仪器分析实验 有机化合物的红外光谱分析

有机化合物的红外光谱分析

开课实验室：环境资源楼312

【实验目的】

1、初步掌握两种基本样品制备技术及傅里叶变换光谱仪器的简单操作；

2、通过谱图解析及网上标准谱图的检索，了解由红外光谱鉴定未知物的一般过程；

3、掌握有机化合物红外光谱测定的制样方法，回顾基础有机化学光谱的相关知识。

【基本原理】

•原理概述：物质分子中的各种不同基团，在有选择地吸收不同频率的红外辐射后，发生振动能级之间的跃迁，形成各自独特的红外吸收光谱。据此，可对物质进行定性和定量分析。特别是对化合物结构的鉴

定，应用更为广泛。

•红外吸收法：

类型：吸收光谱法；

原理：电子的跃迁：电子由于受到光、热、电等的激发，从一个能级转移到另一个能级的现象。这是因为分子中的电子总是处在某一种运动状态中，每一种状态都具有一定的能量，属于一定的能级。当这些电子有选择地吸收了不同频率的红外辐射的能量，发生振动能级之间的跃迁，形成各自独特的红外吸收光谱。据此，可对化合物进行定性和定量分析；

条件：分子具有偶极矩。

【仪器与试剂】

1、仪器：

傅里叶变换红外光谱仪（德国Bruker公司，TENSOR 27型; 美国Thermo Fisher公司，Nicolet 6700型）；

压片机；

玛瑙研钵；

红外灯。

2、试剂：NaCl窗片、KBr晶体，待分析试样液体及固体。

【实验步骤】

1、样品制备

（1）固体样品：KBr压片法

在玛瑙研钵将KBr晶体充分研磨后加入其量5%左右的待测固体样品，混合研磨直至均匀。在一个具有抛光面的金属模具上放一个圆形纸环，用刮勺将研磨好的粉末移至环中，盖上另一块模具，放入油压机中进行压片。KBr压片形成后，若已透明，可用夹具固定测试；

（2）液体样品：液膜法

取一对NaCl窗片，用刮勺沾取液体滴在一块窗片上，然后用另一块窗片覆盖在上面，形成一个没有气泡的毛细厚度薄膜，用夹具固定，即可放入仪器光路中进行测试，此法适用于高沸点液体样品。

2、仪器测试与解析

（1）打开红外光谱测试软件→进入测试对话框→背景测试→样品测试→标峰值→打印谱图→取出样品；（2）解析谱图，推出可能的结构式。

（3）查阅萨特勒标准谱图集，直至查到与所测试样品红外光谱图完全一致的谱图。

（4）联网用分子式索引查阅顺序为：化合物分子式→化合物英文名称→谱图号→谱图。

【数据处理与实验结果分析】

1、简述两种制样方法的适用范围，仪器操作要点：

KBr压片法：适用于常温下为固体的物质。固体样应控制浓度，样品的质量分数约占5%；

液膜法：适用于常温下为液体的样品。液体样应均匀涂在NaCl晶片上，不应过多或过少。

2、解释谱图中主要吸收峰与官能团的关系，重点写出谱图解释过程。

（1）固体样品：

化学式：C3H5NO；

不饱和度：Ω=2（猜测可能有碳碳双键、碳氧双键或者氮氧双键）；

谱图解析：发现在3360cm-1附近有范围很大的宽峰，且为双峰，1676cm-1附近有明显吸收。结合以上三者，表明化合物中有氢键（O-H或N-H，可以依稀看出为双峰，故应有两个氢键，

故猜测有-NH2结构，但由于所测结果不是十分明显，故只是猜测），1676cm-1的峰可归

属到酰胺键中的C=O伸缩振动（一般酰胺中的C=O伸缩振动在1650-1690 cm-1），而剩

下一个不饱和度则只能归属到碳碳双键，而碳碳双键中C-H键伸缩振动的3000cm-1附近

有一峰吸收峰。

图1 丙烯酰胺的结构式

结合网上分子式索引查阅的丙烯酰胺（Propenide）的IR图：

图2 网上分子式索引查阅的丙烯酰胺的IR图

可以看出，主要的吸收峰：3360附近的两个双峰、1650附近的峰，与我的测量结果匹配的很好。

所以基本可以断定是丙烯酰胺。

（2）液体样品：

化学式：C6H7N；

不饱和度：Ω=4（猜测可能有苯环）；

谱图解析：发现在3360cm-1附近有范围很大的宽峰，且为双峰，表明化合物中有氢键N-H，且应有两个氢键，故应有-NH2结构；3000-3100 cm-1的峰可归属到苯环上的多个C-H键伸缩振动，苯环中碳碳键的伸缩振动在1450-1600 cm-1也有体现。

图3 苯胺的结构式

结合网上分子式索引查阅的苯胺（Aniline）的IR图：

图2 网上分子式索引查阅的苯胺（Aniline）的IR图

可以看出，主要的特征吸收峰：3360cm-1附近的两个宽的双峰、3000-3100 cm-1的峰匹配较好。所以基本可以判断是苯胺。

3、在红外光谱上注出官能团的特征吸收峰（见最后两页）。

【思考题】

1、为什么测试红外光谱选用KBr、NaCl制样?有何优缺点?

答：优点：KBr在4000-400cm-1波数（这个波段是常用的分析有机物官能团和结构的波段）整个中红外区都没有特征吸收，使用KBr制样可以很大程度上避免背景干扰而得到所测样品真实的红外谱图。

NaCl在4000-600cm-1波数范围内也没有特征吸收，因此用NaCl制样可以得到4000-600波数范

围内背景很小的谱图，有利于分析的准确性；

缺点：NaCl和KBr易受腐蚀，尤其是分析强极性物质如酸、醇、胺等类物质时容易受到腐蚀而造成透明度下降而背景增强等后果；另外对于600-400cm-1波数的无机物等化合物时，使用NaCl制样

会影响实验结果的准确性。

2、用FT-IR仪测试样品为什么要先测试背景？

答：先测试背景是为了在后续测试样品得到的数据中扣除背景：

样品室中的物质如二氧化碳、水、残留的测试样品蒸汽等对红外光有吸收，还有即使没有任何吸收仪器本身也会产生一些背景，这些背景会干扰数据分析，因此要先测试背景然后在样品测试过程中扣除背景。

3、如何用红外光谱鉴定饱和烃、不饱和烃和芳香烃的存在？

答：饱和烃的红外光谱很简单，在1200-4000cmଵ内只有2900cmଵ附近有C−H振动吸收，若遇到这样的谱