分析化学第12章红外吸光分光光度法

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分子中含有杂原子时,其红外谱峰一般都比较强。
第十二章
红外吸收分光光度法
仪器分析
分子结构的对称性
结构对称的分子在振动过程中,若其振动方向也对 称,则振动的偶极矩始终为零,没有吸收峰出现。
第十二章
红外吸收分光光度法
仪器分析
吸收峰的绝对强度
ε>100时,称为非常强峰(vs) ε在20~100范围内,为强峰(s) ε在10~20范围内,为中强峰(m) ε在1~10范围内,为弱峰(w) ε<1时,为非常弱峰(vw)
不对称
剪式
面内摇摆
面外摇摆
卷曲
伸缩振动
面内弯曲振动
面外弯曲振动
第十二章
弯曲振动
红外吸收分光光度法
仪器分析
甲烷中C-H的弯曲振动
甲烷中C-H的伸缩振动
第十二章
红外吸收分光光度法
仪器分析
振动自由度
vibrative degree of freedom 分子基本振动的数目,即分子的独立振动数。
注意:分子平动能量改变不产生光谱,而转动能级跃迁产生 的远红外光谱超出中红外光谱的研究范围,因此应该扣除这 两种运动形式。
备注
2820、2720 中强 SP2杂化的C 3040~3010 弱中~强
特征 共轭向低频方向 移动且峰增强 共轭向低频方向 移动且峰增强
Ar—H
C≡C—H
3100~3030
~3300
弱中~强
中强
SP杂化的C
第十二章
红外吸收分光光度法
仪器分析
烃类的CH面内弯曲振动频率及强度
C-H 类型 -CH3(不对称) -CH3(对称) -CH2-(不对称) 波数(cm-1) 1470~1430 1396~1365 1470~1430 峰强度 中强 中或强 中强 中心位置1380 cm-1 (特征) 备注
甲苯、邻—氯甲苯、间—甲苯胺、对—氯甲苯的红外光谱
第十二章
红外吸收分光光度法
仪器分析
芳香化合物CH面外弯曲振动频率、强度及峰形
芳烃取代类型 单取代 单取代(5个相邻H) 邻双取代 波数(cm-1) 770~730 710~690 770~735 810~750 725~680 峰强度 很强 强 很强 很强 中或强 与单取代峰重叠, 备注 双峰
第十二章
红外吸收分光光度法
仪器分析
不同化学环境CH3的伸缩振动和面内弯曲振动频率
结构 脂肪CH3 芳香CH3 R—OCH3 R—COCH3 脂肪NHCH3 芳香NHCH3
1 as CH (cm )
1 s ( cm ) CH
1 as CH (cm )
1 s ( cm ) CH
~2960 ~2925 ~2925 ~2975 ~2808 ~2815
第十二章
红外吸收分光光度法
仪器分析
主要内容
第一节 红外吸收光谱法基本原理 一、分子振动能级和振动形式 二、红外吸收光谱产生的条件 三、 吸收峰的位置 第二节 有机化合物的典型光谱 一、烃类化合物 二、芳香烃类化合物 三、醇类、醚类化合物 四、羰基类化合物 五、胺类化合物 第三节 红外光谱仪 一、光栅红外光谱仪主要部件 二、傅立叶变换红外光谱仪原理图 三、仪器性能指标 第四节 红外吸收光谱分析 一、试样的制备 二、红外光谱解析一般步骤
K u'
u为A、B原子的折合质量
mA mB u mA mB
第十二章
红外吸收分光光度法
仪器分析
基本振动频率
①折合相对原子质量相同的基团,其化学键力常数越大, 伸缩振动基频峰的波数越高。 ②折合相对原子质量越小,基团的伸缩振动波数越高。 ③以共价键与C原子组成基团的其他原子随着原子质量 的增加,红外振动波数减小。 CH CC CO CCl CBr CI ④折合相对原子质量相同的基团,一般ν>β>γ。
第十二章
红外吸收分光光度法
仪器分析
两区域法的分区及其作用
区域 吸收峰类型
氢单键的伸缩振动峰 特征区 4000-1300cm-1 各种叁键、双键的伸缩振动峰 部分氢单键的面内弯曲振动峰 吸收峰密集、多变 ①某些特征峰及大量 且复杂,能够反映 相关峰作为确定基团 各化合物微小差 的旁证;②确定化合 异,可与标准图谱 或已知物谱图进行 物的细微结构 对比分析 ①确定化合物具有哪 吸收峰比较稀疏,容 些基团;②确定化合 易辨认 物的类别
第十二章
红外吸收分光光度法
仪器分析
化学键力常数对伸缩振动基频峰波数的影响
不同基团的基本振动频率 化学键类型
C-C
折合摩尔质量 u' 6 6
键常数K N/cm 5 10
基团振动波数 cm-1 1190 1680
C=C C≡ C
6
15
2060
σ C≡ C > σ C = C > σ C -C
第十二章
~2872 ~2860 ~2870
~1462 ~1455 ~1422 ~1425
~1380 ~1362 ~1375
脂肪N(CH3)2 芳香N(CH3)2
R—SCH3
~2818 ~2830
~2975
~2770
~2878 ~1427 ~1310
第十二章
红外吸收分光光度法
仪器分析
烃类化合物CH面外弯曲振动频率及强度
第十二章
红外吸收分光光度法
仪器分析
振动自由度
f = 3N(运动自由度)-平动自由度-转动自由度 线性分子振动自由度 f = 3N -5 非线性分子振动自由度 f = 3N -6
第十二章
红外吸收分光光度法
仪器分析
例如,水为非线型分子,振动自由度=3N-3-3=3, 说明水分子有3种基本振动形式
又如,CO2为线型分子,振动自由度=3N-3-2=4, 说明CO2有4种基本振动形式
第十二章
红外吸收分光光度法
仪器分析
基频峰和泛频峰
●基频峰:分子吸收一定频率的红外线,由振动基态(V=0)跃迁 至第一激发态(V=1)时,所产生的吸收峰。位置规律性比较强 且强度比较大,在红外光谱上较容易识别。 ●倍频峰:吸收一定频率的红外线后,分子振动能级由基态 (V=0)跃迁至第二激发态(V=2)、第三激发态(V=3)等所产生的 吸收峰,分别称为二倍频峰、三倍频峰等。总称这些吸收峰为 倍频峰。 ●差频峰:有些弱峰还由两个或多个基频峰频率的和或差产 生,ν1+ν2…峰称为合频峰,ν1-ν2…峰称为差频峰。 ●泛频峰:倍频峰、合频峰及差频峰统称为泛频峰。泛频峰多 数为弱峰,一般在图谱上不易辨认。但增加了光谱特征性。
化学键和基团的特征振动频率区,吸收峰较稀疏,易辨认, 每一个吸收峰都和一定的基团相对应,一般可用于鉴定官能团 的存在。 2.指纹区: 1300~400cm1,7.69~25µ m
吸收峰的特征性强,可用于区别不同化合物结构上的微小差
异。吸收峰强度和位置相似,相互干扰较大,再加上各种弯曲
振动的能级差小,吸收峰密集、复杂多变、不容易辨认。
第十二章
红外吸收分光光度法
仪器分析
二、红外吸收光谱产生的条件
①EL =ΔV∙hν或νL=ΔV∙ν;
②Δμ≠0
第十二章
红外吸收分光光度法
仪器分析
基本振动吸收峰的数目少于振动自由度的原因
(1)红外光谱简并 振动频率完全相同的吸收峰在红外光谱中重叠的现象。
(2)非红外活性振动 当振动过程中分子瞬间偶极矩不发生变化时,不产生红外光的吸收。
不同类型烯烃化合物特征振动频率cm-1
结构 RHC=CH2 R1R2C=CH2 R1R2C=CR3H
as CH2
s CH2
CH
C C
CH2
CH
2 CH2
~3085 ~2975 ~3075 ~2975
~3025 ~3030
~1643 ~1650 ~1680
~910 ~890
~990 ~820
~1825 ~1790
R1HC=CR2H (顺式)
R1HC=CR2H (反式) R1R2C=CR3 R4
~3025
~3020
~1650
~1670 弱或无
~690
~970
第十二章
红外吸收分光光度法
仪器分析
烷烃吸收峰有如下特点
①烷烃的振动波数小于3000
as 1 ν cm , as s s ν ν ν CH > CH 2 > CH3 > CH 2
一、分子振动能级和振动形式

缩 re 平衡位置

平衡位置
1 位能 U= K(r-re)2 2
第十二章
红外吸收分光光度法
仪器分析
双原子分子位能曲线
1 位能 U= K(r-re)2 2
总能量EV=U+T
分子振动能级能量
1 EV= (V+ )hν 2
第十二章
红外吸收分光光度法
仪器分析
红外区分子的基本振动
作用
特征
各种单键的伸缩振动峰 指纹区 1300-400cm-1 多数基团的面外弯曲振动峰
第十二章
红外吸收分光光度法
仪器分析
特征峰和相关峰

特征峰:用于鉴别化学键或基团存在的吸收峰。

相关峰:一组具有相互依存和佐证关系的吸收峰。
第十二章
红外吸收分光光度法
仪器分析
第二节 有机化合物的典型光谱
第十二章
第十二章
红外吸收分光光度法
仪器分析
红外吸收光谱法
infrared absorption spectroscopy;IR
以连续波长的红外光为光源照射样品引起分子振动能 级之间跃迁,而产生红外吸收光谱,根据化合物的红 外吸收光谱进行定性、定量及结构分析的方法。
第十二章
红外吸收分光光度法
仪器分析
红外吸收光谱法分类
第十二章
红外吸收分光光度法
仪器分析
吸收峰的强度
①振动过程中键的偶极矩变化。 ②振动能级的跃迁几率。 ③振动形式: ν
as
> ν S ,ν>β
④分子结构的对称性有关。
第十二章
红外吸收分光光度法
仪器分析
振动过程中键的偶极矩变化 基团的极性大,键的偶极矩也大,伸缩ຫໍສະໝຸດ Baidu动过程中
偶极矩的变化也大,其吸收峰的强度亦愈强。因此
红外吸收分光光度法
仪器分析
一、烃类化合物
正辛烷、1—辛烯、1—辛炔的红外光谱
第十二章
红外吸收分光光度法
仪器分析
烃类的CH伸缩振动频率及强度
C-H 类型
-CH3 -CH2 -CH -OCH3 醛基-COH C=C—H
波数(cm-1) 峰强度 SP3杂化的C
2960、2870 2930、2850 2890 2830~2815 很强 强 中强 中强
第十二章
红外吸收分光光度法
仪器分析
三、 吸收峰的位置
(1)基本振动频率
(2)基频峰和泛频峰
(3)基频峰的分布规律 (4)影响峰位的因素 (5)特征区和指纹区
第十二章
红外吸收分光光度法
仪器分析
基本振动频率
Hooke定律推导出的简谐振动频率计算公式
ν 1 2π K u
用波数表示
σ(cm-1) 1302
氢键效应
第十二章
红外吸收分光光度法
仪器分析
影响吸收峰位置的因素
空间效应
ν CO 1738cm1、 1717cm1
ν CO 1650cm1
互变异构效应
第十二章
红外吸收分光光度法
仪器分析
影响吸收峰位置的因素
环张力效应
第十二章
红外吸收分光光度法
仪器分析
特征区和指纹区
1.特征区: 4000~1300cm1,2.5~7.69µ m
3
②甲基的与亚甲基的在谱图上常常为一叠加峰。
③当化合物中存在有-CH(CH3)2、-C(CH3)3或-C(CH3)2 时,由于振动偶合峰发生分裂,出现双峰。 ④ n≥4的直链烷烃在722cm1左右出现峰,并且随着 CH2个数减少,吸收峰向高波数方向移动。
第十二章
红外吸收分光光度法
仪器分析
二、芳香烃类化合物
烯烃类型 RHC=CH2 波数(cm-1) 990、910 峰强度 强 备注 可以鉴别烯烃
R1HC=CR2H(顺式)
R1HC=CR2H(反式) R1R2C=CH2 R1R2C=CR3H
690
970 890 840~790
中或强
中或强 中或强 中或强
化合物的取代
位置和类型
第十二章
红外吸收分光光度法
仪器分析
红外吸收分光光度法
仪器分析
影响吸收峰位置的因素
O R C R'
1715cm-1
O R C O R'
1735cm-1
O R C
1780cm-1
Cl
诱导效应
O R C R'
1715cm-1
O CH3 C CH C
CH3 CH3
1690cm -1
共轭效应
第十二章
红外吸收分光光度法
仪器分析
影响吸收峰位置的因素
1、伸缩振动(stretching vibration)
①对称伸缩振动 υs
②不对称伸缩振动υas
2、弯曲振动(bending vibration)
①面内弯曲振动 β ●剪式振动δ ●面内摇摆振动ρ ②面外弯曲振动 γ ●面外摇摆振动ω
●扭曲振动τ
第十二章
红外吸收分光光度法
仪器分析
基本振动方式
对称
●近红外区 波长0.76~2.5µ m,波数13158~4000cm-1 ●中红外区
波长2.5~25µ m,波数4000 ~ 400cm-1
●和远红外区 波长25 ~1000µm,波数400~10cm-1
第十二章
红外吸收分光光度法
仪器分析
第一节
红外吸收光谱法基本原理
第十二章
红外吸收分光光度法
仪器分析
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