红外光谱

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例 1:

R-COR C=0 1715cm-1 R-COCl C=0 1800cm-1 ; ; R-COH C=0 1730cm -1 ; R-COF C=0 1920cm-1 ;
F-COF
C=0 1928cm-1
;
例 2:
b.共轭效应
例 1:
例 2:
O O H3C C CH 3 C CH 3 O C CH 3 O C
1 v 2c
1
k

1303
k

9 .6 1 1303 1650cm 12 / 2
正己烯中C=C键伸缩振动频率实测值为1652 cm-1
C-H的k=5,求C-H的伸缩振动频率? CHCI3的伸缩振动频率2915
1.2 多原子分子的简正振动及其频率
含N个原子的分子,自由度为: 线性分子有 3N-5 个 非线性分子有 3N-6 个 每个振动自由度相应于一个基本振动,这些 基本振动称为分子的简正振动。
2. 基团频率和红外光谱区域的关系

红外光谱 官能团区: 4000~1330cm-1 指纹区:1330~400cm-1 指纹区吸收光谱较复杂,但是能反映分 子结构的细微变化。 每一种化合物在该区的谱带位置、强度 和形状都不一样,相当于人的指纹,用于认 证有机化合物是很可靠的。 在指纹区也有一些特征吸收带,对于鉴 定官能团也是很有帮助的。
1. 分子振动与红外光谱
1.1 双原子分子的简谐振动及其频率
化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧
分子的振动能级(量子化): E振=(V+1/2)h
V :振动量子数。
:化学键的 振动频率;
•分子振动方程式:
任意两个相邻的能级间的能量差为:
h E h 2
k k k 1303

气态:气态分子间相互作用较弱,给出转动-振动光谱
甲烷的振动转动光谱
甲醇的红外光谱 a.气态 b.液态

液态:氢键作用

固态:结晶固体(例PE,720cm-1
720cm-1,731cm-1)

溶液状态:氢键 极性溶剂
3.2 内部因素(分子结构的影响)
1、电子效应 a.诱导效应:吸电子基团使吸收峰向高频方向移动(兰移)
—CC — > —C =C — > —C — C — 15 17 9.5 9.9 4.5 5.6 4.5m 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。
例题: 由表中查知C=C键的k=9.5 9.9 ,令其为9.6, 计算波数值
无红外吸收。(红外对称性选择定则)
(3)瞬间偶极矩变化大,吸收峰强;键两端原子电负性相
差越大(极性越大),吸收峰越强;





基频、倍频、和频、差频、组频 基频吸收:分子大都位于基态(n=0)振动,分 子吸收电磁波后,由基态跃迁到第一激发态 (n=l)这种跃迁所产生的吸收。 倍频吸收:基态到第二激发态(n=2)之间的跃 迁其对应的谱带。 和频:如果光子的能量等于两种基频跃迁能量 的和,则可能同时发生从两种基频到激发态的 跃迁,光谱中所产生的谱带频率是两个基频频 率之和。 差频:若光子能量等于两个基频跃迁能量之差, 在吸收过程中一个振动模式由基态跃迁到激发 态,同时另一个振动模式由激发态回到基态, 此时产生差频谱带。 合频或称为组频:和频和差频的统称。 吸收强度:基频〉倍频〉和频〉差频
3、影响基团频率的因素
诱导效应 共轭效应 内部因素 影响频率位移的因素
中介效应
键应力 氢键 物态变 气态 液态 极性 非极性 晶态 固态 非晶态
外部因素

氢键
化学键的振动频率不仅与其性质有关,还受分子的内部
结构和外部因素影响。各种化合物中相同基团的特征吸收并
不总在一个固定频率上。
3.1 外部因素(物态变化的影响)
中介效应(M)
酰氯(1800cm-1)、酯(1740cm-1)、酰胺(1670cm-1)的羰基频率连续下降
氢键与中介效应同时作用,会产生最大化学位移
诱导效应(I)和中介效应(M)协同作用:
在一个分子中,诱导效应(I)和中介效 应(M)往往同时存在,因此振动频率的 位移方向将取决于哪一个效应占优势。 如果诱导效应比中介效应强,则谱带向 高频位移。 反之,谱带向低频位移。
伸 缩 振 动
特 征 吸 收 带 ( 伸 缩 振 动 ) 指 纹 吸 收 带
活 泼 氢 含 不 氢 饱 化 和 学 氢 键 饱 和 氢 三 键 双 键 伸 缩 振 动 变 形 振 动
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;
峰位、峰数与峰强
(1)峰位 化学键的力常数k 越大,原子折合质量越小,
键的振动频率越大,吸收峰将出现在高波数区(短波长区);
反之,出现在低波数区(高波长区)。
(2)峰数
例 CO2分子
峰数与分子自由度有关。无瞬间偶极矩变化时,
1715 cm -1 1685 cm -1
移动
1685 cm -1
1660 cm -1
规律:共轭效应使C=O伸缩振动频率向低频方向
共轭效应:由于∏电子云的可动性,使分子中间的 C-C键具有一定程度的双键性,同时原来的C=O键 键能减弱。
c.中介效应
如果原子含有易极化的电子,以未共用电子对的 形式存在而且与多重键连接,则可出现类似于共轭的 效应。 如下式中,氮原子上未共用电子对部分地通过C一 N键向氧原子转移,结果削弱了碳氧双键,增强了碳 氮键。酰胺分子中氮原子的电负性比碳原子强,但是 酰胺的羰基频率比丙酮低。
O-H 3630 N-H 3350 P-H 2400 S-H 2570 C-H 3330 Ar-H 3060 =C-H 3020 -CH3 2960,2870 CH2 2926,2853 -CH 2890 C C 2050 C N 2240 R2C=O 1715 RHC=O 1725 C=C 1650 C-O 1100 C-N 1000 C-C 900 C-C-C <500 C-N-O 500 H-C=C-H 960(反) R-Ar-H 650-900 H-C-H 1450
2.2 三键和累积双键区域 ( 2500-2000cm-1)
该区红外谱带较少,主要包括有—
C≡C—,—C≡N—等三键的伸缩振动, —C═C═C—,—C═C═O等累积双键的 反对称伸缩振动。
2.3 双健伸缩振动区域(2000~1500cm-1)
该区主要包括C═O,C═C,C═N,N═O
第15章
振动光谱
振动光谱的分类?
FTIR(Fourier Transform Infrared Spectrum)
Raman Spectrum Wave number (cm-1) Transmittance or Absorption (%)
红外光谱的基本原理
分子中基团的基本振动形式 基团频率与红外光谱区域关系 影响基团频率的因素

1 1 2c
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。K 和μ的实质是反映了分子的性质 。
表 某些键的伸缩力常数(毫达因/埃)
键类型: 力常数: 峰位:




在烯烃的—C—H的面外摇摆振动的吸收谱带最为有 用,该谱带位于1000~800cm-1区域内。可借助这 些谱带鉴别各种取代烯烃的类型。 芳烃的C—H弯曲振动中,主要是900~650cm-1处 的面外弯曲振动,对确定苯环的取代类型很有用, 还可以用这些谱带对苯环的邻、间、对位异构体混 合物进行定量分析。 C—O伸缩振动常常是该区域最强的峰,比较容易识 别。一般醇的C-O伸缩振动在1200~1000cm-1,酚 的C—O伸缩振动在1300~1200cm-1。在醚键中有 C—O—C的反对称伸缩振动和对称伸缩振动,前者 的吸收谱带较强。 C—Cl,C一F伸缩振动都有强吸收。前者出现在 800~600cm-1,后者出现在1400~1000cm-1。
2.1 X—H伸缩振动区域(X代表C,O, N, S等原子) (4000~2500cm-1)
主要包括O—H,N—H,C—H等的伸缩振动 O—H伸缩振动在3700~3100cm-1,氢键的存 在使频率降低,谱峰变宽,积分强度增加,它 是判断有无醇、酚和有机酸的重要依据。当无 氢键存在时,O—H或N—H成一尖锐的单峰出 现在频率较高的部分。 N—H伸缩振动在3500~3300cm-1区域,和 O—H谱带重叠。但峰形略比O—H尖锐。伯、 仲酰胺和伯、仲胺类在该区都有吸收谱带。

举例:
d、键应力的影响
C=C伸缩振动的频率在正常情况下1650cm-1左右,在环状结构的烯烃 中,当环变小时,谱带向低频位移,这是由于键角改变使双键性减弱 的原因。 另一方面,双键上CH基团键能增加,其伸缩振动频率向高频移动。 环状结构也能使C=O伸缩振动的频率发生变化。羰基在七元环和六 元环上,其振动频率和直链分子的差不多。当羰基处在五元环或四元 环上时,其振动频率随环的原子个数减少而增加。这种现象可以在环 状酮,内酯以及内酰胺等化合物中看到。

简正振动的特点是,分子质心在振动过程 中保持不变,所有的原子都在同一瞬间通 过各自的平衡位置。每个正则振动代表一 种振动方式,有它自己的特征振动频率。
1.3 分子中基团的基本振动形式
两类基本振动形式
伸缩振动 亚甲基:
变形振动 亚甲基
例1
水分子
例2 CO2分子
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 透过强度, 横坐标为波长λ ( μm ) 和波数1/λ 单位:cm-1 可以用峰数,峰位, 峰强来描述。
2. 基团频率和红外光谱区域的关系
红外光谱的基团分布图与基团分布表
1. 2.
“高分子科学实验方法--物理原理与应用”,J.F.拉贝克著, 科学出版社,1987。 馆藏号:O631.6/L15 红外光谱在药物研究中的应用
基团吸收带数据
变 形 振 动
基团频率分布简表
-COOH氢键谱带 不同化合物中 羰基谱带的变化

2.4 部分单键振动及指纹区域 (1500~400cm-1 )

该区域的光谱比较复杂,一般较难找到它 们的归属。对鉴定有用的特征谱带主要有 C—H,O—H的变形振动以及C—O,C—N, C—X等的伸缩振动及芳环的C—H弯曲振动
•饱和的C—H弯曲振动包括甲基和亚甲基两种。 其中以对称弯曲振动较为特征,吸收谱带在 1380~1370cm-1,可以作为判断有无甲基存在的 依据。 •亚甲基在1470~1460cm-1区域有变形振动的 谱带。亚甲基的面内摇摆振动谱带在结构分析 中很有用,当四个或四个以上的CH2呈直接相 连时,谱带位于720cm-1。随着CH2个数的减 少,吸收谱带向高波数方向位移,由此可推断 分子链的长短。
C═C伸缩振动出现在1660~1600cm-1, 一般情况下强度较弱,当各邻接基因差别 比较大时,吸收带就很强。单核芳烃的 C═C伸缩振动出现在1500~1480cm-1和 1610~1590cm-1两个区域。这两个峰是鉴 别有无芳核存在的重要标志之一,一般前 者较强,后者较弱。 苯的衍生物在2000~1667cm-1区域出现面 外弯曲振动的倍频和组频谱带,它们的强 度较弱,但该区吸收峰的数目和形状与芳 核的取代类型有直接关系,在判别苯环取 代类型上非常有用。
2、氢键效应
氢键(分子内氢键;分子间氢键):对峰位,峰强产 生极明显影响,使伸缩振动频率向低波数方向移动,谱 带变宽;弯曲振动向高频移动,谱带变窄。
O R
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C=O 伸缩 N-H
等的伸缩振动以及苯环的骨架振动,芳 香族化合物的倍频或组频谱带。 C═O的伸缩振动在1900~1600cm-1区 域。所有的羰基化合物,例如醛、酮、 羧酸、酯、酰卤、酸酐等在该区均有非 常强的吸收带,而且往往是谱图中的第 一强峰,非常特征,因此C═O伸缩振动 吸收谱带是判断有无羰基化合物的主要 依据。
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