仪器分析大连理工大学101红外光谱分析基础.pptx

19:59:03第十章第十章 红外光谱法和激红外光谱法和激光拉曼光谱法光拉曼光谱法10.1.1 概述概述 10.1.2 红外光谱产红外光谱产生条件生条件10.1.3 分子振动和分子振动和振动频率振动频率10.1.4分子中基团分子中基团的基本振动形式的基本振动形式10.1.5 基团特征振基团特征振动频率动频率第一节第一节 红外光谱红外光谱分析基础分析基础Infraredspectroscopy and Laser Raman spectroscopy19:59:0310.1.1 概述概述 分子中基团的振动和转动能级跃迁产生：振-转光谱。辐辐射射分分子子振振动动能能级级跃跃迁迁红红外外光光谱谱 官官能能团团分子结构分子结构近红外区近红外区中红外区中红外区远红外区远红外区19:59:03红外光谱图：纵坐标为吸收强度，横坐标为波长（m）和波数（cm-1）。应用应用：有机化合物的结构解析。定性定性：基团的特征吸收频率。定量定量：特征峰的强度。红外光谱与有机化合物结构红外光谱与有机化合物结构可以用峰数、峰位、峰形、峰强来描述。19:59:0310.1.2 红外吸收光谱产生条件红外吸收光谱产生条件 满足两个条件：满足两个条件：(1)辐射应具有能满足物质产生振动跃迁所需的能量；(2)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，辐射不能引起共振，无红外活性。如 N2，O2，Cl2 等。非非对对称称分分子子：有偶极矩，红外活性。偶极子在交变电场中的作用示意图。(动画动画)19:59:0410.1.3 分子振动和振动频率分子振动和振动频率双原子分子（A-B）的简谐振动（谐振子）。虎克定律：f=-kr1.1.分子振动模型分子振动模型 多原子分子 双原子集合（1 1）谐振子）谐振子f ：弹簧的恢复力；k：力常数；r=r-r 0：平衡位置的位移。系统的势能函数E和动能函数T分别为：折合质量，=m1m2/(m1+m2)。19:59:04质点系统的运动方程为：质点系统的运动方程为：其解为：谐振子的机械振动频率或波数及力常数及力常数 k 为：为：19:59:04谐振子的势能曲线：由量子力学理论，谐振子的能量不能连续任意取值(量子化)，该体系不含时间变量的薛定谔方程：解得系统能量为：=0，1，2，3(：振动量子数)。19:59:04将经典力学式代入得振动量子数振动量子数 =0 时，系统能量时，系统能量E 0，零点能。零点能。=0 时，基态：时，基态：E =h /2；0 时，激发态。时，激发态。基态跃迁到第一激发态所产生的吸收称为基频吸收。振动能级跃迁应遵守选择规则，对于谐振子体系只有两个相邻能级间的跃迁才是允许的，其振动量子数的变化应为：19:59:05 任意两个相邻的能级间的能量差为 k：化学键的力常数，与键能和键长有关；：双原子的折合质量 =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。19:59:05某些键的伸缩力常数（Ncm-1）键类型 CC C=C C C 力常数 15 17 9.5 9.9 4.5 5.6 峰位 4.5m 6.0 m 7.0 m 化学键键强越强（即键的力常数k越大）原子折合质量越小，化学键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区。19:59:05 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C=C键伸缩振动频率实测值为1652 cm-1。19:59:05（2 2）非谐振子）非谐振子谐振子模型应用于真实分子时应加以修正：式中：=0，1，2，为振动量子数，xe和ye为非谐振性校正系数，为特征振动频率。谐振子模型时计算得到的振动频率，只有在原子间的振幅r非常小(或能级较低)时，其振动才可以与谐振子一样近似的按简正振动处理，否则应加以非谐性修正。19:59:05非谐振子势能曲线非谐振子势能曲线:(a)非抛物线。修正系数1xeye，表示分子振动的非谐程度。(b)真实分子振动跃迁1，2，除基频外，还可以看到弱的倍频和组合频吸收。其它跃迁的概率很小(弱吸收带)。19:59:0510.1.4 分子中基团的基本振动形式分子中基团的基本振动形式1 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:(动画动画)19:59:06甲基的振动形式甲基的振动形式甲基伸缩甲基伸缩振动：振动：甲基变形甲基变形振动振动:对称对称 不对称不对称s(CH3)1380-1 as(CH3)1460-1对称对称 不对称不对称s(CH3)as(CH3)2870-1 2960-119:59:06例例水分子水分子（非对称分子）（非对称分子）峰位、峰数与峰强峰位、峰数与峰强（1）峰位）峰位 化学键的力常数k越大，原子折合质量越小，键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区(短波长区)；反之，出现在低波数区(高波长区)。(动画动画)19:59:06（2）峰数）峰数例2CO2分子四种振动类型，两个吸收峰。（对称振动无红外活性，两变形振动吸收峰简并）峰的数目与分子自由度有关。无瞬间偶极矩变化时，无红外吸收。(动画动画)19:59:06（3）峰强度）峰强度问题：C=O 强，C=C 弱，为什么？吸收峰强度跃迁概率偶极矩变化 瞬间偶极矩变化大，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。吸收峰强度 偶极矩的平方偶极矩变化与结构对称性有关：对称性差偶极矩变化大吸收峰强度大符号：s(强)，m(中)；w(弱)红外吸收峰强度比紫外吸收峰小23个数量级。19:59:06 （CH3）1460 cm-1，1375 cm-1。（CH3）2930 cm-1，2850cm-1。C2H4O1730cm-11165cm-12720cm-1HHHHOCC19:59:0710.1.5 基团特征振动频率基团特征振动频率一、一、红外吸收频率类型红外吸收频率类型1.基频基频 =0 =1，跃迁概率最大，吸收峰的强度最强。一般特征峰都是基频吸收。2.倍频（又称泛频）倍频（又称泛频）=0 =2或 =3，所产生的吸收峰。振动的非谐性，则能级间隔非等距，故倍频不是基频波数的整数倍，而是略小些。19:59:07红外吸收频率类型红外吸收频率类型3.合频合频 两个(或更多)不同频率(如1+2，2 1+2)之和，这是由于吸收光子同时激发两种频率的振动。4.差频差频 2-1，处于一个激发态的分子在吸收足够的外加辐射而跃迁到另一激发态。合频和差频统称为组合频。19:59:07二、红外光谱信息区二、红外光谱信息区常见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 XH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 XY伸缩，XH变形振动区19:59:07三、基团特征频率三、基团特征频率 与一定结构单元相联系的、固定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：CH2COCH2 1715 cm-1 酮CH2COO 1735 cm-1 酯CH2CONH 1680 cm-1 酰胺基团特征频率区：4000 1300 cm-1 指纹区：1300 400 cm-119:59:071 XH伸缩振动区（伸缩振动区（4000 2500 cm-1）（1）OH 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。N H伸缩振动：3500 3100 cm-1注意区分：NH比OH稍弱、稍尖。受氢键影响大，氢键使吸收峰向低波数方向移动。19:59:08（3）不饱和碳原子上的）不饱和碳原子上的=CH（CH）苯环上的苯环上的CH 3030 cm-1 =CH 3010 3260 cm-1 CH 3300 cm-1（2）饱和碳原子上的）饱和碳原子上的CH3000 cm-1 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3000 cm-1 以下19:59:082 叁键（叁键（C C）伸缩振动区伸缩振动区 （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。19:59:083 双键伸缩振动区（双键伸缩振动区（1900 1200 cm-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（1600 1500 cm-1）两个峰，芳烃骨架结构的特征峰。19:59:08苯衍生物的苯衍生物的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。2000160019:59:08（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。醛，酮的区分？19:59:08酸酐的酸酐的C=O 双吸收峰：18201750 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。羧酸的羧酸的C=O 18201750 cm-1，氢键，二分子缔合体。19:59:094.XY，XH 变形振动区变形振动区 1650 cm-1 指纹区(1350 650 cm-1)，较复杂。骨架振动；精细结构的区分；顺、反结构区分。1300 900 cm-1 CO，CN，CF，CP，CS，PO，SiO等；C=S，S=O，P=O等的伸缩振动及变形振动。CH3对称变形振动：1380 cm-1，判断甲基是否存在。CO的伸缩振动：1000 1300 cm-1，该区最强，易识别。19:59:09基团吸收基团吸收带数据带数据19:59:09常见基团的红外吸收带常见基团的红外吸收带特征区特征区指纹区指纹区500100015002000250030003500C-H，N-H，O-HN-HC NC=NS-HP-HN-O N-NC-FC-XO-HO-H（氢键）氢键）C=OC-C，C-N，C-O=C-HC-HC CC=C/cm-119:59:09 内容选择：内容选择：10.1 红外光谱分析基础红外光谱分析基础 10.2 红外光谱仪红外光谱仪 10.3 红外光谱与分子结构的关系红外光谱与分子结构的关系 10.4 红外光谱的应用红外光谱的应用 10.5 激光拉曼光谱法激光拉曼光谱法结束结束