红外光谱分析

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波数范围： 4000 cm-1 至 400 cm-1 分辨率：0.09 cm-1
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第一节 红外光谱吸收的基本原理
Basic principle of Infrared absorption spectroscopy
第二节 红外吸收光谱与分子结构
Infrared spectroscopy and molecular structure
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1. 化学键的极性愈大，振动时偶极矩变化愈大，吸收谱带的强度越强 C = O, SiO, C - Cl 有很强的IR吸收带 C = C, C - C, C - N 其伸缩振动吸收带很弱
2. 分子对称性愈高，振动时偶极矩变化越小，吸收谱带越弱
S (C = C) 1585 cm-1有吸收带 C = C 键全对称伸缩，在 1585 cm-1无吸收带
例2. 苯环取代类型
990 和 910 890 960 730 ~ 650 830 ~ 780
s s s m ( 不可靠 ) m
单取代
770-730 cm-1 vs 710-690 cm-1 s
邻二取代 770-735 cm-1 vs
间二取代 900-860 cm-1 vs 810-750 cm-1 vs
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基团的特征频率和指纹区图 键振动
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饱和烃
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不饱和烃
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含有C、H、O等元素
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含有C、H、N等元素
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含有C、H、N、O等元素
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含有P、S、卤素等元素
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红外光谱是当分子受到红外区域的电磁辐射后，吸收一部分红外光，使分子中原 子的振动能级与转动能级跃迁所产生的分子吸收光谱。因此，红外光谱也称红外 吸收光谱或分子振动-转动光谱
波数：波长的倒数，表示每厘米长光波中波的数目。s/cm-1=1/(l/cm)
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2、红外光区的划分
名称
l/mm
COOH伸缩振动 （s O-H) （宽峰）
=C-H 伸缩振动
(s C-H)
C-H 伸缩振动
(s C-H)
(2) 2500 ~ 1900 cm-1 三键，累积双键伸缩振动区
1. 炔基 R-C C-H s C C 2140 ~ 2100 cm-1 (m)
R-C C-R ´ s C C 2260 ~ 2190 cm-1 (w)
第三节 红外谱图解析
Analysis of Infrared spectrograph
第四节 红外光谱的定性定量分析
Analysis and qualitative analysis of Infrared spectrograph
第五节 红外光谱仪器
Infrared absorption spectrophotometer
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第五章 红外吸收光谱分析
Infrared absorption spectroscopy
第一节 红外吸收光谱分析的 基本原理
Principle of IR
一、概述
Introduction
二、红外光谱产Leabharlann Baidu的条件
Condition of Infrared absorption spectroscopy
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（4） X—Y伸缩，X—H变形振动区<1650 cm-1
C-H，N-H 的变形振动； C-O，C-X的伸缩振动；
指纹区 （1350 ~ 650 cm-1), 较复杂。
可用于C-C骨架振动， 顺、反结构区分； 等精细结构的区分。
例如1：烯烃的顺反构型 烯烃的=CH面外变形振动出现的位置，很大程度决定于双键的取代类型
NA
M1,M2是两原子 相对原子质量
NA是阿佛加德罗 常数
s 振动频率 （单位为cm-1)
K - 化学键的力常数，与键能和键长有关(单位为 N·m-1)
c - 光速 (2.998×1010cm·s-1 ) M 折合原子量
m - 折合质量 m =m1m2/（m1+m2）[m1,m2是两个原子的质量(克)] 由上式可见，振动频率与力常数 k 成正比，与折合质量 m 成反比
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一、红外光谱的级团频率
Group frequency in IR
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
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丙酮在气态时的nC=O为1742 cm-1 ，而在液态时为1718 cm-1 。 2. 内部因素 （1）电子效应
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(二）多原子分子的振动 1．两类基本振动形式
1.伸缩振动（u)-- 键长变化，键角不变化
sas： 不对称伸缩振动 （反对称伸缩振动） ss ： 不对称伸缩振动
2. 变形振动--原子垂直于价键的振动，
键长不变，键角变化
动画
w： 面外摇摆振动 t： 扭曲振动
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d：剪式振动
反式构型
R C
H
H C
R
顺式构型
R
R
CC
H
H
d(=C-H) 990 ~970 cm -1
d(=C-H) 690 cm-1
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烯烃的=C-H面外变形振动频率 类型
吸收频率 / cm -1 强度
RCH=CH2 R2C=CH2 RCH=CHR （反） RCH=CHR （顺） R2C=CHR
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(动画)
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三、分子中基团的基本振动形式
Basic vibration of the group in molecular
（一）双原子分子的振动和振动方程 根据虎克定律，简谐振动频率为：
s= 1 k 2pc m
s
=
N 1/2 A
2pc
k
M
s
=
1
l
=
1
2pc
k
M1M2 M1+M2
·
1
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动 画
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四.吸收峰强度
Intensity of infrared absorption band
吸收峰强弱的表示方法： 非常强峰: Vs (very strong)
强峰: s (strong ) 中强峰: m (medium)
弱峰: w (weak)
吸收峰形状的表示： 宽峰（broad band) 尖峰 (sharp band) 肩峰 (should band) 双峰 (double band)
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例 2 CO2分子 基本振动数为33-5=4 （线性分子）
通常，基频谱带的数目总是少于理论数
3. 基频，倍频，合频，差频
基频: n1, n2 倍频：为基频的倍数（2n1, 2n2) 合频：两个频率之和（ n1+ n2, n1+n3 ) 差频： 两个频率的差 （ n1- n2, n3-n4 ）
一、红外光谱的基团频率
Group frequency in IR
二、主要基团的特征吸收峰
Characteristic absorption peaks of most groups
三、影响峰位移的因素
Equations and basic vibration of the group in molecular
对二取代 860-800 cm-1 vs
1，3，5-取代 1，2，3-三取代 1，2，4-三取代
860-810 cm-1 s 735-675 cm-1 s 786-760 cm-1 s 725-680 cm-1 s
885-870 cm-1 s
825-805 cm-1 s
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二、红外吸收光谱产生的条件
Condition of Infrared absorption spectroscopy
满足两个条件：
(1) 分子的振动频率与红外辐射的频率相同 (2) 分子振动或转动时必须有瞬间偶极矩变化
偶极矩 m = q . d
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。 非对称分子：有偶极矩，红外活性。 如：HCl、H2O、CO2 等。
T%
λ（mm ）
纵坐标为吸收强度A或百分透射率T%， 横坐标为 波长λ ( mm ）或波数 s ( cm-1)
A=lg1/T 1cm=104 mm s (cm-1 )=1/λ(cm)= 104/ λ(mm) 即每厘米长光波中波的数目
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可以用峰数，峰位，峰形，峰强来描述 定性：基团的特征吸收频率； 定量：特征峰的强度； 应用：有机化合物的结构解析。
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1、基团特征频率分组
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）
典型的特征基团有：OH 伸缩振动
（s O-H)（宽峰）
N2H，NH 伸缩振动 (s N-H)（尖峰）
s/ cm-1
能级跃迁类型
近红外（泛频区） 0.78 ~ 2.5 12820~ 4000 O-H, N-H 及C-H 键的倍频吸收
中红外（基本振动） 2.5 ~ 25
4000~ 400 分子中基团振动、转动
远红外（转动区） 25 ~ 300
400 ~ 33
分子转动、晶体振动
近红外光区：含氢原子团O-H, N-H 及C-H 键的倍频吸收产生， 适合用于蛋白质、淀粉、脂肪等高分子化合物的定量分析
r：面内摇摆振动
2. 基本振动的理论数
多原子分子在红外谱图上，可以出现一个以上的基频 吸收带，基频吸收带的数目等于分子振动自由度 线形分子 振动形式有3N-5 非线形分子 振动形式有3N-6 其中 N 为 分子中原子数目
例１ 水分子 基本振动数为 33-6 = 3 （非线形分子）
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三、分子振动方程和分子 中基团的振动形式
Equations and basic vibration of the group in molecular
四、红外吸收蜂强度
Intensity of infrared absorption band
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一、概述 -----1、红外吸收光谱的概念
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例题: 计算C = C键的K = 9.5 ~ 9.9 ,令其 为9.6, 计算波数值。
s=1= 1
l 2pc
k
m
= 1307
k
m
= 1307
9.6 = 1650 cm-1 12 / 2
正己烯中C=C键伸缩振动频率实测值为1652 cm-1。表明把双原子分子作 简谐振子，利用经典力学讨论双原子分子的振动，能基本说明分子振动 光谱的特点
R-C C-R
无吸收带
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2. 氰基 R-C N （s C N） 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；
3. Z = X = Y 化合物
丙二烯，烯酮，异氰酸酯等化合物在2400 – 1900 cm-1范围内有强吸收带
问题：1. 紫外、可见光谱，红外光谱的特点及相互区别？
2. 比较 C=C，C=N，C=O 的强弱。
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第五章 红外吸收光谱分析
Infrared absorption spectroscopy
第二节 红外吸收光谱与分子结构
Infrared spectroscopy and molecular structure
(3) 1900 ~ 1200 cm-1双键伸缩振动区
1. 羰基 C=O 1900 ~ 1600 cm-1
2. 烯键 C=C 1680 ~1620 cm-1强度弱， R=R’（对称）时，无红外活性。
3. 苯环的 C=C 1600 ~1500 cm-1
4. C=N
1680~1500 cm-1 （C=N-R） 噻唑类, 吡啶类，喹啉类
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三、影响峰位变化的因素
Molecular structure and absorption peaks 化学键的振动频率不仅与其性质有关，还受分子的内部结构和外部因素影响。相同基
团的特征吸收并不总在一个固定频率上。
1. 外部因素: 同一化学物在不同状况下光谱有较大差别,在不同溶剂中也有差别. 例如，
中红外光区：绝大多数有机化合物和无机离子的基频吸收带出现 在该光区，基频振动是红外光谱中最强的的振动，应用极广，适 合定性和定量分析，中红外光谱法又简称红外光谱法。
远红外光区：主要研究气体分子的转动跃迁及晶体中的晶格振 动，特别适合研究无机化合物，该光区能量弱。
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红外光谱图：
s ( cm-1)