红外光谱相关知识

3000 cm-1 以上
2． 叁键（C C）伸缩振动区
（2500
RC CR’
1900 cm-1 ）
2140 cm-1 ）
2260 cm-1 ） （2190
在该区域出现的峰较少； （1）RC CH （2100 R=R’ 时，无红外活性 （2）RC N （2100 非共轭
2140 cm-1 ）
2240 2260 cm-1
共轭 2220 2230 cm-1 仅含C、H、N时：峰较强、尖锐； 有O原子存在时；O越靠近C N，峰越弱；
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3． 双键伸缩振动区（ 1900 1200 cm1 （1 ） RC=CR’ ）
1620 1680 cm-1 强度弱， R=R’（对称）时，无红外活性。
红外光谱的三要素
分子内各种官能团的特征吸收峰只出现在红外光波谱的一
定范围，如：C=O的伸缩振动一般在1700 cm-1左右。
以下列化合物为例加以说明：
υC=O 1715 cm-1
υC=O 1780 cm-1
υC=O 1650 cm-1
2. 峰强
红外吸收峰的强度取决于分子振动时偶极矩的变化，振动 时分子偶极矩的变化越小，谱带强度也就越弱。 一般说来，极性较强的基团(如C=O,C-X)振动，吸收强度较 大；极性较弱的基团(如C=C,N-C等)振动，吸收强度较弱；红外 吸收强度分别用很强(vs)、强(s)、中(m)、弱(w)表示.
例： 2800 3000 cm-1 —CH3 特征峰； 1600 1850 cm-1 —C=O 特征峰；
基团所处化学环境不同，特征峰出现位置变化：
—CH2—CO—CH2— 1715 cm-1 酮
—CH2—CO—O—
—CH2—CO—NH—
1735 cm-1
1680 cm-1
酯
酰胺
红外光谱的最大特点是具有特征性，谱图 上的每个吸收峰代表了分子中某个基团的 特定振动形式。 定性分析 定量分析
水分子
水分子是非线型分子，振动自由度：3×3-6=3个振动形式，分
别为不对称伸缩振动、对称伸缩振动和变形振动。这三种振动皆 有偶极矩的变化是红外活性的。 如图所示:
CO2分子
＋ － －
1=1340 cm-1 (RM)
2=2368 cm-1 (IR)
3=4=668 cm-1 (IR)
分子振动的形式与谱带
基线的画法
红外光谱与有机化合物结构—谱图解析
红外光谱图： 纵坐标为吸收强度， 和波数1/λ 单位：cm-1 可以用峰数，峰位，峰形， 峰强来描述。
应用：有机化合物的结构解析。 定性：基团的特征吸收频率； 定量：特征峰的强度；
C2H4O
O
-1 1 7 3 0 cm
-1 1 1 6 5 cm
H H H
红外光区分成三个区:近红外区、中红外区、远红外区。 其中中红外区是研究和应用最多的区域，一般说的红外光谱 就是指中红外区的红外光谱.
■红外光区的划分如下表： 区域名称 波长(µ m) 0.75-2.5 2.5-25 25-300 波数(cm-1) 131584000 4000-400 400-10 能级跃迁类型
例: 由表中查知C=C键的k=9.5 9.9 ,令其为9.6, 计算 波数值
1 v 2c
1
k

1307
k

9.6 1307 1650cm 1 12 / 2
正己烯中C=C键伸缩振动频率实测值为1652 cm-1
多原子分子的振动
对于多原子分子，由于一个原子可能同时与几个其它原子形成化学 键，它们的振动相互牵连,不易直观地加以解释，但可以把它的振动分解 为许多简单的基本振动，即简正振动。
3. 峰形
不同基团的某一种振动形式可能会在同一频率范围内 都有红外吸收，如-OH、-NH的伸缩振动峰都在 34003200 cm-1但二者峰形状有显著不同。此时峰形的不 同有助于官能团的鉴别。
红外光谱的吸收强度和表示方法
1．透光度
I T % 100% I0
式中 I0—入射光强度； I —入射光被样品吸收后透过的光强度。 2．吸光度
某些键的伸缩力常数（毫达因/埃）
键类型: 力常数: 峰位:
—CC — > —C =C — > —C — C — 15 17 9.5 9.9 4.5 5.6 4.5 m 6.0 m 7.0 m
化学键键强越强（即键的力常数K越大）原子折合质量 越小，化学键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区。
（2）单核芳烃 的C=C键伸缩振动（1626 1650 cm-1 ）
苯衍生物的C=C
苯衍生物在 1650 2000 cm-1 出现 C-H和C=C键的面内变形振动的 泛频吸收（强度弱），可用来判断取代基位置。 2000 1600
已知物的鉴定 谱图库搜索、比对算法
未知物的鉴定 谱图解析
首先应了解样品的来源、用途、制备方法、分离方法、理化性质、元 素组成及其它光谱分析数据如UV、NMR、MS等有助于对样品结构 信息的归属和辨认
。
Lambert-Beer定律 定量时吸光度的测定常 用基线法。如图所示,图 中I与I0之比就是透射比。
红外光谱产生的原因
电子能级
振动能级 转动能级
分子能级示意图
红外光谱与有机化合物结构
红外光谱图： 纵坐标为吸收强度， 或者是透过率 横坐标为波长λ （ μm ） 和波数1/λ 单位：cm-1 可以用峰数，峰位， 峰形，峰强来描述。
应用：有机化合物的结构解析。 定性：基团的特征吸收频率； 定量：特征峰的强度；
偶极子在交变电场中的作用示意图
当一定频率（一定能量）的红外光照射分子时，如果分子 中某个基团的振动频率和外界红外辐射的频率一致，就满 足了第一个条件。为满足第二个条件，分子必须有偶极矩 的改变。已知任何分子就其整个分子而言，是呈电中性的， 但由于构成分子的各原子因价电子得失的难易，而表现出 不同的电负性，分子也因此而显示不同的极性。 通常用分子的偶极矩μ 来描述分子极性的大小: μ = q · d 上述物质吸收辐射的第二个条件，实质上是外界辐射迁移 它的能量到分子中去。而这种能量的转移是通过偶极距的 变化来实现的。 只有发生偶极距变化的振动才能引起可观测的红外吸收谱 带，我们称这种振动活性为红外活性的，反之为非红外活 性的。 当一定频率的红外光照射分子时，如果分子中某个基团的 振动频率和它一样，二者就会产生共振，此时光的能量通 过分子偶极距的变化而传递给分子，这个基团就吸收一定 频率的红外光，产生振动跃迁；反之，红外光就不会被吸 收。
甲基的振动形式
伸缩振动 甲基
对称 υ s(CH3) 2870 ㎝-1 不对称 υ as(CH3) 2960㎝-1
变形振动 甲基
对称δ s(CH3)1380㎝-1 不对称δ
as(CH3)1460㎝ -1
产生红外吸收的分子称为红外活性分子，如CO2分子； 反之为非红外活性分子,如O2分子。
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1. 峰位
—CH3 —CH2— —C—H
2960 cm-1 2870 cm-1 2930 cm-1 2850 2890 cm-1 cm-1
反对称伸缩振动 对称伸缩振动 对称伸缩振动 弱吸收
反对称伸缩振动
3000 cm-1 以 下
（3）不饱和碳原子上的=C—H（ C—H ）
苯环上的C—H =C—H C—H 3030 cm-1 3010 2260 cm-1 3300 cm-1
近红外 区
中红外 区 远红外 区
1
泛频区 基本振动 区 分子转动 区
OH、NH、CH 键的倍频吸收 分子振动/伴随转 动
分子转动
104 (cm ) ( m)
7
红外光谱产生的条件
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。
伸缩振动 亚甲基：
变形振动 亚甲基
分子振动的形式与谱带
红外吸收光谱分析
分子的振动形式可分成两类： 1、伸缩振动（stretching vibration） （1）对称伸缩振动（symmetrical stretching vibration， ns）； （2）反对称伸缩振动（asymmetrical stretching vibration，nas）； 2、变形或弯曲振动 （deformation vibration）； （1）面内变形振动 （in plane bending vibration，d ）； 剪式振动（scissoring vibration，d ）； 面内摇摆振动（rocking vibration，r ）； （2）面外变形振动（out-of-plane bending vibration，g ）； 面外摇摆振动（wagging vibration，w ）； 扭曲变形掘动（twisting vibration，t ）。
一般将振动形式分成两类：伸缩振动和变形振动。 a. 伸缩振动(νs νas ）
原子沿键轴方向伸缩，键长发生变化而键角不变的振动称为 伸缩振动。它又分为对称伸缩振动(νs )和不对称伸缩振动(νas )
b. 变形振动（又称弯曲振动或变角振动，用符号δ表示）
基团键角发生周期变化而键长不变的振动称为变形振动。变 形振动又分为面内变形振动和面外变形振动。
10:47:31
常见的有机化合物基团频率出现的范围：4000 670 cm-1 依据基团的振动形式，分为四个区： (1)4000 2500 cm-1 X—H伸缩振动区（X=O，N，C，S） (2)2500 1900 cm-1 三键，累积双键伸缩振动区
(3)1900 1200 cm-1 双键伸缩振动区 (4)1200 670 cm-1 X—Y伸缩， X—H变形振动区
I0 1 A lg lg T I
横坐标：表示波长或波数, 波数是波长的倒数，即
n（cm-1）=104/l(mm)
红外光谱的特征性，基团频率 红外光谱的最大特点是具有特征性。 基团特征频率（特征峰）：与一定的结构 单元相联系的振动频率称为基团频率。 只要掌握了各种基团的振动频率（基团频 率）及其位移规律，就可应用红外光谱来 检定化合物中存在的基团及其在分子中的 相对位置。
分子振动方式
双原子分子的振动
用经典力学方法把双原子分子的振动形式用两个刚性小球的 弹簧振动来模拟，如下图所示:
双原子分子振动示意图 影响基本振动频率的直接因素是相对原子质量和化学键的 力常数。
分子的振动能级（量子化）： E振=（V+1/2）h V ：化学键的 振动频率； ：振动量子数。
分子振动方程式
C
H
-1 2 7 2 0 cm
C
（CH3）1460 cm-1，1375 cm-1。 （CH3）2930 cm-1，2850cm-1。
与一定结构单元相联系的、在一定范围内出现的化学键振动频率——基团 特征频率（特征峰）； 例： 2800 3000 cm-1 —CH3 特征峰； 1600 1850 cm-1 — C=O 特征峰； 基团所处化学环境不同，特征峰出现位置变化： —CH2—CO—CH2— —CH2—CO—O— —CH2—CO—NH— 1715 cm-1 1735 cm-1 1680 cm-1 酮 酯 酰胺
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1． X—H伸缩振动区（4000 cm-1 ）
（1）—O—H 3650 3200 cm-1 确定
2500
醇、酚、酸
在非极性溶剂中，浓度较小（稀溶液）时，峰形尖锐，强吸收；当浓度较大 时，发生缔合作用，峰形较宽。 注意区分
—NH伸缩振动：
3500 3100 cm-1
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当样品受到频率连续变化的红外光照射时， 分子吸收某些频率的辐射，并由其振动运 动或转动运动引起偶极矩的净变化，产生 的分子振动和转动能级从基态到激发态的 跃迁，从而形成的分子吸收光谱称为红外 光谱。又称为分子振动转动光谱。
概述
分子中基团的振动和转动能级跃迁产生：振-转光谱 辐射→分子振动能级跃迁→红外光谱→官能团→分子结构
任意两个相邻的能级间的能量差为：
h E h 2 1 2c 1 k
k

1307 k

K化学键的力常数，与键能和键长有关， 为双原子的折合质量 =m1m2/（m1+m2） 发生振动能级跃迁需要能量的大小取决于键两端原子的 折合质量和键的力常数，即取决于分子的结构特征。