波谱解析IR
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*分子的能量: E分子=E移+E转+E振+E电子 E光子=hν光=ΔE振 *化学键的偶极矩与分子的偶极矩(μ): *红外光可分为三个区域: 近红外区（泛频区）: 12500-4000 cm-1 (波 数ν); 中红外区（基本振动区） : 4000-400 cm-1 远红外区（转动区） : 400-25 cm-1
空间障碍
COCH3 COCH3 CH3 1663 1686 1693 H3C CH3 COCH3 CH3
跨环效应
环外双键
CH2 CH2
CH2
CH2
1651 O
1657 O
1678
Oห้องสมุดไป่ตู้
1680 O
1716
1745
1775
1810
环内双键
1650
1646
1611
1566
1641
3. 氢键效应: *氢键的形成, 通常可使伸缩振动频率向 低波数方向移动, 且谱带变宽。 *对于固态或液态的羧酸, 由于氢键的作用, 分子以二聚体形式存在, 羟基伸缩振动出 现在3200-2500cm-1区间, 表现为一个宽 而散的吸收峰, 非常特征, 常用于羧酸的 鉴定。
• 合频：电磁波的能量正好等于二个基频跃 迁能量的总和时，则同时激发二个基频振 动到相应激发态，称为合频。 • 差频：电磁波的能量正好等于二个基频跃 迁能量之差的吸收谱带。实际为一个振动 状态由基态跃迁到激发态，同时另一个振 动状态由激发态回到基态的过程。 • 热带：由第一激发态跃迁到第二激发态所 产生的吸收谱带称为热带。 • 组频峰（泛频峰）：倍频、合频、差频峰 的总称。
亚甲基的振动模式：
谱图解析——正己烷
在 2962cm-1 处 的 峰 是 CH3 基 团的不对称伸缩振动。这种 不 对 称 伸 缩 振 动 范 围 2962±10cm-1 ，事实上，存 在两个简并的不对称伸缩振 动（显示其中一个）。
谱图解析——正己烷
在 2926cm-1 处 ， 是 CH2 的 不 对 称 伸 缩 振 动 峰 ， 一 般 在 2926±10cm-1 范 围 内 。
分子振动频率
V 分子振动量子数 V 0 ， 1 ，2 ，3
分子振动能级差 E振 V h
产生红外光谱前提 E振 E L
L 红外光的照射频率 分子的振动频率
1 2
K
K 1307
m A mB 其中 m A mB
例： C C
C C
C C
K 15 N / cm K 10 N / cm K 5 N / cm
~ 2160cm 1 ~ 1650cm 1 ~ 1190cm 1
例：
C C C H
例题: 由表中查知C=C键的K=9.5 9.9 ,令其为 9.6, 计算波数值。
红外光谱(IR):
红外光谱图： 纵坐标用吸收强度[吸光度A或透光率T(%) =(T/T0)%]表示 横坐标用波长λ( m )或波数ν＝1/λ (cm-1)表示 有机化合物结构：可以用峰数，峰位，峰形，峰强来描述。
红外吸收光谱产生的条件
condition of Infrared absorption spectroscopy
谱图解析——正己烷
在 1375±10cm-1 ，是 CH3 对称弯曲振 动（也叫“伞”弯曲振动）吸收峰位 置，这个峰通常时很有用的，因为这 个峰比较孤立，比较环己烷的谱图， 最大的差异就是在环己烷谱图中没有 CH3基团的对称弯曲振动峰。
(二).多原子分子的振动类型
2. 分子振动自由度与峰数 *基本振动的数目称为振动自由度; 由N个原子构成的分子,其总自由度 为3N个。 *分子作为一个整体,其运动状态可 分为:平动、转动和振动。 *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)
(一). 双原子分子的振动: 1.谐振子: f (弹力)= -Kδx
双原子分子A-B→近似看作谐振子 两原子间的伸缩振动→近似看作简谐振动
1 简谐振动位能 U K (r re ) 2 2
r 原子间实际距离 re 原子间平衡距离 K 化学键力常数（N / cm）
1 分子振动总能量 EV （V ） h 2
(一). 内部因素
1.电子效应: 通过导致成键原子间电子杂 化状态与电子云分布发生 变化, 因而改变力常数而影 响相应谱带的位置。 (1).诱导效应(-I)一些极性共价键, 随着取代基电 负性的不同,电子密度发生变化, 引起键的振动谱带位移。 F>Cl>Br>I>OCH3>NHCOCH3>C6H6>H>CH3
1307 K’
-
-
(适用于X-H型键)
2 K’(适用于X-Y型键) 1307 M
*振动频率(ν)是键的力常数(K)及两 个原子(mA与mB)的质量的函数。 这些式子表明:双原子分子的振动频率 (波数)随着化学键力常数的增大而 增加, 同时也随着原子折合质量的 增加而降低。
表： 某些键的伸缩力常数（毫达因/埃）
例１ 水分子（H2O） （非对称型的分子）
CO2的IR吸收
CO2分子的基本振动形式及IR光谱
2349 cm-1
667cm-1
三. 影响峰位、峰强的因素
• 在复杂的有机分子中, 基团频率除由质 量和力常数主要因素支配外, 还受到参 与作用的许多其它因素的影响, 这些作 用的总结果决定了该吸收谱带的准确位 置, 不同分子中的同一基团的吸收谱带 位置总是在一定的频率范围内变化。
O R C 1715 R' R O C 1690 1665 O C
共轭效应使 电子离域，双键性 ，K
但在p-π共轭体系中,诱导效应与共轭效应常常同 时存在, 谱带的位移方向取决于哪一个作用占主 导地位, 例如,RCONH2、RCOR、RCOOR、 RCOCl中羰基的伸缩振动频率大小顺序。
非线性分子振动自由度=3N-（3+3)=3N-6 线性分子振动自由度=3N-（3+2)=3N-5
*理论上, 每个振动自由度在红外光谱区 均产生一个吸收峰带, 但实际上,峰数往 往少于基本振动数目。
影响峰数减少的因素
（1）没有偶极矩变化的振动，不产生红外吸收； （2）相同频率的振动吸收重叠，即简并； （3）仪器不能区别那些频率十分接近的振动，或 吸收带很弱，仪器检测不出； （4）有些吸收带落在仪器检测范围之外。 例如: H2O和CO2的IR吸收峰。
满足两个条件： (1)辐射应具有能满足物质产生振动跃迁所需的能量； (2)辐射与物质间有相互偶合作用。 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。
偶极子在交变电场中的作用示意图
00:30:36
二. 分子化学键的振动与能级:
纵坐标为百分透过率(T%), 横坐标为波数(ν, cm-1 ); T%越大, 吸收峰越强; 峰强也可用摩 尔吸光系数(εa)表示: T%=(I/I0 )×100% εa=1/(c×L)lg(T0/T) εa﹥100时, 很强峰(vs); εa=20~100时,强峰(s); εa=10~20时, 中强峰 (m); εa﹤1时,弱峰(w)
共轭与诱导效应共存时的情况
2. 空间效应: (1).场效应(F效应): 不同原子或基团间 不是通过化学键,而是从它们的静电场通 过空间相互作用,发生相互极化,引起相应 键的红外吸收谱带位移, 称为“场效应” 。
(2).空间障碍: (3).跨环效应: (4).环张力:对环外双键和环上羰 基,随着环的张力增加,其频率也相应 增加。对环内双键则相反。
v
C-Br
•
3.
v
C-H
=2900cm -1
v
O-H
-1 =3600~3200cm v
N-H
=3500~3300cm
-1
•
4. 伸缩振动频率>弯曲振动频率
(二).多原子分子的振动类型
1. 振动类型 (分两大类) : (1) 伸缩振动: 以ν表示, 又可分: 对称(νs) 不对称(νas) (2) 弯曲振动:以δ表示, 又可为4种。 面内弯曲振动δ ip：剪式；平面摇摆 面外弯曲振动δ 0.0.p：扭曲；非平面摇摆 νas > νs> δ S > δ 0.0.p
-
ν :谐振子的振动频率
-
3
*在常温下, 分子几乎均处于基态, 所以在红 外光谱中通常只考虑如下两种跃近: (1) V0 V1:产生基频峰谱带, 峰较强。 ν0 1= ν(1-2Xe)
(2) V0 V2或V3 :产生倍频峰谱带, 峰较弱。 ν0 2= 2ν(1-3Xe)
基频峰（0→1） 二倍频峰（ 0→2 ） 弱 三倍频峰（ 0→3 ） 弱 四倍频峰（ 0→4 ） 五倍频峰（ 0→5 ）
B烯醇型 1650cm-1 3000cm-1(OH)
5. 振动偶合效应:
*当两个相同的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。例 如: 丙二酸中的羧羰基振动、丙酸酐中 的羰基振动、异丙基中的甲基等。
2988
CH3,CH2
CH3
• 丙酸酐
C=O
O R C 1715 R R
O C 1731 H R
O C Cl R
O C 1920 F F
O C 1928 F
1800
吸电性 ，双键性 ，K
吸电子的诱导效应使吸收谱带移向高频(高波 数区),
(2).共轭效应(+C): 即电子离域现象, 通过π-键传 递, 常常引起双键的极性增加, 双键性降低, 使伸 缩振动频率下降。
《波谱解析》
主讲教师: 李晓蒙
第二章 红外光谱 (IR)
学习要求:
1.了解红外光谱的基础知识: 红外光谱产 生的原因以及在IR谱中影响基团(官能团) 振动频率(ν)的一些因素。 2.掌握IR谱解析的重要区段及主要官能 团特征吸收频率。 3. 了解IR谱在有机结构分析中的应用。
第一节 基础知识
一. 红外光(800nm-400μm)与红外光谱(IR):
谱图解析——正己烷
2872cm-1 处 是 CH3 的 对 称 伸 缩振 动 峰 ，一 般 波 数 范 围 为 ： 2872±10cm-1。
谱图解析——正己烷
在 2853cm-1 处的吸收峰， 是 CH2 的对称伸缩振动 峰 ，一般这种振动峰的吸收 位置在：2853±10cm-1。
正己烷
在1455±10cm-1处，是CH2 的弯曲振动峰吸收值（也叫 剪刀振动）。
7. 样品的物理状态的影响: 样品可以在气态、液态及固态下测量, 同一样品测定时由于物理状态不同,吸收 峰也会发生不同程度的差异。
(二). 外部因素:
1.溶剂影响: 极性基团的伸缩振动频率常常随溶剂的 极性增大而降低。 2. 仪器的色散元件: 棱镜与光栅的分辨率不同。
四. 影响峰强的因素
1.峰强的表示方法:
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
4. 互变异构: 例如: 1,3-二酮的酮式与烯醇式互变异构
O H3 C C CH2 O C OC2H5
H3 C OH C CH O C OC2H5
A 酮型 1738cm-1 1717cm-1
*6.费米共振(Fermi Resonance) : 当倍频 峰(或组频)位于某强的基频吸收峰附近 时, 弱的倍频(或组频峰)的吸收强度常 常被大大强化(间或发生峰带裂分), 这 种倍频峰(或组频)与基频峰之间的振动 偶合称为费米共振。 例如:醛基C-H的伸缩振动与其变形振 动的倍频峰之间的偶合; 环戊酮等
2885.9 cm-1 5668.0 cm-1
8346.9 cm-1
最强 较
很
10923.1 cm-1 13396.5 cm-1
极弱 极弱
规律
•
1.k值与
k c= c
v
成正比
>k
• 2. 值与
成反比
c=c
> k
c-c
v
c= c
> v
c=c
>
> v
v
c-c
C-I
v >v > c-c > v C-O> C-H C-Cl
1 k k 9.6 1 v 1307 1307 1650cm 2c 12 / 2
正己烯中C=C键伸缩振动频率实测值为1652 cm-1
1
00:30:37
2. 非谐振子: *真实分子并非严格遵守谐振子规律, 其 势能曲线不是抛物线。 *由量子力学求得非谐振子的能级为: E振=(V+1/2) ν eν 式中V:振动量子数, 其值可取0, 1, 2…. Xe:非谐性修正系数 -(V+1/2)2X
空间障碍
COCH3 COCH3 CH3 1663 1686 1693 H3C CH3 COCH3 CH3
跨环效应
环外双键
CH2 CH2
CH2
CH2
1651 O
1657 O
1678
Oห้องสมุดไป่ตู้
1680 O
1716
1745
1775
1810
环内双键
1650
1646
1611
1566
1641
3. 氢键效应: *氢键的形成, 通常可使伸缩振动频率向 低波数方向移动, 且谱带变宽。 *对于固态或液态的羧酸, 由于氢键的作用, 分子以二聚体形式存在, 羟基伸缩振动出 现在3200-2500cm-1区间, 表现为一个宽 而散的吸收峰, 非常特征, 常用于羧酸的 鉴定。
• 合频：电磁波的能量正好等于二个基频跃 迁能量的总和时，则同时激发二个基频振 动到相应激发态，称为合频。 • 差频：电磁波的能量正好等于二个基频跃 迁能量之差的吸收谱带。实际为一个振动 状态由基态跃迁到激发态，同时另一个振 动状态由激发态回到基态的过程。 • 热带：由第一激发态跃迁到第二激发态所 产生的吸收谱带称为热带。 • 组频峰（泛频峰）：倍频、合频、差频峰 的总称。
亚甲基的振动模式：
谱图解析——正己烷
在 2962cm-1 处 的 峰 是 CH3 基 团的不对称伸缩振动。这种 不 对 称 伸 缩 振 动 范 围 2962±10cm-1 ，事实上，存 在两个简并的不对称伸缩振 动（显示其中一个）。
谱图解析——正己烷
在 2926cm-1 处 ， 是 CH2 的 不 对 称 伸 缩 振 动 峰 ， 一 般 在 2926±10cm-1 范 围 内 。
分子振动频率
V 分子振动量子数 V 0 ， 1 ，2 ，3
分子振动能级差 E振 V h
产生红外光谱前提 E振 E L
L 红外光的照射频率 分子的振动频率
1 2
K
K 1307
m A mB 其中 m A mB
例： C C
C C
C C
K 15 N / cm K 10 N / cm K 5 N / cm
~ 2160cm 1 ~ 1650cm 1 ~ 1190cm 1
例：
C C C H
例题: 由表中查知C=C键的K=9.5 9.9 ,令其为 9.6, 计算波数值。
红外光谱(IR):
红外光谱图： 纵坐标用吸收强度[吸光度A或透光率T(%) =(T/T0)%]表示 横坐标用波长λ( m )或波数ν＝1/λ (cm-1)表示 有机化合物结构：可以用峰数，峰位，峰形，峰强来描述。
红外吸收光谱产生的条件
condition of Infrared absorption spectroscopy
谱图解析——正己烷
在 1375±10cm-1 ，是 CH3 对称弯曲振 动（也叫“伞”弯曲振动）吸收峰位 置，这个峰通常时很有用的，因为这 个峰比较孤立，比较环己烷的谱图， 最大的差异就是在环己烷谱图中没有 CH3基团的对称弯曲振动峰。
(二).多原子分子的振动类型
2. 分子振动自由度与峰数 *基本振动的数目称为振动自由度; 由N个原子构成的分子,其总自由度 为3N个。 *分子作为一个整体,其运动状态可 分为:平动、转动和振动。 *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)
(一). 双原子分子的振动: 1.谐振子: f (弹力)= -Kδx
双原子分子A-B→近似看作谐振子 两原子间的伸缩振动→近似看作简谐振动
1 简谐振动位能 U K (r re ) 2 2
r 原子间实际距离 re 原子间平衡距离 K 化学键力常数（N / cm）
1 分子振动总能量 EV （V ） h 2
(一). 内部因素
1.电子效应: 通过导致成键原子间电子杂 化状态与电子云分布发生 变化, 因而改变力常数而影 响相应谱带的位置。 (1).诱导效应(-I)一些极性共价键, 随着取代基电 负性的不同,电子密度发生变化, 引起键的振动谱带位移。 F>Cl>Br>I>OCH3>NHCOCH3>C6H6>H>CH3
1307 K’
-
-
(适用于X-H型键)
2 K’(适用于X-Y型键) 1307 M
*振动频率(ν)是键的力常数(K)及两 个原子(mA与mB)的质量的函数。 这些式子表明:双原子分子的振动频率 (波数)随着化学键力常数的增大而 增加, 同时也随着原子折合质量的 增加而降低。
表： 某些键的伸缩力常数（毫达因/埃）
例１ 水分子（H2O） （非对称型的分子）
CO2的IR吸收
CO2分子的基本振动形式及IR光谱
2349 cm-1
667cm-1
三. 影响峰位、峰强的因素
• 在复杂的有机分子中, 基团频率除由质 量和力常数主要因素支配外, 还受到参 与作用的许多其它因素的影响, 这些作 用的总结果决定了该吸收谱带的准确位 置, 不同分子中的同一基团的吸收谱带 位置总是在一定的频率范围内变化。
O R C 1715 R' R O C 1690 1665 O C
共轭效应使 电子离域，双键性 ，K
但在p-π共轭体系中,诱导效应与共轭效应常常同 时存在, 谱带的位移方向取决于哪一个作用占主 导地位, 例如,RCONH2、RCOR、RCOOR、 RCOCl中羰基的伸缩振动频率大小顺序。
非线性分子振动自由度=3N-（3+3)=3N-6 线性分子振动自由度=3N-（3+2)=3N-5
*理论上, 每个振动自由度在红外光谱区 均产生一个吸收峰带, 但实际上,峰数往 往少于基本振动数目。
影响峰数减少的因素
（1）没有偶极矩变化的振动，不产生红外吸收； （2）相同频率的振动吸收重叠，即简并； （3）仪器不能区别那些频率十分接近的振动，或 吸收带很弱，仪器检测不出； （4）有些吸收带落在仪器检测范围之外。 例如: H2O和CO2的IR吸收峰。
满足两个条件： (1)辐射应具有能满足物质产生振动跃迁所需的能量； (2)辐射与物质间有相互偶合作用。 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。
偶极子在交变电场中的作用示意图
00:30:36
二. 分子化学键的振动与能级:
纵坐标为百分透过率(T%), 横坐标为波数(ν, cm-1 ); T%越大, 吸收峰越强; 峰强也可用摩 尔吸光系数(εa)表示: T%=(I/I0 )×100% εa=1/(c×L)lg(T0/T) εa﹥100时, 很强峰(vs); εa=20~100时,强峰(s); εa=10~20时, 中强峰 (m); εa﹤1时,弱峰(w)
共轭与诱导效应共存时的情况
2. 空间效应: (1).场效应(F效应): 不同原子或基团间 不是通过化学键,而是从它们的静电场通 过空间相互作用,发生相互极化,引起相应 键的红外吸收谱带位移, 称为“场效应” 。
(2).空间障碍: (3).跨环效应: (4).环张力:对环外双键和环上羰 基,随着环的张力增加,其频率也相应 增加。对环内双键则相反。
v
C-Br
•
3.
v
C-H
=2900cm -1
v
O-H
-1 =3600~3200cm v
N-H
=3500~3300cm
-1
•
4. 伸缩振动频率>弯曲振动频率
(二).多原子分子的振动类型
1. 振动类型 (分两大类) : (1) 伸缩振动: 以ν表示, 又可分: 对称(νs) 不对称(νas) (2) 弯曲振动:以δ表示, 又可为4种。 面内弯曲振动δ ip：剪式；平面摇摆 面外弯曲振动δ 0.0.p：扭曲；非平面摇摆 νas > νs> δ S > δ 0.0.p
-
ν :谐振子的振动频率
-
3
*在常温下, 分子几乎均处于基态, 所以在红 外光谱中通常只考虑如下两种跃近: (1) V0 V1:产生基频峰谱带, 峰较强。 ν0 1= ν(1-2Xe)
(2) V0 V2或V3 :产生倍频峰谱带, 峰较弱。 ν0 2= 2ν(1-3Xe)
基频峰（0→1） 二倍频峰（ 0→2 ） 弱 三倍频峰（ 0→3 ） 弱 四倍频峰（ 0→4 ） 五倍频峰（ 0→5 ）
B烯醇型 1650cm-1 3000cm-1(OH)
5. 振动偶合效应:
*当两个相同的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。例 如: 丙二酸中的羧羰基振动、丙酸酐中 的羰基振动、异丙基中的甲基等。
2988
CH3,CH2
CH3
• 丙酸酐
C=O
O R C 1715 R R
O C 1731 H R
O C Cl R
O C 1920 F F
O C 1928 F
1800
吸电性 ，双键性 ，K
吸电子的诱导效应使吸收谱带移向高频(高波 数区),
(2).共轭效应(+C): 即电子离域现象, 通过π-键传 递, 常常引起双键的极性增加, 双键性降低, 使伸 缩振动频率下降。
《波谱解析》
主讲教师: 李晓蒙
第二章 红外光谱 (IR)
学习要求:
1.了解红外光谱的基础知识: 红外光谱产 生的原因以及在IR谱中影响基团(官能团) 振动频率(ν)的一些因素。 2.掌握IR谱解析的重要区段及主要官能 团特征吸收频率。 3. 了解IR谱在有机结构分析中的应用。
第一节 基础知识
一. 红外光(800nm-400μm)与红外光谱(IR):
谱图解析——正己烷
2872cm-1 处 是 CH3 的 对 称 伸 缩振 动 峰 ，一 般 波 数 范 围 为 ： 2872±10cm-1。
谱图解析——正己烷
在 2853cm-1 处的吸收峰， 是 CH2 的对称伸缩振动 峰 ，一般这种振动峰的吸收 位置在：2853±10cm-1。
正己烷
在1455±10cm-1处，是CH2 的弯曲振动峰吸收值（也叫 剪刀振动）。
7. 样品的物理状态的影响: 样品可以在气态、液态及固态下测量, 同一样品测定时由于物理状态不同,吸收 峰也会发生不同程度的差异。
(二). 外部因素:
1.溶剂影响: 极性基团的伸缩振动频率常常随溶剂的 极性增大而降低。 2. 仪器的色散元件: 棱镜与光栅的分辨率不同。
四. 影响峰强的因素
1.峰强的表示方法:
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
4. 互变异构: 例如: 1,3-二酮的酮式与烯醇式互变异构
O H3 C C CH2 O C OC2H5
H3 C OH C CH O C OC2H5
A 酮型 1738cm-1 1717cm-1
*6.费米共振(Fermi Resonance) : 当倍频 峰(或组频)位于某强的基频吸收峰附近 时, 弱的倍频(或组频峰)的吸收强度常 常被大大强化(间或发生峰带裂分), 这 种倍频峰(或组频)与基频峰之间的振动 偶合称为费米共振。 例如:醛基C-H的伸缩振动与其变形振 动的倍频峰之间的偶合; 环戊酮等
2885.9 cm-1 5668.0 cm-1
8346.9 cm-1
最强 较
很
10923.1 cm-1 13396.5 cm-1
极弱 极弱
规律
•
1.k值与
k c= c
v
成正比
>k
• 2. 值与
成反比
c=c
> k
c-c
v
c= c
> v
c=c
>
> v
v
c-c
C-I
v >v > c-c > v C-O> C-H C-Cl
1 k k 9.6 1 v 1307 1307 1650cm 2c 12 / 2
正己烯中C=C键伸缩振动频率实测值为1652 cm-1
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2. 非谐振子: *真实分子并非严格遵守谐振子规律, 其 势能曲线不是抛物线。 *由量子力学求得非谐振子的能级为: E振=(V+1/2) ν eν 式中V:振动量子数, 其值可取0, 1, 2…. Xe:非谐性修正系数 -(V+1/2)2X