红外光谱分析基础知识 |
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1.红外光谱产生的原理 1.1产生红外光谱的原因 分子是在不断地运动的,分子运动服从量子力学规律。分子运动的能量由平动能、转动能、振动能和电子能四部分组成。分子运动的能量 E 可以表示为: E = E平+ E转 + E振 + E电 分子的平移运动可以连续变化,不是量子化的,没有能级变化,不产生光谱。分子的转动、振动和电子运动都是量子化的,转动和振动出现红外光谱,电子跃迁出现发射光谱。分子的转动光谱主要是指气体的转动光谱。由于气体中分子之间的距离很大,分子可以自由转动,吸收光辐射后,能观察到气体分子转动光谱的精细结构。液体中分子之间的距离很短,分子之间的碰撞使分子的转动能级受到微绕,因此观察不到液体分子转动光谱的精细结构。固体样品也观察不到转动光谱。因此我们看到的中红外光谱主要是由于分子的振动产生的。 产生红外光谱的原因:1)光的振动频率与分子的振动频率相匹配;2)分子在发生振动时产生了偶极矩的变化。 1.2红外光谱的特征及振动类型 1.2.1红外光谱的特征 1)红外吸收光谱的强度主要取决于分子振动时的偶极矩变化; 2)偶极矩变化的程度与分子吸收光能的程度成正比; 3)分子振动的对称性越高,振动分子中偶极矩的变化越小,谱带强度越弱,若没有偶极矩则无红外活性;非对称分子有偶极矩,有红外活性。 4)一般来说,极性强度越强的集团,其吸收强度越强;极性较弱的集团其振动吸收也较弱。 1.2.2分子的振动类型 分子中不同的基团具有不同的振动模式,相同的基团(双原子除外)具有几种不同的振动模式。在中红外区,基团的振动模式分为两大类:伸缩振动和弯曲振动。 伸缩振动(Stretching Vibration) 伸缩振动时,基团中的原子沿着价键的方向来回运动,所以伸缩振动时,键角不发生变化
弯曲振动(又可称变形振动)(Bending Vibration) 弯曲振动时,基团的原子运动方向与价键方向垂直。弯曲振动又细分为剪式变角振动,对称变角振动,反对称(不对称)变角振动,面内弯曲振动,面外弯曲振动,平面摇摆振动,非平面摇摆振动和卷式振动。除了摇摆振动外,其余振动键角都发生变化(即变形)。
2.中红外光谱谱图基本解析 中红外光谱中官能团的伸缩振动在高频,变形振动在低频。通常可把4000-650cm-1的中红外区划分为四个区域便于理解和记忆。 区域 基团 吸收频率cm-1 振动形式 说明 第一区域 (4000-2500cm-1)主要是X-H伸缩振动区 O-H(游离) 3650-3500 伸缩,尖峰 判断有无醇类、酚类和有机酸的重要依据 O-H(缔合) 3400-3200 伸缩,宽峰 胺和酰胺N-H 3500-3100 伸缩 OH和CH相互有干扰 三键C-H 3300 伸缩 以3000为界限可判断化合物是饱和的还是不饱和的,3000以上C-H为不饱和,3000以下为饱和 二键C-H 3100 伸缩 苯环的C-H 3030
CH3 2962 2872 反对称伸缩 对称伸缩 CH2 2926 2853 反对称伸缩 对称伸缩 CH 2890 弱峰,除-CHO外,不易观测 第二区域 (2500-1900cm-1)主要是三键和累积双键伸缩振动区 脂肪族-C≡N 2260-2240 伸缩,针状
芳香族-C≡N 2240-2215 -N=C=O 2280-2265 反对称伸缩,强 对称伸缩弱无实用价值 R1-C≡C-R2 2260-2190 伸缩 如对称则无红外活性 R-C≡C-H 2260-2100 伸缩
第三区域 (1900-1200 cm-1)主要是双键伸缩振动区 烯烃C=C 1680-1620 强度可变 共轭作用,波数偏低,强度增加 苯环C=C 1620-1450 骨架振动 常用四个吸收峰,1600、1500对确定苯环结构有用 羰基-C=O 1850-1550 强,容易识别 其他吸收带干扰少,是判断羰基(酮、酸、酯、酸酐等)的特征频率 脂肪族硝基-NO2 1565-1545 1385-1350 反对称伸缩(强) 对称伸缩(强)
芳香族硝基-NO2 1550-1500 1365-1290 反对称伸缩 对称伸缩 吸收强度比脂肪族稍低 砜S=O 1350-1290 1165-1120 反对称伸缩 对称伸缩(强)
亚砜S=O 1070-1030 伸缩,强
P=O 1300-1140
第四区域 (主要是X-Y伸缩振动和X-H变形振动区) C-O 1300-1000 伸缩,强 判断醇、醚、酯、酸等的存在 -CH3 1460 反对称变形振动 可根据相对强度判断化合物链的长短 -CH2 1460 对称变形振动 -CH3 1380 变形振动 -NH2 1650-1550 900-650 面内变形 面外变形(宽大)
-NH 750-700 面外变形(宽大) 面内变形弱,不易找到
C-F 1400-1000 伸缩振动(强) 其他卤素可变
C-Cl 800-600 伸缩振动(强) 注:因受到相邻基团影响,不同化合物的波数有变化;此表格为个人总结仅供参考,不建议转发 撰稿人 于颖 |
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