红外光谱
红外光谱解析
10 （cm ） （m）
1
4
各种振动方式及能量
分子振动方式分为：
伸缩振动 -----对称伸缩振动 s ----反对称伸缩振动 as 弯曲振动 ----面内弯曲振动 ----剪式振动 s -----平面摇摆 -----面外弯曲振动- ----非平面摇摆 -----扭曲振动 按能量高低为： as >
的，只有在立体结构上互相靠近的基团之间才能产生F效应， 例如：
环己酮 4，4-二甲基环己酮 2-溴-环己酮 4，4-二甲基-2-溴-环己酮
C=O
1712
1712
1716
1728
-氯代丙酮的三个异构体的C=O 吸收频率不同
氢键效应
氢键使吸收峰向低波数位移，并使吸收强度加强，
例如： - 和-羟基蒽醌
二氧化碳的IR光谱
O=C=O
对称伸缩振动 不产生吸收峰
O=C=O
反对称伸缩振动 2349
O=C=O
面内弯曲振动 667
O=C=O
面外弯曲振动 667
因此O=C=O的 IR光谱只有2349 和 667/cm 二个吸收峰
二、IR光谱得到的结构信息
IR光谱表示法：
红外光谱产生的原理
红外光谱产生的原理红外光谱是一种常用的分析方法，它通过测量物质对红外辐射的吸收、散射或透射来确定物质的化学组成和结构。
红外光谱具有非破坏性、快速、高灵敏度、无污染等优点，因此在化学、生物、环境、食品等领域得到了广泛应用。
红外光谱的产生原理可以通过电磁辐射的能量变化来解释。
电磁辐射是由电场和磁场通过振荡产生的，其频率范围划分为不同的区域，其中包括红外区域。
红外光谱所使用的辐射主要来自于红外辐射源，该源产生的电磁辐射频率与分子或原子的振动频率相匹配。
分子或原子在红外辐射的作用下，会发生振动、转动和电子跃迁等过程。
其中，红外辐射主要引起分子或原子的振动。
分子振动是分子中原子相对于彼此的运动，包括拉伸、弯曲、扭转等运动模式。
不同的分子或原子具有不同的振动频率和形式，因此在红外光谱图中呈现出不同的吸收峰。
分子或原子的振动能量与红外光谱中的光子能量相匹配，当振动频率与红外辐射频率相同或相近时，分子或原子可以吸收红外光子的能量，从而产生光谱吸收峰。
吸收峰的强度与物质中特定键的吸收强度成正比，通过测量光谱吸收峰的强度可以获取物质中特定官能团的存在和浓度。
红外光谱的产生涉及到一系列的光学元件，包括红外光源、样品室、光学分析仪器等。
红外光源主要用于产生红外辐射，常用的光源包括热电偶、半导体激光器、四极管等。
样品室则用于容纳样品，并提供适当的环境条件，以确保测量的准确性和可靠性。
光学分析仪器是红外光谱的核心部分，它包括光学元件和光学检测器。
光学元件用于对红外辐射进行分光和聚焦，以分离出各个波长的光子，并准确地聚焦到检测器上。
光学检测器则将光子转化为电信号，通过电子学处理和数据转换，最终得到红外光谱图。
红外光谱的测量方法有很多种类，包括红外吸收光谱、红外发射光谱、红外散射光谱等。
每种方法都有其特定的应用范围和优缺点。
总之，红外光谱的产生是通过物质吸收红外辐射能量而引起的，通过测量物质对红外光的吸收特征可以得知物质的化学组成和结构信息。
红外光谱
不明显
醇、酚、醚
C-O RNH2 R2NH
胺
特征峰
类别 醛、酮
键和官能团
C=O R-CHO C=O
拉
1750-1680 2720
伸 (cm-1)
说
明
上的氢） （C=O上的氢） 上的氢
与CH3和CH2容易区分 和 容易区分
羧酸 OH 酰卤 酸酐 酯 酰胺 腈 C=O C=O C=O; C-O-C C=O NH2 C≡N ≡
２、必须能引起分子偶极矩变化的振动才能产生红外 必须能引起分子偶极矩变化的振动才能产生红外 偶极矩变化 吸收光谱 偶极矩变化与原子电负性、 偶极矩变化与原子电负性、振动类型以及分子 的对称性有关。 的对称性有关。
H2、O2、N2 电荷分布均匀，振动不能引起红外吸收。 电荷分布均匀，振动不能引起红外吸收。 C≡C
3、影响吸收峰减少的因素 、 （１） （２） （３） 偶极矩不发生变化的， 偶极矩不发生变化的，没有红外吸收 发生峰的简并 吸收峰在中红外区外
（４） 吸收强度太弱 （５） 强峰对弱峰的覆盖
三、分子的振动类型 (1) ) 伸缩振动： 伸缩振动：
沿轴振动，只改变键长，不改变键角
C
称 缩 动 对 伸 振 (νs) -1 (2853 cm )
二、分子振动 1、双原子分子振动为近似的简谐振动 、双原子分子振动为近似 近似的简谐振动 简正振动：反映的是某一化学键的键长和键角变化， 简正振动：反映的是某一化学键的键长和键角变化， 吸收频率为化学键的特征吸收峰。 吸收频率为化学键的特征吸收峰。 光谱选律为 双原子分子可产生 红外吸收峰 ∆ν ＝±１ 的振动。 ∆ν ＝ ± ３的振动。 ∆ν ＝ ± 1 的跃迁所产生的吸收 ∆ν ＝ ± 2 的跃迁所产生的吸收 ∆ν ＝ ± ２或
红外光谱(最全-最详细明了)
1. 收集谱图数据
通过红外光谱仪获取样品的光 谱数据。
3. 峰识别与标记
识别谱图中的特征峰，并对其 进行标记。
5. 结果输出
得出样品成分的红外光谱解析 结果。
谱图解析技巧
1. 峰归属参考
查阅相关资料，了解常见官能团或分子结构 的红外光谱峰归属。
3. 多谱图比对
将待测样品谱图与标准样品谱图进行比对， 提高解析准确性。
红外光谱与其他谱学的联用技术
红外光谱与拉曼光谱联用
拉曼光谱可以提供分子振动信息，与红外光 谱结合，可更全面地解析分子结构和化学组 成。
红外光谱与核磁共振谱联用
核磁共振谱可以提供分子内部结构的详细信息，与 红外光谱结合，有助于深入理解分子结构和化学键 。
红外光谱与质谱联用
质谱可以提供分子质量和结构信息，与红外 光谱结合，有助于对复杂化合物进行鉴定和 分析。
红外光谱在大数据与人工智能领域的应用
红外光谱数据的处理与分析
利用大数据技术对大量红外光谱数据进行处理、分析和挖掘，提取有用的化学和物理信息 。
人工智能在红外光谱中的应用
利用人工智能技术对红外光谱数据进行模式识别和预测，提高红外光谱的解析能力和应用 范围。
红外光谱数据库的建立与完善
建立和完善红外光谱数据库，为科研和工业界提供方便、快捷的红外光谱查询和服务。
分子振动与转动能级
1 2
分子振动
分子中的原子或分子的振动，产生振动能级间的 跃迁。
转动能级
分子整体的转动，产生转动能级间的跃迁。
3
振动与转动能级间的耦合
某些特定的振动模式会导致分子的转动能级发生 跃迁。
红外光谱的吸收峰与跃迁类型
吸收峰
由于分子振动或转动能级间的跃迁，导致光谱上出现暗线或 暗带。
红外光谱(ir、傅立叶)
红外光谱(ir、傅立叶)红外光谱（Infrared Spectroscopy）是一种常见的分析技术，可以用来研究物质的分子结构和化学键。
它主要通过测量物质对红外光的吸收来揭示分子内原子间晶格振动的信息。
傅立叶变换红外光谱是一种建立在红外光谱基础上的数据处理方法，通过傅立叶变换将时间域信号转换为频率域信号，可以简化和提高数据处理的效率。
红外光谱技术广泛应用于化学、生物、材料科学等领域，成为分析样品结构的常见手段。
其原理基于分子中原子之间的振动，当分子受到特定的红外辐射时，分子将吸收特定的红外光的能量，从而让分子中的原子发生振动。
这种振动能够在红外区域形成特定的振动谱带，称为谱指纹。
每种物质的红外吸收谱带独特，可以用来鉴定化学成分和判断分子结构。
红外光谱仪是用来测量样品的红外光谱的仪器。
红外光谱仪主要包括光源、样品室、光学系统、检测器和数据处理装置等几个部分。
光源通常采用弧光灯或红外激光器，样品室是一个密封的狭缝，样品被放置在狭缝中以使红外光能够通过它。
光学系统通过选取和分离光束，将红外光聚焦到样品上，并且将样品上的红外光传输到检测器上。
检测器是用来测量红外光强度的设备，可以将光信号转换为电信号。
而数据处理装置则用来处理检测器输出的电信号，转换为红外光谱图。
红外光谱图通常是以波数为横坐标，吸收强度（或吸收率）为纵坐标。
波数的单位一般是cm-1，它是光波的频率和振动的周期之间的倒数。
红外光谱图包含了一系列吸收带，每个吸收带对应着分子不同振动。
红外吸收带的位置和强度与分子结构有关，可以用来推测不同官能团的存在和化学键的性质。
例如，C-H键通常在3000-2850 cm-1范围内吸收，而C=O键则在1800-1600 cm-1范围内吸收。
通过比较待测物质的红外光谱与参考谱图或数据库中的标准谱图，可以对待测物质的结构和成分进行初步判断和鉴定。
傅立叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy，简称FTIR）是红外光谱的一种常用技术。
红外光谱计算公式
红外光谱计算公式红外光谱是一种用于研究物质结构和特性的重要分析方法。
它通过检测物质对红外辐射的吸收或散射来确定物质的分子组成、化学结构和功能基团等信息。
红外光谱计算公式可以帮助解释红外光谱的吸收带和峰值位置，进一步了解物质的性质。
1.波数和波长的换算关系光谱中所用的波数和波长之间存在一定的换算关系，常用的换算公式为：波长(λ)=c/波数（ν）其中，λ表示波长，ν表示波数，c为光速。
2.峰值强度的计算红外光谱中吸收峰的强度通常用吸收峰的阿贝尔吸收系数计算。
阿贝尔吸收系数与吸收能级大小和浓度成正比。
一般情况下，峰值强度与阿贝尔吸收系数呈线性关系。
3.波数和振动模式的关系红外光谱可以提供物质的分子振动信息。
不同的振动模式对应特定的波数范围。
例如：- C-H伸缩振动的波数范围为2850-3000 cm^-1- C=O伸缩振动的波数范围为1630-1850 cm^-1- N-H伸缩振动的波数范围为3200-3600 cm^-14.化学官能团和峰位的关系红外光谱中的吸收峰位可以与特定的化学官能团相关联。
通过对红外光谱的解析，可以确定物质中存在的化学官能团。
例如，瞬时电偶极矩较大的双键会导致吸收峰位置向高波数方向移动。
5.标准物质和未知物质的比较红外光谱通常会与已知化合物的光谱进行比较，以确定物质的成分。
比较时，需要注意相同官能团或化学键所对应的吸收峰的位置和强度。
如果未知物质的红外光谱与其中一种标准物质的光谱非常接近，可以确定未知物质与标准物质的化学结构相似。
总的来说，红外光谱计算公式主要涉及波数与波长的换算、峰值强度的计算、波数与振动模式的关系、化学官能团与峰位的关系以及未知物质的比较等方面。
通过运用这些计算公式，可以准确解读红外光谱，深入了解物质的结构和特性。
红外光谱计算公式的应用广泛，对于化学、材料科学、生物医药等领域的研究有着重要意义。
红外光谱
Bionanotextile
红外光谱的功能 (2)
定量分析：红外光谱适用于一些异构体和 特殊体系的定量分析，它们的红外光谱尤 其是指纹区的光谱各有特征，因此可利用 各自特征吸收峰的强度定量。 鉴定无机化合物：不要认为红外光谱只能 鉴定有机物，它也是鉴定无机物很好的手 段之一，例如络合物的研究，地矿科学的 研究也普遍采用红外光谱。
Bionanotextile
分子振动
双原子分子中原子是通过化学键联结起来的， 可以把两个原子看成是两个小球，把化学键 看作质量可以忽略不计的弹簧。它们在平衡 位置附近作简谐振动。
双原子分子振动示意图 A—平衡状态；B—伸展状态
Bionanotextile
基团特征频率
根据虎克定律双原子分子的频率公式为：
红外光谱
概述
红外光谱具有测定方法简便、迅速、所需 试样量少，得到的信息量大的优点，而且 仪器价格比核磁共振谱和质谱便宜，因此 红外光谱在结构分析中得到广泛的应用。 红外光谱主要用于有机和无机物的定性和 定量分析，其应用领域十分广泛：如石油 化工、高聚物(塑料、橡胶、合成纤维)、 纺织、农药、医药、环境监H H
对称伸缩 3650 cm-1
非对称伸缩 3760 cm-1
剪式弯曲 1595 cm-1
Bionanotextile
官能团的特征吸收频率 (1)
4000~1500cm-1范围称为官能团特征区，为基团和 化学键的特征频率(基频)，特征区的信息对结构 鉴定是很重要的。 1500~400cm-1 范围称为指纹区，主要是单键伸缩 振动和X-H的变形振动频率。 各种单键的特征峰和X-H变形振动的特征峰互相 重叠干扰，因此1500~400cm-1 范围内出现的吸收 谱带是不特征的。但它对分子结构的变化十分敏 感，就像人的指纹一样，两个化合物的指纹区光 谱不会完全相同。两个结构相近的化合物特征区 的光谱可能大同小异。但只要结构上有细微的差 异，就会引起指纹区光谱的显著改变。所以指纹 区的信息对结构鉴定也同样重要。
红外光谱技术的原理与应用
红外光谱技术的原理与应用近年来，红外光谱技术因其在分析领域中的广泛应用而备受瞩目。
它是一种非破坏性的分析技术，能够准确地确定目标物质的分子结构和功能组成。
本文将介绍红外光谱技术的原理、基础知识和应用。
一、红外光谱技术的原理红外光谱技术是一种利用物质对红外辐射的吸收和发射谱线进行分析的技术。
红外辐射可以被物质中的化学键吸收或发射，这些化学键的振动和转动运动产生了特定的谱线，对应于物质的分子结构。
红外光谱图展示了分子内各个化学键的谱线，可用于确定样品中不同分子的存在和浓度。
二、基础知识：红外光谱图的读取红外光谱图由x轴和y轴组成。
x轴表示波数（单位为cm-1），而y轴则表示对应波数下吸收带的相对强度。
红外光谱图的预处理非常重要。
为了获得最佳效果，我们需要对光谱图进行基线校正、去除噪声、调整基于吸收线强度等组合过程的光谱数据。
在光谱图上，各吸收带也需要进行标记和解释。
三、红外光谱技术的应用1. 化学分析红外光谱技术可以用于分析有机化合物的结构和组成。
化学家们可以用红外光谱图来检测样品中特定的化学键，以及确定这些化学键的类型和位置。
这项技术对于药物合成、有机化学和聚合物工程等领域的研究非常重要。
2. 食品安全红外光谱技术可以用于检测食品中的有害物质和营养成分。
例如，它可以用于测量食品中各种脂肪、糖类和蛋白质的含量。
此外，红外光谱技术还可以分析食品中的添加剂和农药残留情况。
3. 医学诊断红外光谱技术对于疾病的早期诊断和治疗也具有很大的帮助作用。
例如，红外光谱技术可以用于分析血液样品中患者的代谢物质，以及检测特定疾病标志物的存在。
此外，它还可以用于研究不同组织和器官的结构和组成。
4. 环境监测红外光谱技术可以用于分析环境样品中的有害物质和化学物质。
例如，可以通过分析水体中的化学物质来确保其安全饮用。
它还可以测定大气中的污染物质和土壤中的重金属含量。
四、未来发展随着科技的进步和新技术的出现，红外光谱技术也在不断发展。
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一、键力常数(K)和成键原子的折合质量()的 影响
一些化学键键力常数和伸缩振动波数的近似值：
H － F 9.7, 4000 H－Cl 4.8, 2890 H－Br 4.1, 2650 H－I 2310 3.2, H－O 7.7, 3600 H－N 6.4, 3400 H － S 4.3, 2570 H － 2150 Si H－C≡ 5.9, C≡N 3300 2240 H － C ＝ 5.1, 3100 H － C － 4.8, 2900 18,
(注意：2850cm1谱带可能作为强的饱和C―H伸
缩振动的肩峰，若出现2720峰，结合νC＝O相关
峰, 可判断―CHO基存在。)
苯甲醛的IR谱如下：
二、第II峰区（2500~1900）
C≡C、C≡N
X＝Y＝Z
B―H、S―H、Si―H、P―H
C≡C 2300~2100cm1
R―C≡C―R R―C≡C―H 对称 △µ =0
cm1
例:
CH3COOC(CH3) ＝CH2
C＝O 1748 cm1, COOR 1200 cm1 C＝C 1667 cm1
O
1732cm1
OCH3
1636cm1
酰胺: R－CONH2
第Ⅰ峰区
酰胺Ⅰ带
3400~3200 cm1
C＝O + δNH2 1690~1640cm1 1600~1500cm1
1622 cm 1 ， δN－H + 环呼吸
NH2
四、第Ⅳ峰区： 1500~650 cm-1（指纹区）
O
C＝C 烯烃
1660~1500 ＝C－H
m or w 3100~3000cm1
C＝C
苯环
1660~1600cm1
1600±20cm-1， 1500±20cm1 2~3 条谱带
O
1732cm1
OCH3
1636cm1
硝基化合物（－NO2）
1600~1300 cm1，双峰s.b
由度。
由N个原子分子组成的线形分子，共有 (3N – 5)
个振动自由度。如CO2，SO2分子，有4个振动自由 度。
3. 振动方式与谱带
伸缩振动：反对称伸缩振动，对称伸缩振动
弯曲振动：
面内弯曲振动
面外弯曲振动 - 非平面 摇摆振动，卷曲振动。
水分子的振动：
as
3756 cm
-1
s
3657 cm
r re
x 1
x 2
双原子分子振动时原子的位移
选律
红外活性振动：在振动过程中，只有偶极矩发生
改变的振动 （△μ≠ 0），才是红外活性振动。
对称伸缩振动
反对称伸缩振动 弯曲振动
2. 理论振动数
振动自由度
1个质点，三维坐标，3个平动自由度。 双原子分子：6个自由度（3个平动自由度，2个转动，1 个振动）。 三原子分子： 非线型三原子分子（H2O）, 9个自由度（3个平动自由度， 3个转动，3个振动）。 线型三原子分子（CO2, SO2）, 9 个自由度（3个平动自
酰胺Ⅱ带 δNH2 + C－N
酰胺Ⅲ带
C－N
1300~1200cm1
CH3OCH2CONH2的红外光谱图如下：
酸酐：
开链酸酐 as ~1850cm1 s s ~1780cm1 s– 开链酸酐 环酸酐 ~1830cm1 s– ~1770cm1 s 环酸酐
O
O
柠康酐 1 1 8 4 4 , 1 7 6 8 cm
C≡N
X＝Y＝Z Si―H B ―H P―H
N＝O
C＝C δNH2
C―N
C―C C―X 各类δ
一、第I峰区
3650 ~ 3100 ~ 3000 ~ 2500 cm1
O―H N―H ＝C―H ―C―H
≡C―H
O―H (醇、酚、羧酸类化合物)
醇与酚：O―H 游离: 缔合： ~3600 cm1 ~3300 cm1 宽
第五节 红外光谱的四大区
I~III峰区：特征区, Ⅳ峰区： 指纹区 Ⅰ Ⅱ III Ⅳ 3650 ~ 2500 ~ 1900 ~ 1500 ~ 600 cm1
3650 ~ 2500 ~ 1900 ~ 1500 ~ 600 cm1 O―H C≡C C＝O C―O
N－H
C―H ≡C―H ＝C ―H ―C ―H
~2500 cm1
例: Ph―SH
R―SH P―H Si―H Se―H
2550 cm1
2600~2500 cm1
2450~2280 cm1 2400―2100 cm1 ~2300 cm1
SH
三、第III峰区（1900~1500
C＝O （s）
1） cm
C＝C (m or w)
N＝O (s) δN―H (m or w)
羰基化合物
C＝O 均为强吸收 诱导效应导致C＝O双键性增强， C＝O高波数位移 π-π共轭导致C＝O双键性降低， C＝O低波数位移
酮:
R―CO―R ~1715 cm1，
R―CO―Ph ~1690 cm1
环酮:
环张力增加， C＝O高波数位移
E总= Et + Ev + Er + Ee
双原子分子能级示意图
第二节 红外光谱基本原理
谐振子的振动频率
根据Hooke定律, 谐振子的振动频率 是键力
常数k和原子折合质量 的函数，
m1 m2 m1 m2
=
k
1 2
k
波数(cm–1)
=
1 2c
双原子分子的振动 经典力学的谐振子模型研究
仲胺（―NH―） ~3400 cm-1 w 游离, 缔合
酰胺 R―CONH2 3400~3100 cm-1
2-甲氧基乙酰胺的红外光谱图如下
O O NH2
铵盐 ： 3000~2250 cm-1， s.b.
类似于COOH，但波数更低。
氨基酸：（内盐形式）， IR谱类似于铵盐与 羧酸盐的叠合 (注意：胺与铵盐的区别、酰胺与胺 的区别，羧酸与氨基酸的区别) 。
C―H 伸缩振动
3300
~
3100
~
＝C―H
3000
~
C―H
2500cm-1
≡C―H
炔烃：≡C―H ~3300 s. 尖
―C≡C― 无≡C―H吸收
例如：H―C≡C―CH2―OH
(O―H s.b ， C≡C ~2200）
烯氢、芳氢 ： ＝C―H
＝C―H Ar―H 3100~3000 cm-1 m or w （注意： COOH、缔合OH、酰胺等可能掩盖， 环丙烷~3060cm-1，干扰）
红外与拉曼光谱
(Infrared and Raman Spectra, IR and Raman)
第一节
红外光谱概述
分子运动能
分子电子能级（S0, S1, S2, ….）
分子振动能级（V0 , V1 , V2….）
分子转动能级（J0 , J1 , J2….）
分子运动能：平动、振动、转动、电子运动
振动偶合带 Vibrational coupling tone
费米共振带 Fermiresonance tone
第三节 红外光谱仪及实验方法
红外光谱仪
试样的制备
第四节 影响振动频率的因素
外因: 测试条件，样品浓度 内因:（分子结构因素）
分子内部结构因素
键力常数(K)和折合质量()的影响 电子效应的影响 (诱导效应, 共轭效应) 场效应 空间效应 跨环效应
C≡C 15.6, 2200 C ＝ O 12, 1700 C＝ C 9.6, 1600
二、电子效应的影响
电子效应是通过成键电子起作用的。诱导和
共轭都会导致成键原子间电子云分布发生改变。
诱导效应(Induction effect, I)：推电子效应（+I）， 导致羰基的成键电子云移向氧原子（更加偏离几何中 心），使羰基的双键性降低。拉电子效应（I）的影 响相反，使羰基的成键电子云更加接近几何中心，导 致羰基的双键性增强。
乙醇（不同浓度）的部分IR谱
对甲基苯酚的IR谱
羧酸类:
O―H 二聚体： ~3000cm1 宽、散
（注意：醇、酚、羧酸类化合物 的区别）
CH3COOH
N―H：
伯胺、仲胺、酰胺、铵盐类化合物
NH缔合程度较OH小, N―H谱带较νO―H 尖
伯胺（―NH2） 3500~3300 cm-1, 2~3条 m, as，s
H―C≡C―CH2OH C≡C
2120 w, 尖
≡C―H 3300 s, 尖
例如:
3300 s 尖，2100 m, 与极性基团连接， 吸收强度增加。
1-正庚炔的红外光谱
C≡N
R―C≡N Ar―C≡N
2300 ~ 2200cm1
2250~2240 cm1 m 或 w 2240~2200 c m1 m 或 s 2260 cm1 m, 尖
共轭效应 (Conjugation effect, C)：共轭效应通过 π-键电子传递，导致双键的极性增强，双键性降
低。有π-π共轭和 p-π共轭。ห้องสมุดไป่ตู้
三、场效应（Field effect, F)
原子或基团间不是通过化学键，而是它们的
静电场通过空间相互作用。
O O O
Br Br
1725cm 1
1730cm
COOH ~3000 s.b
C＝O ~1760 cm1 （游离）, ~1720 cm1（缔合）
Ph(或C＝C)COOH
C＝O低波数位移
C＝O, 1697 cm1