第六章红外光谱PPT讲稿.ppt
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1、第六章红外光谱第1页,共88页,编辑于2022年,星期三 红外光谱的基本概念红外光谱的基本概念红外光谱的形成红外光谱的形成 当用一束具有连续波长的红外光照射一物质时,该当用一束具有连续波长的红外光照射一物质时,该物质就要吸收一部分光能,并将其变为另一种能量,物质就要吸收一部分光能,并将其变为另一种能量,即分子的振动能量和转动能量。若将其透过的光用单即分子的振动能量和转动能量。若将其透过的光用单色器进行色散,就可以得到一带暗条的谱带。如果以色器进行色散,就可以得到一带暗条的谱带。如果以波长或波数为横坐标,以吸光度或透过率为纵坐标,波长或波数为横坐标,以吸光度或透过率为纵坐标,把这谱带记录下来,就
2、得到了该物质的红外(吸收)把这谱带记录下来,就得到了该物质的红外(吸收)光谱图。光谱图。第2页,共88页,编辑于2022年,星期三 产生红外光谱的原因产生红外光谱的原因 分子的化学键发生分子的化学键发生(弯曲或者伸缩弯曲或者伸缩)振动的能量在振动的能量在850KJ/mol,正好处在红外光波的能量范围内。常用红,正好处在红外光波的能量范围内。常用红外光谱仪的波长为外光谱仪的波长为2500nm15000nm。产生红外光谱的特征性产生红外光谱的特征性两种不同分子的红外光谱不可能是一样的。因两种不同分子的红外光谱不可能是一样的。因此红外光谱可以象人们的指纹一样作为化合物此红外光谱可以象人们的指纹一样作
3、为化合物的分子指纹。的分子指纹。第3页,共88页,编辑于2022年,星期三图图1 红外光谱红外光谱红外光谱图红外光谱图第4页,共88页,编辑于2022年,星期三红外光谱图中的横纵坐标红外光谱图中的横纵坐标红外光谱图的纵坐标红外光谱图的纵坐标,常用百分透过率(T)表示即:透射率 T=光透过后强度/入射光强度 100%也有吸光度A作为纵坐标的第5页,共88页,编辑于2022年,星期三红红外外光光谱谱图图的的横横坐坐标标,波波长长()多多用用微微米米(m)表表示示。微微米米和和埃埃()、毫毫微微米米(m 或或纳纳米米nm)、厘厘米米(cm)的的关关系是系是1 10-8cm1 m10-4cmlnm10
4、-7cm但但在在中中红红外外区区横横坐坐标标更更常常用用的的一一种种单单位位是是波波数数 ,波波数用数用cm-1表示,波数与波长的关系是表示,波数与波长的关系是第6页,共88页,编辑于2022年,星期三红外区的分类红外区的分类 光谱工作者常常把红外区分成三个区域,即光谱工作者常常把红外区分成三个区域,即近红外区、中红外区和远红外区。第7页,共88页,编辑于2022年,星期三简正振动简正振动 分子真实的振动是复杂的,但在一定分子真实的振动是复杂的,但在一定条件下作为很好的近似,分子一切可能的任条件下作为很好的近似,分子一切可能的任意复杂的振动方式都可以看成是有限数量的意复杂的振动方式都可以看成是
5、有限数量的相互独立的和比较简单的振动相互独立的和比较简单的振动方式的迭加,方式的迭加,这些比较简单的振动称为简正振动这些比较简单的振动称为简正振动。化学键的振动方式及能量化学键的振动方式及能量第8页,共88页,编辑于2022年,星期三 伸缩振动伸缩振动-对称伸缩振动对称伸缩振动 s -不对称伸缩振动不对称伸缩振动 as 弯曲振动弯曲振动 -面内弯曲振动面内弯曲振动 剪式振动剪式振动 s 面内摇摆面内摇摆 -面外弯曲振动面外弯曲振动 面外摇摆面外摇摆 扭曲振动扭曲振动 简正振动模式(形式)简正振动模式(形式)一般分为两类:一般分为两类:第9页,共88页,编辑于2022年,星期三第10页,共88页
6、,编辑于2022年,星期三分子的简正振动数目称为分子的简正振动数目称为振动自由度振动自由度不同振动形式按能量高低为:不同振动形式按能量高低为:as s s高频区高频区 低频区低频区 第11页,共88页,编辑于2022年,星期三 含含n个原子的分子,自由度为:个原子的分子,自由度为:线性分子有线性分子有 3n-5 个个 非线性分子有非线性分子有 3n-6 个个 根据它们的振动方向不同,振幅不等,可根据它们的振动方向不同,振幅不等,可以吸收各种波长不同的光,形成复杂的红外光以吸收各种波长不同的光,形成复杂的红外光谱。谱。简正振动自由度和峰数简正振动自由度和峰数第12页,共88页,编辑于2022年,
7、星期三理论上每个自由度在理论上每个自由度在IR中可产生中可产生1个吸收峰,实际上个吸收峰,实际上IR光谱中的峰数少于基本振动自由度,原因是:光谱中的峰数少于基本振动自由度,原因是:1 振动过程中,伴随有偶极矩的振动才能产生吸收峰振动过程中,伴随有偶极矩的振动才能产生吸收峰 2 频率完全相同的吸收峰,彼此发生简并(峰重叠)频率完全相同的吸收峰,彼此发生简并(峰重叠)3 强、宽峰覆盖相近的弱、窄峰强、宽峰覆盖相近的弱、窄峰 4 有些峰落在中红外区之外有些峰落在中红外区之外 5 吸收峰太弱,检测不出来吸收峰太弱,检测不出来第13页,共88页,编辑于2022年,星期三例如例如 线线型型对对称称的的CO
8、2分分子子,其简正振动模式有其简正振动模式有3n-533-54第14页,共88页,编辑于2022年,星期三第15页,共88页,编辑于2022年,星期三红外活性与非活性振动红外活性与非活性振动 在在振振动动过过程程中中,分分子子电电偶偶极极距距发发生生改改变变的的振振动动才才能能吸吸收收红红外外光光子子的的能能量量,产产生生红红外外吸吸收收谱谱带带,这这种种振振动动称称为为红红外外活活性性振振动动,反反之之称称为为红红外外非非活活性性振振动动,这这就就是是红外跃迁的选择定则(选律)。第16页,共88页,编辑于2022年,星期三红外吸收光谱的产生及条件红外吸收光谱的产生及条件:辐射光子具有的能量与
9、发生振动跃迁所需辐射光子具有的能量与发生振动跃迁所需的跃迁能量相等的跃迁能量相等 辐射与物质之间有耦合作用辐射与物质之间有耦合作用 为满足这个条件,分子振动必须伴随偶极矩为满足这个条件,分子振动必须伴随偶极矩的变化。的变化。第17页,共88页,编辑于2022年,星期三1、已知、已知CO2的结构式为的结构式为O=C=O,其红外光谱中,振动,其红外光谱中,振动自由度为(自由度为()A4 B3 C2 2、下列振动中,何种属于红外非活性振动、下列振动中,何种属于红外非活性振动3H2O为非线性分子,其红外光谱中,振动自由度为(为非线性分子,其红外光谱中,振动自由度为()A4 B3 C2 第18页,共88
10、页,编辑于2022年,星期三=0.9nm=910-10m=910-8cm对于波长为对于波长为0.9纳米的光子计算其波数纳米的光子计算其波数,频率及能量频率及能量,4 计算计算第19页,共88页,编辑于2022年,星期三指指纹区区1500600 cm-1 吸收带多,整个分子振动转动引起的,反映整个吸收带多,整个分子振动转动引起的,反映整个分子的特征。可用于鉴定两个化合物是否同一化合物分子的特征。可用于鉴定两个化合物是否同一化合物。官能官能团区区4000 1500 cm-1 吸收带不多,化学键和官能团的特征频率区。吸收带不多,化学键和官能团的特征频率区。OH 36503100 cm-1 1700
11、cm-1 红外光谱的分区红外光谱的分区第20页,共88页,编辑于2022年,星期三4000-2500cm-1:这是这是X-H单键的伸缩振动区。单键的伸缩振动区。2500-2000cm-1:此处为叁键和累积双键伸缩振动区此处为叁键和累积双键伸缩振动区2000-1500cm-1:此处为双键伸缩振动区此处为双键伸缩振动区1500-600cm-1:此区域主要提供此区域主要提供C-H弯曲振动的信息弯曲振动的信息 第21页,共88页,编辑于2022年,星期三第22页,共88页,编辑于2022年,星期三1 在有机化合物的红外吸收光谱分析中,出现在在有机化合物的红外吸收光谱分析中,出现在40002500cm-
12、1频率范围的吸收峰可用于鉴定官能团,这一段频频率范围的吸收峰可用于鉴定官能团,这一段频率范围称为率范围称为_。A指纹区,指纹区,B叁键区叁键区 C官能团区,官能团区,D单键区。单键区。第23页,共88页,编辑于2022年,星期三2 能级间隔越小,分子化学键振动能级跃迁吸收光子能级间隔越小,分子化学键振动能级跃迁吸收光子的(的()。A能量越高能量越高 B波长越长波长越长C频率越高频率越高第24页,共88页,编辑于2022年,星期三典型有机化合物的红外光谱及谱图解析典型有机化合物的红外光谱及谱图解析第25页,共88页,编辑于2022年,星期三计算不饱和度计算不饱和度-谱图解析谱图解析 不饱和度不饱
13、和度是指分子内含有环、双键和叁键(相当于两是指分子内含有环、双键和叁键(相当于两个双键)的总和。个双键)的总和。饱和烃类不饱和度为饱和烃类不饱和度为0;双键及环不饱和度为双键及环不饱和度为1;三键为三键为2;芳环为芳环为4(1)计算不饱和度)计算不饱和度第26页,共88页,编辑于2022年,星期三计算公式计算公式:其中,其中,n n4 4为分子中四价原子的数目,为分子中四价原子的数目,n n1 1为分子中为分子中一价原子的数目,一价原子的数目,n n3 3为分子中三价原子的数目。为分子中三价原子的数目。第27页,共88页,编辑于2022年,星期三例例 求分子式为求分子式为C6H12O的分子的不
14、饱和度的分子的不饱和度解:解:四价原子四价原子=6一价原子一价原子=12代入公式:代入公式:第28页,共88页,编辑于2022年,星期三(2)依据谱图推出化合物碳架类型)依据谱图推出化合物碳架类型 分析分析 3300 2800 cm 1区域区域 C-H 伸缩振动吸收伸缩振动吸收第29页,共88页,编辑于2022年,星期三以以 3000 cm 1为界为界:高于高于 3000 cm 1为不饱和碳为不饱和碳 C-H 伸缩振动吸收伸缩振动吸收 可能为烯可能为烯,炔炔,芳香化合物芳香化合物 低于低于 3000 cm 1 一般为饱和一般为饱和 C-H 伸缩振动吸收伸缩振动吸收第30页,共88页,编辑于20
15、22年,星期三(3)若在稍高于若在稍高于 3000 cm 1有吸收有吸收,则应在则应在 2250 1450 cm 1 频区频区 分析不饱和碳碳键的伸缩振动吸收特征峰分析不饱和碳碳键的伸缩振动吸收特征峰炔炔 2200 2100 cm 1烯烯 1680 1640 cm 1 芳环芳环 1600,1580,1500,1450 cm 1烯或芳香化合物则应解析指纹区烯或芳香化合物则应解析指纹区 1000 650 cm 1频区频区 以确定取代基个数和位置以确定取代基个数和位置第31页,共88页,编辑于2022年,星期三(5)解析时应注意把描述各官能团的相关峰联系起解析时应注意把描述各官能团的相关峰联系起来,
16、以准确判定官能团的存在来,以准确判定官能团的存在 如如 2820,2720 和和 17501700 cm 1的三个峰的三个峰 说说明醛基的存在明醛基的存在(4)碳骨架类型确定后碳骨架类型确定后,再依据其他官能团再依据其他官能团,如如 C=O,O-H,C-N 等特征吸收来判定等特征吸收来判定 化合物的官能团化合物的官能团第32页,共88页,编辑于2022年,星期三 烷烃烷烃 基本结构信息 C-H 伸缩振动(伸缩振动(3000 2850 cm 1)C-H 弯曲振动(弯曲振动(1465 1340 cm 1)一般饱和烃一般饱和烃 C-H 伸缩均在伸缩均在 3000 cm 1 以下以下接近接近 3000
17、 cm 1 的频率吸收。的频率吸收。第33页,共88页,编辑于2022年,星期三CH3:2962 as 2872 s CH3(CH2):1450 1375()CH2:2926 as 2853 s十二烷十二烷第34页,共88页,编辑于2022年,星期三特殊结构信息1)1380 cm 1 只有一个峰存在甲基只有一个峰存在甲基,则不存在异丙基和叔丁基则不存在异丙基和叔丁基若为异丙基若为异丙基 CH(CH3)2 1385 cm 1,1370 cm 1 两个等强度吸收峰且伴随有两个等强度吸收峰且伴随有11701145 cm 1 碳骨架振动吸收峰碳骨架振动吸收峰若为叔丁基若为叔丁基 C(CH3)31395
18、 cm 1,1370 cm 1 一弱一强两个吸收峰且伴有一弱一强两个吸收峰且伴有1250 cm 1,1210 cm 1 碳骨架振动吸收峰碳骨架振动吸收峰第35页,共88页,编辑于2022年,星期三烯烃烯烃 烯烃烯烃 C-H 伸缩(伸缩(3100 3010 cm 1)末端烯烃末端烯烃 3080 cm 1 C=C 伸缩伸缩(1675 1640 cm 1)烯烃烯烃 C-H 弯曲振动(弯曲振动(1000 675 cm 1)基本结构信息第36页,共88页,编辑于2022年,星期三A 3075 B 1645C 986 907ABCC1-癸烯癸烯第37页,共88页,编辑于2022年,星期三特殊结构信息特殊结
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