红外吸收光谱法 (2).pptx

1分子中基团的振动和转动能级跃迁产生：振分子中基团的振动和转动能级跃迁产生：振-转光谱转光谱第一节第一节 概述概述辐射分子振动能级跃迁红外光谱官能团分子结构近红外区中红外区远红外区第1页/共97页2第2页/共97页3红外光谱图红外光谱图：纵坐标为吸收强度，横坐标为波长（m）和波数=1/=104/(m)单位：cm-1可以用峰数，峰位，峰形，峰强来描述。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第3页/共97页4UV-VIS与与IR的区别：的区别：1.UV是电子光谱，吸收的光子能量大，频率高；IR是振转光谱，吸收的光子频率较低。2.IR光谱除单原子分子和同核分子如Ne,He,O2等少数分子外，几乎所有的有机化合物都能应用。3.IR光谱具有高度的特征性，广泛的应用于分子结构的基础研究和化学组成的分析上，是鉴定化合物和测定分子结构最有用的手段之一，但定量手段较弱v本章中吸收峰的频率习惯上用波数表示本章中吸收峰的频率习惯上用波数表示第4页/共97页5一、满足两个条件：一、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，红红外活性外活性。偶极子在交变电场中的作用示意图第二节 IR的基本原理第5页/共97页6基频峰基频峰：由基态振动能级跃迁到第一振动激发态所产生的吸收峰。倍频峰倍频峰：由基态振动能级跃迁到第二、三等振动激发态所产生的吸收峰。第6页/共97页7二、分子振动方程式二、分子振动方程式分子的振动能级（量子化）：分子的振动能级（量子化）：E振振=（+1/2）h ：振动量子数；振动量子数；：化学键的振动频率。化学键的振动频率。双原子分子的简谐振动及其频率双原子分子的简谐振动及其频率化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧第7页/共97页8 任意两个相邻的能级间的能量差为：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，化学键的力常数，与键能和键长有关，为双原子的折合质量为双原子的折合质量 =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。折合质量和键的力常数，即取决于分子的结构特征。第8页/共97页9表表 某些键的伸缩力常数（毫达因某些键的伸缩力常数（毫达因/埃）埃）键类型键类型 C C C=C C C 力常数力常数 15 17 9.5 9.9 4.5 5.6峰位峰位 4.5 m 6.0 m 7.0 m 化学键键强越强（即键的力常数化学键键强越强（即键的力常数K越大）原子折合质量越大）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。越小，化学键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区。第9页/共97页10 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第10页/共97页11三、分子中基团的基本振动形式三、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 亚甲基亚甲基第11页/共97页122.分子的振动自由度分子的振动自由度v基本振动的数目称为振动自由度振动自由度。v在x,y,z的空间里，分子的运动状态可分为平动，转动和振动，其运动总数为3N个，其中包括3个平动自由度和3个转动自由度，故其非线性分子中振动自由度（3N6）个。线性分子中只有2个转动自由度，其振动自由度为（3N5）个。v理论上，一个振动自由度产生一个红外吸收峰，但由于有的振动是非红外活性的，故不产生吸收峰，这也是实际吸收峰数减少的原因之一。第12页/共97页13例水分子例水分子（非对称分子）（非对称分子）3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）。（2）峰数）峰数 峰数与分子自由度有关。无瞬间偶基矩变化时，无红外吸收。第13页/共97页14 在红外光谱区均产生一个吸收峰，但是实际上峰数在红外光谱区均产生一个吸收峰，但是实际上峰数往往少于基本振动数目。其原因：往往少于基本振动数目。其原因：i 当振动过程中分子不发生瞬间偶极矩变化时，不引起红外吸收；ii 频率完全相同的振动彼此发生简并；iii 强宽峰往往要覆盖与它频率相近的弱而窄的吸收峰；iv 吸收峰有时落在中红外区域（4 000250cm-1）以外；v 吸收强度太弱，以致无法测定。第14页/共97页15例例2CO2分子分子（有一种振动无红外（有一种振动无红外活性）活性）（4）由基态跃迁到第一激发态，产生一个强的吸收峰，基）由基态跃迁到第一激发态，产生一个强的吸收峰，基频峰；频峰；（5）由基态直接跃迁到第二激发态，产生一个弱的吸收峰，）由基态直接跃迁到第二激发态，产生一个弱的吸收峰，倍频峰；倍频峰；（3）瞬间偶基距变化大，吸收峰强；键两端原子电负性相）瞬间偶基距变化大，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；差越大（极性越大），吸收峰越强；第15页/共97页16 （CH3）1460 cm-1，1375 cm-1。（CH3）2930 cm-1，2850cm-1。C2H4O1730cm-11165cm-12720cm-1HHHHOCC第16页/共97页17四、红外吸收峰强度四、红外吸收峰强度问题问题：C=O 强；强；C=C 弱；为什么？弱；为什么？吸收峰强度吸收峰强度跃迁几率跃迁几率偶极矩变化偶极矩变化吸收峰强度吸收峰强度 偶极矩的平方偶极矩的平方偶极矩变化偶极矩变化结构对称性；结构对称性；对称性差对称性差偶极矩变化大偶极矩变化大吸收峰强度大吸收峰强度大符号：符号：vs(非常强）；非常强）；s(强强)；m(中中)；w(弱弱)红外吸收峰强度比紫外吸收峰小红外吸收峰强度比紫外吸收峰小23个数量级；个数量级；第17页/共97页18一、红外吸收光谱的特征性一、红外吸收光谱的特征性 与一定结构单元相联系的、在一定范围内出现的化学键振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动频率基团特征频率（特征峰）基团特征频率（特征峰）；例：例：2800 3000 cm-1 CH3 特征峰特征峰；1600 1850 cm-1 C=O 特征峰特征峰；基团所处化学环境不同，特征峰出现位置变化：基团所处化学环境不同，特征峰出现位置变化：CH2COCH2 1715 cm-1 酮酮CH2COO 1735 cm-1 酯酯CH2CONH 1680 cm-1 酰胺酰胺第三节第三节 基团频率和特征吸收峰基团频率和特征吸收峰第18页/共97页19 红外光谱区可分成4 0001 300cm-1和1 300600cm-1两个区域。基团频率区在4 0001 300cm-1之间，这一区域称为基团频率区基团频率区、官能团区官能团区或特征频率区。区内的峰是由伸缩振动产生的吸收带，常用于鉴定官能团。在1300600cm-1区域中,除单键的伸缩振动外,还有因变形振动产生的复杂光谱。当分子结构稍有不同时,该区的吸收就有细微的差异。这种情况就象每个人都有不同的指纹一样,因而称为指纹区指纹区。红外光谱信息区红外光谱信息区:官能团区和指纹区官能团区和指纹区第19页/共97页20(1)4000 2500 cm-1 XH伸缩振动区（伸缩振动区（X=O，H，N，C，S）O-H在在36503200 cm-1,是判断醇类酚类、有机酸类是否存在的重是判断醇类酚类、有机酸类是否存在的重要依据；要依据；COO-H在在36002500 cm-1，N-H 在在35003300 cm-1，为，为中等强度的尖峰；中等强度的尖峰；炔氢出现在炔氢出现在3300 cm-1附近；通常附近；通常,若在若在3000 cm-1以上有以上有C-H吸收峰吸收峰,可以预料化合物是不饱和的可以预料化合物是不饱和的=CH；若在小于；若在小于3000 cm-1有吸收有吸收,则则预示化合物是饱和的预示化合物是饱和的。(2)2500 2000 cm-1 三键，累积双键伸缩振动区三键，累积双键伸缩振动区主主要要包包括括C C、C N等等三三键键的的不不对对称称伸伸缩缩振振动动,以以及及累累积积双双键键的的 -C=C=C，-C=C=O不不对对称称伸伸缩缩振振动动。此此外外SH、SiH、PH、BH的伸缩振动也出现在这个区域。的伸缩振动也出现在这个区域。1 官能团区官能团区第20页/共97页21(3)2000 1500 cm-1 双键伸缩振动区双键伸缩振动区CO(酰卤、酸、酯、醛、酮、酰胺等酰卤、酸、酯、醛、酮、酰胺等)出现在出现在1820-1600 cm-1,强峰，强峰，而且是谱图的第一强峰，是判别有无羰基化合物的主要依据，波数大而且是谱图的第一强峰，是判别有无羰基化合物的主要依据，波数大小：酰卤小：酰卤酸酐酸酐酯酯酮类、醛酮类、醛酸酸酰胺；酰胺；CC、CN、N=O的伸缩的伸缩振动出现在振动出现在 1675-1500 cm-1；分子比较对称时；分子比较对称时,C=C的吸收峰很弱。的吸收峰很弱。(4)1500 1300 cm-1 主要提供主要提供C-H变形振动的信息变形振动的信息CH3约在约在1380和和1460cm-1同时吸收，当前一吸收峰发生分叉时表同时吸收，当前一吸收峰发生分叉时表示偕二甲基存在，示偕二甲基存在，CH2仅在仅在1470cm-1左右有吸收。左右有吸收。第21页/共97页22（l）1300900 cm-1 单键伸缩振动区单键伸缩振动区这这一一区区域域包包括括CO、CN、CF、CP、CS、PO、SiO等等键键的的伸伸缩振动和缩振动和C=S、S=O、P=O等双键的伸缩振动吸收。等双键的伸缩振动吸收。1375甲甲基基的的对对称称弯弯曲曲振振动动；C-O的的伸伸缩缩振振动动在在1300-1050cm-1，包包括括醇醇、酚酚、醚醚、羧羧酸酸、酯酯等等，为为该该区区的的最最强强吸吸收收峰峰。醇醇1100-1050，酚酚1250-1100，酯酯1240-1160反对称、反对称、1160-1050对称。对称。（2）900600 cm-1 苯环面外弯曲振动出现在此区域苯环面外弯曲振动出现在此区域此区域的吸收峰与环的取代位置有关。此区域的吸收峰与环的取代位置有关。该区的某些吸收峰可用来确认化合物的顺反构型。该区的某些吸收峰可用来确认化合物的顺反构型。RCH=CH2结构，在结构，在990和和910cm-1出现出现2个强峰；个强峰；RC=CRH其顺反构型出现在其顺反构型出现在690和和970cm-1处。处。这这一区域的吸收峰是很有用的。例如一区域的吸收峰是很有用的。例如,可以指示可以指示（CH2）n的存在。实验证的存在。实验证明明,当当 n 4时时,CH2的平面摇摆振动吸收出现在的平面摇摆振动吸收出现在 722 cm-1,随着随着n的减小的减小,逐逐渐移向高波数。渐移向高波数。2 指纹区指纹区第22页/共97页23第23页/共97页24二、分子结构与吸收峰二、分子结构与吸收峰1 XH伸缩振动区（伸缩振动区（4000 2500 cm-1）（1）OH 3650 3200 cm-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，强吸收；当浓度较大时，发生缔合作用，峰形较宽。注意区分NH伸缩振动：3500 3300 cm-1 第24页/共97页25（3）不饱和碳原子上的）不饱和碳原子上的=CH（CH）苯环上的CH 3030 cm-1 =CH 3010 3060 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 2870 cm-1 对称伸缩振动 CH2 2930 cm-1 反对称伸缩振动 2850 cm-1 对称伸缩振动 CH 2890 cm-1 弱吸收3000 cm-1 以下第25页/共97页26X-H伸缩振动（伸缩振动（X=O、N、C）O H伸伸 缩缩：3200-3650cm-1N H伸伸 缩缩：3300-3500cm-1C H伸伸 缩缩：3 0 0 0 c m-1饱饱和和C 的的 C H：3000cm-1第26页/共97页27OH伸缩振动伸缩振动峰峰游离游离 OH缔合缔合 OH3600(中中)3300(强强,宽宽)第27页/共97页28NH伸缩振动伸缩振动NH2 NH3200（中）（中）3400（中）（中）3300（中）（中）第28页/共97页29CH伸缩振动（不饱和伸缩振动（不饱和C）烯烯苯苯30803080（中）（中）30303030（弱）（弱）第29页/共97页302 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；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，无红外活性时，无红外活性（2）RC N （2100 2140 cm-1）非共轭非共轭 2240 2260 cm-1 共轭共轭 2220 2230 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30页/共97页31 叁键伸缩振动叁键伸缩振动炔炔CC CN OCO (反对称体反对称体)2140(中中)2240(中中)2350(中中)第31页/共97页323 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，强度弱，R=R（对称（对称）时，时，无红外活性。无红外活性。（2）单核芳烃）单核芳烃 的的C=C键伸缩振动（键伸缩振动（1626 1650 cm-1）第32页/共97页33双键伸缩振动双键伸缩振动羰基羰基芳环芳环C=C 双双键键1740（强）（强）1600（中）（中）1500（中）（中）1640（强）（强）第33页/共97页34C-H弯曲振动弯曲振动CH3 CCH3 CH3 CH2 14601380（中）（中）1460（中）（中）第34页/共97页35取代苯取代苯C-H弯曲弯曲单单 取取 代代：7 77 70 0-7 73 30 0,7 71 10 0-6 69 90 01 1,2 2取取 代代：7 77 70 01 1,3 3取取 代代：8 81 10 0-7 75 50 0,7 71 10 0-6 69 90 01 1,4 4取取代代：8 8 3 3 0 0-8 8 1 1 0 01,3,5取取代代：9 9 1 1 0 0-8 8 4 4 0 01 1,2 2,4 4取取代代：8 81 10 0,8 85 50 0-9 90 00 0第35页/共97页36苯衍生物的苯衍生物的C=C苯衍生物在苯衍生物在 1650 2000 cm-1 出现出现 C-H和和C=C键的面内变形振动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。的泛频吸收（强度弱），可用来判断取代基位置。20001600第36页/共97页37苯衍生物的红外光谱图苯衍生物的红外光谱图第37页/共97页38（3）C=O（1850 1600 cm-1）碳氧双键的特征峰，强度大，峰尖锐。碳氧双键的特征峰，强度大，峰尖锐。饱和醛饱和醛(酮酮)1740-1720 cm-1；强、尖；不饱和向低波移动；强、尖；不饱和向低波移动；醛，酮的区分？醛，酮的区分？第38页/共97页39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；第39页/共97页404.XY，XH 变形振动区变形振动区 3000 cmcm-1-1)3080 cmcm-1-1 3030 cmcm-1-1 3080 cmcm-1-1 3030 cmcm-1-1 3300 cmcm-1-1 （C-HC-H）3080-3030 cmcm-1-1 2900-2800 cmcm-1-1 3000 cmcm-1-1 第70页/共97页71b)C=C 伸缩振动伸缩振动(1680-1630 cmcm-1-1 )1660cmcm-1-1 分界线分界线（C=CC=C）反式烯反式烯三取代烯三取代烯四取代烯四取代烯1680-1665 cmcm-1-1 弱，尖弱，尖顺式烯顺式烯乙烯基烯乙烯基烯亚乙烯基烯亚乙烯基烯1660-1630cmcm-1-1 中强，尖中强，尖第71页/共97页72 分界线1660cmcm-1-1 顺强，反弱 四取代（不与O，N等相连）无（C=CC=C）峰 端烯的强度强 共轭使（C=CC=C）下降20-30 cmcm-1-1 2140-2100cmcm-1-1 （弱）（弱）2260-2190 cmcm-1-1 （弱）（弱）总结总结第72页/共97页73c)C-H 变形振动变形振动(1000-700 cmcm-1-1 )面内变形（=C-H）1400-1420 cmcm-1-1 （弱）（弱）面外变形（=C-H）1000-700 cmcm-1-1 （有价值）（有价值）（=C-H）970 cmcm-1-1（强）（强）790-840 cmcm-1-1 （820 cmcm-1-1）610-700 cmcm-1-1（强）（强）2：1375-1225 cmcm-1-1（弱）（弱）（=C-H）800-650 cmcm-1-1（690 690 cm-cm-1 1）990 cmcm-1-1910910 cmcm-1-1 （强）（强）2：1850-1780 cmcm-1-1 890 cmcm-1-1（强）（强）2：1800-1780 cmcm-1-1 第73页/共97页74谱图谱图第74页/共97页75第75页/共97页76对比对比烯烃顺反异构体烯烃顺反异构体第76页/共97页773.醇（醇（OH）OH，COa)-OH 伸缩振动伸缩振动(3600 cmcm-1-1)b)碳氧伸缩振动碳氧伸缩振动(1100 cmcm-1-1)游离醇，酚伯-OH 3640cmcm-1-1仲-OH 3630cmcm-1-1叔-OH 3620cmcm-1-1酚-OH 3610cmcm-1-1（OH）（C-OC-O）1050 cmcm-1-11100 cmcm-1-11150 cmcm-1-11200 cmcm-1-1支化：-15 cmcm-1-1不饱和：-30 cmcm-1-1第77页/共97页78OH基团特性基团特性 双分子缔合（二聚体）3550-3450 cmcm-1-1多分子缔合（多聚体）3400-3200 cmcm-1-1分子内氢键：分子内氢键：分子间氢键：分子间氢键：多元醇（如1，2-二醇）3600-3500 cmcm-1-1螯合键（和C=O，NO2等）3200-3500 cmcm-1-1多分子缔合（多聚体）3400-3200 cmcm-1-1 分子间氢键随浓度而变，分子间氢键随浓度而变，而分子内氢键不随浓度而变。而分子内氢键不随浓度而变。水（溶液）水（溶液）3710 cmcm-1-1水（固体）水（固体）3300cm-13300cm-1结晶水结晶水 3600-3450 cm3600-3450 cm-1-1第78页/共97页793515cm-10 001M01M01M025M10M3640cm-13350cm-1 乙醇在四氯化碳中不同浓度的乙醇在四氯化碳中不同浓度的IR图图2950cm-12895 cm-1第79页/共97页80第80页/共97页81第81页/共97页82脂族和环的C-O-C asas 1150-1070cmcm-1-1 芳族和乙烯基的=C-O-Casas 1275-1200cmcm-1-1（1250cmcm-1-1）s s 1075-1020cmcm-1-14.醚（醚（COC）脂族 R-OCH3 s s(CH3)2830-2815cmcm-1-1 芳族 Ar-OCH3 s s(CH3)2850cmcm-1-1 第82页/共97页835醛、酮醛、酮第83页/共97页84醛醛第84页/共97页85第85页/共97页866 6羧酸及其衍羧酸及其衍生物生物羧酸的红外光谱图羧酸的红外光谱图第86页/共97页87酰胺的红外光谱图酰胺的红外光谱图第87页/共97页88不同酰胺吸收峰数据不同酰胺吸收峰数据第88页/共97页89酸酐和酸酐和酰氯的酰氯的红外光红外光谱图谱图第89页/共97页90氰基化合物氰基化合物的红外光谱的红外光谱图图CNCN=2275-2220cm=2275-2220cm-1-1第90页/共97页91硝基化合物的硝基化合物的红外光谱图红外光谱图AS AS（N=ON=O）=1565-1545cm=1565-1545cm-1-1S S（N=ON=O）=1385-1350cm=1385-1350cm-1-1脂肪族脂肪族芳香族芳香族S S（N=ON=O）=1365-1290cm=1365-1290cm-1-1AS AS（N=ON=O）=1550-1500cm=1550-1500cm-1-1第91页/共97页92二、未知物结构确定二、未知物结构确定structure determination of compounds1.未知物第92页/共97页932.推测推测C4H8O2的结构的结构解：解：1）=1-8/2+4=1 2）峰归属）峰归属 3）可能的结构）可能的结构第93页/共97页943.推测推测C8H8纯液体纯液体解：解：1）=1-8/2+8=52）峰归属）峰归属 3）可能的结构）可能的结构 第94页/共97页95苯衍生物的红外光谱图苯衍生物的红外光谱图第95页/共97页964.C8H7N，确定结构，确定结构解：解：1）=1-（1-7）/2+8=6 2）峰归属）峰归属 3）可能的结构）可能的结构第96页/共97页井冈山大学化学化工学院97感谢您的观看。感谢您的观看。第97页/共97页