红外吸收光谱与分子结构的关系
红外吸收光谱原理
红外吸收光谱原理
红外吸收光谱原理是一种分析技术，用于研究物质的结构、组成和化学性质。
它基于物质分子对红外光的吸收特性进行分析。
红外光谱是由红外辐射区域的电磁波组成的。
红外光的频率范围通常从1×10^12 Hz到3×10^14 Hz，对应的波长范围从0.8
微米到1000微米。
物质分子在这个频率范围内对特定波长的
红外光有吸收的能力，这与分子结构和化学键的特性有关。
原理上，红外吸收光谱是通过测量红外光通过待测物质后的强度变化来进行的。
当红外光通过物质时，分子会吸收与其振动和转动相对应的能量。
物质中的不同化学键和功能团会产生不同的吸收峰，这样就能通过红外光谱图谱来确定物质的结构和组成。
红外光谱仪通常由光源、样品室、光谱仪和检测器组成。
光源产生红外光束，经过样品室后，光束中的红外光被样品吸收或透射，然后进入光谱仪。
光谱仪将红外光根据其波长分解成不同的频率，并将其转换为电信号。
最后，检测器测量电信号的强度，形成红外光谱图。
红外吸收光谱原理的优势在于其非破坏性和高分辨率的特点。
它可以应用于各种领域，如化学、材料科学、生物科学等。
通过对物质的红外吸收光谱进行分析，可以快速得到物质的结构信息和组成成分，为研究和实际应用提供有价值的信息。
红外光谱与分子结构
CH2
饱和碳原子上的—C—H
—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
—C—H
2890 cm-1 弱吸收
3000 cm-1 以下
应用价值不 大！！
C-H C-H伸缩振动 < 3000 cm-1 收峰
3610
3620 3630 增 3640 大
注意：区别伯、仲、叔醇； 醇类和烃类及酚类的区别。
3640 3630 3620
1050 1100
3.醇
氢键 缔合
1150
醚
CO 1300 ~ 1000cm1
1．链醚和环醚
aCsO（C 链）1150 ~ 1060cm（1 强）
s C
O（链）弱
消失
2．芳醚和烯醚
as C O
1275 ~ 1200cm1
as CO( )
~ 1250cm1 (强)
s C O( )
~ 1040cm1 (中)
示例
OH ~ 3200
CO ~ 1050 CO ~ 1100
5. 羰基化合物（醛、酮、羧酸、酯）
峰位排序：酸酐 > 酰卤 > 羧酸（游离）> 酯类 > 醛 > 酮 > 酰胺
苯环取代类型的吸收峰
1. 单取代 (含5个相邻H)
H（双峰）
~ 750cm（1 强） ~ 700cm（1 较强）
2000cm1
1600cm1
2. 双取代 • 邻取代（4个相邻H）
2000cm1
H ~ 750cm（1 强，单峰） 与单取代峰位重叠
仪器分析-红外吸收光谱法
第 6 章红外吸收光谱法6.1 内容提要6.1.1 基本概念红外吸收光谱——当用红外光照射物质时，物质分子的偶极矩发生变化而吸收红外光光能，有振动能级基态跃迁到激发态（同时伴随着转动能级跃迁），产生的透射率随着波长而变化的曲线。
红外吸收光谱法——利用红外分光光度计测量物质对红外光的吸收及所产生的红外光谱对物质的组成和结构进行分析测定的方法，称为红外吸收光谱法。
振动跃迁——分子中原子的位置发生相对运动的现象叫做分子振动。
不对称分子振动会引起分子偶极矩的变化，形成量子化的振动能级。
分子吸收红外光从振动能级基态到激发态的变化叫做振动跃迁。
转动跃迁——不对称的极性分子围绕其质量中心转动时，引起周期性的偶极矩变化，形成量子化的转动能级。
分子吸收辐射能（远红外光）从转动能级基态到激发态的变化叫做转动跃迁。
伸缩振动——原子沿化学键的轴线方向的伸展和收缩的振动。
弯曲振动——原子沿化学键轴线的垂直方向的振动，又称变形振动，这是键长不变，键角发生变化的振动。
红外活性振动——凡能产生红外吸收的振动，称为红外活性振动，不能产生红外吸收的振动则称为红外非活性振动。
诱导效应——当基团旁边连有电负性不同的原子或基团时，通过静电诱导作用会引起分子中电子云密度变化，从而引起键的力常熟的变化，使基团频率产生位移的现象。
共轭效应——分子中形成大键使共轭体系中的电子云密度平均化，双键力常数减小，使基团的吸收频率向低波数方向移动的现象。
氢键效应——氢键使参与形成氢键的原化学键力常数降低，吸收频率将向低波数方向移动的现象。
溶剂效应——由于溶剂（极性）影响，使得吸收频率产生位移现象。
基团频率——通常将基团由振动基态跃迁到第一振动激发态所产生的红外吸收频率称为基团频率，光谱上出现的相应的吸收峰称为基频吸收峰，简称基频峰。
振动偶合一一两个相邻基团的振动之间的相互作用称为振动偶合。
基团频率区一一红外吸收光谱中能反映和表征官能团（基团）存在的区域。
红外光谱在分子结构分析中的应用
红外光谱在分子结构分析中的应用红外光谱（Infrared spectroscopy）是指将物质吸收或反射的红外辐射产生的光谱进行定性和定量分析的方法。
它能够通过研究物质在不同波数下的吸收能力来确定分子中含有的化学键种类和数量，从而揭示出分子的结构和组成，是一种非常重要的分析方法。
红外光谱的原理分子中的原子都会对电磁波作出反应，它们在吸收、散射或透过电磁波时将吸收一定量的能量，这是因为这些反应所涉及的能级的跃迁都需要能量的贡献，而我们所研究的分子较小，其响应的最常用波长位于红外辐射的波长区域内。
在分子中，多数的化学键的振动都会发生在这一区域内，当电磁波与分子相互作用时，只有跃迁能量等于或接近振动频率的电磁波才能被吸收。
这样，所吸收的波长能量就可以作为分子的“指纹”而被检查处理。
红外光谱能提供的信息红外光谱通过测量介质对不同波长辐射的吸收情况来确定分子性质。
分析师可以利用红外光谱去探测物质中存在的化学键，检查其振动频率；确定化合物的结构；对分子中原子的相互作用和键距离等结构参数进行定量测定；确定并鉴定分子中的错误或杂质等。
翻转分子结构红外光谱可以被用来翻转分子的结构。
分子只有在运动中才会振动，这通常表现为分子的振动和弯曲。
红外光谱可以测量出物质的共振振动频率，这可以用来确定分子的结构。
确定化合物的结构可以允许分析师利用这种知识去寻找新的分子结构，在这些分子结构内利用分子互相作用来设计出新型材料，这在药物研发，工业生产以及能源领域都有用武之地。
化合物的确定通过红外光谱的比较，可以确定不同的物质有不同的红外光谱。
红外光谱可以确定分子中有哪些元素，确定分子组成和各种化学反应过程中的机理。
因此，红外光谱不仅仅是确定物质的结构，它还可以确定在反应中什么是正在发生的，以及反应的速率和机理。
结论红外光谱如今在化学，生物学和材料科学等领域中得到了广泛的应用。
通过这种工具，科学家可以研究化学反应和材料结构，设计出新型药物和材料。
红外光谱与分子结构
红外光谱与分子结构 It was last revised on January 2, 2021红外光谱与分子结构一、红外光谱的特征性通过对大量标准样品的红外光谱的研究，处于不同有机物分子的同一种官能团的振动频率变化不大，即具有明显的特征性。
这是因为连接原子的主要为价键力，处于不同分子中的价键力受外界因素的影响有限！即各基团有其自已特征的吸收谱带。
例：2800～3000cm-1：-CH3特征峰；1600～1850cm-1：-C=O 特征峰；基团所处化学环境不同，特征峰出现位置变化：—CH2—CO—CH2— 1715cm-1酮—CH2—CO—O— 1735cm-1酯—CH2—CO—NH— 1680cm-1 酰胺二、红外光谱的分区习惯上把化合物的4000～400cm-1范围的中红外区的红外光谱划分为四个区域。
1、X–H 伸缩振动区：4000～2500cm-1，X=O、N、C、S，…；2、叁键及累积双键伸缩振动区：2500～1900cm-1；3、双键伸缩振动区：1900～1200cm-1；4、X–Y伸缩振动，X–H 变形振动区：<1650cm-1；指纹区：1330～650cm-1，X–C（X≠H）键的伸缩振动及各类变形振动。
特征区：某些官能团的伸缩振动。
特点：吸收峰比较少，同一官能团存在于不同的化合物中，吸收峰位置变动不大，特征性较强，可以用来鉴定官能团。
指纹区：某些分子的骨架振动。
特点：振动频率对整个分子结构环境的变化十分敏感，分子结构的细微变化，引起该区域的变化十分地灵敏，可用于鉴别不同化合物。
1、X–H 伸缩振动区（4000～2500cm-1）X代表O、N、C、S时，对应醇、酚、羧酸、胺、亚胺、炔烃、烯烃、芳烃及饱和烃类的 O–H、N–H、C–H伸缩振动。
（1）O–H醇与酚：游离态（浓度小），3640～3610cm-1，峰形尖锐；缔合（浓度大），3300cm-1附近，峰形宽而钝。
羧酸：3300～2500cm-1，中心约3000cm-1，谱带宽。
红外光谱分析
红外光谱分析序言二十世纪初叶，Coblentz发表了一百多个有机化合物的红外光谱图，给有机化学家提供了鉴别未知化合物的有力手段。
到四十年代红外光谱技术得到了广泛的研究和应用。
当今红外光谱仪的分辨率越来越高，检测范围扩展到10000－200cm-1，样品量少至微克级。
红外光谱提供的某些信息简捷可靠，检测样品中有无羰基及属于哪一类（酸酐、酯、酮或醛）是其他光谱技术难以替代的。
因此，对从事有机化合物为研究对象的化学工作者来说，红外光谱学是必需熟悉和掌握的一门重要光谱知识。
一、基本原理1、基本知识光是一种电磁波。
可根据电磁波的波长范围分成不同类型的光谱，它们各自反映出物质的不同类型的运动形式。
表1列出这些电磁波的波长，其所在区域的光谱名称，以及对应的运动形式。
红外光谱研究的内容涉及的是分子运动，因此称之为分子光谱。
通常红外光谱系指2-25μ之间的吸收光谱，常用的为中红外区4000-650cm-1或4000-400cm-1。
这段波长范围反映出分子中原子间的振动和变角振动，分子在振动运动的同时还存在转动运动。
在红外光谱区实际所测得的图谱是分子的振动与转动运动的加合表现，即所谓振转光谱。
每一化合物都有其特有的光谱，因此使我们有可能通过红外光谱对化合物作出鉴别。
红外光谱所用的单位波长μ，波数cm-1。
光学中的一个基本公式是λυ= C，式中λ为波长，υ为频率，C为光速(3×1010cm/s)。
设υ为波数，其含义是单位长度(1cm)中所含的波的个数，并应具有以下关系：波数(cm-1)＝104/波长(μ)波长和波数都被用于表示红外光谱的吸收位置，即红外光谱图的横坐标。
目前倾向于普遍采用波数为单位，而在图谱上方标以对应的波长值。
红外光谱图的纵坐标反映的是吸收强度，一般以透过率(T%)表示。
2、红外光谱的几种振动形式主要的基本可以分为两大类：伸缩振动和弯曲振动。
(1)伸缩振动(υ)沿着键轴方向伸或缩的振动，存在对称与非对称两种类型。
红外光谱分析
红外光谱分析二十世纪初叶,Coblentz发表了一百多个有机化合物的红外光谱图,给有机化学家提供了鉴别未知化合物的有力手段。
到四十年代红外光谱技术得到了广泛的研究与应用。
当今红外光谱仪的分辨率越来越高,检测范围扩展到10000-200cm-1,样品量少至微克级。
红外光谱提供的某些信息简捷可靠，检测样品中有无羰基及属于哪一类（酸酐、酯、酮或醛）就是其她光谱技术难以替代的。
因此，对从事有机化合物为研究对象的化学工作者来说，红外光谱学就是必需熟悉与掌握的一门重要光谱知识。
一、基本原理1、基本知识光就是一种电磁波。
可根据电磁波的波长范围分成不同类型的光谱它们各自反映出物质的不同类型的运动形式。
表1列出这些电磁波的波长,其所在区域的光谱名称，以及对应的运动形式。
表1常用的有机光谱及对应的微观运动红外光谱研究的内容涉及的就是分子运动，因此称之为分子光谱通常红外光谱系指2-25 □之间的吸收光谱，常用的为中红外区4000-650亦(2、5-15、4卩)或4000-400亦。
这段波长范围反映出分子中原子间的振动与变角振动，分子在振动运动的同时还存在转动运动。
在红外光谱区实际所测得的图谱就是分子的振动与转动运动的加合表现，即所谓振转光谱。
每一化合物都有其特有的光谱，因此使我们有可能通过红外光谱对化合物作出鉴别。
红外光谱所用的单位波长口,波数cm。
光学中的一个基本公式就是入U = C,式中入为波长，U为频率,C为光速(3 x 1010cm/s)。
设U为波数,其含义就是单位长度(1cm)中所含的波的个数,并应具有以下关系：波数(cm1) =104/波长(卩)波长与波数都被用于表示红外光谱的吸收位置，即红外光谱图的横坐标。
目前倾向于普遍采用波数为单位，而在图谱上方标以对应的波长值。
红外光谱图的纵坐标反映的就是吸收强度，一般以透过率(T%)表示。
2、红外光谱的几种振动形式主要的基本可以分为两大类：伸缩振动与弯曲振动。
(1) 伸缩振动(U )沿着键轴方向伸或缩的振动，存在对称与非对称两种类型。
红外吸收光谱的测定及结构分析
仪器分析实验——红外吸收光谱的测定及结构分析学号:2班级:应用化工技术11-2姓名:韩斐一、实验的目的与要求1.掌握红外光谱法进行物质结构分析的基本原理,能够利用红外光谱鉴别官能团,并根据官能团确定未知组分的主要结构;2.了解仪器的基本结构及工作原理;3.了解红外光谱测定的样品制备方法;4.学会傅立叶变换红外光谱仪的使用。
二、原理红外吸收光谱法就是通过研究物质结构与红外吸收光谱间的关系,来对物质进行分析的,红外光谱可以用吸收峰谱带的位置与峰的强度加以表征。
测定未知物结构就是红外光谱定性分析的一个重要用途。
根据实验所测绘的红外光谱图的吸收峰位置、强度与形状,利用基团振动频率与分子结构的关系,来确定吸收带的归属,确认分子中所含的基团或键,并推断分子的结构,鉴定的步骤如下:(1)对样品做初步了解,如样品的纯度、外观、来源及元素分析结果,及物理性质(分子量、沸点、熔点)。
(2)确定未知物不饱与度,以推测化合物可能的结构;(3)图谱解析①首先在官能团区(4000～1300cm－1)搜寻官能团的特征伸缩振动;②再根据“指纹区”(1300～400cm-1)的吸收情况,进一步确认该基团的存在以及与其它基团的结合方式。
三、仪器与试剂1、Nicolet 510P FT-IR Spectrometer(美国Nicolet公司);2、 FW-4型压片机(包括压模等)(天津市光学仪器厂);真空泵;玛瑙研钵;红外灯;镊子;可拆式液体池;盐片(NaCl, KBr, BaF2等)。
3、试剂:KBr粉末(光谱纯);无水乙醇(AR);滑石粉;丙酮;脱脂棉;4、测试样品:对硝基苯甲酸;苯乙酮等。
四、实验步骤1.了解仪器的基本结构及工作原理2.红外光谱仪的准备①打开红外光谱仪电源开关,待仪器稳定30分钟以上,方可测定;②打开电脑,选择win98系统,打开OMNIC E、S、P软件;在Collect菜单下的ExperimentSet-up中设置实验参数;③实验参数设置:分辨率 4 cm-1,扫描次数32,扫描范围4000-400 cm-1;纵坐标为Transmittance3.红外光谱图的测试①液体样品的制备及测试将可拆式液体样品池的盐片从干燥器中取出,在红外灯下用少许滑石粉混入几滴无水乙醇磨光其表面。
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红外谱图有两个重要区域：
高波数段： 4000-1300cm-1（官能团区）
含氢官能团(折合质量小)、含双键或叁键的官能团(键力常数大)在 官能团区有吸收，如OH，NH以及C=O等重要官能团在该区域有吸收， 它们的振动受分子中剩余部分的影响小。
低波数段： 1300cm-1以下（指纹区）
不含氢的单键(折合质量大)、各键的弯曲振动(键力常数小) 出现在1300cm-1以下的低波数区。该区域的吸收特点是振动频率 相差不大，振动的耦合作用较强，因此易受邻近基团的影响。同 时吸收峰数目较多，代表了有机分子的具体特征。大部分吸收峰 都不能找到归属，犹如人的指纹。因此，指纹区的谱图解析不易， 但与标准谱图对照可以进行最终确认。
上述吸收频率的变化是由于伸缩振动与相邻伸缩振动的耦合 之故。由此可见，振动耦合使某些振动吸收的位置发生变化， 对功能团的鉴定带来不便。但正因为如此，使红外光谱成为 某一特定化合物确认的有效手段。
3、红外吸收光谱与分子结构的关系
红外光谱源于分子振动产生的吸收， 其吸收频率对应于分子的振动频率。大 量实验结果表明，一定的官能团总是对 应于一定的特征吸收频率，即有机分子 的官能团具有特征红外吸收频率。这对 于利用红外谱图进行分子结构鉴定具有 重要意义。
第五章 红外吸收光谱法
第一节 概述
1. 红外光谱的历史
• 1800年英国科学家赫谢尔发现红外线 • 1936年世界第一台棱镜分光单光束红外光谱仪制
成 • 1946年制成双光束红外光谱仪 • 60年代制成以光栅为色散元件的第二代红外光谱
仪 • 70年代制成傅立叶变换红外光谱仪，使扫描速度
大大提高 • 70年代末，出现了激光红外光谱仪，共聚焦显微
➢ 红外光谱还可作为色谱检测器。
第二节 红外光谱的理论基础
一、红外吸收与分子结构
1. 双原子分子的振动
红外光谱产生于分子的振动.从经典力学的观点，采用谐振子模型来研究 双原子分子的振动，即化学键相当于无质量的弹簧，它连接两个刚性小球，它们 的质量分别等于两个原子的质量。
m1
根据虎克定律：
1 k 2c
而对于直线型分子，沿其键轴方向的转动不可能发生， 转动只需要两个自由度，分子基本振动数为3n-5。基本 振动又称简正振动。
一般观察到的振动数要少于简正振动，原因是：
分子的对称性。通常分子的对称伸缩振动无红外活性。
两个或多个振动的能量相同时，产生简并。 吸收强度很低时无法检测。 振动能对应的吸收波长不在中红外区。
m1 m2
m1 m2
m2
C-光速 K-键力常数 u-折合质量
C-C K 4-6x10-5 V 1190
C=C 8-12x10-5 168类原子组成的化学键，力常数越大，振 动频率越大。
C-C
C-H
V 1190
2920 cm-1
对相同化学键的基团，波数与相对原子 质量成反比。
实际上在一个分子中，基团与基团之间， 化学键之间都会相互影响，因此，振动频率不仅 决定于化学键两端的原子质量和键力常数，还与 内部结构和外部因素（化学环境）有关。
由于原子的种类和化学键的性质不同，以 及各化学键所处的环境不同，导致不同化合物的 吸收光谱具有各自的特征，据此可以对化合物进 行定性分析。
（4）费米共振——倍频和组合频与某基频相近，相互作 用而产生强吸收或发生峰分裂。
含氢基团产生的振动耦合或费米共振现象，均可以 通过氘代而加以鉴别。因为当含氢基团氘代以后，其折合 质量的改变会使吸收频率发生变化，此时氘代前的耦合或 费米共振条件不再满足，有关的吸收峰会发生较大的变化。
振动耦合举例：
[例1]： CO2分子： O=C=O 若无耦合发生，两个羰基的振动频率应与脂肪酮的羰 基振动频率相同(约1700cm-1)。但实际上CO2在2330 cm-1和 667 cm-1处有两个振动吸收峰。
[例2]： 振动耦合对不同醇中C-O吸收频率的影响
甲醇 乙醇 丁醇-2
C－O (cm-1)
1034 1053 1105
红外光谱仪等
2. 红外光谱的范围
近紫外
可见
红外
200nm 400nm
780nm
1000um
近红外区 中红外区
远红外区
0.78um 2.5um
50um
1000um
波数/cm-1
/ cm1 1 104 / cm / m
例如 5m
104 2000cm1
5
3. 红外光谱的特点
每种化合物均有红外吸收，有机化合物的红外 光谱能提供丰富的结构信息 任何气态、液态和固态样品均可进行红外光谱 测定，这是其它仪器分析方法难以做到的 常规红外光谱仪器结构简单，价格不贵 样品用量少，可达微克量级
2、多原子分子的振动
分为伸缩振动和弯曲振动，见示意图。
一个由n个原子组成的分子其运动自由度应该等于各原 子运动自由度的和。
一个原子在空间的位置由三个坐标确定，对于n个原子 组成的分子，需用3n个坐标确定，即分子有3n个自由度。
但分子是整体，对于非直线型分子，分子绕其重心的 转动有3个自由度，分子重心的平移运动又需要3个自由 度，因此剩余的3n-6个自由度是分子的基本振动数。
多原子分子的基本振动引起的红外吸收称为基频 谱带，实际上在红外图谱中，还可以看到基频谱带之外 的吸收峰，包括：
（1）倍频谱带——由基态跃迁至第二、第三激发态所产 生的谱带；
（2）组合频谱带——两个或两个以上基频之和或之差、 或基频与倍频的结合 产生的谱带；
（3）振动耦合频率——两个基团相邻且振动频率相差不 大时，振动耦合引起吸收频率偏离基频，移向高频或低 频方向产生的振动频率。
红外光谱主要用于定性分析 但也可用于定量分析
➢ 定性: 红外光谱最重要的应用是中红外区 有机化合物的结构鉴定。通过与标准谱图比较， 可以确定化合物的结构；对于未知样品，通过 官能团、顺反异构、取代基位置、氢键结合以 及络合物的形成等结构信息可以推测结构。
➢ 定量: 近年来红外光谱的定量分析应用也 有不少报道,尤其是近红外、远红外区的研究报 告在增加。如近红外区用于含有与C，N，O等 原子相连基团化合物的定量；远红外区用于无 机化合物研究等。
实际由于一些振动不产生红外吸收，或吸收在中红外区 以外，有些振动频率很接近，不易分辨，因此化合物的红外吸 收峰数目小于（3n-6）。
分子在振动和转动过程中只有伴随净的偶极矩变化的键才有红外活 性。因为分子振动伴随偶极矩改变时，分子内电荷分布变化会产生交变电场， 当其频率与入射辐射电磁波频率相等时才会产生红外吸收。