第二章 红外光谱1

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费米共振 一个化学键的基频和它自己或与之相连的另一化
学键的某种振动的倍频或合频与某基频相近时的偶 合。 由于其相互作用而产生的强吸收带或发生峰的分裂。
费米共振,使倍频峰或合频峰增强。
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例: C-Cl= 874 cm-1, 其倍频峰位于1730 cm-1, 正好落在 C=O附近,发生费米共振,使倍频峰增 强。
光通量大,所有频率同时测量,检测灵敏度高,样品 量减少。
扫描速度快,可跟踪反应历程,作反应动力学研究, 并可与GC、LC联用。
测量频率范围宽,可达到4500~6cm-1 杂散光少,波数精度高,分辨率可达0.05/cm 对温度、湿度要求不高。 光学部件简单,只有一个动镜在实验中运动,不易磨
损。
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红外光谱的测定方法 样品要求:干燥无水、浓度适当、多组分样要先
分离 液体样品:液膜法
溶液法(水溶液样品可用AgCl池子) 气体样品:气体样品槽 固体样品:溴化钾压片法
糊状法(加石蜡油 调成糊状) 薄膜法 (高分子化合物)
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1:(100~200)
2.4 各类化合物的红外特征光谱 红外光谱的分区
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6. 多原子分子的振动自由度和峰数
含n个原子的分子,自由度为:
非线性分子有 3n-6 个 6: 3个分子整体的平动自由度
(分子本身沿x, y, z轴方向的平动) 3个分子整体的转动自由度
(绕x, y, z轴的转动)
线性分子有 3n-5 个 (转动自由度为2。没有绕x轴的转动)
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理论上每个自由度在IR中可产生1个吸收峰,实际上 IR光谱中的峰数少于基本振动自由度,原因是: (1) 振动过程中,伴随有偶极矩的振动才能产生吸收峰 (2) 频率完全相同的吸收峰,彼此发生简并(峰重叠) (3) 强、宽峰覆盖相近的弱、窄峰 (4) 有些峰落在中红外区之外 (5) 吸收峰太弱,检测不出来
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正己酸在液态和气态的红外光谱 a 蒸气(134℃)b 液体(室温)
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分子间氢键 分子间氢键是否能够形成以及缔合程度有多大与该化合物
的浓度有密切关系。 例如: 环己醇
浓度<0.01mol/L的CCl4稀溶液中------不形成分子间氢键 浓 度<0.1mol/L的CCl4溶液中------ 形成二聚体和多聚体的吸收 浓 度<1.0mol/L的CCl4溶液中------几乎都是多聚体
(1)环张力对红外吸收波数的影响: 环数减小,环的张力增大,环外的键增强,频率升高。
O
O
O
νC=O
1716 cm-1 1745 cm-1
1775 cm-1
CH2
CH2
CH2
CH2
νC=C 1651 cm-1
1657 cm-1
1678 cm-1
1781 cm-1
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环数减小,环的张力增大, 环内双键减弱,吸收频率减小
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(3)中介效应(M效应)
当含有孤对电子的原子(O、S、N等)与 具有多重键的原子相连时,也可起类似的共轭作 用,称为中介效应
C=O双键的电子云密度平均化,造成C=O键的力
常数下降,使吸收频率向低波数位移。 O-
R C NHR
R C N+HR
O
伯、仲、叔酰胺羰基
~1690cm-1
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3. 空间效应:环张力;空间位阻;场效应
4000-2500cm-1:这是X-H单键的伸缩振动区。 2500-2000cm-1:此处为叁键和累积双键伸缩振动区 2000-1500cm-1:此处为双键伸缩振动区 1500-600cm-1:此区域主要提供C-H弯曲振动的信息
+ ++ H H H H H HH H
C
C
C
C
高频区
亚甲基的振动形式
低频区
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面内弯曲振动
面外弯曲振动
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2.1.3 红外光谱的吸收强度
红外吸收强度及其表示符号
摩尔消光系数(ε)
强度
符号
>200
很强
VS
75~200

S
25~75
中等
M
5~25

W
0~5
很弱
VW
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影响红外光谱吸收强度的因素
振动中偶极矩的变化幅度越大,吸收强度越大 极性大的基团,吸收强度大,C=O 比C=C 强,
3
2. 红外光谱的产生:
用波长2.0~25m,频率5000~400/cm-1的光波照
射样品,引起分子内振动和转动能级跃迁所产生的吸
收光谱。
红外光谱的条件:
必要条件
A: 辐射应满足物质产生振动跃迁所需要的能量 即:振动频率与红外光波段的某频率相等。
B:辐射与物质有相互偶合作用 即物质振动时有偶极矩的变化。
X H X D
X D X H
mX mD mX mD mX mH mX mH
mX mH • mD mX mD mH
2(mX 1) mX 2
将(mX+1)/(mX+2)近似为1,则上式可简化为:
X H 2 X D
当对一些含氢基团的红外吸收峰指认困难时,可将该
官能团的氢进行氘代,该官能团的吸收峰应移向低频
O
O
C CH3
C
1683 cm -1 1660 cm -1
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32
对同一基团,诱导效应和共轭效应同时存在: 若为给电子诱导效应,则波数降低; 若吸电子诱导效应和共轭效应同时存在,则振动频率 最后位移的方向和程度,取决于这两种效应的结果。 当诱导效应 > 共轭效应时,振动频率向高波数移动,
反之,振动频率向低波数移动。
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二氧化碳的IR光谱
面内
面外
2349
667
CO2 分子红外光谱示意图
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2.1.2 分子中基团的基本振动形式
键角不变, 键长改变
伸缩振动
振动类型
弯曲振动
键长不变, 键角改变
不对称 伸缩振动
(νas)
对称
伸缩振 动(νs)
H HH H
C
C
面内弯曲(δ面内)
面外弯曲(δ面外)
剪式振动 平面摇摆 非平面摇摆 扭曲振动
第二章 红外光谱
红外光谱的基本原理 影响红外光谱吸收频率的因素 红外光谱仪及样品制备技术 各类化合物的红外特征光谱 红外图谱解析 红外光谱技术的进展及应用
1
2.1 红外光谱的基本原理
2
2.1.1 红外吸收光谱
1. 红外光区分三个区段: 近红外区:0.78~2.0 m,12820~5000/cm, 泛频区 (用于研究单键的倍频、组频吸收) 中红外区:2.0~25 m,5000~400/cm, 基频振动区 (各种基团基频振动吸收) 远红外区:25 m以上, 转动区(价键转动、晶格转动)
C≡N 比C=C 强 使基团极性降低的诱导效应使吸收强度减小,使 基团极性大的诱导效应使吸收强度增加。 共轭效应使π电子离域程度增大,极化程度增大, 吸收强度增加。
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形成氢键(提高了极化程度)使振动吸收峰变强 变宽。
振动偶合(分子内有近似相同振动频率且位于相 邻部位的振动基团,产生两种以上的基团参加的混 合振动) 振动偶合使吸收增大,费米共振使倍频或组频的吸 收强度著增加。
收带。
9
5. 常见术语
基频峰、倍频峰、合频峰
基频峰:分子吸收光子后从一个能级跃迁到相邻的 高一能级产生的吸收。V =0 V=1
倍频峰(2) :是分子吸收比原有能量大一倍的光子 之后,跃迁两个以上能级产生的吸收峰,出现在基 频峰波数n倍处。2 为弱吸收。
合频峰:是在两个以上基频峰波数之和(组频 1+ 2) 或差 (1 - 2)处出现的吸收峰。 合频峰均为弱峰。
收.
5
3. 红外光谱研究方法
双原子分子的振动方式: 伸缩振动.
化学键的伸缩振动就是 两个原子核在键轴方向 上的简谐振动.
K
m1
m2
双原子分子伸缩振动示意图
根据虎克定律
1 K 2
m1 m2
m1 m2
K: 化学键的力常数, N·m-1
µ: 折合质量, kg
m1、m2: 化学键连结的两个原子核的质量,kg
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各种化学键的红外吸收位置
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一、外在因素(测定条件) 样品所处物态、制备样品的方法、溶剂的性质、氢 键、结晶条件、吸收池厚度、色散系统以及测试温 度等 。
正己酸在液态和气态的红外光谱 a 蒸气(134℃)b 液体(室温)
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二、内部因素: 1.质量效应 质量不同的原子构成的化学键,其振动频率是不同的。
分子在振动过程中,由于键长键角的变化,而 引起分子偶极矩的变化。
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对称分子(非极性的双原子分子): 没有偶极矩,辐射不能引起共振,无红外活性。
如: H2 、N2、O2、Cl2 等。 非对称分子:有偶极矩,红外活性。
如: H2O ,HCl ,CO等。
H C C HR C C R 其C 键C伸缩振动不引起偶极矩变化, 无红外吸
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
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红外吸收峰形状
宽峰 尖峰 肩峰 双峰
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2.2 影响红外光谱吸收频率的因素
外在因素
(样品所处物态、制备样品的方法、溶剂的性质、 氢键、结晶条件、吸收池厚度、色散系统以及测试 温度等)
内部因素
质量效应 电子效应 空间效应 氢键效应 偶极场效应 振动的偶合
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2.3 红外光谱仪及样品制备技术
色散型红外光谱仪 傅立叶变换红外光谱仪(FTIR) 红外样品的制备
43
色散型红外光谱仪
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傅里叶变换红外光谱仪
干涉仪
样品室
检测器
光源
计算机
显示器 绘图仪
干涉图 FTS
光谱图
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傅里叶变换红外光谱仪工作原理图
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FTIR光谱仪的优点
扫描速度快(几十次/秒),信号累加,信噪比提高 (可达60:1)。
C-H:随着C原子不饱和度的增加,频率升高 同主族元素,随质量增大频率变小; 同周期元素,随原子序数增大频率升高(电负性差大)。 27
键类型 力常数
ν/cm-1
CC
CC
2150
1650
1 K 2
来自百度文库
CC 1200
键类型
杂化状态
ν/cm-1
CH
sp 3300
CH
sp2 3100
CH
sp3 2900
当含氢基团被氘取代后,基团的吸收频率会向低波数方向变化。
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IR光谱得到的结构信息 从谱图可得信息:
1 吸收峰的位置(吸收频率) 2 吸收峰的强度 ,常用 vs (very strong), s (strong), m (medium), w (weak), vw (very weak), b (broad) ,sh (sharp),v (variable) 表示 3 吸收峰的形状 (尖峰、宽峰、肩峰)
化学键 C-H
C=C-H Ar-H C=C-H
X-H 键的伸缩振动波数(cm-1)
波数 (cm-1)
3000
3100-3000
3100-3000
3300
化学键
F-H Cl-H Br-H I-H Si-H Ge-H Sn-H
波数 (cm-1)
4000 2890
2650 2310
2150 2070 1850
游离
0.01mol/ L
多聚体 游离 二聚体
多聚体
0.1mol/L
1.0 mol/L
不同浓度 环己醇的
IR光谱
5. 振动偶合效应 当一个化学键的伸缩振动与另一个化学键的振
动吸收频率很接近时,就会发生振动偶合。 振动偶合的结果是吸收峰发生分裂,强度加强。
费米共振:一个化学键的某一种振动的基频和 他自己或另一个连在一起的化学键的某一种振 动的倍频或组频很接近时,可以发生偶合,这 种偶合称为费米共振。
率,若位移值与计算值相符,说明对该吸收峰的指认
是正确的。
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2. 电子效应(诱导效应、中介效应、共轭效应)
-I(吸电子诱导效应)
(1)诱导效应 +I (推电子诱导效应)
吸电子基团使吸收峰向高波数方向移动.
O....
RC
X
O.
RC X
(X为F、Cl等电负性大的原子)
O
O
O
R C H R C Cl R C F
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(2)空间位阻
高波数
当共轭体系的共平面性被破坏或偏离时,共轭体系 也受到影响或破坏,其吸收频率将移向高波数。
37
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4 . 氢键效应 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。同时振动时的偶极矩变化加大,吸收强度增加。
如: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 。
O FCF
ν c=o 1731 cm-1 1800 cm-1 1920 cm-1
1928 cm-1
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(2) 共轭效应
共轭效应使共轭体系中电子云密度平均化,双键电 子云密度降低,力常数减小,使不饱和键的波数显 著降低 。
O H3C C CH3
O C CH3
1715 cm -1 1685 cm -1
吸收频率用波数(ν)表示
1 k 1 k( 1 1 ) 2c 2c m1 m2
4. 红外光谱的表示方法
波长或波数 为横坐标, 以透光度为 纵坐标。
横坐标:波数( v )400~4000 cm-1;表示吸收峰的位置。
纵坐标:透过率(T %),表示吸收强度。
T↓,表明吸收的越好,故曲线低谷表示是一个好的吸
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