红外吸收光谱法2008.ppt

红外吸收光谱法 郑秀玉郑秀玉一、应用一、应用 广广泛泛用用于于分分子子结结构构的的基基础础研研究究和和化化学学组组成成的的研研究究上上，诸诸如如对对未未知知物物的的剖剖析析，判判断断有有机机化化合合物物和和高高分分子子化化合合物物的的分分子子结结构构，化化学学反反应应过过程程的的控控制制和和反反应应机机理理的的研研究究等等，应应用用于于生生物物化化学学、高高聚聚物物、环环境境、染染料料、食食品品、医药等领域。医药等领域。二、红外光谱区二、红外光谱区 红红外外线线：波波长长在在0.751000m之之间间的的电电磁磁波。这个光谱区间称为红外光区。波。这个光谱区间称为红外光区。红红外外光光谱谱区区介介于于可可见见光光区区和和微微波波区区之之间间。通通常常将将红红外外光光谱谱划划分分为为三三个个区区域域：近近红红外外区、中红外区、远红外区。区、中红外区、远红外区。波长与波数的关系：波长与波数的关系：（cm-1)=1(cm)=104(m)名称名称（m）（cm-1)近红外区近红外区 0.752.5 133004000中红外区中红外区 2.525 4000400远红外区远红外区 251000 40010分子中的原子以平衡点为中心，作周期性的相对运动，这种运动方式称为分子中的原子以平衡点为中心，作周期性的相对运动，这种运动方式称为振动。不同的振动方式具有不同的能量，故分为若干振动能级。同一振动振动。不同的振动方式具有不同的能量，故分为若干振动能级。同一振动能级又包含若干转动能级。能级又包含若干转动能级。三、基本原理三、基本原理 红红外外区区的的电电磁磁能能量量较较低低，不不足足以以使使分分子子产产生生电电子子能能级级的的跃跃迁迁，只只能能引引起起分分子子的的振振动动和和转转动动能能级级跃跃迁迁，当当物物质质分分子子中中某某个个基基团团的的振振动动频频率率和和红红外外光光的的频频率率一一致致时时，分分子子就就吸吸收收红红外外光光的的能能量量，从从原原来来的的基基态态振振动动能能级级跃跃迁迁到到能能量量较较高高的的振振动动能能级级。红红外外吸吸收收光光谱谱是是由由于于物物质质吸吸收收红红外外光光的的能能量量，引引起起分分子子中中振振动动转转动动能能级级的的跃跃迁迁而而产产生生的的。因因此此，红红外外吸吸收收光光谱是分子的振动、转动光谱。谱是分子的振动、转动光谱。四、红外吸收光谱四、红外吸收光谱物质对红外光的吸收曲线称为红外吸收光谱。物质对红外光的吸收曲线称为红外吸收光谱。红外光谱以红外光谱以T 或或T 来表示。来表示。苯酚的红外光谱苯酚的红外光谱/cm-1设设分分子子的的原原子子数数为为n，对对非非线线型型分分子子,理理论论振动数振动数=3n-6 如如H2O分分子子，其其振振动数为动数为33-6=3 对对线线型型分分子子，理理论论振动数振动数=3n-5 如如CO2分分子子，其其理理论振动数为论振动数为33-5=4理论振动数（峰数）理论振动数（峰数）理理论论上上，多多原原子子分分子子的的振振动动数数应应与与谱谱峰峰数数相相同同，但但实实际际上上，谱谱峰峰数数常常常常少少于于理理论论计计算算出出的的振振动动数数，这是因为：这是因为：a）对对称称性性强强的的分分子子不不出出现现红红外外光光谱谱，如如CO2分分子子的对称伸缩振动；的对称伸缩振动；b）谱谱线线简简并并（振振动动形形式式不不同同，但但其其振振动动频频率率相相同同，如如CO2分子的面内与面外弯曲振动）；分子的面内与面外弯曲振动）；c）仪器分辨率或灵敏度不够，有些谱峰观察不到。）仪器分辨率或灵敏度不够，有些谱峰观察不到。3.谱带强度谱带强度 分分子子对对称称度度高高，振振动动偶偶极极矩矩小小，产产生生的谱带就弱；反之则强。的谱带就弱；反之则强。如如C=C，C-C因因对对称称度度高高，其其振振动动峰峰强强度度小小；而而C=X，C-X，因因对对称称性性低低，其其振振动动峰峰强强度度就就大大。峰峰强强度度可可用用很很强强（vs）、强强（s）、中中（m）、弱弱（w）、很很 弱弱（vw）等来表示。）等来表示。4、红外光谱的分区、红外光谱的分区n官能团区：官能团区：1330-4000cm-1。区内的峰是由区内的峰是由伸缩振动产生的吸收带，比较稀疏，易于伸缩振动产生的吸收带，比较稀疏，易于辨认，常用于鉴定官能团。辨认，常用于鉴定官能团。n指纹区：指纹区：600-1330cm-1，区域谱带特别密区域谱带特别密集，且不同分子有不同的特征，犹如人的集，且不同分子有不同的特征，犹如人的指纹，对于区别结构类似的化合物很有帮指纹，对于区别结构类似的化合物很有帮助。助。5.振动频率振动频率（1）基团频率）基团频率 通通过过对对大大量量标标准准样样品品的的红红外外光光谱谱的的研研究究，处处于于不不同同有有机机物物分分子子的的同同一一种种官官能能团团的的振振动动频频率率是是非非常常相相近近的的，都都在在一一较较窄窄的的频频率率区区间间出出现现吸吸收收谱谱带带，这这种种吸吸收收谱谱带带的的频频率率称称为为基基团团频频率率。这这是是因因为为连连接接原原子子的的主主要要为为价价键键力力，处处于于不不同同分分子子中中的的价价键键力力受受外外界界因因素素的的影影响响有有限限，即即各各基基团团有有其其自自已已特特征征的的吸吸收收谱带。谱带。氢键伸缩振动区：氢键伸缩振动区：4000-2500cm-1 基基团团吸收吸收频频率（率（cm-1）判断判断-OH(游离游离)-OH(缔缔合合)3580-36503200-3400醇、酚、酸等醇、酚、酸等-NH2，-NH（游离）（游离）-NH2，-NH（缔合）（缔合）3300-35003100-3400胺、酰胺等胺、酰胺等-SH2500-2600饱饱和和-CH2800-3000饱饱和和-CH32870-2960饱饱和和-CH22850-2930不不饱饱和和=C-H3010-3040末端末端=C-H3085不不饱饱和和 C-H2890-3300苯苯环环中中C-H3030附近附近基基团团吸收吸收频频率（率（cm-1）-CNN2220-2260-NNN2135-2310-CC-C-2100-2260-C=C=C-1950附近附近叁键和累积双键区叁键和累积双键区（25002000cm-1）双键伸缩振动区双键伸缩振动区（20001500cm-1）基基团团吸收吸收频频率（率（cm-1）判断判断C=C1620-1680判断酮类、酸判断酮类、酸类、酯类、类、酯类、酸酐酸酐芳芳环环中中C=C1600，1580，1500，1450-C=O1600-1850-NO21500-16001250-1300S=O1040-1220部分单键振动区（部分单键振动区（1500-400 cm-1）基基团团吸收吸收频频率（率（cm-1）C-O1000-1300C-O-C900-1150-CH31460101370-1380-CH2146010-NH21560-1650C-F1000-1400C-Cl600-800C-Br500-600C-I500-200=CH2890-910-(CH2)n-，n4720 在在红红外外分分析析中中，通通常常一一个个基基团团有有多多个个振振动动形形式式，同同时时产产生生多多个个谱谱峰峰（基基团团特特征征峰峰及及指指纹纹峰峰），各各类类峰峰之之间间相相互互依依存存、相相互互佐佐证证。通通过过一一系系列列的的峰峰才才能准确确定一个基团的存在。能准确确定一个基团的存在。红红外外光光谱谱分分析析对对气气体体、液液体体、固固体体样样品品都都可可测测定定，具具有有用用量量少少，分分析析速速度度快快、不不破破坏坏试试样样等等特特点点。几几乎乎所所有有的的有有机机化化合合物物在在红红外外光光区区均均有有吸吸收收。红红外外吸吸收收谱谱带带的的波波数数位位置置、波波峰峰的的数数目目及及其其强强度度，反反映映了了分分子子结结构构上上的的特特点点，可可以以用用来来鉴鉴定定未未知知物物的的分分子子结结构构组组成成或或确确定定其其化化学学基基团团；而而吸吸收收谱谱带带的的吸吸收收强强度度与与分分子子组组成成或或其其化化学学基基团团的的含含量量有有关关，可用作定量分析和纯度鉴定。可用作定量分析和纯度鉴定。五、红外光谱法的应用五、红外光谱法的应用1.已知物的鉴定已知物的鉴定 将试样谱图与标准谱图对照或与相关文献将试样谱图与标准谱图对照或与相关文献上的谱图对照。如果两张谱图各吸收峰的位置上的谱图对照。如果两张谱图各吸收峰的位置和形状完全相同，峰的相对强度一样，就可以和形状完全相同，峰的相对强度一样，就可以认定样品是该种标准物。认定样品是该种标准物。红外光谱法广泛应用于有机化合物的定性鉴定和结红外光谱法广泛应用于有机化合物的定性鉴定和结构分析。构分析。六、定性分析六、定性分析2.未知物结构分析未知物结构分析如如果果化化合合物物不不是是新新物物质质，可可将将其其红红外外谱谱图图与与标标准准谱图对照。谱图对照。如如果果化化合合物物为为新新物物质质，则则须须进进行行光光谱谱解解析析，其其步步骤为：骤为：（1）收收集集该该化化合合物物的的有有关关资资料料和和数数据据：试试样样来来源源、熔熔点点、沸沸点点、溶溶解解度度、折折光光率率、旋旋光光率率等等，作作为为定性分析的旁证；定性分析的旁证；（2）不饱和度的计算）不饱和度的计算 通通过过元元素素分分析析得得到到该该化化合合物物的的分分子子式式，并并求求出出其其不不饱和度过饱和度过.n1、n3和和n4分分别别为为分分子子中中所所含含的的一一价价、三三价价和和四四价价元元素原子的数目。素原子的数目。=0 时时，分分子子是是饱饱和和的的，分分子子为为链链状状烷烷烃烃或或其其不不含含双双键的衍生物；键的衍生物；=1 时，分子可能有一个双键或脂环；时，分子可能有一个双键或脂环；=3 时，分子可能有两个双键或脂环；时，分子可能有两个双键或脂环；=4 时，分子可能有一个苯环。时，分子可能有一个苯环。一些杂原子如一些杂原子如S、O不参加计算。不参加计算。（3）查查找找基基团团频频率率，推推测测分分子子可可能能的的基基团团；图图谱谱解解析析一一般般从从基基团团频频率率区区最最强强谱谱带带入入手手，推推测测未未知知物物可可能能含含有有的的基基团团，判判断断不不可可能能含含有有的的基基团。团。（4）从从红红外外指指纹纹区区的的谱谱带带来来进进一一步步验验证证，推推出出可可能能含含有有基基团团的的相相关关峰峰，用用一一组组相相关关峰峰来来确确认认一个基团的存在；一个基团的存在；（5）能能过过其其它它定定性性方方法法进进一一步步确确证证：UV-Vis、MS、NMR、Raman等。等。七、仪器设备七、仪器设备目前主要有两类红外光谱仪：目前主要有两类红外光谱仪：色散型红外光谱仪色散型红外光谱仪 Fourier变换红外光谱仪变换红外光谱仪色散型色散型红外光谱仪红外光谱仪：与双光束：与双光束UV-Vis仪仪器类似，但部件材料和顺序不同。器类似，但部件材料和顺序不同。傅立叶红外光谱仪：傅立叶红外光谱仪：利用光的相干性原理而设计的利用光的相干性原理而设计的干涉型红外分光光度仪。干涉型红外分光光度仪。Fourier变换红外光谱仪工作原理示意图变换红外光谱仪工作原理示意图光源干涉仪干涉仪试试样样检测检测器器电子计算机电子计算机红外光谱红外光谱干涉图干涉图1、光源：常用的是硅碳棒、高压汞灯，用电加热使之发射高强、光源：常用的是硅碳棒、高压汞灯，用电加热使之发射高强度的连续红外辐射。度的连续红外辐射。2、干涉仪：核心部分。它将光源来的信号以干涉图的形式送往、干涉仪：核心部分。它将光源来的信号以干涉图的形式送往计算机进行计算机进行Fourier变换的数学处理，最后将干涉图还原成透射变换的数学处理，最后将干涉图还原成透射比随波数变化的普通红外光谱图。比随波数变化的普通红外光谱图。八、试样制备八、试样制备1、对试样的要求、对试样的要求红红外外光光谱谱的的试试样样可可以以是是气气体体、液液体体或或固固体体，应应符符合合以以下要求：下要求：（1）试试样样应应为为单单一一组组分分的的纯纯物物质质，纯纯度度98%。通通常常在分析前，样品需要纯化；在分析前，样品需要纯化；对于对于GC-FTIR则无此要求。则无此要求。（2）试试样样不不应应含含有有游游离离水水（水水可可产产生生红红外外吸吸收收且且可可侵侵蚀盐窗）；蚀盐窗）；（3）试试样样浓浓度度或或厚厚度度应应适适当当，以以使使T在在合合适适范范围围10%-80%。2、制样方法、制样方法液体或溶液试样液体或溶液试样:（1）沸点低易挥发的样品：液体池法。）沸点低易挥发的样品：液体池法。（2）高沸点的样品：液膜法（夹于两盐片之间）。）高沸点的样品：液膜法（夹于两盐片之间）。（3）固体样品可溶于）固体样品可溶于CS2或或CCl4等无强吸收的溶等无强吸收的溶液中。液中。固体试样固体试样:（1）压片法：）压片法：12mg试试样样+200mg 纯纯KBr干燥干燥处理处理研细研细置于模具中置于模具中混合压成透明薄片混合压成透明薄片直接测定；直接测定；（2）石蜡糊法：试样）石蜡糊法：试样干燥干燥磨细磨细与液体石与液体石蜡混合蜡混合夹于盐片间；夹于盐片间；(石蜡为高碳数饱和烷烃，石蜡为高碳数饱和烷烃，因此该法不适于研究饱和烷烃因此该法不适于研究饱和烷烃)。（3）薄膜法）薄膜法高分子化合物的测定：高分子化合物的测定：高分子试样高分子试样加热熔融加热熔融涂制或压制成膜；涂制或压制成膜；高分子试样高分子试样溶于低沸点溶剂溶于低沸点溶剂涂渍于盐片涂渍于盐片挥发除溶剂挥发除溶剂