【精品课件】有机化合物光谱解析第二章红外光谱
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常见有机化合物的红外光谱PPT课件
第四章
红外吸收光谱
分析法
Infrared absorption
spectroscopy,IR
4.3 常见有机化 合物的红外谱图
Infrared spectrograph of organic compounds
2021/3/17
主要化合物(基团)的红外光谱
化合物(基团)的特征频率(实际上是指波数 值σ，习惯用υ表示)是红外光谱用以定性 的基础。
重 叠
CH2 δs1465 cm-1
(c) 指纹区 CH2γ (720 cm-1)（水平摇摆）
CH2 对称伸缩 2853cm-1±10 CH3 对称伸缩 2872cm-1±10 CH2不对称伸缩 2926cm-1±10 CH3不对称伸缩 2962cm-1±10
-（CH2)n- n
以上是正构烷烃的特征频率 ，如果发生异构化，特征频 率会有怎样变化？
基团特征频率区
指纹区
N-H 伯胺 R—NH2 N—H伸缩振动 υas 3500 cm-1
(b) 伸缩 振动
Ar—NH2 特征：产生双峰 υs 3400 cm-1
仲胺为单峰，R—NH—R’ ：3350～3310 cm-1
Ar—NH—R ：3450 cm-1
υN-H与υO-H相重叠，可根据峰形和强度来区分它们：通常羟 基峰强而宽，氨基峰弱且尖，后者随浓度变化较小。
多元醇（如1,2-二醇 ） 3600～3500 cm-1 螯合键（和C=O，NO2等）3500～3200 cm-1 多分子缔合（多聚体） 3400～3200 cm-1
2021/3/17
OH CH
CO CH
羟基浓度增大，造成—OH氢 键的缔合作用使得—OH向低 波数移动
2021/3/17
红外吸收光谱
分析法
Infrared absorption
spectroscopy,IR
4.3 常见有机化 合物的红外谱图
Infrared spectrograph of organic compounds
2021/3/17
主要化合物(基团)的红外光谱
化合物(基团)的特征频率(实际上是指波数 值σ，习惯用υ表示)是红外光谱用以定性 的基础。
重 叠
CH2 δs1465 cm-1
(c) 指纹区 CH2γ (720 cm-1)（水平摇摆）
CH2 对称伸缩 2853cm-1±10 CH3 对称伸缩 2872cm-1±10 CH2不对称伸缩 2926cm-1±10 CH3不对称伸缩 2962cm-1±10
-（CH2)n- n
以上是正构烷烃的特征频率 ，如果发生异构化，特征频 率会有怎样变化？
基团特征频率区
指纹区
N-H 伯胺 R—NH2 N—H伸缩振动 υas 3500 cm-1
(b) 伸缩 振动
Ar—NH2 特征：产生双峰 υs 3400 cm-1
仲胺为单峰，R—NH—R’ ：3350～3310 cm-1
Ar—NH—R ：3450 cm-1
υN-H与υO-H相重叠，可根据峰形和强度来区分它们：通常羟 基峰强而宽，氨基峰弱且尖，后者随浓度变化较小。
多元醇（如1,2-二醇 ） 3600～3500 cm-1 螯合键（和C=O，NO2等）3500～3200 cm-1 多分子缔合（多聚体） 3400～3200 cm-1
2021/3/17
OH CH
CO CH
羟基浓度增大，造成—OH氢 键的缔合作用使得—OH向低 波数移动
2021/3/17
红外吸收光谱PPT课件
02
红外吸收光谱仪器
红外光谱仪的构造
01
02
03
04
光源
发射一定波长的红外光，常用 光源有碘、溴钨灯等。
单色器
将光源发出的红外光分成单色 光，常用单色器有棱镜和光栅
。
样品室
放置待测样品，样品可以是气 体、液体或固体。
检测器
检测透过样品的红外光，常用 检测器有热电偶、光电导和光
电二极管等。
红外光谱仪的工作原理
红外吸收光谱的应用
确定物质成分
结构分析
通过比较标准物质的红外吸收光谱，可以 确定未知物质的成分。
红外吸收光谱的峰位置和峰强度可以提供 物质分子的振动和转动信息，有助于分析 分子结构和化学键的类型。
定量分析
反应动力学研究
通过测量样品在不同波长下的透射率或反 射率，可以计算样品中目标成分的浓度。
红外吸收光谱可用于研究化学反应过程中 分子振动和转动能级的跃迁。
特点
具有高灵敏度、高分辨率和高选 择性，能够提供物质分子的振动 和转动信息，广泛应用于化学、 物理、环境和生物等领域。
红外吸收光谱的原理
原理
当红外光与物质分子相互作用时，分 子吸收特定波长的红外光，导致分子 振动和转动能级跃迁，产生红外吸收 光谱。
影响因素
分子结构和化学键的性质决定红外吸 收光谱的特征，不同物质具有独特的 红外吸收光谱。
敏度，适用于复杂样品分析。
微型化红外光谱仪
02
通过集成光学、微电子机械系统等技术，将红外光谱仪小型化，
方便携带和移动检测。
多光谱和超光谱红外光谱仪
03
结合多光谱技术和超光谱技术，可同时获取样品多个波段的红
外光谱信息，提高分析效率。
精品现代材料分析-红外吸收光谱介绍PPT课件
H
R1 C
H
H 3040~3010
C R2
R2 3040~3010
C H
1420~1410 1420~1410
895~885
990 910 840~800
965
730~675
1658~1698 1645~1640 1675~1665 1675~1665 1665~1650
（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。
对于伸缩振动来说，氢键越强，谱带越宽，吸收强度越 大，而且向低波数方向位移也越大。
对于弯曲振动来说，氢键则引起谱带变窄，同时向高波 数方向位移。
O H NH 游离
R
R
HN H O 氢键
C=O 伸缩 N-H 伸缩 N-H 变形
1690
3500
1620-1590
1650
3400
1650-1620
HO O
苯环取代类型在2000~1667cm-1和 900~650cm-1的图形
邻、间及对位二甲苯的红外光谱
（5）醇和酚
在稀溶液中，O-H键的特征吸收带位于3650～3600 cm-1；在纯液体或固体中，由于分子间氢键的关系， 使这个吸收带变宽，并向低波数方向移动，在 3500～3200 cm-1处出现吸收带。
~17ห้องสมุดไป่ตู้0
~1760（游离态）
（5）芳环、C=C、C=N伸缩振动区 1675~1500cm-1
① RC=CR′ 1620 1680 cm-1 强度弱， R=R′（对称）时，无红外活性。
② 芳环骨架振动在1600～1450 cm-1有二到四 个中等强度的峰，是判断芳环存在的重要标 志之一。
R1 C
H
H 3040~3010
C R2
R2 3040~3010
C H
1420~1410 1420~1410
895~885
990 910 840~800
965
730~675
1658~1698 1645~1640 1675~1665 1675~1665 1665~1650
（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。
对于伸缩振动来说，氢键越强，谱带越宽，吸收强度越 大，而且向低波数方向位移也越大。
对于弯曲振动来说，氢键则引起谱带变窄，同时向高波 数方向位移。
O H NH 游离
R
R
HN H O 氢键
C=O 伸缩 N-H 伸缩 N-H 变形
1690
3500
1620-1590
1650
3400
1650-1620
HO O
苯环取代类型在2000~1667cm-1和 900~650cm-1的图形
邻、间及对位二甲苯的红外光谱
（5）醇和酚
在稀溶液中，O-H键的特征吸收带位于3650～3600 cm-1；在纯液体或固体中，由于分子间氢键的关系， 使这个吸收带变宽，并向低波数方向移动，在 3500～3200 cm-1处出现吸收带。
~17ห้องสมุดไป่ตู้0
~1760（游离态）
（5）芳环、C=C、C=N伸缩振动区 1675~1500cm-1
① RC=CR′ 1620 1680 cm-1 强度弱， R=R′（对称）时，无红外活性。
② 芳环骨架振动在1600～1450 cm-1有二到四 个中等强度的峰，是判断芳环存在的重要标 志之一。
红外光谱_2
大
振动能 小
能级差 (eV) 1－20
0.05-1
吸收的辐射能 光谱
可见光和紫外 电子光 谱
11 中红外区
振动光
三、红外吸收产生的原理
辐射 分子振动能级跃迁 红外光谱 官能团 分子结构 分子的振动所需的能量远大于分子的转动所需的 能量，因此对应的红外吸收频率也有差异：
远红外区：波长长，能量低，对应分子的转动吸收
一个整体,其运动状态可分为平动、 f总＝f振+f平+f转＝3N
转动、振动三类。分子总自由度应
该等于平动、转动和振动自由度的 f振＝3N －f平－f转
总和，即:
26
三、红外吸收产生的原理
每一种振动形式都会产生一个基频峰，即一个 多原子分子所产生的基频峰的数目应该等于分子所 具有的振动形式的数目。无论是线形分子还是非线 形分子其平动的自由度都等于3。
2
dx 则 m d t2 = - kx（1）
c c
1k
v = 2π m
（3）
x = A cos (2π v t + Ф) （2） 1k
用波数表示 = 2πc m
（波数）与K成 正比； 与原子质量成反比
对双原子分子来说，约合质量
m1 m2 μ=
代替m： =
m1+m2
1 2πc
k μ
发生振动能级跃迁需要的能量的大小取决于键两端原
样品吸收红外辐射的主要原因是： 分子中的化学键
因此, IR可用于鉴别化合物中的化学键类型，可 对分子结构进行推测。既适用于结晶质物质，也 适用于非晶质物质。 应用：有机化合物的结构解析 定性：基团的特征吸收频率 定理：特征峰的强度
6
二、红外光区的划分
波谱分析课件—红外光谱
用“η”表示
基团的键角不 发生变化，基 基团的键角交替 团只是作为一 发生变化 个整体在分子 的对称平面内 左右摇摆
两个H原子核 在垂直于纸面 的方向上振动， 两个H原子核 且运动方向相 运动方向相反 同---同时向纸 面的同一侧运 动
3
骨架 振 动
定义
多原子分子的骨架振动产生，
如苯环的骨架振动。
晶格振动。
振动频率
以双原子为例，在双原子作伸缩振动时，可以 将其视为一个简单的谐振子。根据经典力学原理， 简谐振动遵循胡克定律：
m1
m2
1 2
K m
式中： ν ----振动频率 K ----化学键的力常数（N· -1） m
对于双原子分子来讲，可
用折合质量 μ（Kg）代替 m：
1 2
红外光谱的发展历史
在十九世纪初就发现了红外线,到1892年有人利 用岩盐棱镜和测热幅射计(电阻温度计)测定了20多 种有机化合物的红外光谱 1905年科伯伦茨发表了128种有机和无机化合物 的红外光谱，红外光谱与分子结构间的特定联系才被 确认。 到1930年前后，随着量子理论的提出和发展，红 外光谱的研究得到了全面深入的开展，并且测得大量 物质的红外光谱。 1947年第一台实用的双光束自动记录的红外分光光 度计问世。这是一台以棱镜作为色散元件的第一代红外 分光光度计。
产生红外吸收峰。而
， C
O
， N C
，H O
NH2 等强极性基团的伸缩振动吸收均为强吸收。
2
诱导效应
使基团极性降低的诱导效应导致基团的吸收
强度减小； 使基团极性升高的诱导效应导致基团的吸收 强度增加。 例如：
C N 为强极性基团，其
C N 吸收带尖
基团的键角不 发生变化，基 基团的键角交替 团只是作为一 发生变化 个整体在分子 的对称平面内 左右摇摆
两个H原子核 在垂直于纸面 的方向上振动， 两个H原子核 且运动方向相 运动方向相反 同---同时向纸 面的同一侧运 动
3
骨架 振 动
定义
多原子分子的骨架振动产生，
如苯环的骨架振动。
晶格振动。
振动频率
以双原子为例，在双原子作伸缩振动时，可以 将其视为一个简单的谐振子。根据经典力学原理， 简谐振动遵循胡克定律：
m1
m2
1 2
K m
式中： ν ----振动频率 K ----化学键的力常数（N· -1） m
对于双原子分子来讲，可
用折合质量 μ（Kg）代替 m：
1 2
红外光谱的发展历史
在十九世纪初就发现了红外线,到1892年有人利 用岩盐棱镜和测热幅射计(电阻温度计)测定了20多 种有机化合物的红外光谱 1905年科伯伦茨发表了128种有机和无机化合物 的红外光谱，红外光谱与分子结构间的特定联系才被 确认。 到1930年前后，随着量子理论的提出和发展，红 外光谱的研究得到了全面深入的开展，并且测得大量 物质的红外光谱。 1947年第一台实用的双光束自动记录的红外分光光 度计问世。这是一台以棱镜作为色散元件的第一代红外 分光光度计。
产生红外吸收峰。而
， C
O
， N C
，H O
NH2 等强极性基团的伸缩振动吸收均为强吸收。
2
诱导效应
使基团极性降低的诱导效应导致基团的吸收
强度减小； 使基团极性升高的诱导效应导致基团的吸收 强度增加。 例如：
C N 为强极性基团，其
C N 吸收带尖
第二章 红外光谱
（2）羧酸盐的对称伸缩振动s在1450~1300cm-1出现强 峰；硝基s 在1385~1290cm-1出现强峰；砜类as（SO2）在 1440~1300cm-1出现强峰 。
X-Y伸缩振动（13001050 cm-1 ）
伸缩振动类型 醇C-O 伯醇 仲醇 叔醇 酚C-O
醚C-O 脂肪醚 芳香醚 乙烯醚
（2）醛基上的C-H在2820cm-1、2720-1处有两个吸收锋，它 是由C-H弯曲振动的倍频与C-H伸缩振动之间相互作用的结果 （费米共振），其中2720cm-1吸收峰很尖锐，且低于其他的 C-H伸缩振动吸收，易于识别，是醛基的特征吸收峰，可作为 分子中有醛基存在的一个依据。
（3）氧甲基（-OCH3）、氮甲基（-NCH3）和不与芳环相 连的仲胺、叔胺中的亚甲基（-N-CH2-），可在2850-2720cm-1 范围内产生中等强度的吸收峰。
取代基位置等有用情报。
脂肪族化合物C-H面外弯曲振动区
烯烃类型
波数（cm-1)
峰强度
RCH=CH2
990和910
RCH=CHR（顺） 690
强 中至强
RCH=CHR（反） 970
中至强
R2C=CH2 R2C=CHR
890 840-790
中至强 中至强
讨论：
（1）除了R1R2C=CR3R4类型的烯烃化合物，所有其他类 型的烯烃都可用C-H面外弯曲振动作为鉴定的重要依据，其 中=CH2基团除了基频谱带外，在1800cm-1附近可观察到C-H 面外弯曲振动的倍频谱带。
-OCH3 -O-CH2-O-
醛基C-H
波数（cm-1) 2960及2870 2930及2850
2890 2830-2810 2720-2750 2780-2765
有机波谱第二章红外光谱解读
1.3 分子偶极变化与峰强
1.3.1 峰强度表示方法 谱带强度单位为透射率（T）或吸收强度（A）。它们
可以用透过样品的出射光强度I与入射光强度I0表示：
T = I / I0 A = lg(I0 / I) = lg(1 / T)
在单色光和溶液的实验条件下，溶液的吸收可遵从BeerLambert定律：吸收度与溶液c和吸收池的厚度l成正比，即：
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。
化学键键强越强（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。
吸收频率随键的强度的增加而增加，随键连原子的质量增 加而减少。化学键力常数：单键—4~8 双键—8~12 叁 键—12~18
1.3.2决定峰强的因素
（1）振动过程中偶极矩的变化
基频吸收谱带的强度取决于振动过程中偶极矩变化的 大小。只有具有极性的键在振动过程中才出现偶极矩的变 化，在键周围产生稳定的交变电场才能与频率相同的辐射 电磁波作用，从而吸收相应能量使振动跃迁到激发态，得 到振动光谱。这种振动称为红外活性振动。
高极性键的振动，产生强度大的吸收谱带，如羟基、羰 基、硝基等强极性基团都具有很强的红外吸收谱带。
K为 化学键的力常数， 与键能和键长有关； m 为双原子的折合质 量.
2、质量和力常数的影响
有机化合物中个别的化学键可以近似地看作是双原子 分子，这样就可以利用双原子分子的振动公式来理解化学
键的振动：
v
=
1 2πc
(K / u)1/2 = 1303
K (m1 + m2) 1 / 2 m1m2
K:力常数，m1 和 m2 分别为二个振动质点的质量数。
有机化合物波谱分析-红外.ppt
①对称伸缩振动以s
HH
HH
②不对称伸缩振以as表示。
C
C
(2)弯曲振动(bending vibration)，也叫变角振动，以δ表示
①面内弯曲振动以δs表示。
HH C
HH C
②面外弯曲振动，以δo.o.p表示
剪式振动 s 面内摇摆
HH C
HH C
面外摇动 扭曲变形
8
3. 振动图示
按能量高纸顺序排列，通常是：as >s >δs >δo.o.p
OCO 对称伸缩
OCO
OCO
O CO
不对称伸缩 弯曲(x,y平面) 弯曲(y,z平面)
峰简并为1个
12
第二章 红外光谱（Infrared spectra IR）
（三）峰强 1、峰强的表示方法
红外光谱中峰的强度一般用百分透光率T%或吸光度A 表示。物质对红外光的吸收符合Lambert-Beer定律。 测试样品的浓度大，吸收峰强。 1）百分透光率：T%=I/I0×100% 2）吸光度：A=lgI0/I=lgT0/T A---------吸光度 I0---------吸收峰基线的透射比 I----------峰顶的透射比 3）百分吸收率：百分吸收率=（100-T）% 4）摩尔吸光系数
25
第二章 红外光谱（Infrared spectra IR）
稀溶液(游离状态)，OH3650~3600cm-1 浓度增加(氢键)，OH3515cm-1(二聚体)，3350cm-1 (多聚体)
乙醇在 不同浓 度下分 子间氢 键的影
响
26
第二章 红外光谱（Infrared spectra IR）
5、互变异构：峰位移
3
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3). 氢键效应 (1) 分子内氢键：使谱带大幅度向低频方向移动。
乙醇在不同浓度下分子间氢键的影响
分子间氢键使OH基的伸缩振动吸收发生位移
4). 互变异构
5). 振动偶合效应 当两个相同基团在分子中靠得很近时，其相应的特征
吸收峰常发生分裂，形成两个峰，这种现象叫振动偶合。
6. 样品的物理状态的影响 丙酮的羰基在气态下为1738cm-1， 而在液态下为1715cm-1。
第二章 红外光谱(Infrared Spectrum ) 复习问题
▪ 红外光谱的类别归属？ ▪ 分子的振动类型？ ▪ 决定峰强、峰位的影响因素？ ▪ 特征区、指纹区及相关峰的概念？ ▪ 红外光谱八大重要区域及相关振动类型？ ▪ 根据红外光谱吸收确定双键、苯环取代模式？ ▪ 红外光谱在解析结构中的应用？
4.2 外部因素
1. 溶剂影响 极性基团的伸缩频率常常随溶剂的极性增大而降低。 以羧酸的羰基为例：
2. 仪器的色散元件 棱镜：分辨率低 光栅：分辨率高
第二节 红外光谱中的重要区段
一 特征谱带区、指纹区及相关峰的概念
特征谱带区：红外区域的4000~1333cm-1（2.5~7.5m） 指纹区：1333 ~ 400 cm-1 （7.5~15 m ），谱带主要是C-X(X=C, N, O)单键 的伸缩振动以及各种弯曲振动。
CO2分子的基本振动形式及IR光谱
2349 cm-1
667cm-1
3、分子偶极变化与峰强 3.1
3.2 决定峰强的因素
（1） 振动过程中偶极矩的变化：基频峰的强度主要取决于振 动过程中的偶极矩的变化。
偶极矩的影响因素：
（2）能级的跃迁几率：响峰位、峰强的其它因素 4.1 内部因素 1)电子效应 （1） 诱导效应
2, 立体构象的确定 (有3450cm-1)
（2） 共轭效应
共轭与诱导效应共存时的情况
2). 空间效应(steric effect)
(1) 场效应：通常只有在立体结构上互相靠近 的那些基团之间才能产生F效 应。
(2). 空间障碍（空间位阻）
（3） 跨环效应 1675cm-1
（4）环张力：环外双键和环上羰基随着环的张力增加，其
频率也相应增加。
二、红外光谱中的八个重要区段
例1. 下列（A），（B），（C）三种化合物将分别在IR 光谱中哪一段有吸收？各因什么振动类型引起？
(B) (C)
红外光谱八区域详细介绍 (一) O-H、N-H伸缩振动区（3750~3000cm-1)
顺式1，2-环戊二醇的 CCl4稀溶液，在3000~ 3700cm-1有几个峰？
3）远红外区： 400~25cm-1(25~1000m)，主要用于研究分子的转动光 谱以及重原子成键的振动等。
2 多原子分子的振动类型和振动自由度
1）振动类型
2）振动自由度与峰数
振动自由度：基本振动的数目。 分子自由度数（3N）= 平动自由度 + 转动自由度 + 振动自由度 振动自由度=分子自由度数（3N）- (平动自由度 + 转动自由度) 理论上，每个振动自由度（基本振动数）在红外光谱区均产生一个吸收峰带
3620及3455cm-1
A与B两个化合物在3000~ 3700cm-1有何不同？
(二) 不饱和烃和芳烃C-H伸缩振动区（3300~3000cm-1）
下列化合物(A)与（B)在C-H伸缩区域中有何区别？
(三）饱和烃的C-H和醛基C-H伸缩振动区（3000~2700cm-1)
（四）三键对称伸缩区（2400~2100cm-1)
下列化合物在红外区域内可能有那些吸收？
(五）羰基的伸缩振动区（1900~1650 cm-1 ）
(六）双键的对称伸缩振动区（1680~1500 cm-1 ）
(七）C-H弯曲振动区（面内）（1475~1300 cm-1 ）
下列两化合物在1475~1300cm-1区域内有何吸收？
s:1386cm-1, 1367cm-1
第三节 红外光谱在有机化合物结构分析中的应用
一、鉴定是否为某已知化合物 1，对照品与标准品在同一条件下测得的红外光谱。
完全一致则判定可能为同一种化合物。 2，无标准品，但有标准图谱时，则可按名称、分子式
索引查找核对，但必须注意测定仪器与测定条件是否 一致。
二 鉴定未知结构的官能团 1, 在确定特征官能团时,应尽量找到其相关峰 CH3: 1380, ~2960, ~2870,1470~1430cm-1 2, 注意各基团的相互影响因素
第二章 红外光谱(Infrared Spectrum )
1、基本知识
红外光谱：红外线可引起分子振动能级和转动能级的跃迁, 所以又称振转光谱。
红外光的三个区域：
1）近红外区：12500~4000cm-1(0.8~2.5m)，主要用于研究分子中的OH、N-H、C-H键的振动倍频与组频。
2）中红外区：4000~400cm-1(2.5~25m)，主要用于研究大部分有机化 合物的振动基频。
相关峰：一个基团常有数种振动形式，每种红外活性的振动通常都相应产 生一个吸收峰。习惯上把这些相互依存而又相互可以佐证的吸收峰叫相关 峰。如甲基（-CH3）相关峰有：C-H(as)~2960cm-1, C-H(s)~2870cm-1, CH(as)~1470cm-1, C-H(s)~1380cm-1及 C-H(面外)~720cm-1 。
线形分子只有两个转动自由度
CH2振动类型及自由度
as > s > i > o.o.p
高频
低频
红外各种峰之间的关系
基频峰：1、2、 3、4、5
倍频峰：2 1、22、 2 3、24
组
合频峰：1+2、 21+2、 1+22 频
差频峰： 1-2、 21-2、 1-3
峰…
峰数往往少于基本振动数目（振动自由度）， 原因有以下几点：
例2 化合物
s:1425cm-1, 1370cm-1
（八） C-H弯曲振动区（面外）（1000~650cm-1)
芳香族化合物的特征吸收
该化合物是芳香族还是脂肪族？是否为醇类？是 否为醛、酮、酸类？是否含有双键或三键？
该化合物是芳香族还是脂肪族？在4000~1000 cm-1区域中，可能有那些基团？没有那些基团？