,A,B,C,D,E,F,A 3333,B 3045,芳,C 1580,1495,1468,D 1223,A,B,C,D,苯酚,1,）,不饱和度,2,可能为烯，炔及含有羰基的化合物,2,）,3300 cm,1,处宽带，羟基,结合,1040 cm,1,处的吸收，可推测含有,O-H,由此可排除含有羰基的可能性,3,）,2110 cm,1,处的吸收，可知此化合物有碳碳三键吸收,结合化合物的分子式可知此化合物为,2-,丙炔醇,谱图解析,化合物,C,3,H,4,O,的红外光谱如下,写出结构式,谱图解析,化合物,C,9,H,12,O,的红外光谱如下，写出结构式,不饱和度：,4,可能含有苯环,2,）,3000 cm,1,以上，以及,1600 cm,1,，,1580 cm,1,1500 cm,1,，,1460cm,1,表明含有苯环,830 cm,1,表明苯环对位取代,3,）,3350 cm,1,氢氧的伸缩振动，证明由,OH,存在,4)1230 cm,1,碳氧的伸缩振动 证明是酚,5,）,1380 cm,1,，,1365 cm,1,异丙基,醛和酮,醛的主要特征吸收,:,1750 1700 cm,1,（,C=O,伸缩）,2820,，,2720 cm,1,（,醛基,C-H,伸缩）,A 3077,3040,芳,B 2985,2941,饱和,E 1600,1497,1453,F 760 700,面外弯,D 1730,C 2825,2717,醛,苯基丙醛,A,B,C,D,E,F,A B C 2955,2930,2866,饱和,D 1725,2-,戊酮,B 1683,共轭,苯乙酮,有一物质分子式为,C,5,H,10,O,，其,IR,光谱表明在,1725cm,-1,处有强吸收，请判断它可能属于下列何种物质（）,D,C,B,A,相关题目三,1),不：,1,2,）,2820,，,2720,；,1730,醛,3,）,C,3,H,7,-;1380,异丙基,4),NMR Check,谱图解析,醚,特征吸收,C-O-C 1300 1000 cm,1,的伸缩振动,脂肪醚,1150 1060 cm,1,940cm,-1,强的吸收峰,芳香醚 两个,C-O,伸缩振动吸收,1270 1230 cm,1,（,为,Ar,-O,伸缩）,1050 1000 cm,1,（,为,R-O,伸缩）,*,-OCH,3,2830cm,-1,*,A 3060,3030,3000 2950,B 2830,-OCH3,C 1590,1480,D 1245,E 1030,F 800740,面外弯,苯甲醚,A,B,C,D,E,F,羧酸,3300 2500,cm,1,宽,强的,O-H,伸缩吸收,1720 1706 cm,1,C=O,吸收,1320 1210 cm,1,C-O,伸缩,920 cm,1,成键的,O-H,键的面外弯曲振动,A 3300-2500,B 2950,2920,2850,D 1280,E 930,面外弯,C 1730,庚酸,D,E,A,B,C,CH,3,CH,2,COOH,1,）不：,1,2,）,3000,，,O-H,；,酸,930,，,O-H,3)1700,C=O,4)1230,，,C-O,谱图解析,胺,3500 3300 cm,1,N-H,伸缩振动吸收,伯胺两个峰,仲胺一个峰,*,1650 1500 cm,1,H-N,的弯曲振动吸收,900 650 cm,1,H-N,的面外弯曲振动吸收,(,宽峰并且常在,850),谱图解析,某化合物分子式为,C,8,H,11,N,试根据红外光谱推测结构,.,1),不饱和度,=4,可能含有苯环,2)33003400cm,1,两个峰,伯胺,(N-H,伸缩振动,),3)3000 cm,1,以上，以及,1600,，,1500,1460 cm,1,表明含有苯环（,-C,6,H,5,）,740,，,表明苯环邻位取代,3)850 cm,1,(,N-H),酰胺,3500 3100 cm,1,N-H,伸缩振动,1680 1630 cm,1,C=O,伸缩振动,（酰胺,I,谱带）,1655 1590 cm,1,N-H,弯曲振动,（酰胺,II,谱带）,1420 1400 cm,1,C-N,伸缩,A 3350,3170,B 1640,伸缩,I,谱,弯曲,II,谱,C 1425,异丁酰胺,C,B,A,1),不：,1,2,）,3350,，,3180,，,-NH,2,1680,1580,伯酰胺,谱图解析,腈,腈类的光谱特征,:,三键伸缩振动区域,脂肪族腈,2260 2240 cm,1,芳香族腈,2240 2222 cm,1,A 3070,3025,芳,B 2910,2860,脂肪,C 2210,C,A,B,1),不：,3,2,）,2240,，,CN,3)3100,1620,C=C,4)975,900,单取代烯,谱图解析,练习,典型无机化合物的红外光谱及谱图解析,水的红外光谱,碳酸盐的基团振动的红外光谱,硫酸盐化合物的红外光谱,常见无机物中阴离子红外吸收峰位置,/cm,-1,续表,红外光谱仪,测量和记录红外光谱的仪器称为红外光谱仪。,按分光原理，红外光谱仪可分为两大类：,色散型和干涉型,。,色散型仪器，按分光元件不同，又分为棱镜式和光栅式红外分光光度计；按光束可为分单光束和双光束红外分光光度计。,干涉型红外光谱仪又称为傅里叶变换红外光谱仪（,FTIR,）。,IR-(1)-1,色散型与傅里叶变换红外光谱仪（,FTIR,）,比较,干涉仪,光源,样品室,检测器,显示器,绘图仪,计算机,干涉图,光谱图,FTS,傅里叶变换红外光谱仪,傅立叶变换红外光谱仪的优点,1.,具有很高的分辨率,一般光栅型 达到,0.2cm,-1,FT-IR,光谱仪 可达,0.1-0.005 cm,-1,的分辨率,2.,具有极高的波数准确度,光谱波数的计算可准确至,0.01 cm,-1,3.,具有极快的扫描速度,通常,1,秒钟内,色散型至少需要两分钟,IR-(1)-2,红外光谱在一般情况下只适合应用在纯化合物的分析中,样品制备,1.,气体,对气体样品应采用气体槽来进行测量,2.,液体,液体样品常采用液体槽来进行测定,液体池法 液膜法 稀溶液法,红外光谱的测量,3.,固体,溶液法,糊状法 石蜡油调糊,压片法,KBr,晶体,析出薄膜法,聚合物的鉴定,红外光谱在材料研究中的应用,POLYMER 1,POLYMER 2,刚玉结构无水氧化物鉴定,材料的老化,在紫外光辐照下,特别是有氧和水汽存在的情况下,容易被氧化生成新的基团,从而使红外光谱发生变化,.,紫外光辐照后的谱图如虚线所示,可以明显观察到辐照后的羰基区有明显的吸收峰形成,.,