有机化学第20-1 IR波谱分析

伸缩振动( )
（波数高）
分子振动
as
s
弯曲振动(d)
（波数低）
摇动(r) 剪动(s) 煽动(w) 扭动(t)
面内
面外
20.3.1 分子振动与红外光谱
(3) 红外吸收峰产生的条件
必要条件：辐射光的频率与分子振动的频率相当。 充分条件：振动过程中能够改变分子偶极矩！
所以，分子对称性高者，其IR谱图简单；分子对 称性低者，其IR谱图复杂；
第20章 有机化合物的波谱分析
确定有机物结构的步骤与方法:
（一）分离纯化 方 法：蒸馏、重结晶、升华和色谱法 色谱法包括：薄层色谱、纸层色谱、柱层色谱、 气相色谱和高效液相色谱（HPLC）。 检查纯度：测定物理常数如测熔点、沸点、折 光率及色谱等验证。
确定有机物结构步骤与方法
（二）元素分析
确定化合物的组成元素，及各元素 的百分含量。
△E=hν
分子可吸收电磁波，
E转
E转
E振
从低能级激发到高能级。
不同结构的分子所吸 E电子跃迁 收的电磁波频率不同，用
E转 E振 E振
仪器记录分子对不同波长 的电磁波的吸收情况，就 可得到光谱，得到分子的
结构信息。
20.1 分子吸收光谱和分子结构
电磁波波长越短，频率越快，能量越高。
X－射线
紫外及可见光
红外光
无线电波
2.5mm
25mm 600MHz
60MHz
200nm 400nm
800nm
l
微波、
电视波
200－800nm: 引起电子运动能级跃迁，得到紫外及可见光谱;
2.5—25μm: 引起分子振动、转动能级跃迁，得到红外光谱；
600-60MHz:核在外加磁场中取向能级跃迁，得到核磁共振谱。
20.2 紫外光谱（不讲）
红外线可分为三个区域：
可见光
近
中
远
微波
l/mm
0.8
2.5
50
/cm-1 12500
4000
200
分子跃迁类型 泛频、倍频
分子振动 和转动
1000
10
晶格振动 和纯转动
适用范围
有机官能团 有机分子结构分析 无机矿物和 定量分析 和样品成分分析 金属有机物
红外光谱法主要讨论有机物对中红区的吸收。
20.3 红外光谱（Infrared Spectroscopy,IR）
λ=c/ν
20.3.1 分子振动与红外光谱
若将频率采用波数表示，Hooke’s rule则可表示为：
1 k( 1 1 ) (2) 2c m1 m2
式中： k— 化学键的力常数； m —成键原子的质量。
不同分子的结构不同，化学键的力常数不同，成键原 子的质量不同，导致振动频率不同。
20.3.1 分子振动与红外光谱
CN 1250～1360
伸缩振动吸收能逐渐增加（高波数）
（B）σ与成键原子的约化质量呈反比。如C—H键、C—D键 的伸缩振动波数分别在3000cm-1和2600cm-1左右。
20.3.1 分子振动与红外光谱
(2) 分子振动模式
分子的振动类型有两大类： 伸缩振动（ν）：只改变键长，不改变键角；波数较高。 弯曲振动（δ）：只改变键角，不改变键长；波数较低。
（A）σ与键力常数f呈正比。键长越短，键能越高，吸收峰 的波数就越大。如：
键强度逐渐增加
CC
CC
CC
σ （cm-1） 2100～2260 1600～1670 800～1200
CO
CO
σ（cm-1） 1660～1780 1000～1300
CN
σ （cm-1） 2210～2260
CN 1630～1690
20.3.1 分子振动与红外光谱 (1) 振动方程式
分子的近似机械模型——弹簧连接小球。 分子的振动可用Hooke’s rule来描述：
1 k( 1 1 ) 2 m1 m2
(1)
红外光谱中，频率常用波数表示。
波数:每厘米中振动的次数。波数与波长互为倒数。
cm1
1
lmm
104
(1cm=104μm)
20. 3 红外光谱(IR)
20.3.1 分子振动与红外光谱 20.3.2 红外图谱的解析
(1) IR中官能团的吸收位置 (2) 解析IR谱图的原则 (3) 一般步骤 (4) 解析实例
20.3 红外光谱（Infrared Spectroscopy,IR）
红外光谱就是当红外光照射有机物时，用仪器记录下 来的吸收情况（被吸收光的波长及强度等）
红外光谱(IR) —提供官能团信息
紫外光谱(UV)—提供共轭体系信息 质谱(MS)—提供分子量和分子碎片
第20章 有机化合物的波谱分析
用途:
确定有机化合物的结构，鉴定有机化合物
应用领域
有机化学、生物化学、植物化学、药物学、医学等
优点
快速、准确、取样少，且不破坏样品（除质谱外）
20.1 分子吸收光谱和分子结构
例1： O C O 无红外吸收
HH O
有红外吸收
CH3 C C CH3 无 -C CCH3-CH2-C C-H 有 -C C-
例2：CS2、CCl4等对称分子的IR谱图特别简单，可用作IR溶剂。
（三）确定实验式和分子式
实验式仅表达分子中各元素间原子 个数的比例，分子式与实验式是倍数关系
第20章 有机化合物的波谱分析
测定有机物结构的2种方法：化学法和波谱法
化学法
波谱法
需要较多试样（半微量 分析，用样量为10－ 100mg）
损坏样品
大量的时间（吗啡碱， 1805－1952年）
需要熟练的实验技巧， 高超的智慧和坚韧不拔的 精神。
乙酸苯酯的红外光谱:
λ/μm
2.5
3
100
4
5
6
7 8 9 10 12 15
T（%）
50
O
CH3 C O
0 4000 3500
3000 2500
2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600
波数/cm-1
20.3 红外光谱（Infrared Spectroscopy,IR）
一定波长的光与分子相互作用并被吸收，用特 殊仪器记录下来就是分子吸收光谱：
选择性吸收
有机分子＋ 电磁波 仪器记录
光谱
分子运动：平动、振动、转动、核外电子运动等
?
量子化的（能量变化不连续）
每个分子中只能存在一定数量的转? 动、振动、电子跃迁能级
20.1 分子吸收光谱和分子结构
分子运动能级和跃迁 当电磁波频率满足下式：
• 样品用量少（<30mg） • 不损坏样品（MS除外） • 分析速度快(＜10min) • 对－C＝C－的构型确定 比较方便，准确度高。
Baidu Nhomakorabea
波谱法已成为有机结构分析的常规方法。
第20章 有机化合物的波谱分析
常用的波谱
核磁共振谱(NMR)—
四谱
氢谱：提供H的类型、数目和环境 碳谱：提供C的类型、数目和环境