2022年《仪器分析》教案---红外吸收光谱法.docx

名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -第十章 红外吸取光谱法10 1 教学建议一、 从应用实例入手,介绍红外吸取光谱法的基本原理和红外光谱仪结构特点；二、依据红外谱图确定有机化合物结构, 推断未知物的结构为目的, 介绍红外光谱分析方法在定性及定量分析的方面的应用；10 2 主要概念一、教学要求：（一）、把握红外吸取光谱法的基本原理；（二）、把握依据红外谱图确定有机化合物结构（三）、明白红外光谱仪的结构组成与应用；二、内容要点精讲（一）基本概念 红外吸取光谱当用红外光照耀物质时, 推断未知物的结构方法；物质分子的偶极矩发生变化而吸取红外光光能,有振动能级基态跃迁到激发态（同时相伴着转动能级跃迁）,产生的透射率随着波长而变化的曲线；红外吸取光谱法利用红外分光光度计测量物质对红外光的吸取及所产生的红外光谱对物质的组成和结构进行分析测定的方法,称为红外吸取光谱法；振动跃迁分子中原子的位置发生相对运动的现象叫做分子振动；不对称分子振动会引起分子偶极矩的变化,形成量子化的振动能级；分子吸取红外光从振动能级基态到激发态的变化叫做振动跃迁；转动跃迁不对称的极性分子环绕其质量中心转动时,引起周期性的偶极矩变化,形成量子化的转动能级；分子吸取辐射能 （远红外光） 从转动能级基态到激发态的变化叫做转动跃迁；伸缩振动原子沿化学键的轴线方向的舒展和收缩的振动；弯曲振动原子沿化学键轴线的垂直方向的振动,角发生变化的振动；又称变形振动, 这是键长不变, 键红外活性振动凡能产生红外吸取的振动,称为红外活性振动,不能产生红外吸取的振动就称为红外非活性振动；诱导效应当基团旁边连有电负性不同的原子或基团时,通过静电诱导作用会引起分子中电子云密度变化,从而引起键的力常熟的变化,使基团频率产生位移的现象；共轭效应分子中形成大 键使共轭体系中的电子云密度平均化,双键力常数减小,使基团的吸取频率向低波数方向移动的现象；氢键效应氢键使参加形成氢键的原化学键力常数降低,动的现象；吸取频率将向低波数方向移溶剂效应由于溶剂（极性）影响,使得吸取频率产生位移现象；基团频率通常将基团由振动基态跃迁到第一振动激发态所产生的红外吸取频率称 为基团频率,光谱上显现的相应的吸取峰称为基频吸取峰,简称基频峰；振动偶合两个相邻基团的振动之间的相互作用称为振动偶合；细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 1 页,共 6 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -基团频率区红外吸取光谱中能反映和表征官能团（基团）存在的区域；指纹区红外吸取光谱中能反映和表征化合物精细结构的区域；分子振动自由度多原子分子中原子振动形式的数目,称为分子振动自由度；倍频峰振动能级由基态跃迁至其次激发态、频峰；第三激发态 所产生的吸取峰称为倍组（合） 频峰多原子分子中由于各种振动之间的相互作用而形成的组合频率（等于两个或多个基团频率之和或差）的吸取峰；泛频与泛频峰倍频与组（合）频,统称为泛频；相应的吸取峰称为泛频峰；相关峰表征某一基团存在的一组特点峰称为相关峰；（二）基本内容1. 红外吸取光谱的基本原理利用物质分子对红外辐射的吸取,并有其振动及转动引起偶极矩的净变化产生振动和转动能级由基态跃迁到激发态,获得分子振动和转动能级变化的振动-转动光谱,即红外吸取光谱； 除对称分子外, 几乎全部具有不同结构的化合物都有相应的特点红外吸取光谱；它反映了分子中各基团的振动特点；因此可以用以确定化学基团和鉴定未知物结构；同时, 物质对红外辐射的吸取符合朗伯- 比尔定律,故可用于定量分析；2. 红外吸取光谱产生的条件（1）照耀的红外光必需满意物质振动能级跃迁时所需的能量,即光的能量 E = hv 必需等于两振动能级间的能量差 E E =E 振动激发态 -E 振动基态 ；（2）红外光与物质之间有偶合作用及分子的振动必需是能引起偶极矩变化的红外活性振动；3. 分子的振动方程由方程可知,振动波数1307k A r）随键力常数k 的增加或折合相对原子质量Ar 的减（或频率少而增大,实际用于真实分子时应加以修正；4. 分子振动的形式和类型分子中的基本振动形式（理论数）：对于非线性分子有（3N6）个基本振动（即简正振动）形式；线性分子有（3N5）个基本振动形式（N 为分子中原子数目） ,实际上大多数化合物在红外光谱图上显现的吸取峰数目比理论数要少；振动类型：多原子分子中有伸缩振动（对称和非对称伸缩振动）和弯曲（或变形）振动两大类；5. 红外吸取光谱与有机化合物分子结构的关系（1）红外吸取光谱的分区：根据红外吸取光谱与分子结构的关系可将其分为基团频率区（或特点区） （40001300cm-1）和指纹区（ 1300670cm-1）两大区域；基团频率区包括： X H伸缩振动区（ 4000 2500cm-1）,主要包括 CH,OH,NH和 SH键伸缩振动频率区；三键及积存双键区（25001900cm-1）,主要包括 CC,CN键伸缩振动及 C C C和 C C O等累积双键的不对称伸缩振动频率区；双键伸缩振动区（ 19001500cm-1）,主要包括 振动频率区；C O（19001650cm-1）和 C C（16801500cm-1）伸缩指纹区包括：1300900cm-1 振动区：主要包括CO,CN,C F,CP,CS,PO,Si O等单键和 C S,S O,P O等双键的伸缩振动频率区以及一些弯曲振动频率区；细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 2 页,共 6 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -如 CO的伸缩振动（ 1300 1000cm-1）和甲基的弯曲振动（振动区,主要包括一些重原子伸缩振动和一些弯曲振动频率区,1380cm-1）；900cm-1 以下 CH 在这一区域的吸取峰可用来确定苯环的取代类型；某些吸取峰仍可用来判定化合物的顺反构型；6. 影响红外吸取光谱的主要因素（ 1）影响吸取峰位置（即基团频率）的因素 应；外部因素：物质的物理状态和溶剂效应；内部因素：诱导效应、共轭效应和氢键效（ 2）影响吸取峰数目的因素 通常大多数化合物在红外光谱上显现的吸取峰数目比理论 运算数目有所增减,这主要是由于： 分子中存在着红外非活性振动；某些振动频率完全 相同,即简并为一个吸取峰；有些振动频率相近,仪器辨论不出来；某些振动吸取强度太弱,仪器检测不出来或某些振动吸取频率超出了仪器的检测范畴；倍频峰和合频峰的产生,使吸取峰增加；振动偶合使得吸取峰发生分裂； 费米共振,倍频峰和组频峰与基频峰 之间相互偶合而产生的吸取峰的分裂,使吸取峰增多；7. 红外吸取光谱仪 用于测量和记录待测物质红外吸取光谱并进行结构分析及定性、定量分析的仪器, 称为 红外吸取光谱仪或红外吸取分光光度计；仪器的类型：色散型红外吸取光谱仪和干涉型红外吸取光谱仪；仪器的结构：红外光谱仪的基本结构与紫外光谱仪类似,也由光源、吸取池、单色器、检测器和记录系统等部分组成；干涉型 （傅里叶变换型）与一般色散型红外光谱的主要区分在于它有干涉仪和运算机两部分；8. 红外吸取光谱法的应用 红外吸取光谱法广泛用于有机物的定性分析、定量分析及未知物结构的确定；三、重点、难点（一）重点内容 1、红外吸取光谱法的基本原理；2、依据红外谱图确定有机化合物结构（二）难点, 推断未知物的结构方法；影响基团频率位移的因素、双原子分子振动及未知物结构的确定；10 3 例题例 31由下述力常数k 数据,运算各化学键的振动频率（波数）；（ 1）乙烷的 CH 键, k=5.1 N· cm-1;2 乙炔的 CH 键, k=5.1 N· cm-1 3 苯的 C=C键, k=7.6 N· cm-1;4 甲醛的 C=O键, k=12.3N· cm-1 ；由所得运算值,你认为可以说明一些什么问题？答：运算（1）乙烷的 CH 键,11307k13075.1cm13072cm1A r12 1121同理可得（2）乙炔的 CH 键：2=3304 cm-1 （3）苯的 C=C键：3=1471 cm-1 （4）甲醛的 C=O键：4=1750 cm-1 由此可知,折合相对原子质量Ar 的平方根与化学键的振动频率（波数）成反比,与折合相对原子质量Ar 小的 CH 键相比, C=C键和 C=O键的振动波数比较低；键力常数k 第 3 页,共 6 页 细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -的平方根与化学键的振动频率（波数）成正比,不同的化学键有不一样的键力常数,键力常数差异打算了折合相对原子质量相近的化学键,差异；如 C=C键和 C=O键的频率 （波数） 有明显的【评注】此题给定条件明白、直接,解题思路清楚；例 32 氯仿（ CHCl3）的红外光谱说明其CH 伸缩振动频率为3100 cm-1, 对于氘代氯仿CDCl3 ,其 CD 伸缩振动频率是否会转变,假如变动, 是向高波数仍是低波数方向移动？答：由于=1307（k1/Ar ）1/2, 的折合相对原子质量Ar1=12× 1/ （ 12+1）=12/13 ,而C 2H的折合相对原子质量Ar2=12× 2/ （12+2）=12/7 ,明显, Ar2 2 Ar1 ,所以,与氯仿（CHCl3）红外光谱中的 CH 伸缩振动频率比较,氘代氯仿 CDCl3 的 C2H 伸缩振动频率会转变；从 Ar2 2 Ar1 来看, C 2H伸缩振动频率向低波数方向移动；例 33 图 6-1 为 1- 辛烯的红外光谱,试给出各峰的归属；图 6-1 1- 辛烯的红外光谱图答：（1）如 CH2的反对称伸缩振动（末端CH 显现在 3085 cm-1 邻近）及CH2的对称伸缩振动（CH2显现在 2975 ± 10cm-1 邻近）, CH的伸缩振动（CH伸缩振动显现在 30403010cm-1 邻近）；（2）C C的振动（ C C伸缩振动显现在（3） CH2, CH3的反对称变形（在 13701380cm-1 邻近）；16801620cm-1 邻近）；1460± 10cm-1 邻近）及 CH3 的对称变形（在（4） CH的面外弯曲振动（在 1000650cm-1 处显现强吸取峰） ；（5） CH2面外摇摆振动（910890cm-1 邻近）（6） CH25 面外摇摆振动 CH2n n 4 的面内摇摆振动 720cm-1 ；10 4 习题精选详解（题号） 2.1. 羧基（ COOH）中 CO、CO、OH等键的力常数分别为 12.1N.cm-1 、7.12N.cm-1 和5.80N.cm-1 ,如不考虑相互影响,运算：（1）各基团的伸缩振动频率；（2）基频峰的波长与波数；（3）比较 （ OH）与 （ CO）, （ CO）与 （ CO）,说明键力常数与折合原细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 4 页,共 6 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -子质量对伸缩振动频率的影响；解： Ar（ H）=1.00794 ,Ar（O）=15.9994 ,Ar（C）=12.0107 2.2. 1303k1303A rAkArBA rA rAA rBCO130312 . 11730 9. cm112161216119104.5777 m 1730 .c1730 .93101051931010HzCO13037 . 121327 . 7 cm112161216117104.7 532 m 1327 .c1327.7310103983.11010HzOH13035 . 803234 6. cm1116116114 10.3092 m 3234 6.c3234.6310109703.81010Hz化合物的不饱和度是如何运算的？答：不饱和度是有机化合物分子中含有双键、其体会公式为 =1+n4+1/2n3-n1 三键及环的个数, 即碳原子的不饱和程度,n4、n3、n1 分别为四价元素（C,Si等）、三价元素（ N,P 等）和一价元素（H,F,Cl,Br等）的个数；2.3 已知 CHCl3中CH键和 CCl 的伸缩振动分别发生在3030cm-1与758cm-1；（1）试运算 CDCl3中CH键的伸缩振动发生的位置；（2）试运算 CHBr3中CBr键的伸缩振动频率；（假设 CHCl3与CDCl3的键力常数 K相同, CBr键与 CCl 的键力常数 K相同）细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 5 页,共 6 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -解：（1）kCH13032 .Ar303021124 .992N. cm11303112CBrCD13034. 9922223 .5 cm1C212212（2）kCCl13032 .Ar758235.5123.04N. cm11303355.12c13033 . 04310 10703 4.310 102 . 1113 10Hz79 .9122.4 79 . 912分别在 95乙醇溶液和正己烷中测定2戌酮的红外吸取光谱；估计在哪种溶剂中O的吸取峰显现在高频区？为什么？答：正己烷溶剂中CO的吸取峰显现在高频区,在95乙醇溶液CO的吸取峰显现在低频区；缘由在乙醇溶液中由于CO与乙醇中的 OH之间易形成氢键,使C O的双键特点性降低,键的力常数减小,吸取峰向低波数方向移动；细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 6 页,共 6 页 - - - - - - - - -