红外光谱法原理及其应用

近红外光区的吸收带主要是由低能电子跃迁、含氢原
子团（如O-H、N-H、C-H）伸缩振动的倍频吸收等产生的。 该区的光谱可用来研究稀土和其它过渡金属离子的化合物， 并适用于水、醇、某些高分子化合物以及含氢原子团化合 物的定量分析。
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中红外光区（2.5 ~ 25µm ）
绝大多数有机化合物和无机离子的基频吸收带出现在该 光区。由于基频振动是红外光谱中吸收最强的振动，所以 该区最适于进行红外光谱的定性和定量分析。同时，由于 中红外光谱仪最为成熟、简单，而且目前已积累了该区大 量的数据资料，因此它是应用极为广泛的光谱区。
醛类、酸类、酯类以及酸酐等有机化合物。酸酐的羰基吸收 带由于振动耦合而呈现双峰。
② C=C伸缩振动。烯烃 的C=C伸缩振动出现在1680~1620 cm-1 ，一般很弱。单核芳烃的C=C伸缩振动出现在 1600 cm-1和1500 cm-1附近，有两个峰，这是芳环的骨 架结构，用于确认有无芳核的存在。
中红外光谱法又简称为红外光谱法。
远红外光区 （25 ~ 1000µm ）
该区的吸收带主要是由气体分子中的纯转动跃迁、振动 -转动跃迁、液体和固体中重原子的伸缩振动、某些变角振 动、骨架振动以及晶体中的晶格振动所引起的。 由于低频 骨架振动能很灵敏地反映出结构变化，所以对异构体的研 究特别方便。
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红外吸收光谱一般用T~曲线或T~波数曲线表示。纵 坐标为百分透射比T%，因而吸收峰向下，向上则为谷；横 坐标是波长（单位为µm ），或波数（单位为cm-1）。
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③ 苯的衍生物的泛频谱带，出现在2000~1650 cm1范围 C-H面外和C=C面内变形振动的泛频吸收，虽
然强度很弱，但它们的吸收面貌在表征芳核取代 类型上是有用的。
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2000-1500cm-1 双键伸缩振动
羰基
芳环
C=C 双 键
～1600（中） ～1500（中）
1740（强）
1640（强）
利用干涉图和光谱图的对应关系大幅度提高方法的灵 敏度、波数精度和分辨率，成为发展最快的谱学方法。
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红外光谱仪
目前主要有两类红外光谱仪：色散 型红外光谱仪和Fourier（傅立叶）变 换红外光谱仪。 一、色散型红外光谱仪
色散型红外光谱仪的组成部件与紫 外-可见分光光度计相似，但对每一个 部件的结构、所用的材料及性能与紫外 - -可见分光光度计不同。它们的排列 顺序也略有不同，红外光谱仪的样品是 放在光源和单色器之间；而紫外- -可 见分光光度计是放在单色器之后。
对称分子: 没有偶极矩,辐射不能引起共振，无红外活性。如: N2、
O2、Cl2等。
非对称分子: 有偶极矩，红外活性。
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分子中基团的基本振动形式
两类基本振动形式: 伸缩振动、变形振动
以亚甲基为例： 伸缩振动
变形振动
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红外光谱的产生：
每一种振动对应一种频率的红外光的吸收， 一个分子振动会产生很多频率的吸收，形成分 子的红外吸收光谱。
12,500 cm-1 (800 nm)
10cm -1 (1000µm)
Region
Interaction
108
Wavelength (cm-1)
107
-射线
X– 射线
106 105 104 103 102 101 1
10-1 10-2 10-3
紫外
近
红 中红外
可外
远红外
见
光
红外波段
顺磁共振
核磁 共振
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色散型红外光谱仪主要部件
(1) 光源
红外光谱仪中所用的光源通常是一种惰性固体，同电加 热使之发射高强度的连续红外辐射。
能斯特灯：氧化锆、氧化钇和氧化钍烧结制成的中空或 实心圆棒，直径1-3 mm，长20-50mm；
室温下，非导体，使用前预热到800 C； 特点：发光强度大；寿命0.5-1年； 硅碳棒：两端粗，中间细；直径5 mm，长20-50mm； 不需预热；两端需用水冷却；
红外光谱图： 纵坐标为吸收强度，
横坐标为波长λ(m) 或波数1/λ
单位：cm-1 用峰数，峰位，峰形或
峰强来描述。
H2O:~3400
应用：有机化合物的结构解析 定性：基团的特征吸收频率 定量：特征峰的强度
苯环C-H:3030
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基团的特征频率和指纹区图
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饱和烃 不饱和烃
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含有C、H、N、O等元素 含有P、S、卤素等元素
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红外光谱仪
红外光谱仪
非色散红外（特定波数） 色散红外（7800~375cm-1）
棱镜型：4000~400cm-1（40年代） 光栅型：4000~200cm-1（60年代）
傅立叶转换红外（FT-IR）
69年第一台在美国 Digilab 公司诞生， 标志着第三代红外光谱仪的问世。
傅立叶转换红外（FT-IR）:
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基团频率和特征吸收峰
在红外光谱中，某些化学基团虽然处于不同的分子中， 但它们的吸收频率总是出现在一个较窄的特定频带，分子 的剩余部分对其影响较小，而且它们的频率不随分子构型 的变化而出现较大的改变，这类频率称为基团特征振动频 率，简称基团频率。
特殊官能团吸收红外光后会在基团频率区间出现吸收峰， 称为特征吸收峰。
波长与波数之间的关系为： 波数/ cm-1 =104 /（ / µm ）
波数是指每厘米光波中波的数目 中红外区的波数范围是4000 ~ 400 cm-1
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红外光谱基本原理
分子是由原子组成的，而原子是在不停地运动，包括转 动和振动。红外光谱是由于物质分子振动能级跃迁，同时 伴随转动能级跃迁而产生的。
当符合一定条件的一束红外光照射物质时，被照射物 质的分子将吸收一部分红外光能，使分子固有的振动和转 动能级跃迁到较高的能级，光谱上即出现吸收谱带，即得 到该物质的红外吸收特征光谱。
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IR产生的条件:
IR是由分子中基团的振动和转动能级的跃迁而产生 的: 振-转光谱。
① 辐射能满足振动能级跃迁所需能量; ② 振动应能发生偶极矩的变化。
醋酸乙酯
分子可以大也可以小、分子中的原子可以相同也可以不 同，原子之间的化学键可以有强、也可以弱。
醋酸乙酯通过13个共价键连接起来，共有14个原子。
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红外谱图如何反映分子结构？
CH3-:2940
醋酸乙酯的 红外谱图
C=O:1700 CH3-:1380
C-C: 1150 -C-O-:1300
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红外光谱与有机化合物结构
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2500-2000cm-1 三键和累积双键伸缩振动
炔 C≡C
－C≡N
O﹦C﹦O
(反对称体)
2140(中)
2240(中)
2350(中)
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1900~1500 cm-1为双键伸缩振动区
① C=O伸缩振动出现在1900~1650 cm-1 ，是红外光谱中 很特征的且往往是最强的吸收，以此很容易判断酮类、
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概
述
红外吸收光谱也是一种分子吸收光谱。
当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收了 某些频率的辐射，并由其振动或转动运动引起偶极矩的净 变化，产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁,使 相应于这些吸收区域的透射光强度减弱。记录红外光的百 分透射比与波数或波长关系曲线，就得到红外光谱。
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(2) 单色器
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基团频率及其特征吸收峰
基团频率区可分为三个区域： （1）4000 ~2500 cm-1 X-H伸缩振动区，X可以 是O、N、 C或S等原子。
O-H基的伸缩振动出现在3650 ~3200 cm-1 范围内，它可以 作为判断有无醇类、酚类和有机酸类的重要依据。
胺和酰胺的N-H伸缩振动也出现在3500~3100 cm-1 ，因此， 可能会对O-H伸缩振动有干扰。
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基团频率区及其特征吸收峰
中红外光谱区可分成4000 cm-1 ~1300 cm-1和1800cm-1 ~ 600 cm-1两个区域。最有分析价值的基团频率在4000 cm1 ~ 1300 cm-1 之间，这一区域称为基团频率区、官能团区 或特征区。区内的峰是由伸缩振动产生的吸收带，比较稀 疏，容易辨认，常用于鉴定官能团。
OH伸缩：
3200-3650cm-1
NH伸缩：
3300-3500cm-1
CH伸缩：
3000cm-1
饱和C的CH：<3000cm-1
不饱和C的CH：>3000cm-1
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OH伸缩振动 游离 OH
缔合 OH
3600 (中)
3300 (强，宽)
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NH0（中） 3200（中）
3300（中）
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C-H的伸缩振动可分为饱和和不饱和的两种：
饱和的C-H伸缩振动出现在3000 cm-1以下，约3000
~2800 cm-1 ，取代基对它们影响很小。如-CH3 基的伸缩吸收出现在 2960 cm-1和2876 cm-1附近；- CH2基的吸收在2930 cm-1 和2850 cm-1 附近。
不饱和的C-H伸缩振动出现在3000 cm-1以上，以此来判别化合 物中是否含有不饱和的C-H键。
红外光谱法原理及其应用
IR - Infrared Absorption Spectrophotometer
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概述 基本原理 基团频率和特征吸收峰 红外光谱仪 样品的处理和制备 红外光谱的应用
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概述----光和物质相互作用
光进入不同的物质，发生吸收、透射、散射、荧 光以及反射。
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不同波段范围，不同的仪器方法
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红外光区的划分
红外光谱在可见光区和微波光区之间，波长范围约为 0.75 ~ 1000µm，根据仪器技术和应用不同，习惯上又将红 外光区分为三个区：近红外光区（0.75 ~ 2.5µm ），中红外 光区（2.5 ~ 25µm ），远红外光区（25 ~ 1000µm ）。 近红外光区（0.75 ~ 2.5µm ）