《红外光谱测试》PPT课件.ppt
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1、红外光谱红外光谱红外光谱(IR)infrared spectroscopy当样品受到频率连续变化的红外光频率连续变化的红外光照射时,分子吸收了某些特定频率的辐射,并由其振动或转动运动引起偶极矩的变化偶极矩的变化,产生分子分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁振动和转动能级从基态到激发态的跃迁,使相应于这些吸收区域的透吸收区域的透射光强度减弱射光强度减弱。记录红外光的百分透射比与波数或波长关系曲线,就得到红外光谱。利用物质对红外光区电磁辐射的选择性吸收的特性来进行结构分析、定性和定量的分析方法,称红外吸收光谱法红外光谱法n n1、概述n n2、基本原理n n3、红外光谱仪n n4、试样的处理和制
2、备概述概述一、一、一、一、红外光的区划红外光的区划红外光的区划红外光的区划红外线红外线:波长在波长在波长在波长在0.76500m(1000m)0.76500m(1000m)范围内的电磁波范围内的电磁波范围内的电磁波范围内的电磁波近红外区(近红外区(近红外区(近红外区(NIRNIR):0.762.5m:0.762.5m(760 2500nm760 2500nm)-OH-OH和和和和-NH-NH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(MIRMIR):2.525m:2.525m(4000 400cm4000 400cm-1-1)振动、伴随转动光谱)振动、伴随转
3、动光谱)振动、伴随转动光谱)振动、伴随转动光谱远红外区(远红外区(远红外区(远红外区(FIRFIR):25500m :25500m 纯转动光谱纯转动光谱纯转动光谱纯转动光谱 紫外紫外紫外紫外-可见(可见(可见(可见(UV-VISUV-VIS):190 900nm :190 900nm 电子光谱电子光谱电子光谱电子光谱二、红外吸收过程二、红外吸收过程二、红外吸收过程二、红外吸收过程UVUV分子外层价电子能级的跃迁(电子光谱)分子外层价电子能级的跃迁(电子光谱)IRIR分子振动和转动能级的跃迁分子振动和转动能级的跃迁 (分子光谱)(分子光谱)原子核转变电磁转动分子转动分子振动外层电子的跃迁内层电子
4、的跃迁-射线X射线紫外可见近近红红外外中红外远红外电子自旋振动核磁振动红外微波Radio,TV无线电波InteractionRegion108107106105104103102101110-110-210-310-1010-910-810-710-610-510-410-310-210-11101Wavelength(cm-1)Wavelength(m)4000 cm-1(2.5m2.5m)400 cm-1(25m25m)谱区范围三、红外光谱的作用三、红外光谱的作用绝大多数有机化合物的基频吸收基频吸收带出现在MIR光区。基频振动是红外光谱中吸收最强的振动,最适于进行红外光谱的定性和定量分析。
5、中红外光谱仪最为成熟、简单,因此它是应用极为广泛的光谱区。通常,中红外光谱法又简称为红外光谱法。中红外光谱法又简称为红外光谱法。红外光谱是鉴别物质鉴别物质和分析物质化学结构化学结构的有效手段,已被广泛应用于物质的定性鉴别、物相分析和定量测定,并用于研究分子间和分子内部的相互作用。四、红外光谱的表示方法四、红外光谱的表示方法T 曲线曲线 前疏后密前疏后密T曲线曲线 前密后疏前密后疏IR与与UV的区别的区别IRUV起源起源分子振动能级伴随转动能级跃迁分子外层价电子能级跃迁适用适用所有红外吸收的有机化合物具n-*跃迁有机化合物具-*跃迁有机化合物特征性特征性特征性强简单、特征性不强用途用途鉴定化合物
6、鉴定官能团推测结构定量推测有机化合物共轭骨架红外分光光度法基本原理红外分光光度法基本原理红外分光光度法红外分光光度法红外分光光度法红外分光光度法研究物质结构与红外光谱之间关系研究物质结构与红外光谱之间关系红外光谱红外光谱红外光谱红外光谱由吸收峰位置和吸收峰强度共同描述由吸收峰位置和吸收峰强度共同描述一、红外吸收光谱的产生一、红外吸收光谱的产生二、振动形式二、振动形式三、吸收特征峰与相关峰三、吸收特征峰与相关峰四、吸收峰位置与强度四、吸收峰位置与强度红外吸收光谱的产生红外吸收光谱的产生n n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n n分分子子的的振振动动能能级级
7、差差0.050.05 1.0eV1.0eV远远大大于于转转动动能能级级差差(0.00010.0001 0.05eV0.05eV)n n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双原子分子双原子分子A-BA-B近似看作谐振子近似看作谐振子两原子间的伸缩振动两原子间的伸缩振动近似看作简谐振动近似看作简谐振动 只有当红外辐射频率等于振动量子数的差值与分只有当红外辐射频率等于振动量子数的差值与分只有当红外辐射频率等于振动量子数的差值与分只有当红外辐射频率等于振动量子数的差值与分子振动频率的乘积时,分子才能吸收红外辐射,产生子振动频率的乘积时,分子才能吸收红
8、外辐射,产生子振动频率的乘积时,分子才能吸收红外辐射,产生子振动频率的乘积时,分子才能吸收红外辐射,产生红外吸收光谱。红外吸收光谱。红外吸收光谱。红外吸收光谱。振动形式振动形式 一般将振动形式分成两类:伸缩振动和变形振动。一般将振动形式分成两类:伸缩振动和变形振动。(1 1)伸缩振动)伸缩振动)伸缩振动)伸缩振动原子沿键轴方向伸缩,键长发生变化而键角不变的振动称为伸缩振动,用符号表示。它又可以分为对称伸缩振动(s)和不对称伸缩振动(as)。对同一基团,不对称伸缩振动的频率要稍高于对称对同一基团,不对称伸缩振动的频率要稍高于对称对同一基团,不对称伸缩振动的频率要稍高于对称对同一基团,不对称伸缩振
9、动的频率要稍高于对称伸缩振动伸缩振动伸缩振动伸缩振动。(2 2)变形振动(又称弯曲振动或变角振动)变形振动(又称弯曲振动或变角振动)变形振动(又称弯曲振动或变角振动)变形振动(又称弯曲振动或变角振动)基团键角发生周期变化而键长不变的振动称为变形振动,用符号表示。变形振动又分为面内变形和面外变形振动变形振动又分为面内变形和面外变形振动变形振动又分为面内变形和面外变形振动变形振动又分为面内变形和面外变形振动。面内变形振动又分为剪式(以表示)和平面摇摆振动(以表示)。面外变形振动又分为非平面摇摆(以表示)和扭曲振动(以表示)。图示红外吸收峰 物质的红外光谱是其分子结构的反映,谱图中的吸收物质的红外光
10、谱是其分子结构的反映,谱图中的吸收物质的红外光谱是其分子结构的反映,谱图中的吸收物质的红外光谱是其分子结构的反映,谱图中的吸收峰与分子中各基团的振动形式相对应峰与分子中各基团的振动形式相对应峰与分子中各基团的振动形式相对应峰与分子中各基团的振动形式相对应。实验表明,组成分子的各种基团,如O-H、N-H、C-H、C=C、C=OH和CC等,都有自己的特定的红外吸收区域,分子的其它部分对其吸收位置影响较小。通常把这种能代表及存在、并有较高强度的吸收谱带通常把这种能代表及存在、并有较高强度的吸收谱带称为基团频率,其所在的位置一般又称为特征吸收峰。称为基团频率,其所在的位置一般又称为特征吸收峰。红外吸收
11、峰红外吸收峰红外光谱区可分成4000cm-11300cm-1、1300cm-1600cm-1两个区域。4000cm-1 1300 cm-1 之间,称为之间,称为基团频率区、官能团区或特征区。基团频率区、官能团区或特征区。区内的峰是由伸缩振动产生的吸收带,比较稀疏,容易辨认,常用于鉴定官能团(最有分析价值)。1300 cm-1 600 cm-1 区域内区域内,除单键的伸缩振动外,还有因变形振动产生的谱带。这种振动与整个分子的结构有关。当分子结构稍有不同时,该区的吸收就有细微的差异,并显示出分子特征。这种情况就像人的指纹一样,因此称为指纹区指纹区。(作为化合物存在某种基团的旁证)特征区(官能团区)
12、特征区(官能团区)分为三个区域:(1)4000 2500 cm-1 X-H伸缩振动区伸缩振动区 (X可以是可以是O、H、C或或S等原子)等原子)O-HO-H基基基基的伸缩振动出现在36503200cm-1范围内,它可以作为判断有无醇类、酚类和有机酸类的重要依据。羟基化合物产生缔合现象,O-H基的伸缩振动吸收峰向低波数方向位移,在34003200cm-1出现一个宽而强的吸收峰。胺和酰胺的N-H伸缩振动也出现在35003100cm-1,因此,可能会对O-H伸缩振动有干扰。C-HC-H的伸缩振动可分为饱和和不饱和的两种。饱和的饱和的饱和的饱和的C-HC-H伸缩振动出现在3000cm-1以下,约300
13、02800cm-1,取代基对它们影响很小;不饱和的不饱和的不饱和的不饱和的C-HC-H伸缩振动出现在3000cm-1以上,以此来判别化合物中是否含有不饱和的C-H键;苯环的苯环的苯环的苯环的C-HC-H键伸缩振动出现在3030cm-1附近,它的特征是强度比饱和的C-H浆稍弱,但谱带比较尖锐。特征区(官能团区)特征区(官能团区)分为三个区域:(2 2)25001900 25001900 为叁键和累积双键区。为叁键和累积双键区。为叁键和累积双键区。为叁键和累积双键区。主要包括-CC、-CN等等叁键的伸缩振动,以及-C=C=C、-C=C=O等累积双键的不对称性伸缩振动。对于炔烃类化合物,可以分成R-
14、CCH和R-CC-R两种类型,R-CR-C CHCH的伸缩振动出现在21002140 21002140 cmcm-1-1附近;R R -C-C C-RC-R出现在21902260 21902260 cmcm-1-1附近;-C-C N N基基基基的伸缩振动在非共轭的情况下出现在22402260 22402260 cmcm-1-1附近。当与不饱和键或芳香核共轭与不饱和键或芳香核共轭与不饱和键或芳香核共轭与不饱和键或芳香核共轭时,该峰位移到22202230 22202230 cmcm-1-1附近。特征区(官能团区)特征区(官能团区)分为三个区域:(3 3)19001200 19001200 cmcm
15、-1-1为双键伸缩振动区为双键伸缩振动区为双键伸缩振动区为双键伸缩振动区该区域重要包括三种伸缩振动:C=OC=O伸缩振动:伸缩振动:出现在19001650cm-1,是红外光谱中很特征的且往往是最强的吸收,以此很容易判断酮类、醛类、酸类、酯类以及酸酐等有机化合物。酸酐的羰基吸收带由于振动耦合而呈现双峰。C=CC=C伸缩振动:伸缩振动:烯烃的C=C伸缩振动出现在16801620cm-1,一般很弱;单核芳烃的C=C伸缩振动出现在1600cm-1和1500cm-1附近,有两个峰,这是芳环的骨架结构,用于确认有无芳核的存在。苯的衍生物的泛频谱带:苯的衍生物的泛频谱带:出现在20001650cm-1范围,
16、是C-H面外和C=C面内变形振动的泛频吸收,虽然强度很弱,但它们的吸收面貌在表征芳核取代类型上是有用的。指纹区指纹区 1 1、1300900 1300900 cmcm-1-1区域区域区域区域C-O、C-N、C-F、C-P、C-S、P-O、Si-O等单键的伸缩振动和C=S、S=O、P=O等双键的伸缩振动吸收。其中1375cm-1的谱带为甲基的C-H对称弯曲振动,对识别甲基十分有用,C-O的伸缩振动在13001000cm-1,是该区域最强的峰,也较易识别。2 2、900650 900650 cmcm-1-1区域区域区域区域 某些吸收峰可用来确认化合物的顺反构型顺反构型。烯烃的=C-H面外变形振动出
17、现的位置,很大程度上决定于双键的取代情况。对于RCH=CH2结构,在990cm-1和910cm-1出现两个强峰;为RC=CRH结构是,其顺、反构型分别在690cm-1和970cm-1出现吸收峰,可以共同配合确定苯环的取代类型。吸收峰类型吸收峰类型 分子吸收红外辐射后,由基态振动能级(=0)跃迁至第一振动激发态(=1)时,所产生的吸收峰称为基频峰基频峰。在红外吸收光谱上除基频峰外,还有振动能级由基态(=0)跃迁至第二激发态(=2)、第三激发态(=3),所产生的吸收峰称为倍倍频频峰峰。在倍频峰中,二倍频峰还比较强。三倍频峰以上,因跃迁几率很小,一般都很弱,常常不能测到。倍频峰、合频峰和差频峰统称为
18、泛频峰泛频峰注:振动自由度反映吸收峰数量 并非每个振动都产生基频峰吸收峰数常少于振动自由度数吸收峰的数量与振动的自由度有关。振动的自由度指分子独立的振动数目,或基本的振动数目示例水分子非线性分子吸收谱带的强度吸收谱带的强度 红外吸收谱带的强度取决于分子振动时偶极矩的变化,而偶极矩与分子结构的对称性有关。振动的对称性越高,振动中分子偶极矩变化越小,谱带强度也就越弱。一般地,极性较强的基团(如C=0,C-X等)振动,吸收强度较大;极性较弱的基团(如C=C、C-C、N=N等)振动,吸收较弱。红外光谱的吸收强度一般定性地用很强(vs)、强(s)、中(m)、弱(w)和很弱(vw)等表示。红外光谱仪红外光
19、谱仪nBruker公司:BrukerTensor27、Tensor37型傅里叶变换中/近红外分光光度计nNicolet公司:550型、560型、Avatar360型、NEXUS型、EQUINOX55型傅里叶变换红外分光光度计nBio-Rad公司:FTS-135型、FTS-165型、FIS-7R型傅里叶变换红外分光光度计nPE公司:PE-1650型、PE983G型红外分光光度计n岛津公司:IRPrestige-21型、FTIR8101型、FTIR-8201PC型傅里叶变换红外分光光度计n天光TJ270-30型红外分光光度计(国产)红外光谱仪红外光谱仪红外分光光度计分为色散型和付里叶变换型两种。色
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