第十二章 红外吸收光谱
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。
红外吸收光谱法-基本原理
基本原理
红外光谱的发展
Discovery of infrared Light
William Herschel
红外吸收光谱法
▪ 在未知物结构解析中有重要应用 ▪ “四大波谱”技术之一 ▪ 利用物质分子对红外辐射(0.78-40 μm)的特征吸收鉴别物质分子结构或定量分析
分子振动 分子转动
O=C=O
不对称伸缩振动
分子的振动类型
分子基团的振动频率（双原子分子）
1 k 2
虎克定律
伸缩振动频率的计算
▪ H-Cl为例
1 k 2
k 5.1N / cm
m1 m2 35.51.0 0.97
m1 m2 35.5 1.0
H Cl
1
2
k
2993 cm1
基频吸收峰
红外振动频率的分类
分子的振动类型
分子振动方式
伸缩振动 变形振动
对称伸缩振动 不对称伸缩振动 面内变形振动
面外变形振动
剪式振动 面内摇摆振动 面外摇摆振动 面外扭曲振动
伸缩振动
对称伸缩振动 Symmetric stretching
不对称伸缩振动 Asymmetric stretching
弯曲振动
剪式振动 Deformation
面外摇摆振动 Wagging
面内摇摆振动 Rocking
扭Hale Waihona Puke 振动 Twisting分子的振动自由度
N个原子组成的分子，3N个自由度 3N=平动自由度+转动自由度+振动自由度
由N个原子组成的分子：平动自由度=3 由N个原子组成的线形分子：转动自由度=2 由N个原子组成的非线形分子：转动自由度=3
红外吸收光谱法一文稿演示
2、特征峰与相关峰
（1）特征峰（characteristic absorption band）：next 可用于鉴别官能团存在的吸收峰，称~
（2）相关峰（correlative absorption band）：next
由一个官能团引起的一组具有相互依存关系的特征峰，称 ~
ü 注： • 相关峰的数目与基团的活性振动及光谱的波数范
围有关 • 用一组相关峰才可以确定一个官能团的存在
CN 224c7m1
as CH2
309c0m1
C sC163c9m1
CH2 990cm1
CH 909cm1
返回
三、吸收峰的峰位及影响因素
（二）吸收峰的位置（峰位）
即振动能级跃迁所吸收的红外线的波长或波数
1．基本振动频率
EEL
1h h 2 2
k 1302K
2）泛频峰
倍频峰：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（即 V=0→V=2，3……产生的峰）
即L V
泛 倍频峰 二倍频峰（V=0→V=2）
频
三倍频峰（V=0→V=3）
峰 合频峰
差频峰（即V=1→V=2，3 ……产生的峰）
注：泛频峰强度较弱，难辨认→却增加了光谱特征性
特征性 特征性强
简单、特征性不强
用途
鉴定化合物类别 鉴定官能团
推测结构
定量 推测有机化合物共轭骨架
第十三章 红外分光光
度法
第二节 基本原理
一、分子振动能级和 振动形式
二、吸收峰位置及其 影响因素
三、吸收峰强度
一、分子振动能级和振动形式
1．双原子分子的简谐振动及其频率
第十一章,第十二章,第十三章,第十四章有机化学名词解释
名词解释第十一章1.振动光谱——分子振动能级间的能量差比同一振动能级中转动能级之间能量差大100倍左右，他们大多在近红外区域内，因此称为红外光谱。
2.转动光谱——分子转动能级之间的能量差很小，转动光谱位于电磁波谱中的远红外及微波区域内。
3.红外吸收峰的位置——分子振动的频率决定分子所吸收的红外光频率。
4.红外吸收光谱——分子吸收红外光引起的振动和转动能级跃迁产生的信号。
5.红外光谱产生的条件——当一定频率的红外光照射物质时，如果分子中某一基团的振动频率正好与其相同，物质就能吸收这一频率的红外光从低能级跃迁到较高的能级，产生红外吸收光谱。
6.叁键和累积双键区——2500~2000 cm-1各种叁键基团和累积双键的伸缩振动区域7.氢键区——4000~2500cm-1含氢基团的伸缩振动区。
8.双键区——2000~1500 cm-1各种双键基团包括共轭双键以及苯基伸缩振动区域。
9.特征吸收峰——用于鉴定官能团存在的吸收峰。
10.特征谱带区——氢键，双键，叁键区的特征性强，所以4000~1500 cm-1的区域称为官能团特征频率区。
11.核磁共振谱——记录原子核对射频区电磁波的吸收，简称NMR。
12.质子磁共振谱——氢原子核共振谱，简称PMR。
13.化学位移——由于化学环境所引起的核磁共振信号位置的变化。
14.自旋偶合——相邻碳上氢核的相互影响。
15.硝基化合物的还原——硝基苯在强酸介质中，用金属还原时，总是得到苯胺，用催化加氢也可得到同样的结果。
16.胺的碱性——胺与氨相似，氮原子上的未共用电子对能与质子结合，形成带正电的铵离子。
17.胺——可看作氨的衍生物，即氨分子中的氢原子被烃基取代的产物。
18.胺的烃基化——与卤代烃（通常为伯卤代烃和具有活泼卤原子的芳卤化物），醇等烃基化试剂作用，胺基上的氢原子被烃基取代。
19.胺的酰基化——伯胺和仲胺作为亲核试剂可与酰卤，酸酐等酰基化试剂反应，生成N-取代酰胺和N,N-二取代酰胺。
红外吸收光谱讲课文档
CH
NH OH
2800-3000cm-1
3000-3600cm-1
第十二页，共72页。
分子中基团的基本振动形式
伸缩振动 亚甲基：
弯曲振动
亚甲基
第十三页，共72页。
影响峰位变化的因素
❖ (1) 内部因素
❖ ① 电子效应 ❖ 1）诱导效应：由于取代基具有不同的电负性，通过静电诱导
作用，引起分子中电子分布的变化，从而引起键力常数的变化， 改变了基团的特征频率，这种效应通常称为诱导效应。
（3）炔烃
❖ 末端炔烃的C-H伸缩振动一般在3300 cm-1处出现
强的尖吸收带。
❖
一取代：2150～2100cm-1
❖ C≡C伸缩振动
❖
二取代：2270～2150cm-1
第二十九页，共72页。
（4）芳烃
❖ vC-H：3100～3000cm-1 ❖ γC-H：面外弯曲振动在900～650cm-1，反映苯环上取代
动光谱，简称振转光谱。
❖ 分子在未受光照射之前，能量处于最低能级， 称之为基态。
❖ 当分子受到红外光的辐射，产生振动能级的跃迁， 在振动时伴有偶极矩改变者就吸收红外光子，形 成红外吸收光谱。
第三页，共72页。
区域 λ(μm)
σ(cm-1 )
能级跃迁类型
近红外 0.ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ5～2.5 13330~4000 OH 、NH及CH键倍频吸收区
❖ (2) 照射分子的红外光的频率与分子某种振动的频率相 同时（红外=振），分子吸收能量后，才能产生跃迁，在 红外谱图上出现相应的吸收带。
第五页，共72页。
❖ 已知任何分子就其整个分子而言，是呈电中性 的，但由于构成分子的各原子因价电子得失的 难易，而表现出不同的电负性，分子也因此而 显示不同的极性。
第十二章IR药学2009
红外夜视仪 红外摄像机
野外遥感和工业用傅立叶 变换热红外光谱辐射仪
遥控红外感应报警器
红外吸收光谱法：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 性和定量分析方法，又称红外分光光度法。
一、红外光的划分
红外线：波长在0.76 ~ 1000μm 内的电磁波
近红外区：0.76 ~ 2.5μm -OH和-NH倍频吸收区 中红外区：2.5 ~ 25μm 振动、伴随转动光谱 远红外区：25 ~ 1000μm 纯转动光谱
杂化轨道中s轨道成分↑，键能↑，K↑→ς↑
CH （饱和） CH CH （不饱和）
sp 杂化
3
sp 杂化
2
sp杂化
νCH—判断饱和H与不饱和H的依据
1
饱和H原子 C H （饱和） 3000cm 1 不饱和H原子 C H （不饱和） 3000cm
分子光谱→带状光谱
第十二章
红外吸收光谱法（IR）
第一节
概述
红外线：众多不可见光线中的一种，由德 国科学家霍胥尔于1800年发现，又称为红外 热辐射。 红外线是不可见光线。所有高于绝对零度 （－273℃）的物质都可以产生红外线。现 代物理学称之为热射线。 生活中红外线的应用
高温杀菌，红外线夜视仪，红外线透视，监 控设备，手机的红外口，宾馆的房门卡，汽 车、电视机的遥控器、洗手池的红外感应
（2）共轭效应： 使振动频率移向低波数区
共轭效应使 电子离域，双键性
，K
注意： 诱导效应与共轭效应共存时，优先 考虑影响更大者 如：杂原子取代基 1）卤素原子及O原子诱导效应占优 2）N、S原子共轭效应占优
（3）环张力效应（键角效应）
红外吸收光谱峰位的影响因素
红外吸收光谱峰位的影响因素光谱峰位的影响因素分子内基团的红外吸收会受到邻近基团及整个分子其他部分的影响，也会因测定条件及样品的物理状态而改变。
所以同一基团的特征吸收会在一定范围内波动。
影响因素有： 1. 化学键的强度一般地说化学键越强，则力常数K 越大，红外吸收频率ν 越大。
如碳碳三键，双键和单键的伸缩振动吸收频率随键强度的减弱而减小。
伸缩振动频率 (cm -1) 2150 1715 1200 2. 诱导效应诱导效应可以改变吸收频率。
如羰基连有拉电子基团可增强碳氧双键，加大C=O 键的力常数K ，使C=O 吸收向高频方向移动。
C=O 伸缩振动频率（cm -1 ） 1715 1815 ~ 17853. 共轭效应共轭效应常使C =O 双键的极性增强，双键性降低，减弱键的强度使吸收向低频方向移动。
例如羰基与α、β不饱和双键共轭，从而削弱了碳氧双键，使羰基伸缩振动吸收频率向低波数位移。
C=O 伸缩振动频率（cm -1） 1715 1685 ~ 16704. 成键碳原子的杂化状态一般化学键的原子轨道s 成分越多，化学键力常数K 越大，吸收频率越高。
sp sp 2 sp 3C?H伸缩振动频率（cm-1）3300 3100 29005. 键张力的影响主要是环状化合物环的大小不同影响键的力常数，使环内或环上基团的振动频率发生变化。
具体变化在不同体系也有不同。
例如：环丙烷的C-H伸缩频率在3030 cm-1，而开链烷烃的C-H伸缩频率在3000 cm-1以下。
6．氢键的影响氢键的形成使电子云密度平均化，从而使伸缩振动频率降低。
形成氢键后基团的伸缩频率都会下降。
游离羧酸的C=O键频率出现在1760 cm-1 左右，在固体或液体中，由于羧酸形成二聚体，C=O键频率出现在1700 cm-1 。
分子内氢键不受浓度影响，分子间氢键受浓度影响较大。
例如：乙醇的自由羟基的伸缩振动频率是3640 cm-1，而其缔合物的振动频率是3350 cm-1。
第十二章红外
亚甲基：
2)面外弯曲γ：垂直几个原子构成的平面方向上的弯曲振动 面外摇摆ω：两个原子同时向面下或面上的振动
蜷曲振动η：一个原子在面上，一个原子在面下的振动
ω:
3)变形振动：多个化学键端的原子相对于其它部分的弯曲振动
对称的变形振动δs：三个键与轴线的夹角同时变大或变小， 形似花瓣开放。 不对称的变形振动δas：三个键与轴线的夹角交替变大或减小
(7)费米共振 频率相近的泛频峰与基频峰的相互作用使 泛频峰强度增加或分裂
νC-H 2800 2δ C-H 2780
(8)振动偶合效应 指分子中两个或两个以上相同的基团靠的很近时， 相同基团之间发生偶合，使其相应特征吸收峰发生 分裂。
2．外部因素：
1）物态效应
气态：低压气体，分子间作用力小，峰窄
红外光能量较低，只能引起分子的振动能级跃迁， 振动能级跃迁时会伴随转动能级的跃迁。 红外吸收光谱法（IR）:是以连续波长的红外光为光源 照射样品引起分子振动能级之间的跃迁，而产生红外吸 收光谱，根据化合物的红外吸收光谱进行定性、定量及 结构分析的方法。
红外吸收光谱：分子振-转光谱 红外吸收光谱—T%为纵坐标，ζ或λ为横坐标。
C C
K 15 N / cm K 10 N / cm K 5 N / cm
~ 2060cm 1 ~ 1650cm1 ~ 1190cm1
不同类原子： K 影响大，K L ， ，（光谱区左端） u影响大，u L ， ，（光谱区右端）
（一）烷烃 1 1. C-H伸缩振动 C H （饱和） 3000 ~ 2850 cm （强）
as 1 s 1 CH ~ 2960 cm ( 很强） ~ 2870 cm （很强） CH 3 3 as 1 CH ~ 2925 cm （强） 2 s 1 CH ~ 2850 cm （强） 2
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-CH2平面摇摆、苯环取代、-C-H面外变
形振动区
900~400 cm-1
24
苯环取代 910cm-1以下 取代苯C-H 面外弯曲振动频率900-650cm-1
单取代： 770-730，710-690 1,2取代： 770 1,3取代： 810-750，710-690 1,4取代： 830-810 1,3,5取代： 910-840 1,2,4取代： 810，850-900
2960 cm-1 2870 cm-1 2930 cm-1 2850 cm-1 2890 cm-1
反对称伸缩振动 对称伸缩振动 反对称伸缩振动 对称伸缩振动 弱吸收
3000 cm-1以下
（3）不饱和碳原子上的=C—H（ C—H ） 苯环上的C—H 3030 cm-1 =C—H 3010 2260 cm-1 3000 cm-1 以上 C—H 3300 cm-1
>900 cm-1，包括C-O,C-N,C-F等键的伸缩振动和 C=S,S=O等双键的伸缩振动吸收； <900 cm-1，一些重原子伸缩振动和一些变形振动的 吸收频率区。
31
基团吸收带数据
Ｏ－Ｈ
３６３０
活
Ｎ－Ｈ
３３５０
泼 氢
Ｐ－Ｈ
２４００
特
Ｓ－Ｈ
２５７０
征
v
1
12c源自k 1307 k
1307
9.6 12 * 12 /(12 12)
1650cm 1
正己烯中C=C键伸缩振动频率实测值为1652 cm-1
11
三、分子中基团的基本振动形式
1．两类基本振动形式：伸缩振动、弯曲振动 （1）伸缩振动：指化学键两端的原子沿键轴方向做来回周 期伸缩运动，键长发生变化而键角不变的振动称为伸缩振动。 它又分为剪式（对称）伸缩振动和摇摆（不对称）伸缩振动。
18
（3）峰的强度（峰强） 红外吸收峰的强度与分子振动时偶极矩变化值的平方成正 比，因此振动时瞬间偶极矩变化越大，吸收峰越强。
吸收峰的强度 偶极矩的平方
而偶极矩与分子结构的对称性有关：分子对称度高，振动 偶极矩小，产生的谱带就弱；反之则强。 键两端原子电负性相差越大（极性越大），吸收峰越强
键
Ｃ＝Ｃ
１７１５ １７２５ １６５０
二、分子结构与吸收峰
1． X—H伸缩振动区（4000 2500 cm-1 ） （1）—O—H 3650 3200 cm-1 确定 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。
26
（2）饱和碳原子上的—C—H
—CH3 —CH2— —C—H
理论峰数：3N-5=4,
实际峰数：2个
17
理论上，多原子分子的振动数应与谱峰数相同，但实际 上，谱峰数常常少于理论计算出的振动数，这是因为：
a）没有偶极矩变化的振动(=0) ，不产生红外吸收； b）某些振动吸收频率完全相同时，简并为一个吸收峰（振 动形式不同，但其频率相同）：如前述CO2的面内及面外弯 曲振动。 c）仪器分辨率或灵敏度不够，对一些频率很接近的吸收峰 分不开，一些较弱的峰可能检测不出，等等。 d）倍频峰和组（合）频峰的产生； e） 振动偶合 f）费米共振
既可作定性又可定量，有时 是破坏性分析
7
分子振动方程式
1、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
分子的振动能级（量子化）：
E振=（V+1/2）h
V ：振动量子数(0、1、2、3……)； h : 普朗克常数（6.63×10-34J·s）；
：化学键的振动频率。
E = E激- E基 = h
非共轭
2240 2260 cm-1
共轭
2220 2230 cm-1
仅含C、H、N时：峰较强、尖锐；
有O原子存在时；O越靠近C N，峰越弱。
28
3．双键伸缩振动区（ 2000 1500 cm-1 ） （1） RC=CR’ 1620 1680 cm-1
强度弱， R=R’（对称）时，无红外活性。
如：H2O、HCl、CO
6
红外光谱的特点
比较内容 红外吸收光谱
紫外-可见吸收光谱
光谱产生 研究对象
分析功能
分子的振动和转 动能级的跃迁
在振动中伴随有 偶极矩变化的化
合物
既可定性及结构 分析又可定量，
非破坏性分析
价电子和分子轨道上的电子 在电子能级间的跃迁
不饱和有机化合物特别是具 有共轭体系的化合物
红外光谱图 可以用峰数， 峰位，峰形， 峰强来描述
3
红外区的划分
区域
/m
近红外区 0.75~2.5
中红外区 2.5~25 远红外区 25~1000
/cm-1 13300~4000
4000~400 400~10
能级跃迁类型
主要用于研究O-H、N-H、 C-H键振动的倍频与组频
振动的基频
骨架振动和转动，晶格振 动
红外吸收光谱分析
Infrared Absorption Spectroscopy (IR)
§12.1 红外吸收光谱分析概述
红外光谱：系指2.5-25 m之间的吸收光谱 分子中基团的振动和转动能级跃迁产生：振-转光谱
考点
辐射→分子振动能级跃迁→红外光谱→官能团→分子结构
25 2
红外光谱图： 当用一束具有连续波长红外光照射物质时，该物质的分子就会 吸收一定波长的红外光的光能，并转化为分子的振动能量和转 动能量。以波长或波数为横坐标，以百分透过率或吸收率为纵 坐标，记录吸收曲线，即得到该物质的红外吸收光谱。 纵坐标为吸收强度或透过率 横坐标为波长λ（m ）或波数1/λ (cm-1)
16
由N个原子组成的分子：平动自由度=3 由N个原子组成的非线形分子：转动自由度=3 由N个原子组成的线形分子：转动自由度=2 <线形分子只能绕y, z轴方向转动（设所有原子的轴在x方向）>
所以线形分子的振动自由度＝3N-3-2=3N-5 ， 而非线形分子的振动自由度＝3N-3-3=3N-6
如：CO2分子 （对称伸缩振动无红外活性）
27
2． 三键（C C）和累计双键（C=C=C）伸缩振动区 （2500 2000 cm-1 ）
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
（2）RC N
（2100 2140 cm-1 ）
某些化学键的伸缩力常数（毫达因/埃）
键类型 —CC — > —C =C — > —C — C —
力常数
15 17 9.5 9.9
4.5 5.6
峰位
4.5 m
6.0 m
7.0 m
波数
2062 cm-1 1640 cm-1
1300 cm-1
10
例题: 由表中查知C=C键的k=9.5 9.9 ,令其为9.6, 计 算波数值。
X，因对称性低，其振动峰强度就大。
20
§12.2 红外吸收光谱与分子结构的关系
一、红外光谱的特征性
在红外光谱中，某些化学基团虽然处于不同分子中，但它们 的吸收频率总是出现在一个较窄的范围内，吸收强度较大， 且频率不随分子构型变化而出现较大的改变。这类频率称 为基团频率，其所在的位置一般又称为特征吸收峰。
考点:-C=O 的伸缩振动吸收
碳氧双键的特征峰，强度大，峰尖锐。峰出现的波数范围
考点
饱和醛(酮)1740-1720 cm-1 ；强、尖；不饱和向低波数移动。 30
4. X—Y，X—H 变形振动区 < 1500 cm-1
指纹区 (1500 400 cm-1 ) ：除单键的伸缩振动外，还有因
变形产生的复杂光谱。当分子结构稍有不同时，该区的吸 收就有细微的差异，类似人的指纹。
任意两个相邻的能级间的能量差为：
波数
分子振动方程式
k：化学键的力常数，与键能和键长有关，
：双原子的折合质量
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。 化学键越强（即键的力常数k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。
（2）单核芳烃的C=C键伸缩振动（1626 1650 cm-1 ）
1450、1500、1580、1600
考点
（苯环特征，但后三个峰不一定同时出现）
2000
1600
苯衍生物在 1650 2000 cm-1 出现 C-H和C=C键的面内 变形振动的泛频吸收（强度 弱），可用来判断取代类型。
29
（3）C=O （1850 1600 cm-1 ）
含 不
Ｃ－Ｈ
３３３０
吸 收
氢 饱 化 和
Ａr－Ｈ
３０６０
带
学 氢
＝Ｃ－Ｈ
３０２０
（ 伸 缩
键 饱 和
－ＣＨ３ ＣＨ２
２９６０，２８７０ ２９２６，２８５３
振
氢
－ＣＨ
２８９０
动
Ｃ Ｃ
）
三 键
Ｃ Ｎ
２０５０ ２２４０
Ｒ２Ｃ＝Ｏ
双
ＲＨＣ＝Ｏ
19
对称性差→偶极矩变化大→吸收峰强度大
峰强度可用很强（vs）、强（s）、中（m）、弱（w） 、很弱（vw）等来表示。
红外吸收峰强度比紫外吸收峰小2~3个数量级
摩尔消光系数 （）
强度
>200 75~200 25~75
很强 强
中
5~25 弱
0~5 很弱
如C=C，C-C因对称度高，其振动峰强度小；而C=X，C-