红外与拉曼光谱
红外线与拉曼光谱
波数, cm-1 = 104 /（ , µm ）
2
红外光谱与拉曼光谱的区别：信号产生的方式不同
红外光谱为吸收光谱，拉曼光谱为散射光谱（一般信号很弱） 二者在研究分子结构上具有互补性
3
红外光谱法的特点
紫外、可见吸收光谱常用于研究不饱和有机物，特别是具有 共轭体系的有机化合物
红外光谱法主要研究在振动中伴随有偶极矩变化的化合物（没 有偶极矩变化的振动在拉曼光谱中出现）
除单原子和同核分子如Ne、He、O2、H2等外，几乎所有的 有机化合物在红外光谱区均有吸收；
除光学异构体，某些高分子量的高聚物以及在分子量上只有 微小差异的化合物外，凡是具有结构不同的两个化合物，其红外 光谱一定不相同
25
红外吸收峰的强度
e ＞100 L cm-1 mol-1 20 ＜ e ＜100 10＜ e ＜20 1＜ e ＜10
非常强峰（vs） 强峰（s） 中强峰（m） 弱峰（w）
影响因素 振动能级的跃迁概率，跃迁时的偶极矩变化大小;而
偶极矩与分子结构的对称性有关
基频吸收峰：基态向第一激发态跃迁，概率大，峰较强 倍频吸收峰：基态向第二激发态跃迁，概率小，峰较弱
例如1: C-C、 CC、 CC三种碳碳键的质量相同， 键力常数的顺序是三键>双键>单键。因此在红外光谱中， CC的吸收峰出现在 2222 cm-1，而CC约在1667 cm-1 ， C-C 在 1429 cm-1;
例如2: C-C、C-O、C-N键的力常数相近，但相对折合质量不 同: C-C < C-N < C-O，这三种键的基频振动峰分别出现在1430 cm-1 、1330 cm-1 、1280 cm-1附近
红外光谱和拉曼光谱的异同
红外光谱和拉曼光谱的异同红外光谱和拉曼光谱是研究分子结构及组态、物质成分鉴定和结构分析的有力工具，由于具有无损伤、灵敏度高和时间短等特点，在物理、化学、生物学、矿物学、考古学和工业产品质量控制等领域中得到了广泛的应用，在物质结构分析中，极性基团如C=O,N-H及S-H 具有强的红外延伸振动，而非极性基团如C=C,C-C及S-S有强的拉曼光谱带，因此，红外光谱和拉曼光谱常常在一起，共同用于完成一个物质分子结构的完整分析。
通常，红外光谱适用于分析干燥的非水样品，拉曼光谱适合于含水的生物系统分析。
总体来说：红外光谱与拉曼光谱同属于分子振动光谱，但红外光谱是吸收光谱，拉曼光谱是散射光谱，二者机制不同，但互为补充。
红外光谱和拉曼光谱的联系和区别具体如下:(1)红外光谱常用于研究极性基团的非对称振动;拉曼光谱常用于研究非极性基团与骨架的对称振动。
红外吸收弱或无吸收的官能团在拉曼散射谱中均有强峰;反之，拉曼散射峰弱则红外吸收强。
例如，许多情况下C =C伸缩振动的拉曼谱带比相应的红外谱带较为强烈，C= O的伸缩振动的红外谱带比相应的拉曼谱带更为显著。
(2)拉曼光谱一次可以同时覆盖40-4000cm-1波数的区间，可对有机物及无机物进行分析。
若让红外光谱覆盖相同的区间则必须改变光栅、光束分离器、滤波器和检测器，(3)拉曼光谱可测水溶液，而红外光谱不适用于水溶液的测定。
(4)红外光谱解析中的定性三要素(即吸收频率、强度和峰形)对拉曼光谱解析也适用。
但拉曼光谱中还有去偏度P，通过测定P，可以确定分子的对称性。
光源红外光谱光源一、一般是黑体或者是通电碳化硅棒，黑体通常情况下是最佳的光源，原因是处在相同的温度的时候，黑体的辐射功率密度比其他热辐射红外光源都要大得多。
白炽灯泡也能被称为红外光源，有些朋友会觉得不解，白炽灯不是可见光源吗?其实不然，白炽灯可以把它75%的电能都转化成红外辐射光，因此也可以把它叫做红外光源，但因为白炽灯辐射出的红外辐射都被它外面的玻璃壳吸收掉了，所以呈现出来的红外线光并不多，所以说它是一种接近红外光线的光源。
第七章红外与拉曼光谱
5. 跨环效应 ( transannular effect, T )
通过空间发生的电子效应。
6. 氢键：使伸缩频率降低
分子内氢键：对峰位的影响大 不受浓度影响
分子间氢键：受浓度影响较大
浓度稀释，吸收峰位发生变化
由于C—D峰吸收频率的明显改变, 可用于有机物的红外分析.
例:
H ph C H S i Me 3 n -Bu Li 溶剂 Li ph H C S i Me 3 产物
~1775 cm-1 1750~1740 cm-1
1710 cm-1
1710 cm-1
例: 预测酮类化合物的吸收峰:
六环, 1710 cm-1
O
五环, 1740 cm-1
O
③酮、酯、酰胺的区分: 酮羰基: ～1710 cm-1 酯羰基: 1735—1710 cm-1 酰胺羰基: 1710—1680 cm-1
现在强的基频的大约2倍处，一般都是弱吸收带。
合频带(combination tone): 出现在2个或多个基频 频率之和或之差附近。也是弱吸收带。
倍频带与合频带统称为泛频带。
振动偶合(vibrational coupling)
费米共振(Fermi resonance)
影响振动频率的因素
外部因素
n ROH R O H H O R O H R
缔合后的羟基, 吸收频率: 3400～3200 cm-1.
ii) 分子内氢键:
氢键越强, 频率越低; 峰的强度正比于浓度.
例:
O H O H C C
(C H3)2
3200—2500 cm-1 (吸收峰很宽)
(C H3)2
② 含N—H键的化合物:
3500—3300 cm-1
红外光谱与拉曼光谱的异同点
红外光谱与拉曼光谱的异同点
作为检测物质构成的有效手段，红外光谱和拉曼光谱具有相似性和区别。
在相似之处，首先，它们都是物质分子振动光谱的重要手段之一。
红外光谱和拉曼光谱都是通过测量物质对特定频率的光吸收或散射来识别和定量化学物质。
其次，他们不仅可以用于定性分析，而且可以用于定量分析。
通过每种物质的红外光谱和拉曼光谱的独特性，可以对其进行准确鉴定。
它们也可以通过吸收或散射的光强度来测量物质的浓度。
还有，它们都可以通过在积分球中测量来进行全反射。
尽管他们有共同之处，但红外光谱和拉曼光谱之间也存在显着的差异。
比如，在分析技术上，红外光谱通常使用吸收法，而拉曼光谱使用散射法。
另一个不同点是，红外光谱更多的研究分子的振动模式，而拉曼光谱更重视的是研究分子的旋转模式。
此外，红外光谱受到水吸收的影响更大，而拉曼光谱较少受到水分影响。
在采样方面，拉曼光谱可以进行非接触式采样，而红外光谱通常需要将样品直接接触到探头。
在应用上，由于拉曼光谱对诸如配位化合物、有机化合物等物质的分析能力强，因此在化学、生物及材料科学中有着广泛的应用。
而红外光谱适用于碳氢化合物、无机化合物、有机化合物等物质的分析，在环境监测、食品安全和生物医学等诸多领域都有应用。
总的来说，尽管红外光谱和拉曼光谱在分析化学物质方面都非常有效，但它们在测量技术、影响因素、采样方式以及应用领域等方面存在着显著的异同。
红外光谱和拉曼光谱的原理
红外光谱和拉曼光谱是常用的分析技术，可以用于研究物质的结构、组成和性质。
它们基于不同的原理，下面简要介绍一下它们的工作原理：
1.红外光谱（Infrared Spectroscopy）：
红外光谱利用物质与红外辐射（波长范围通常为2.5-25微米）的相互作用来研究物质的分子结构和化学键的振动状态。
其原理基于分子吸收红外辐射时，物质中的原子核和化学键会被激发，产生特定的振动和转动。
当物质受到红外光源照射后，通过测量样品对不同波长红外光的吸收程度，可以得到红外光谱图。
红外光谱图上的峰值位置和强度提供了关于物质中的化学键种类、官能团和分子结构的信息。
2.拉曼光谱（Raman Spectroscopy）：
拉曼光谱则利用物质与激光光源相互作用时，散射光中的微小频率偏移来分析物质的结构和振动信息。
当样品受到激光照射时，其中的分子会发生拉曼散射现象，即散射光中的部分光子与物质相互作用后发生能量的频移。
这种频移对应着分子的振动和转动模式。
通过测量样品散射出来的光的频率变化，可以获取拉曼光谱图。
拉曼光谱图上的峰值位置和强度提供了关于物质所含化学键、官能团和结构的信息。
3.总结：
红外光谱和拉曼光谱都是通过物质与不同光源的相互作用来研究其结构和性质。
红外光谱利用物质对红外辐射的吸收来分析物质的化学键振动，而拉曼光谱则是通过测量散射光的频率变化来分析物质的振动信息。
两种技术在分析样品成分、鉴定物质、研究反应机理等方面都有广泛的应用。
红外光谱IR和拉曼光谱Raman课件
优缺点分析
IR光谱
优点是检测的分子类型广泛，可用于多种类型的化学分析；缺点是需要样品是固态或液态，且某些基团可能无法 检测。
Raman光谱
优点是无需样品制备，对气态、液态和固态样品都适用；缺点是检测灵敏度相对较低，可能需要更长的采集时间 和更强的光源。
选择与应用指南
选择
根据样品的类型和所需的化学信息，选择合适的分析方法。对于需要检测分子振动信息 的样品，IR光谱更为合适；而对于需要快速、非破坏性检测的样品，Raman光谱更为
领域的研究和应用。
04
CATALOGUE
红外光谱（IR）与拉曼光谱（ Raman）比较相似性与差异性Fra bibliotek相似性
两种光谱技术都利用光的散射效应来 检测物质分子结构和振动模式。
差异性
IR光谱主要检测分子中的伸缩振动， 而Raman光谱则主要检测分子的弯曲 振动。此外，IR光谱通常需要样品是 固态或液态，而Raman光谱对气态和 液态样品也适用。
拉曼散射是由于物质的分子振动或转动引起的，散射光的频率与入射光的频率不同 ，产生拉曼位移。
拉曼散射的强度与入射光的波长、物质的浓度和温度等因素有关。
拉曼活性与光谱强度
拉曼活性是指物质在拉曼散射中的表 现程度，与物质的分子结构和对称性 有关。
在拉曼光谱实验中，可以通过控制入 射光的波长和强度，以及选择适当的 实验条件来提高拉曼光谱的强度和分 辨率。
红外光谱解析
特征峰解析
根据红外光谱的特征峰位置和强 度，推断出分子中存在的特定振
动模式。
官能团鉴定
通过比较已知的红外光谱数据，可 以鉴定分子中的官能团或化学键。
结构推断
结合其他谱图数据（如核磁共振、 质谱等），可以推断分子的可能结 构。
拉曼光谱和红外光谱
拉曼光谱和红外光谱拉曼光谱和红外光谱是光谱学的两个重要分支。
拉曼光谱是一种分子光谱学，它能够通过对振动分子的分析来测量它们的结构特征。
红外光谱是一种从热释放模式中获取分子结构信息的技术，它可以用来研究分子的结构特性，以及分子之间的相互作用。
拉曼光谱和红外光谱的主要原理都是利用分子的振动模式来获取分子的结构特征。
拉曼光谱的基本原理是，当分子振动时，它们会发出不同频率的能量，从而产生特定的光谱特征。
红外光谱的原理是，当分子热力学升温或热损耗时,它们会发出不同频率的红外能量，从而产生特定的红外光谱特征。
拉曼光谱和红外光谱在分子结构表征和分析中都有着重要的作用。
拉曼光谱可以用来获取分子的精细结构信息，不仅可以测定分子的化学结构，而且还可以测定其中的振动模式，用来描述分子的构型。
红外光谱可以用来获取分子的粗略结构信息，可以用来确定分子的结构特征，并给出分子的相互作用方式，从而为分子的设计和研究提供重要的参考。
拉曼光谱和红外光谱的应用的领域有很多，比如材料科学中的结构表征和分析、生物学中的细胞标志物、医学中的癌症检测、化学反应动力学和能量转化等，以及环境污染检测等等。
拉曼光谱和红外光谱均可用来研究多种不同的物质，包括气体和液体，甚至于有机物、无机物和络合物等。
拉曼光谱和红外光谱技术是一种非常重要的分子表征和分析技术，它在材料科学、生物学、化学、环境学和医学等领域有着广泛的应用。
它们的结构表征和分析技术特别重要，可以深入地研究物质的性质，为分子设计和研究奠定基础。
综上所述，拉曼光谱和红外光谱是光谱学的重要分支，它们可以用来获取分子结构特征，在材料科学、生物学、化学、环境学和医学等领域有着广泛的应用。
拉曼光谱和红外光谱分析和表征技术有助于深入研究物质的性质，为分子工程提供重要的参考。
红外和拉曼光谱课件PPT
拉曼光谱与分子结构的关系
拉曼光谱的谱线
拉曼光谱的谱线反映了物质分子的振动和转动能级的变化， 不同物质分子的拉曼光谱具有独特的特征谱线。
分子振动和转动能级
拉曼光谱实验操作流程
实验操作流程
01
02
03
04
1. 打开拉曼光谱仪，预热并 稳定仪器。
2. 将激光器调整到合适的波 长和功率。
3. 将样品放置在样品台上， 并调整焦距和位置，确保激光
光束能够照射到样品上。
4. 进行拉曼光谱的采集，记 录实验数据，并进行分析和解
释。
数据处理与分析
数据处理
对采集的红外或拉曼光谱数据进行平 滑处理、基线校正、归一化等操作， 以提高数据质量和可分析性。
红外和拉曼光谱课件
目录
CONTENTS
• 红外光谱基本原理 • 拉曼光谱基本原理 • 红外光谱与拉曼光谱的应用 • 实验技术与操作 • 红外和拉曼光谱的发展趋势
01 红外光谱基本原理
红外光谱的产生
红外光谱是分子吸收特定波长的 红外光后产生的光谱，其原理基
于分子振动和转动能级跃迁。
当红外光照射分子时，分子中的 电子和振动、转动能级发生相互 作用，导致分子吸收特定波长的
分子转动是指分子整体绕其质心旋转， 其转动能级跃迁也会产生红外光谱。
红外光谱与分子结构的关系
不同化学键或基团在红外光谱中具有特定的吸收峰，这些吸收峰的位置和强度可以 反映分子内部结构和化学键类型。
通过分析红外光谱的吸收峰位置和强度，可以推断出分子的结构特征和化学键信息， 如碳氢、碳氧、碳碳等键的弯曲和伸缩振动。
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cm1
例:
CH3COOC(CH3) ＝CH2
C＝O 1748 cm1, COOR 1200 cm1 C＝C 1667 cm1
O OCH3
1732cm1 1636cm1
酰胺: R－CONH2
第Ⅰ峰区
酰胺Ⅰ带
3400~3200 cm1
C＝O + δNH2 1690~1640cm1 1600~1500cm1
O
O
O
O
1716
1745
1775
1850
环己酮的红外光谱图如下：
O
环酮
环张力增加， C＝O高波数位移
醛
―CHO
C＝O
2850，2720 cm1, m or w
R―CHO： ~1730 cm1
Ph―CHO，C＝C―CHO ~1710cm1
CHO
1704cm1
O H
羧酸：
COOH ~3000 s.b
~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)
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,
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
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
1622 cm 1 ， δN－H + 环呼吸
NH2
四、第Ⅳ峰区： 1500~650 cm-1（指纹区）
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 OCH3
1732cm1 1636cm1
硝基化合物（－NO2）
1600~1300 cm1，双峰s.b
如： CH3CH2CH2CN C≡N
p-ClPhC≡N
C≡N 2217 cm1 s, 尖
苯氰的红外光谱
X＝Y＝Z
例：O＝C＝O 2349cm-1 s 1508cm-1 s CS2的IR谱图如下： S＝C＝S
>C＝C＝C< as 2100~1950cm1 m
s ~1070 cm1 w
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
由度，2个转动，4个振动自由度)。
非线形三原子分子的三个平动自由度:
Z
Z
Z
X Y Y
X Y
X
非线形三原子分子的三个转动自由度:
Z
Z
Z
X Y Y
X Y
X
线型三原子分子的两个转动自由度:
Z
Z
X Y Y
X
由N个原子组成的非线形分子，共有 (3N – 6) 个
振动自由度。如水分子，硫化氢分子，有3个振动自
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。
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 1
(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
1596 cm -1
CO2分子的振动：
as
2348 cm -
1
s
1388 cm -1
+
667cm -1
+
667cm -1
红外光谱谱带
as(反对称伸缩振动)>s(对称伸缩振动)>(弯曲振动);
(面内弯曲振动)> (面外弯曲振动)
基频带
倍频带 Over tone
组合频带 Combination tone
x1
r re
x2
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
1742cm 1
四、空间效应
空间效应：环张力和空间位阻的影响
H2C CH2 CH2
1650
O
1660
O
1680
O O
1716
1745
1775
1850
五、跨环效应(Transannular effect)
跨环效应也是通过空间发生的电子效应
N .. O
N
+
HClO4
N
+
CO4
O
HO
1675 波数
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 O
柠康酐 1844, 1768cm1
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
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
νas 1600~1500 cm1 νs 例： 1390~1300 cm1 1536, 1348cm1
p-NO2PhCHO
p-NO2PhC≡CCOOH
1528, 1347cm 1
NO2
δN－H
－NH2 1640~1560cm 1
>NH 1580~1490cm 1
例如：o-CH3PhNH2
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
CN
饱和C―H： CH3 , CH2 , CH
as s
2960~2900cm1， 2870~2850cm1
醛氢(―CHO）:
C―H ~2850cm1 m, ~2720 cm1 w C―H 与δC―H（~1390）的倍频的Fermi共振