红外吸收光谱分析法FTIR.ppt

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1、红外吸收光谱分析法红外吸收光谱分析法第一节第一节 红外吸收光谱分析概述红外吸收光谱分析概述红外光谱又称分子振动转动光谱，属分子吸收光谱。样品受到频红外光谱又称分子振动转动光谱，属分子吸收光谱。样品受到频红外光谱又称分子振动转动光谱，属分子吸收光谱。样品受到频红外光谱又称分子振动转动光谱，属分子吸收光谱。样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收其中一些频率的辐射，分率连续变化的红外光照射时，分子吸收其中一些频率的辐射，分率连续变化的红外光照射时，分子吸收其中一些频率的辐射，分率连续变化的红外光照射时，分子吸收其中一些频率的辐射，分子振动或转动引起偶极矩的净变化，使振子振动或转动引起偶极矩的净

2、变化，使振子振动或转动引起偶极矩的净变化，使振子振动或转动引起偶极矩的净变化，使振-转能级从基态跃迁到转能级从基态跃迁到转能级从基态跃迁到转能级从基态跃迁到激发态，相应于这些区域的透射光强减弱，记录百分透过率激发态，相应于这些区域的透射光强减弱，记录百分透过率激发态，相应于这些区域的透射光强减弱，记录百分透过率激发态，相应于这些区域的透射光强减弱，记录百分透过率T%T%对波数或波长的曲线，即红外光谱。对波数或波长的曲线，即红外光谱。对波数或波长的曲线，即红外光谱。对波数或波长的曲线，即红外光谱。一、红外光的分区一、红外光的分区一、红外光的分区一、红外光的分区红外线红外线红外线红外线：波长在：波

3、长在0.76500m(1000m)0.76500m(1000m)范围内的电磁波称为红外线。范围内的电磁波称为红外线。近红外区：近红外区：近红外区：近红外区：0.782.5m 0.782.5m （12820-4000cm12820-4000cm-1-1）OH OH和和和和NHNH倍频吸收区倍频吸收区倍频吸收区倍频吸收区中红外区：中红外区：中红外区：中红外区：2.525m 2.525m（4000-400cm4000-400cm-1-1 ）基团的基频振动、伴随转动光谱基团的基频振动、伴随转动光谱基团的基频振动、伴随转动光谱基团的基频振动、伴随转动光谱远红外区：远红外区：远红外区：远红外区：25500

4、m 25500m（400-20cm400-20cm-1-1 ）纯转动光谱纯转动光谱纯转动光谱纯转动光谱 中红外区能很好的反应分子内部结构，对解决分子结构和化学组成中的各种问题最为有效，因而是红外光谱中应用最为广泛的区域，一般所说的红外光谱大都指这一范围的光谱。1 红外吸收光谱分析红外吸收光谱分析通常红外光谱中习惯使用波数来表示波带的位置，代表每厘米的包含的电磁波波数。二、红外光谱的作用二、红外光谱的作用1 1可以确定化合物的类别（芳香类）可以确定化合物的类别（芳香类）2 2确定官能团：确定官能团：例：例：COCO，CCCC，CCCC3 3推测分子结构（简单化合物）推测分子结构（简单化合物）4

5、4定量分析定量分析三、红外光谱图表示形式的意义三、红外光谱图表示形式的意义C=O-CH -CH3Ar-HAr-HC=C-CH3CH苯红外吸收光谱的产生的条件红外吸收光谱的产生的条件红外光谱主要由分子的振动能级跃迁产生红外光谱主要由分子的振动能级跃迁产生分子的振动能级差远大于转动能级差分子的振动能级差远大于转动能级差分子发生振动能级跃迁必然同时伴随转动能级跃迁分子发生振动能级跃迁必然同时伴随转动能级跃迁1振动能级振动能级2 2 红外分光光度法基本原理红外分光光度法基本原理2 分子振动模型(1)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K化学键力

6、学常数化学键力学常数折合质量折合质量（2）多原子分子的振动模型）多原子分子的振动模型伸缩振动伸缩振动 亚甲基：亚甲基：变形振动变形振动 亚甲基亚甲基分子振动模型振动的类型和表示方法一、一、伸缩振动伸缩振动伸缩振动伸缩振动 指键长沿键轴方向发生周期性变化的振动指键长沿键轴方向发生周期性变化的振动1 1对称伸缩振动：键长沿键轴方向的运动同时发生对称伸缩振动：键长沿键轴方向的运动同时发生 2 2反称伸缩振动：键长沿键轴方向的运动交替发生反称伸缩振动：键长沿键轴方向的运动交替发生分子振动的形式（多原子分子）分子振动的形式（多原子分子）二、二、弯曲振动弯曲振动弯曲振动弯曲振动（变形振动，变角振动）：（变

7、形振动，变角振动）：指键角发生周期性变化、而键长不变的振动指键角发生周期性变化、而键长不变的振动1 1面内弯曲振动面内弯曲振动：弯曲振动发生在由几个原子构成的平面内弯曲振动发生在由几个原子构成的平面内 1 1）剪式振动）剪式振动：振动中键角的变化类似剪刀的开闭：振动中键角的变化类似剪刀的开闭 2 2）面内摇摆）面内摇摆：基团作为一个整体在平面内摇动：基团作为一个整体在平面内摇动 2 2面外弯曲面外弯曲：弯曲振动垂直几个原子构成的平面：弯曲振动垂直几个原子构成的平面1 1）面外摇摆）面外摇摆：两个：两个X X原子同时向面下或面上的振动原子同时向面下或面上的振动 2 2）蜷曲）蜷曲：一个：一个X

8、X原子在面上，一个原子在面上，一个X X原子在面下的原子在面下的 振动振动 3 3变形振动：变形振动：1 1）对称的变形振动）对称的变形振动s s：三个：三个AXAX键与轴线的夹角同时键与轴线的夹角同时 变大变大 2 2）不对称的变形振动）不对称的变形振动asas：三个：三个AXAX键与轴线的夹角不键与轴线的夹角不 同时变大或减小同时变大或减小3基频峰与泛频峰基频峰与泛频峰a a）基频峰：基频峰：基频峰：基频峰：分子吸收一定频率红外线，振动能级从分子吸收一定频率红外线，振动能级从 基态跃迁至第一振动激发态产生的吸收峰基态跃迁至第一振动激发态产生的吸收峰 （即（即=0=0 1 1产生的峰）产生的

9、峰）基频峰的峰位等于分子的振动频率基频峰的峰位等于分子的振动频率基频峰强度大基频峰强度大红外主要吸收峰红外主要吸收峰 泛泛 倍频峰倍频峰 二倍频峰（二倍频峰（=0=0=2=2）频频 三倍频峰（三倍频峰（=0=0=3=3）峰峰 合频峰合频峰 差频峰（即差频峰（即=1=1=2=2，3-3-产生的峰）产生的峰）b b）泛频峰）泛频峰）泛频峰）泛频峰倍频峰：倍频峰：倍频峰：倍频峰：分子的振动能级从基态跃迁至第二振动激分子的振动能级从基态跃迁至第二振动激发态、第三振动激发态等高能态时所产生的吸收峰发态、第三振动激发态等高能态时所产生的吸收峰（即（即=1=1 =2=2，3-3-产生的峰）产生的峰）注：泛频

10、峰强度较弱，难辨认注：泛频峰强度较弱，难辨认却增加了光谱特征性却增加了光谱特征性4 4红外光谱产生条件：红外光谱产生条件：v红外活性振动：红外活性振动：红外活性振动：红外活性振动：分子振动产生偶极矩的变化，分子振动产生偶极矩的变化，从而产生红外吸收的性质从而产生红外吸收的性质v红外非活性振动：红外非活性振动：红外非活性振动：红外非活性振动：分子振动不产生偶极矩的变化，分子振动不产生偶极矩的变化，不产生红外吸收的性质不产生红外吸收的性质分子吸收红外辐射的频率恰等于分子振动频率整数倍分子吸收红外辐射的频率恰等于分子振动频率整数倍分子在振、转过程中的净偶极矩的变化不为分子在振、转过程中的净偶极矩的变

11、化不为0 0，即分子产生红外活性振动，且辐射与分子振动发生即分子产生红外活性振动，且辐射与分子振动发生 能量耦合。能量耦合。振振动动自自由由度度反反映映吸吸收收峰峰数数量量 ;吸吸收收峰峰数数常常少少于于振振动动自自由由度度数数;发发发发生了简并生了简并生了简并生了简并即振动频率相同的峰重叠即振动频率相同的峰重叠即振动频率相同的峰重叠即振动频率相同的峰重叠,红外非活性振动红外非活性振动红外非活性振动红外非活性振动实实实实际际际际工工工工作作作作中中中中简简简简正正正正振振振振动动动动频频频频率率率率不不不不上上上上理理理理论论论论计计计计算算算算，而而而而是是是是通通通通过过过过试试试试验验验

12、验测测测测定定定定，归归归归纳成规律。纳成规律。纳成规律。纳成规律。5 5 振动的自由度振动的自由度振动的自由度振动的自由度指分子独立的振动数目，或基本的振动数目指分子独立的振动数目，或基本的振动数目N N个原子组成分子，每个原子在空间具三个自由度个原子组成分子，每个原子在空间具三个自由度6 红外光谱的特征（1 1）谱带数（）谱带数（）谱带数（）谱带数（absorption bands number)absorption bands number)谱带数与分子自由度有关，谱带数与分子自由度有关，谱带数与分子自由度有关，谱带数与分子自由度有关，基频谱带和泛频谱带。无瞬间偶基距变化时，无红外吸收。

13、基频谱带和泛频谱带。无瞬间偶基距变化时，无红外吸收。基频谱带和泛频谱带。无瞬间偶基距变化时，无红外吸收。基频谱带和泛频谱带。无瞬间偶基距变化时，无红外吸收。（2 2）谱带位置（）谱带位置（）谱带位置（）谱带位置（absorption bands location)absorption bands location)每一个基团的振动都有特征每一个基团的振动都有特征每一个基团的振动都有特征每一个基团的振动都有特征振动频率，在红外光谱图中表现出特征的吸收谱带位置。化学键的力常振动频率，在红外光谱图中表现出特征的吸收谱带位置。化学键的力常振动频率，在红外光谱图中表现出特征的吸收谱带位置。化学键的力常振

14、动频率，在红外光谱图中表现出特征的吸收谱带位置。化学键的力常数数数数k k 越大，原子折合质量越小，键的振动频率越大，吸收带将出现在高越大，原子折合质量越小，键的振动频率越大，吸收带将出现在高越大，原子折合质量越小，键的振动频率越大，吸收带将出现在高越大，原子折合质量越小，键的振动频率越大，吸收带将出现在高波数区（短波长区）；反之，出现在低波数区（高波长区）。波数区（短波长区）；反之，出现在低波数区（高波长区）。波数区（短波长区）；反之，出现在低波数区（高波长区）。波数区（短波长区）；反之，出现在低波数区（高波长区）。(3(3）谱带形状（谱带形状（谱带形状（谱带形状（absorption ba

15、nds shape)absorption bands shape)分析的化合物越纯，吸收谱带分析的化合物越纯，吸收谱带分析的化合物越纯，吸收谱带分析的化合物越纯，吸收谱带越尖锐，对称性越好；若是混合物，则谱带会出现重叠、加宽，对称性越尖锐，对称性越好；若是混合物，则谱带会出现重叠、加宽，对称性越尖锐，对称性越好；若是混合物，则谱带会出现重叠、加宽，对称性越尖锐，对称性越好；若是混合物，则谱带会出现重叠、加宽，对称性破坏。破坏。破坏。破坏。（4 4）谱带强度（）谱带强度（）谱带强度（）谱带强度（absorption bands intensity)absorption bands intensi

16、ty)键两端原子电负性相差越大键两端原子电负性相差越大键两端原子电负性相差越大键两端原子电负性相差越大（极性越大），吸收峰越强；由基态跃迁到第一激发态，产生一个强的（极性越大），吸收峰越强；由基态跃迁到第一激发态，产生一个强的（极性越大），吸收峰越强；由基态跃迁到第一激发态，产生一个强的（极性越大），吸收峰越强；由基态跃迁到第一激发态，产生一个强的吸收峰，基频峰；由基态直接跃迁到第二激发态，产生一个弱的吸收峰，吸收峰，基频峰；由基态直接跃迁到第二激发态，产生一个弱的吸收峰，吸收峰，基频峰；由基态直接跃迁到第二激发态，产生一个弱的吸收峰，吸收峰，基频峰；由基态直接跃迁到第二激发态，产生一个弱的吸

17、收峰，倍频峰。倍频峰。倍频峰。倍频峰。第二节 红外光谱的应用 红外光谱的最大特点是具有特征性，谱图上的每红外光谱的最大特点是具有特征性，谱图上的每红外光谱的最大特点是具有特征性，谱图上的每红外光谱的最大特点是具有特征性，谱图上的每个吸收峰代表了分子中某个基团的特定振动形式。个吸收峰代表了分子中某个基团的特定振动形式。个吸收峰代表了分子中某个基团的特定振动形式。个吸收峰代表了分子中某个基团的特定振动形式。据此进行化合物的定性分析和定量分析。广泛应据此进行化合物的定性分析和定量分析。广泛应据此进行化合物的定性分析和定量分析。广泛应据此进行化合物的定性分析和定量分析。广泛应用于石油化工、生物医药、环

18、境监测等方面。用于石油化工、生物医药、环境监测等方面。用于石油化工、生物医药、环境监测等方面。用于石油化工、生物医药、环境监测等方面。1.1.定性分析定性分析定性分析定性分析（1 1）已知物的鉴定）已知物的鉴定 在得到试样的红外谱图后，在得到试样的红外谱图后，与纯物质的谱图进行比较，如果谱图中峰位、峰与纯物质的谱图进行比较，如果谱图中峰位、峰形和峰的相对强度都一致，即可认为是同一物质。形和峰的相对强度都一致，即可认为是同一物质。（2 2）未知物的鉴定）未知物的鉴定 是红外光谱法定性分析的一是红外光谱法定性分析的一个重要用途，涉及到图谱的解析。个重要用途，涉及到图谱的解析。烷烃烷烃烷烃烷烃 1.

19、C-H1.C-H伸缩振动伸缩振动 2.C-H 2.C-H弯曲振动弯曲振动 3.C-C 3.C-C骨架振动骨架振动二、常见有机化合物基团的特征频率二、常见有机化合物基团的特征频率 （一）脂肪烃类化合物4 4）甲基与芳环或杂原子相连：）甲基与芳环或杂原子相连：烯烃烯烃烯烃烯烃1 1C-HC-H振动振动2 2C=CC=C骨架振动骨架振动 顺式顺式 反式反式 取代基完全对称时，峰消失取代基完全对称时，峰消失3 3发生发生-共轭或共轭或n-n-共轭共轭共轭效应将使共轭效应将使 吸收峰位移向低波数区吸收峰位移向低波数区1010 30cm30cm-1-1炔烃炔烃炔烃炔烃1 1C-HC-H振动振动2 2CCC

20、C骨架振动骨架振动 取代基完全对称时，峰消失取代基完全对称时，峰消失（二）芳香族化合物1 1芳氢伸缩振动芳氢伸缩振动2 2芳环骨架伸缩振动芳环骨架伸缩振动确定苯环存在确定苯环存在确定苯环存在确定苯环存在3 3芳氢弯曲振动芳氢弯曲振动判断苯的取代形式判断苯的取代形式单取代单取代双取代双取代邻取代邻取代对取代对取代间取代间取代多取代多取代1.1.单取代单取代(含含5 5个相邻个相邻H)H)2.2.双取代双取代双取代双取代邻取代邻取代（4 4个相邻个相邻H H）间取代间取代（3 3个相邻个相邻H H，1 1个孤立个孤立H H）对取代对取代（2 2个相邻个相邻H H）（三）醇、酚、醚1 1O-HO-H

21、伸缩振动：伸缩振动：2 2C-OC-O伸缩振动：伸缩振动：醇、酚醇、酚醇、酚醇、酚 注：酚还具有苯环特征注：酚还具有苯环特征 醚醚醚醚1 1链醚和环醚链醚和环醚 2 2芳醚和烯醚芳醚和烯醚（四）羰基化合物1 1酮酮 2 2醛醛 酮、醛酮、醛酮、醛酮、醛 共轭效应使吸收峰共轭效应使吸收峰低波数区低波数区 环酮：环张力环酮：环张力，吸收峰，吸收峰高波数区高波数区 共轭效应使吸收峰共轭效应使吸收峰低波数区低波数区 双峰原因双峰原因费米共振费米共振峰位排序：酸酐峰位排序：酸酐峰位排序：酸酐峰位排序：酸酐 酰卤酰卤酰卤酰卤 羧酸羧酸羧酸羧酸（游离）（游离）酯类酯类酯类酯类 醛醛醛醛 酮酮酮酮 酰胺酰胺酰

22、胺酰胺例：例：例：例：化合物化合物C C8 8H H8 8OO2 2的的红外光谱如右图所示，红外光谱如右图所示，试推测其结构。试推测其结构。C=O-CHO -CH3Ar-HAr-HC=C-CH3CH苯解：计算不饱和度：3000 cm3000 cm-1-1有吸收，说明有有吸收，说明有 和和=C-H=C-H基团存在。靠近基团存在。靠近1700 cm1700 cm-1-1的强度吸收，表明有的强度吸收，表明有C=O基团，结合基团，结合2730 cm2730 cm-1-1特特征峰，进一步说明有醛基征峰，进一步说明有醛基 存在，存在，16001600、1520 cm1520 cm-1-1有吸有吸收说明有苯环存在。根据收说明有苯环存在。根据820 cm820 cm-1-1吸收带苯为对位取代吸收带苯为对位取代.1460.1460、1390 cm1390 cm-1-1是是CHCH3 3特征吸收峰，根据以上解析并对特征吸收峰，根据以上解析并对照标准谱图确定化合物为茴香醛照标准谱图确定化合物为茴香醛: