红外分光光度法

红外分光光度法第一节 概述（一）红外线的区划红外线：波长大于0.76μm，小于500μm（或1000μm）的电磁波称为~习惯上将红外线分为三个区域：近红外区（0.76μm~2.5μm），OH、NH、CH键的倍频吸收区中红外区（2.5μm~50μm），振动，伴随着转动（基本振动区）远红外区（50μm~5000（或1000μm）），转动三种波长范围的红外线，引起三种类型的能级跃迁红外光谱：由分子的振动、转动能级引起的光谱，称为中红外吸收光谱，简称红外吸收光谱或红外光谱远红外光谱及微波谱：由分子的纯转动能级跃迁所引起的光谱称为~红外吸收光谱法：利用样品的红外吸收光谱进行定性、定量分析及测定分子结构的方法，或称红外分光光度法，简称红外光谱法（二）红外吸收光谱的表示方法T-λ曲线，T-σ曲线T-λ曲线“前密后疏”T-σ曲线“前疏后密”这是因为前者是波长等距，后者是波数等距目前的红外光谱采用波数为横坐标波数为波长的倒数，在红外光谱中波长的单位用微米（μm），波数的单位用cm-1，1μm=10-4cmσ（cm-1）=104/λ（μm）波数：表示每1cm距离内包含多少个波长（三）1 起源不同紫外光谱与红外光谱都属于分子吸收光谱，但起源不同1 电子能级跃迁紫外线波长短、频率高、光子能量大，能引起分子外层电子的能级跃迁，虽伴有振动及转动能级跃迁，因能级差较小，常被淹没，除某些化合物（苯）蒸汽的紫外光谱，会显现振动能级跃迁外，一般不显现因此紫外吸收光谱属电子光谱2 振动-转动能级跃迁红外线的波长比紫外线长，光子能量比紫外线小得多，只能引起分子的振动能级并伴随转动能级的跃迁因而中红外光谱是振动-转动光谱2 适用范围不同1 紫外吸收光谱法：只是用于研究芳香族或具有共轭结构的不饱和芳香族化合物及某些无机物，不适用于饱和有机化合物红外吸收光谱法：不受此限，在中红外区，能测得所有有机化合物的特征红外光谱，红外光谱还可以用于研究某些无机物2 紫外分光光度法：测定对象的物态为溶液及少数物质的蒸汽红外分光光度法：测定气、液及固体样品，并以固体样品最为方便3紫外分光光度法：用于定量分析及测定某些化合物的类别红外分光光度法：用于定性鉴别及测定有机化合物的分子结构3 特征性不同红外光谱的特征性比紫外光谱强紫外光谱主要是分子的π电子或n电子跃迁所产生的吸收光谱，因此多数紫外光谱比较简单，特征性较差红外吸收光谱是振动-转动光谱，每个官能团都有几种振动形式，在中红外区相应产生几个吸收峰，光谱复杂，特征性强，除了个别化合物外，每个化合物都有其特征红外光谱，因而红外光谱是定性鉴别的有力手段（四）用途红外分光光度法的用于可概括为：定性鉴别、定量分析、结构分析等可提供化合物具有什么官能团、化合物类别（脂肪族、芳香族）、结构异构、氢键、某些链状化合物的链长等信息，是分子结构研究的主要手段之一第二节 基本原理一条红外吸收曲线，可由吸收峰的位置（λmax或σmax）及吸收强度（ξ）来描述一、振动能级与振动光谱由于分子的振动能级差大于转动能级差，因此在分子发生振动能级跃迁时，不可避免地伴随着转动能级的跃迁，因而无法测得纯振动光谱由于振动能级是量子化的，则所吸收的光子的能量hνL必须恰等于振动能级的能量差，即hνL=△EvνL=ν·△V σL=σ·△V若把双原子分子视为谐振子，吸收红外线而发生能级跃迁时所吸收的红外线频率（νL），只能是谐振子振动频率（ν）的△V倍二、振动形式双原子分子只有一类振动形式：伸缩振动多原子分子有两类振动形式：伸缩振动、弯曲振动振动形式可以了解吸收峰的起源振动形式的数目，有助于了解基频峰的可能数目（一）伸缩振动伸缩振动：键长沿键轴方向发生周期性的变化称为~多原子分子（或基团）的每个化学键可以近似地看做一个谐振子伸缩振动的振动形式可分为两种：1 对称伸缩振动2 不对称伸缩振动或称反称伸缩振动除CH2及CH3以外，凡含有两个或两个以上相同键的基团也都有对称及反称两种伸缩振动形式化合物中含有两个相邻相同的官能团，也有对称伸缩振动和反称伸缩振动两种形式（二）弯曲振动弯曲振动：使键角发生周期性变化的振动称为~（或称为变形振动）弯曲振动分为：面内、面外、对称弯曲振动、不对称弯曲振动1 面内弯曲振动：在由几个原子所构成的平面内进行的弯曲振动，称为~按振动形式，面内弯曲振动可以分为：剪式振动、面内摇摆振动两种组成为AX2的基团或分子易发生此类振动（1） 剪式振动：在振动过程中键角的变化类似剪刀“开”“闭”的振动（2） 面内摇摆振动：基团作为一个整体，在平面内摇摆2 面外弯曲振动：在垂直于由几个原子所组成的平面外进行的而弯曲振动称为~（1） 面外摇摆振动：两个X同时向面上或向面下的振动（2） 蜷曲振动：一个X向面上，另一个X向面下的振动3 变形振动AX3基团或分子的弯曲振动分为两种：（1） 对称变形振动在振动过程中，三个AX键与轴线组成的夹角α对称的缩小或增大（2） 不对称变形振动在振动过程中，二个α角缩小，一个α角增大，或相反的振动（三）振动自由度双原子分子只有一种振动形式——伸缩振动基本振动的数目称为振动自由度，即分子的独立振动数在中红外区，光子的能量较小，不足以引起分子的电子能级跃迁只需考虑分子中三种运动形式的能量变化：平动、振动、转动的能量变化分子的平动能改变，不产生光谱转动能级跃迁产生远红外光谱，不在中红外光谱的讨论范围，因此应扣除这两种运动形式N个原子有3N个独立运动方向，分子有三个平动自由度在非线性分子中，分子由三个转动自由度，剩下3N-6个振动自由度在线性分子中，分子有两个转动自由度，剩下3N-5个振动自由度由振动自由度数可以估计基频峰的可能数目三、基频峰与泛频峰在红外光谱上，从吸收峰的峰位（即所吸收红外线的频率）与基团的振动频率（或称基本振动频率）之间的关系，可以分为基频峰和泛频峰（一）基频峰基频峰是红外光谱上最重要的一类吸收峰1 简并某些振动虽然振动形式不同，但是振动频率相等2 红外非活性振动红外非活性振动：不能吸收红外线发生能级跃迁的振动称为~，反之称为红外活性振动红外非活性振动的原因：振动过程中分子的偶极矩不变只有偶极矩有变化的振动过程，才能吸收红外线而发生能级跃迁这是因为红外线是具有交变电场和磁场的电磁波，不能与非电磁分子或基团发生振动耦合（共振）的缘故红外线不能将振动过程中无偶极矩变化的分子或基团激发3 仪器的分辨率不高，一些弱峰仪器检测不出来等原因某基团和或分子的基本振动吸收红外线而发生能级跃迁，必须满足两个条件：1振动过程△μ≠02 必须服从νL=ν·△V的关系（二）泛频峰倍频峰：在红外吸收光谱上，除基频峰外，还有振动能级由基态（V=0）跃迁至第二振动激发态（V=2）、第三激发态（V=3）....等现象，所产生的吸收峰称为~二倍频峰、三倍频峰等统称为倍频峰三倍频峰及三倍以上，因跃迁几率很小，一般都很弱，常观测不到由于分子的非谐振性质，位能曲线中的能稽查并非等距，V越大，间距越小倍频峰的频率并非是基频峰的整数倍，而是略小一些倍频峰、合频峰、差频峰统称为泛频峰取代苯的泛频峰出现在2000~1667cm-1（5~6μm）的区间，主要由苯环上碳-氢面外弯曲的倍频峰等构成，特征性很强，可用于鉴别苯环上的取代位置四、特征峰与相关峰（一）特征峰（特征频率）官能团的存在与吸收峰的存在相对应，因此可用一些易辨认、有代表性的吸收峰来确认官能团的存在凡是可用于鉴别官能团存在的吸收峰，称为特征吸收峰，简称特征峰或特征频率（二）相关峰多数情况一个官能团有数种振动形式，而每一种红外活性振动，一般相应产生一个吸收峰，有时还能观测到泛频峰，因而常常不能由单一特征峰肯定官能团的存在相关峰：由一个官能团，所产生的一组相互依存的特征峰，可称为相关吸收峰，简称~相关峰的数目与基团的活性振动数及光谱的波数范围有关用一组相关吸收峰确定一个官能团的存在，是光谱解析的一条重要原则五、吸收峰的位置吸收峰的位置或称峰位通常用σmax（或νmax、λmax）表示，即前述振动能级跃迁时所吸收的红外线的波数σL（或频率νL、波长λL）对基频峰而言，σmax=σ，基频峰的峰位即基团或分子的基本振动频率其他峰，σmax=σ△V每种基频峰都在一段区间内出现，这是因为虽是同一种基团、同一种振动形式的跃迁，但在不同的化学环境中所受的影响不同，而使吸收峰的位置有所改变基频峰的位置主要由四方面因素所决定：化学键两端原子的质量、化学键力常数、内部影响因素、外部影响因素（一）基本振动频率1 基本振动频率的计算公式：K为化学键力常数，是将化学键两端的原子由平衡位置拉长0.1nm后的恢复力称为~化学键力常数越大，表明化学键的强度越大K越大，折合质量越小，谐振子的振动频率越大双原子基团的基本振动频率与化学键力常数及折合质量有关，即基频峰的峰位与K和u有关同类原子组成的化学键，力常数越大，则基本振动频率越大比较不同原子组成的化学键，则需看力常数与折合质量哪一个是主要矛盾由于氢原子的原子量最小，故所有含氢原子单键的基频峰，都出现在中红外光谱上的高频区2 基频峰的分布图1）折合质量越小，伸缩频率越高2）折合质量相同的基团，伸缩力常数越大，伸缩振动基频峰的频率越高3）折合质量相同时，ν>β>γ，因为它们的力常数依次减小（二）影响因素1 内部因素主要是结构因素，如相邻基团的影响及空间效应1）诱导效应吸电子的诱导效应，常使吸收峰向高频方向移动2）共轭效应共轭效应的存在使吸收峰向低频方向移动3）氢键氢键的形成使伸缩振动频率降低分子内氢键缔合作用的一种形式，由于分子内氢键的形成，往往对谱带位置有极明显的影响，但它不受浓度的影响，有助于结构分析分子间氢键受浓度的影响较大，随浓度的稀释吸收峰位置改变可观测稀释过程峰位是否变化，来判断是分子间氢键还是分子内氢键4）杂化影响在碳原子的杂化轨道中s成分增加，键能增加，键长变短，C-H伸缩振动频率增加碳-氢伸缩振动频率是判断饱和氢与不饱和氢的重要依据，不饱和碳氢的伸缩振动频率大于3000cm-12 外部因素主要是溶剂、仪器色散元件、温度的影响溶剂影响：极性基团的伸缩频率，常随溶剂的极性增大而降低通常是因为极性基团与溶剂间生成氢键的缘故，形成氢键的能力越强，降低越多（三）特征区和指纹区1 特征区特征区：习惯上把4000~1250cm-1(2.5~8.0μm)区间称为特征频率区，简称~特征区的吸收峰较疏，易辨认主要包括：1 含有氢原子的单键2 各种三键及双键的伸缩振动的基频峰3 含氢单键的面内弯曲振动的基频峰羰基峰时红外吸收光谱上最受重视的吸收峰之一2 指纹区指纹区：1250~200cm-1（8.0~50μm）的低频区称为~指纹区的红外线的能量比特征频率区低所出现的谱带起源于：各种单键的伸缩振动、多数基团的弯曲振动两个结构相近的化合物的特征频率区可能大同小异，只要它们的化学结构上存在着微小差别，指纹区一般就有较明显的不同但是含碳较多的直链烷烃，碳数差别较小时，指纹区也无明显差别六、吸收峰的强度吸收峰的强度：是讨论一条吸收曲线上吸收峰（谱带）的相对强度或摩尔吸光系数与什么有关的额问题，而不是讨论浓度与吸光度之间的关系在红外分光光度法中，浓度与吸光度的关系与可见-紫外吸收光谱法一致，仍然服从Lambert-Beer定律1跃迁几率：跃迁过程中激发态分子占总分子的百分数，称为~谱带的强度即跃迁几率的量度跃迁几率与振动过程中偶极矩的变化有关，偶极矩变化越大，跃迁几率越大，谱带强度越大偶极矩的变化与键的偶极矩及振动形式有关在一定测定条件下，一个化合物的各基团的各种振动能级的跃迁几率恒定在不考虑相邻基团的相互抵消前提下，键的偶极矩越大，伸缩振动过程偶极矩变化越大振动过程偶极矩的变化还与分子结构的对称性有关，对称性越强，变化越小，完全对称，变化为零2谱带强度的划分：红外吸收光谱上的吸收峰高、矮，可以说明相对吸光强度谱带的绝对强度，需用摩尔吸光系数来描述用ε将红外吸收光谱的谱带强度区分为五级：非常强谱带（vs）ε>100强谱带(s) 20~100中等强度谱带(m) 10~20弱谱带(w) 1~10非常弱谱带(vw) <1第四节 红外分光光度计及制样分光器：将复光分解为单色光的仪器称为~光度计：测量光强的仪器分光光度计：兼有分光器和光度计两种性能的仪器称为~按工作波长范围的不同，分为：紫外-可见、红外分光光度计仪器发展大体历经三个阶段：主要区别是单色器第一代仪器为棱镜红外分光光度计第二代仪器为光栅红外分光光度计第三代仪器为干涉调频分光傅里叶变换红外分光光度计一、光栅红外分光光度计光栅红外分光光度计，属于色散型一起，其色散元件为光栅按仪器的平衡原理可以分为：光学平衡式、电学平衡式红外分光光度计由：光源、吸收池（或固体样品框）、单色器、检测器、记录装置五个基本部分组成1 辐射源（光源）凡能发射连续波长的红外线，强度能满足需要的物体，均可为红外光源一般分为：碳硅棒、Nernst灯、特殊线圈Nernst灯低温时不导电2 色散元件目前多用反射光栅当红外线照射至光栅表面时，由反射线间的干涉作用而形成光栅光谱，各级光谱相互重叠，为了获得单色光，必须滤光由于一级光谱最强，故常滤去二级、三级光谱3 检测器常用检测器为：真空热电偶、Golay池热电偶：是利用不同导体构成回路时的温差现象，将温差转变为电位差的装置4 吸收池分为：液体池、气体池，分别用于液体样品与气体样品为了使红外线能透过，吸收池都具有岩盐窗片吸收池不用时需在保干器中保存(1)液体池分为固定池、密封池、可拆卸池可拆卸池：只能用于定性分析（2）气体池可用减压法将气体装入样品池中测定，气体池常用的光径为50mm及100mm多次反射气体池：测量低浓度、弱吸收气体样品，沸点较低的液体样品气体池在药物分析中很少应用二、干涉分光型红外分光光度计检测器多用热电型硫酸三甘肽（TGS）、光电导型检测器三、仪器性能红外分光光光度计的性能指标有分辨率、波数的准确度与重复性、透过率或吸光度的准确度与重复性仪器的最主要指标：I0线的平直度，检测器的满度能量输出1 分辨率（分辨本领）：在某波数处恰能分开两个吸收峰的波数差为指标2 波数准确度与重复性波数准确度：仪器测定所得波数与文献值比较之差称为~波数重复性：多次重复测量同一样品，所得同一吸收峰波数的最大值与最小值之差称为~波数准确性关系测得光谱峰位的正确性，直接影响光谱解析四、制样气、液、固态样品皆可测定其红外光谱，但以固态样品最方便对样品的主要要求：1样品的纯度需大于98%，以便于纯化合物光谱对照2 样品应不含水分，若含水（结晶水、游离水）则对羟基峰有干扰样品更不得是水溶液若制成溶液，需用符合光谱波段要求的溶剂配制（一）固态样品固体样品可用三种方法制样：压片法、糊剂法、薄膜法（二）液态样品可用夹片法、液体池法粘度大的样品可用涂片法第五节 应用与示例一、光谱解析方法红外吸收光谱是定性分析的有力工具（一）样品的来源和性质、1 来源、纯度、灰分来源可帮助估计样品及杂质的范围纯度需大于98%，若不符合要求则需精制混合物，需经色谱分离，而后再用红外定性有灰分则含无机物2 物理化学常数样品的沸点、熔点、折光率、旋光度等，作为光谱解析的旁证3 分子式不饱和度：分子结构中达到距离饱和时所缺一价元素的“对”数每缺二个一价元素时，不饱和度为一个单位（U=1）不饱和度公式：（二）光谱解析的几种情况1 若要求判定样品是否是某物质，可采用1 已知物对照法2 对照标准光谱法3 简单化合物一般进行红外光谱解析即可判定2 新发现化合物待定结构或化合物的结构复杂，或标准光谱尚未收载，则需要进行综合光谱解析 综合光谱解析：包括元素分析、UV、IR、NMR、MS(三)光谱解析程序两区域法：将光谱划分为特征区及指纹区两个区域进行解析解析方法：四先、四后、相关法遵循：先特征区、后指纹区，先最强峰、后次强峰，先粗查、后细找，先否定、后肯定的顺序以及由一组相关峰确认一个官能团存在的原则。