红外应用化学市公开课一等奖百校联赛获奖课件.pptx

6.1 概述概述6.2 红外吸收基本原理红外吸收基本原理6.3 红外光谱与分子结构关系红外光谱与分子结构关系6.4 红外分光光度计红外分光光度计6.5 红外吸收光谱分析红外吸收光谱分析(infrared absorption spectroscopy,IR)第1页6-1 概述概述红外光红外光区域划分区域划分区域区域 波长（波长（m）波数（波数（cm-1）能级类型能级类型近红外近红外 0.75-2.5 13000-4000 OH、NH、CH 键倍频吸收区键倍频吸收区中红外中红外 2.5-50 4000-400 各基团振动各基团振动远红外远红外 50-1000 400-10 分子转动分子转动利用物质对红外辐射吸收所产生红外吸收光谱，对物质组利用物质对红外辐射吸收所产生红外吸收光谱，对物质组成、结构及含量进行分析测定方法叫红外吸收光谱分析法。成、结构及含量进行分析测定方法叫红外吸收光谱分析法。第2页不一样点 紫外可见吸收光谱紫外可见吸收光谱红外吸收光谱红外吸收光谱光光 源源紫外可见光紫外可见光红外光红外光起起 源源电子能级跃迁电子能级跃迁振动能级跃迁振动能级跃迁研研 究究范范 围围不饱和有机化合物不饱和有机化合物共轭双键、芳香族等共轭双键、芳香族等几乎全部有机化合物；许多无机化合物特特 色色反应发色团、助色团情况反应各个基团特征特征性特征性简单、特征性不强简单、特征性不强特征性强特征性强用途用途定量；推测有机化合物共轭定量；推测有机化合物共轭骨架骨架判定化合物类别；判定功效团；推测结构相同点：都是分子吸收光谱，都反应分子结构特征；相同点：都是分子吸收光谱，都反应分子结构特征；IR与与UV-Vis比较比较第3页纵坐标为吸收强度，用透光率表示纵坐标为吸收强度，用透光率表示T%,横坐标为波长横坐标为波长(m)，和波数和波数(cm-1)表示。表示。红外光谱表示方法红外光谱表示方法第4页62 红外吸收基本原理红外吸收基本原理 辐射应含有能满足物质产生振动跃迁所需能量；辐射应含有能满足物质产生振动跃迁所需能量；只有能使偶极矩发生改变振动形式才能产生红外吸收只有能使偶极矩发生改变振动形式才能产生红外吸收(红外活性振动）红外活性振动）。同核双原子分子：没有偶极矩，辐射不能引发共振，无红外同核双原子分子：没有偶极矩，辐射不能引发共振，无红外 活性。如：活性。如：N2、O2、Cl2 等；等；异核双原子分子：有偶极矩，红外活性。如：异核双原子分子：有偶极矩，红外活性。如：HCl、HBr等等。一、产生红外吸收条件一、产生红外吸收条件第5页双原子分子振动双原子分子振动分子振动能级（量子化）：分子振动能级（量子化）：E振振=（+1/2）h ：振动量子数，其取值为振动量子数，其取值为0，1，2，n；：化学键振动频率。化学键振动频率。化学键振动类似于连接两个小球弹簧化学键振动类似于连接两个小球弹簧简谐振动简谐振动k为为化化学学键键力力常常数数，其其定定义义为为将将两两原原子子由由平平衡衡位位置置伸伸长长单单位长度时恢复力（单位为位长度时恢复力（单位为Ncm-1），），为折合质量。为折合质量。第6页基频峰和泛频峰基频峰和泛频峰基频峰：基频峰：=0 =1，基本振动频率；基本振动频率；注：注：最强，红外主要吸收峰最强，红外主要吸收峰，普通特征峰都是基频吸收；，普通特征峰都是基频吸收；倍频峰倍频峰：=0 =2，3等等 合频峰：合频峰：1+2，2 1+2等等 差频峰：差频峰：2-1等等泛泛频频峰峰注：泛频峰注：泛频峰强度弱强度弱，难识别，却增加了光谱特征性。，难识别，却增加了光谱特征性。第7页 简正振动振动状态是简正振动振动状态是分子质心保持不变，分子质心保持不变，整体不转动，每个原子都在其平衡位置附近做整体不转动，每个原子都在其平衡位置附近做简谐振动简谐振动，其振动频率和相位都相同，即每个，其振动频率和相位都相同，即每个原子都在同一瞬间经过其平衡位置，而且同时原子都在同一瞬间经过其平衡位置，而且同时到达其最大位移值。到达其最大位移值。分子中任何分子中任何一个复杂振动一个复杂振动都能够看成这些简正振动线性组合。都能够看成这些简正振动线性组合。简正振动简正振动第8页多原子分子振动多原子分子振动伸缩振动伸缩振动 变形振动变形振动 (弯曲振动弯曲振动)第9页分子基本振动理论数分子基本振动理论数振动自由度振动自由度 理论上讲，分子每一个振动形式都会产生一个基频吸收峰，理论上讲，分子每一个振动形式都会产生一个基频吸收峰，即即一个多原子分子产生基频峰数目一个多原子分子产生基频峰数目=分子全部振动形式数目；分子全部振动形式数目；振动形式数目：振动形式数目：3n-6 非线性分子非线性分子 3n-5 线性分子（全部分子在一条直线上）线性分子（全部分子在一条直线上）第10页影响吸收峰数目原因仪器不能区分频率十分靠近振动，或吸收带很弱，仪仪器不能区分频率十分靠近振动，或吸收带很弱，仪器无法检测；器无法检测；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；产生各种产生各种泛频峰。泛频峰。没有偶极矩改变振动，不产生红外吸收；没有偶极矩改变振动，不产生红外吸收；相同频率振动吸收重合，即简并；相同频率振动吸收重合，即简并；第11页红外吸收峰强度红外吸收峰强度紫外紫外 红外红外 104105 非常强非常强(vs)100 103104 较强较强 (s)20100 102103 中强中强(m)1020 102 弱弱 (w)110 1 非常弱非常弱(vw)影响原因：影响原因：振动能级跃迁概率；振动能级跃迁概率；偶极矩改变：偶极矩改变越大，对应峰越强。偶极矩改变：偶极矩改变越大，对应峰越强。v 红外吸收峰红外吸收峰强度比紫外吸强度比紫外吸收峰小收峰小23个个数量级数量级!第12页基团特征吸收峰基团特征吸收峰 通常把通常把能代表某基团存在能代表某基团存在（如：（如：O-H、C=C、C=等），等），并有较高强度吸收峰，称为特征吸收峰，所在频率并有较高强度吸收峰，称为特征吸收峰，所在频率 位置称为基团频率；位置称为基团频率；基团频率：基团频率：主要是一些伸缩振动引发，惯用于判定某主要是一些伸缩振动引发，惯用于判定某 官能团是否存在。官能团是否存在。基团不一样，基团频率不一样。分子基团不一样，基团频率不一样。分子其其 它部分对其吸收位置影响较小；它部分对其吸收位置影响较小；相关峰：由一个官能团引发一组含有相互依存关系相关峰：由一个官能团引发一组含有相互依存关系 吸收峰；吸收峰；用一组相关峰来判定一个基团存在，是谱图解析一个用一组相关峰来判定一个基团存在，是谱图解析一个 主要标准。主要标准。第13页6-3 红外吸收光谱与分子结构红外吸收光谱与分子结构一、一、特征区和指纹区特征区和指纹区特征区特征区(40001300cm-1)：是由：是由伸缩振动伸缩振动产生吸收带，为化产生吸收带，为化学键和基团特征吸收峰。吸收峰较稀疏，学键和基团特征吸收峰。吸收峰较稀疏，轻易识别，轻易识别，是是判判定基团存在主要区域定基团存在主要区域；指纹区指纹区(1800600cm-1)：是由：是由单键伸缩振动和变形振动单键伸缩振动和变形振动产生产生吸收带，相关峰常出现在指纹区。吸收峰密集、难识别，吸收带，相关峰常出现在指纹区。吸收峰密集、难识别，能反应分子结构细微改变能反应分子结构细微改变。第14页常见化合物特征基团频率分区常见化合物特征基团频率分区4000 2500 1900 1300(1800)600cm-1X-H伸缩振动区伸缩振动区 O-H N-H C-H S-H三键和累积三键和累积双键伸缩振双键伸缩振动区动区 C C C N C=C=C C=C=N C=C=O双键伸缩振动区双键伸缩振动区 C=C C=O C=N 芳环芳环 C=C单键伸缩振单键伸缩振动和弯曲振动和弯曲振动区动区 X-Y：C-O C-N N-O C-X C-C X-H：C-H O-H 第15页（1）OH 3650 3200cm-1 确定确定 醇、酚、酸醇、酚、酸 在非极性溶剂中，浓度较小（稀溶液）时，峰形尖锐强吸在非极性溶剂中，浓度较小（稀溶液）时，峰形尖锐强吸收收(s)；当浓度较大时，发生缔合作用，峰形较宽强吸收当浓度较大时，发生缔合作用，峰形较宽强吸收(s)。注意区分注意区分NH伸缩振动：伸缩振动：3500 3100cm-1 XH伸缩振动区（伸缩振动区（4000 2500cm-1）第16页（3）不饱和碳原子上）不饱和碳原子上=CH（CH）苯环上苯环上CH 3030 cm-1 =CH 3090 3010 cm-1 CH 3300 cm-1（2）饱和碳原子上）饱和碳原子上CH3000cm-1 以上以上 CH3 2960 cm-1 反对称伸缩振动反对称伸缩振动 2870 cm-1 对称伸缩振动对称伸缩振动 CH2 2930 cm-1 反对称伸缩振动反对称伸缩振动 2850 cm-1 对称伸缩振动对称伸缩振动 CH 2890 cm-1 弱吸收弱吸收3000cm-1 以下以下 以以3000为界，为界，3000以上为不饱和碳原子上以上为不饱和碳原子上C-H；3000以以下为饱和碳原子上下为饱和碳原子上C-H！第17页叁键伸缩振动区（叁键伸缩振动区（2500 1900cm-1）在该区域出现峰较少；在该区域出现峰较少；（1）RC CH 2140 2100 cm-1 RC CR 2260 2190 cm-1 R=R 时，无红外活性时，无红外活性（2）RC N 非共轭非共轭 2260 2240 cm-1 共轭共轭 2230 2220 cm-1 仅含仅含C、H、N时：峰较强、尖锐；时：峰较强、尖锐；有有O原子存在时；原子存在时；O越靠近越靠近C N，峰越弱；峰越弱；第18页双键伸缩振动区双键伸缩振动区(1900 1300 cm-1)（1）RC=CR 1700 1600 cm-1 强度弱，强度弱，R=R（对称）时，对称）时，无红外活性。无红外活性。（2）单核芳烃）单核芳烃C=C键伸缩振动键伸缩振动(1650 1450 cm-1)（3）C=O（1850 1650 cm-1）碳氧双键特征峰，强度大，峰尖锐。碳氧双键特征峰，强度大，峰尖锐。第19页影响基团频率位移原因影响基团频率位移原因基团频率基团频率原子质量原子质量原子力常数原子力常数决定决定分子内部结构分子内部结构和外部环境和外部环境影响影响使其出现在较大频率范围使其出现在较大频率范围第20页内部原因内部原因共轭效应：共轭效应：电子云密度均化，移向低波数；电子云密度均化，移向低波数；诱导效应：吸电子基团使吸收峰向高诱导效应：吸电子基团使吸收峰向高波数波数方向移动；方向移动；氢键影响：氢键影响：降低双键特征，向低波数移动降低双键特征，向低波数移动；空间位阻：破坏空间位阻：破坏共轭体系共平面性，向高波数移动；共轭体系共平面性，向高波数移动；振动偶合振动偶合相邻两个基团（其振动频率相近相邻两个基团（其振动频率相近)，发生相，发生相互振动偶合，使吸收峰分裂；互振动偶合，使吸收峰分裂；费米共振费米共振当泛频峰与某基频峰位相近时，因为相互当泛频峰与某基频峰位相近时，因为相互作用产生强吸收带或发生峰分裂；作用产生强吸收带或发生峰分裂；第21页同一物质在不一样状态时，分子间相互作用力不一样，所同一物质在不一样状态时，分子间相互作用力不一样，所得光谱往往不一样；得光谱往往不一样；普通在气态时，伸缩振动频率最高，在液态和固态时，伸普通在气态时，伸缩振动频率最高，在液态和固态时，伸缩振动频率降低。缩振动频率降低。外部环境外部环境同一物质在不一样溶剂中，因为溶质与溶剂间相互作用不同一物质在不一样溶剂中，因为溶质与溶剂间相互作用不一样，测得红外光谱也不相同；一样，测得红外光谱也不相同；通常极性基团伸缩振动频率随溶剂极性增大向低频移动且通常极性基团伸缩振动频率随溶剂极性增大向低频移动且强度增大；强度增大；第22页6-4 红外吸收光谱仪红外吸收光谱仪第23页光源光源样品池样品池单色器单色器检测器检测器参比池参比池带动笔和带动笔和光楔装置光楔装置放大器放大器光光谱谱统统计计色散型红外吸收光谱仪工作原理色散型红外吸收光谱仪工作原理第24页光源：能够发射高强度连续红外辐射物质光源：能够发射高强度连续红外辐射物质，通常采取惰性，通常采取惰性固体作光源。惯用光源有能斯特灯和固体作光源。惯用光源有能斯特灯和硅碳棒硅碳棒；吸收池吸收池：可测定可测定固、液、气固、液、气态样品；态样品；气态：将气态样品注入抽成真空气体样品池；气态：将气态样品注入抽成真空气体样品池；液态：液体样品可滴在可拆池两窗之间形成薄液膜，液态：液体样品可滴在可拆池两窗之间形成薄液膜，普通将液体样品注入液体吸收池中；普通将液体样品注入液体吸收池中；固态固态：13mg 固体样品固体样品+300mg KBr（光谱纯）研磨光谱纯）研磨 混匀后压成混匀后压成1mm厚透明薄片。厚透明薄片。注意：用于测定红外光谱样品注意：用于测定红外光谱样品有较高纯度有较高纯度(98%)，且不，且不 应含有水分。应含有水分。单色器：单色器：把复合光色散成单色光，惯用有把复合光色散成单色光，惯用有光栅光栅、棱镜；、棱镜；检测器：真空热电偶、检测器：真空热电偶、热（释）电检测器、碲镉汞检测器热（释）电检测器、碲镉汞检测器。第25页傅里叶变换红外光谱仪傅里叶变换红外光谱仪干涉仪干涉仪光源光源样品室样品室检测器检测器显示器显示器绘图仪绘图仪计算机计算机干涉图干涉图光谱图光谱图FTS第26页傅里叶变换红外光谱仪特点傅里叶变换红外光谱仪特点测量时间短，扫描速度快，测量时间短，扫描速度快，1s完成全光谱扫描；完成全光谱扫描；灵敏度高，检测限可达灵敏度高，检测限可达10-910-12 g；分辨率高，波数精度可达分辨率高，波数精度可达0.01cm-1；测定精度高；测定精度高；测定光谱范围宽；测定光谱范围宽；仪器结构复杂，价格昂贵。仪器结构复杂，价格昂贵。第27页6-5 红外吸收光谱分析红外吸收光谱分析一、定性分析一、定性分析已知物判定已知物判定试样试样标样标样在相同条件下在相同条件下试样红外谱图试样红外谱图标样红外谱图标样红外谱图 对两谱图进行比较，若两谱图吸收峰位置、形状和强度完对两谱图进行比较，若两谱图吸收峰位置、形状和强度完全一致，可认为二者为同一物质；全一致，可认为二者为同一物质；也可按名称或分子式查标准图谱，但要注意与标准图谱测也可按名称或分子式查标准图谱，但要注意与标准图谱测定条件一致。定条件一致。新型仪器配有计算机，惯用计算机进行检索，检测到样品新型仪器配有计算机，惯用计算机进行检索，检测到样品红外谱图后，计算机找出与之相配标准物质红外谱图。红外谱图后，计算机找出与之相配标准物质红外谱图。第28页定量分析（弱项）定量分析（弱项）经过对特征吸收谱带强度测量来求组分含量，理论依据是：经过对特征吸收谱带强度测量来求组分含量，理论依据是：朗伯朗伯-比尔定律；比尔定律；红外光谱谱带较多，选择余地大，能方便地对单组分或多红外光谱谱带较多，选择余地大，能方便地对单组分或多组分进行定量分析，能测定气体、液体和固体样品；组分进行定量分析，能测定气体、液体和固体样品；通常应选择被测物质特征吸收带，吸收带与被测物质浓度通常应选择被测物质特征吸收带，吸收带与被测物质浓度有线性关系，有较大吸收系数；有线性关系，有较大吸收系数；红外光谱定量分析灵敏度较低，不适于微量组分组分；红外光谱定量分析灵敏度较低，不适于微量组分组分；可用标准曲线法、内标法、求解联立方程等方法进行定量可用标准曲线法、内标法、求解联立方程等方法进行定量分析。分析。第29页未知物结构确定试样纯化：红外样品需纯度很高（试样纯化：红外样品需纯度很高（98%以上），不含干扰测以上），不含干扰测定物质。可利用各种分离伎俩如：分馏、萃取、重结晶、层定物质。可利用各种分离伎俩如：分馏、萃取、重结晶、层析等提纯试样；析等提纯试样；了解工作：了解样品起源、外观，依据样品存在形态选择适了解工作：了解样品起源、外观，依据样品存在形态选择适当制样方法；观察样品颜色和气味；注意样品纯度以及样品当制样方法；观察样品颜色和气味；注意样品纯度以及样品元素分析，相对分子质量，熔点、沸点、溶解度、折光率等元素分析，相对分子质量，熔点、沸点、溶解度、折光率等物理常数测定结果物理常数测定结果缩小结构推测范围；缩小结构推测范围；计算不饱和度计算不饱和度 图谱解析图谱解析与标准图谱对照与标准图谱对照第30页几个标准图谱集几个标准图谱集1.萨特勒（萨特勒（Sadtler）标准红外光谱集）标准红外光谱集 美国美国sadtler research laborationies 编辑出版。搜集图谱最多编辑出版。搜集图谱最多2.分子光谱文件分子光谱文件“DMS”穿孔卡片穿孔卡片 英国和德国联合编制英国和德国联合编制3.“API”红外光谱资料红外光谱资料 美国石油研究所（美国石油研究所（API）编制。主要）编制。主要是烃类化合物光谱是烃类化合物光谱第31页1 1、化合物、化合物C C3 3HH6 6OO红外光谱以下列图所表示，试推测其结构。红外光谱以下列图所表示，试推测其结构。图谱解析实例：图谱解析实例：CH2=CH-CH2-OH33001650995.920143010302900第32页解：解：（1）计算不饱和度）计算不饱和度 =1+3+1/2（0-6）=1，可能含，可能含C=C或或C=O；（2）3300cm-1强而宽吸收带，缔合强而宽吸收带，缔合-OH形成形成 OH，醇类醇类化合物，化合物，1030 cm-1吸收峰吸收峰 C-O；（3）1650 cm-1吸收峰吸收峰 C=C，含含C=C基团基团995，920 cm-1有吸收峰，说明有吸收峰，说明-CH=CH2基团；基团；（4）30002800 cm-1有吸收峰，饱和烷基有吸收峰，饱和烷基 CH吸收峰。吸收峰。1380 cm-1无吸收峰，说明不含无吸收峰，说明不含-CH3，1430 cm-1是是-CH2-CH2。第33页第34页化合物化合物C8H10O红外光谱以下列图所表示，试推测其结构。红外光谱以下列图所表示，试推测其结构。335010052935,285516151500750,700T%/cm-114603000第35页解：解：（1）计算不饱和度）计算不饱和度 =1+8+1/2（0-10）=4，可能含苯环；，可能含苯环；（2）3350cm-1强而宽吸收带，缔合强而宽吸收带，缔合-OH形成形成 OH，1005 cm-1吸收峰吸收峰 C-O，醇类化合物；醇类化合物；（3）3000 cm-1多重弱峰多重弱峰 CH，1615，1500 cm-1吸收峰吸收峰 C=C；750，700 CH 单取代；单取代；（4）2935，2855 cm-1有吸收峰，饱和烷基有吸收峰，饱和烷基 CH吸收峰，吸收峰，1380 cm-1无吸收峰，说明不含无吸收峰，说明不含-CH3，1460 cm-1是是-CH2-CH2。第36页推测化合物推测化合物C8H8O结构结构第37页推测化合物推测化合物C8H8结构结构第38页正庚烷红外光谱图正庚烷红外光谱图C-H伸缩振动伸缩振动C-H弯曲弯曲振动振动第39页正庚烷和正庚烷和1-辛烯红外光谱图辛烯红外光谱图第40页3300cm-1 CC-H伸缩振动伸缩振动22502100cm-1 CC伸缩振动伸缩振动1-己炔红外光谱己炔红外光谱第41页1-辛烯红外谱图辛烯红外谱图 3079cm-1=C-H伸缩振动伸缩振动 1642cm-1 C=C 伸缩振动伸缩振动 990,910cm-1-CH=CH2 弯曲振动弯曲振动第42页反反-2-辛烯辛烯顺顺-2-辛烯辛烯700cm-1 C-H弯曲振动弯曲振动965 cm-1 1650cm-1 C=C 伸缩振动第43页3030cm-1 苯环苯环C-H 伸缩振动伸缩振动异丙异丙苯红外光谱苯红外光谱1600cm-1，1500cm-1 C=C骨架振动骨架振动第44页图谱解析标准：先特征后指纹（图谱解析标准：先特征后指纹（40001300cm-1特征区，判特征区，判定官能团）、先强峰后弱峰、先否定后必定、先粗查后细定官能团）、先强峰后弱峰、先否定后必定、先粗查后细找；找；解析图谱时几点经验：查找基团时，先否定，以逐步缩小解析图谱时几点经验：查找基团时，先否定，以逐步缩小范围；在解析特征吸收峰时，要注意其它基团吸收峰干扰范围；在解析特征吸收峰时，要注意其它基团吸收峰干扰（3350和和1640cm-1处出现吸收峰可能为样品中水吸收）；处出现吸收峰可能为样品中水吸收）；图中吸收峰往往不可能全部解析，尤其是指纹区；图中吸收峰往往不可能全部解析，尤其是指纹区；掌握主要基团特征吸收掌握主要基团特征吸收第45页