红外吸收光谱法教案.docx

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红外吸收光谱法教案

第六章红外吸收光谱法

基本要点：

1.红外光谱分析基本原理；

2.红外光谱与有机化合物结构；

3.各类化合物的特征基团频率；

4.红外光谱的应用;

5.红外光谱仪.

学时安排：

3学时

第一节概述

分子的振动能量比转动能量大，当发生振动能级跃迁时，不可避免地伴随有转动能级的跃迁，所以无法测量纯粹的振动光谱，而只能得到分子的振动-转动光谱，这种光谱称为红外吸收光谱。

红外吸收光谱也是一种分子吸收光谱。

当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收了某些频率的辐射，并由其振动或转动运动引起偶极矩的净变化，产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁,使相应于这些吸收区域的透射光强度减弱。

记录红外光的百分透射比与波数或波长关系曲线，就得到红外光谱。

一、红外光区的划分

红外光谱在可见光区和微波光区之间，波长范围约为0.75~1000µm，根据仪器技术和应用不同，习惯上又将红外光区分为三个区：

近红外光区（0.75~2.5µm），中红外光区（2.5~25µm），远红外光区（25~1000µm）。

近红外光区（0.75~2.5µm）

近红外光区的吸收带主要是由低能电子跃迁、含氢原子团（如O—H、N—H、C—H）伸缩振动的倍频吸收等产生的。

该区的光谱可用来研究稀土和其它过渡金属离子的化合物，并适用于水、醇、某些高分子化合物以及含氢原子团化合物的定量分析。

中红外光区（2.5~25µm）

绝大多数有机化合物和无机离子的基频吸收带出现在该光区。

由于基频振动是红外光谱中吸收最强的振动，所以该区最适于进行红外光谱的定性和定量分析。

同时，由于中红外光谱仪最为成熟、简单，而且目前已积累了该区大量的数据资料，因此它是应用极为广泛的光谱区。

通常，中红外光谱法又简称为红外光谱法。

远红外光区（25~1000µm）该区的吸收带主要是由气体分子中的纯转动跃迁、

振动-转动跃迁、液体和固体中重原子的伸缩振动、某些变角振动、骨架振动以及晶体中的晶格振动所引起的。

由于低频骨架振动能很灵敏地反映出结构变化，所以对异构体的研究特别方便。

此外，还能用于金属有机化合物（包括络合物）、氢键、吸附现象的研究。

但由于该光区能量弱，除非其它波长区间内没有合适的分析谱带，一般不在此范围内进行分析。

红外吸收光谱一般用T~λ曲线或T~波数曲线表示。

纵坐标为百分透射比T%，因而吸收峰向下，向上则为谷；横坐标是波长λ（单位为µm），或波数（单位为cm-1）。

波长λ与波数之间的关系为：

波数/cm-1=104/（λ/µm）

中红外区的波数范围是4000~400cm-1。

二、红外光谱法的特点

紫外、可见吸收光谱常用于研究不饱和有机物，特别是具有共轭体系的有机化合物，而红外光谱法主要研究在振动中伴随有偶极矩变化的化合物（没有偶极矩变化的振动在拉曼光谱中出现）。

因此，除了单原子和同核分子如Ne、He、O2、H2等之外，几乎所有的有机化合物在红外光谱区均有吸收。

除光学异构体，某些高分子量的高聚物以及在分子量上只有微小差异的化合物外，凡是具有结构不同的两个化合物，一定不会有相同的红外光谱。

通常红外吸收带的波长位置与吸收谱带的强度，反映了分子结构上的特点，可以用来鉴定未知物的结构组成或确定其化学基团；而吸收谱带的吸收强度与分子组成或化学基团的含量有关，可用以进行定量分析和纯度鉴定。

由于红外光谱分析特征性强，气体、液体、固体样品都可测定，并具有用量少，分析速度快，不破坏样品的特点。

因此，红外光谱法不仅与其它许多分析方法一样，能进行定性和定量分析，而且该法是鉴定化合物和测定分子结构的最有用方法之一。

一、产生红外吸收的条件

1.辐射光子具有的能量与发生振动跃迁所需的跃迁能量相等

红外吸收光谱是分子振动能级跃迁产生的。

因为分子振动能级差为0.05~1.0eV，比转动能级差（0.0001~0.05eV）大，因此分子发生振动能级跃迁时，不可避免地伴随转动能级的跃迁，因而无法测得纯振动光谱，但为了讨论方便，以双原子分子振动光谱为例说明红外光谱产生的条件。

若把双原子分子（A-B）的两个原子看作两个小球，把连结它们的化学键看成质量可以忽略不计的弹簧，则两个原子间的伸缩振动，可近似地看成沿键轴方向的间谐振动。

由量子力学可以证明，该分子的振动总能量（Eν）为：

Eν=（ν+1/2）hν（ν=0，1，2，⋯）

式中ν为振动量子数（ν=0，1，2，……）；Eν是与振动量子数ν相应的体系能量；ν为分子振动的频率。

在室温时，分子处于基态（ν=0），Eν=1/2∙hν，此时，伸缩振动的频率很小。

当有红外辐射照射到分子时，若红外辐射的光子（νL）所具有的能量（EL）恰好等于分子振动能级的能量差（△E振）时，则分子将吸收红外辐射而跃迁至激发态，导致振幅增大。

分子振动能级的能量差为

△E振=△ν∙hν

又光子能量为

EL=hνL

于是可得产生红外吸收光谱的第一条件为：

EL=△E振

即νL=△ν∙ν

表明，只有当红外辐射频率等于振动量子数的差值与分子振动频率的乘积时，分子才能吸收红外辐射，产生红外吸收光谱。

分子吸收红外辐射后，由基态振动能级（ν=0）跃迁至第一振动激发态（ν=1）时，所产生的吸收峰称为基频峰。

因为△ν=1时，νL=ν，所以基频峰的位置（νL）等于分子的振动频率。

在红外吸收光谱上除基频峰外，还有振动能级由基态（ν=0）跃迁至第二激发态（ν=2）、第三激发态（ν=3）⋯，所产生的吸收峰称为倍频峰。

由ν=0跃迁至ν=2时，△ν=2，则νL=2ν，即吸收的红外线谱线（νL）是分子振动频率的二倍，产生的吸收峰称为二倍频峰。

由ν=0跃迁至ν=3时，△ν=3，则νL=3ν，即吸收的红外线谱线（νL）是分子振动频率的三倍，产生的吸收峰称为三倍频峰。

其它类推。

在倍频峰中，二倍频峰还比较强。

三倍频峰以上，因跃迁几率很小，一般都很弱，常常不能测到。

由于分子非谐振性质，各倍频峰并非正好是基频峰的整数倍，而是略小一些。

以HCl为例：

基频峰（ν0→1）2885.9cm-1最强

二倍频峰（ν0→2）5668.0cm-1较弱

三倍频峰（ν0→3）8346.9cm-1很弱

四倍频峰（ν0→4）10923.1cm-1极弱

五倍频峰（ν0→5）13396.5cm-1极弱

除此之外，还有合频峰（ν1+ν2，2ν1+ν2，⋯），差频峰（ν1-ν2，2ν1-ν2，⋯）等，这些峰多数很弱，一般不容易辨认。

倍频峰、合频峰和差频峰统称为泛频峰。

（2）辐射与物质之间有耦合作用

为满足这个条件，分子振动必须伴随偶极矩的变化。

红外跃迁是偶极矩诱导的，即能量转移的机制是通过振动过程所导致的偶极矩的变化和交变的电磁场（红外线）相互作用发生的。

分子由于构成它的各原子的电负性的不同，也显示不同的极性，称为偶极子。

通常用分子的偶极矩（μ）来描述分子极性的大小。

当偶极子处在电磁辐射的电场中时，该电场作周期性反转，偶极子将经受交替的作用力而使偶极矩增加或减少。

由于偶极子具有一定的原有振动频率，显然，只有当辐射频率与偶极子频率相匹时，分子才与辐射相互作用（振动耦合）而增加它的振动能，使振幅增大，即分子由原来的基态振动跃迁到较高振动能级。

因此，并非所有的振动都会产生红外吸收，只有发生偶极矩变化（△μ≠0）的振动才能引起可观测的红外吸收光谱，该分子称之为红外活性的；△μ=0的分子振动不能产生红外振动吸收，称为非红外活性的。

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致，二者就会产生共振，此时光的能量通过分子偶极矩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。

如果用连续改变频率的红外光照射某样品，由于试样对不同频率的红外光吸收程度不同，使通过试样后的红外光在一些波数范围减弱，在另一些波数范围内仍然较强，用仪器记录该试样的红外吸收光谱，进行样品的定性和定量分析。

二、双原子分子的振动

分子中的原子以平衡点为中心，以非常小的振幅（与原子核之间的距离相比）作周期性的振动，可近似的看作简谐振动。

这种分子振动的模型，以经典力学的方法可把两个质量为M1和M2的原子看成钢体小球，连接两原子的化学键设想成无质量的弹簧，弹簧的长度r就是分子化学键的长度。

由经典力学可导出该体系的基本振动频率计算公式

ν=（1/2π）∙（k/μ）

或波数=（1/2πc）∙（k/μ）

式中k为化学键的力常数，其定义为将两原子由平衡位置伸长单位长度时的恢复力（单位为N∙cm-1）。

单键、双键和三键的力常数分别近似为5、10和15N∙cm-1；c为光速（2.998⨯1010cm∙s-1），μ为折合质量，单位为g，且μ=m1∙m2/（m1+m2）

根据小球的质量和相对原子质量之间的关系

波数=1302（k/Ar'）1/2

Ar'为折合相对原子质量

影响基本振动频率的直接原因是相对原子质量和化学键的力常数。

化学键的力常数k越大，折合相对原子质量Ar'越小，则化学键的振动频率越高，吸收峰将出现在高波数区；反之，则出现在低数区，例如≡C-C≡、=C=C=、-C≡C-三种碳碳键的质量相同，键力常数的顺序是三键>双键>单键。

因此在红外光谱中，-C≡C-的吸收峰出现在2222cm-1，而=C=C=约在1667cm-1，≡C-C≡在1429cm-1

对于相同化学键的基团，波数与相对原子相对质量平方根成反比。

例如C-C、C-O、C-N键的力常数相近，但相对折合质量不同，其大小顺序为C-C

需要指出，上述用经典方法来处理分子的振动是宏观处理方法，或是近似处理的方法。

但一个真实分子的振动能量变化是量子化；另外，分子中基团与基团之间，基团中的化学键之间都相互有影响，除了化学键两端的原子质量、化学键的力常数影响基本振动频率外，还与内部因素（借光因素）和外部因素（化学环境）有关。

三、多原子分子的振动

多原子分子由于原子数目增多，组成分子的键或基团和空间结构不同，其振动光谱比双原子分子要复杂。

但是可以把它们的振动分解成许多简单的基本振动，即简正振动。

1.简正振动

简正振动的振动状态是分子质心保持不变，整体不转动，每个原子都在其平衡位置附近做简谐振动，其振动频率和相位都相同，即每个原子都在同一瞬间通过其平衡位置，而且同时达到其最大位移值。

分子中任何一个复杂振动都可以看成这些简正振动的线性组合。

2.简正振动的基本形式

一般将振动形式分成两类：

伸缩振动和变形振动。

（1）伸缩振动

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，用符号ν表示。

它又可以分为对称伸缩振动（νs）和不对称伸缩振动（νas）。

对同一基团，不对称伸缩振动的频率要稍高于对称伸缩振动。

（2）变形振动（又称弯曲振动或变角振动）

基团键角发生周期变化而键长不变的振动称为变形振动，用符号δ表示。

变形振动又分为面内变形和面外变形振动。

面内变形振动又分为剪式（以δ表示）和平面摇摆振动（以ρ表示）。

面外变形振动又分为非平面摇摆（以ω表示）和扭曲振动（以τ表示）。

由于变形振动的力常数比伸缩振动的小，因此，同一基团的变形振动都在其伸缩振动的低频端出现。

3.基本振动的理论数

简正振动的数目称为振动自由度，每个振动自由度相当于红外光谱图上一个基频吸收带。

设分子由n个原子组成，每个原子在空间都有3个自由度，原子在空间的位置可以用直角坐标中的3个坐标x、y、z表示，因此，n个原子组成的分子总共应有3n个自由度，即3n种运动状态。

但在这3n种运动状态中，包括3个整个分子的质心沿x、y、z方向平移运动和3个整个分子绕x、y、z轴的转动运动。

这6种运动都不是分子振动，因此，振动形式应有（3n-6）种。

但对于直线型分子，若贯穿所有原子的轴是在x方向，则整个分子只能绕y、z轴转动，因此，直线性分子的振动形式为（3n-5）种。

每种简正振动都有其特定的振动频率，似乎都应有相应的红外

吸收带。

实际上，绝大多数化合物在红外光谱图上出现的峰数远小

于理论上计算的振动数，这是由如

下原因引起的：

（1）没有偶极矩变化的振动，不产生红外吸收；

（2）相同频率的振动吸收重叠，即简并；

（3）仪器不能区别那些频率十分接近的振动，或吸收带很弱，仪

器检测不出；

（4）有些吸收带落在仪器检测范围之外。

例如，线型分子二氧化碳在理论上计算其基本振动数为4，共

有4个振动形式，

在红外图谱上有4个吸收峰。

但在实际红外图谱中，只出现667

cm-1和2349cm-1两个基频吸收峰。

这是因为对称伸缩振动偶极矩变

化为零，不产生吸收，而面内变形和面外变形振动的吸收频率完全

一样，发生简并。

四、吸收谱带的强度

红外吸收谱带的强度取决于分子振动时偶极矩的变化，而偶

极矩与分子结构的对称性有关。

振动的对称性越高，振动中分子偶

极矩变化越小，谱带强度也就越弱。

一般地，极性较强的基团（如

C=0，C-X等）振动，吸收强度较大；极性较弱的基团（如C=C、C-C、N=N等）振动，吸收较弱。

红外光谱的吸收强度一般定性

地用很强（vs）、强（s）、中（m）、弱（w）和很弱（vw）等表

示。

按摩尔吸光系数ε的大小划分吸收峰的强弱等级，具体如下：

ε>100非常强峰（vs）

20<ε<100强峰（s）

10<ε<20中强峰（m）

1<ε<10弱峰（w）

第三节基团频率和特征吸收峰

物质的红外光谱是其分子结构的反映，谱图中的吸收峰与分子

中各基团的振动形式相对应。

多原子分子的红外光谱与其结构的关

系，一般是通过实验手段得到。

这就是通过比较大量已知化合物的

红外光谱，从中总结出各种基团的吸收规律。

实验表明，组成分子

的各种基团，如O-H、N-H、C-H、C=C、C=OH和C≡C等，都有自己

的特定的红外吸收区域，分子的其它部分对其吸收位置影响较小。

通常把这种能代表及存在、并有较高强度的吸收谱带称为基团频率，

其所在的位置一般又称为特征吸收峰。

一、基团频率区和指纹区

（一）基团频率区

中红外光谱区可分成4000cm-1~1300cm-1和1800cm-1（1300cm-1）~600cm-1

两个区域。

最有分析价值的基团频率在4000cm-1~1300cm-1之

间，这一区域称为基团频率区、官能团区或特征区。

区内的峰是由

伸缩振动产生的吸收带，比较稀疏，容易辨认，常用于鉴定官能团。

在1800cm-1（1300cm-1）~600cm-1区域内，除单键的伸缩振动外，还有因变形振动产生的谱带。

这种振动与整个分子的结构有关。

当分子结构稍有不同时，该区的吸收就有细微的差异，并显示出分子特征。

这种情况就像人的指纹一样，因此称为指纹区。

指纹区对于指认结构类似的化合物很有帮助，而且可以作为化合物存在某种基团的旁证。

基团频率区可分为三个区域：

（1）4000~2500cm-1X-H伸缩振动区，X可以是O、H、C或S等原子。

O-H基的伸缩振动出现在3650~3200cm-1范围内，它可以作

为判断有无醇类、酚类和有机酸类的重要依据。

当醇和酚溶于非极

性溶剂（如CCl4），浓度于0.01mol.dm-3时，在3650~3580cm-1

处出现游离O-H基的伸缩振动吸收，峰形尖锐，且没有其它吸收峰干扰，易于识别。

当试样浓度增加时，羟基化合物产生缔合现象，O-H基的伸缩

振动吸收峰向低波数方向位移，在3400~3200cm-1出现一个宽而

强的吸收峰。

胺和酰胺的N-H伸缩振动也出现在3500~3100cm-1

因此，可能会对O-H伸缩振动有干扰C-H的伸缩振动可分为饱和

和不饱和的两种。

饱和的C-H伸缩振动出现在3000cm-1以下，约

3000~2800cm-1，取代基对它们影响很小。

如-CH3基的伸缩吸收

出现在2960cm-1和2876cm-1附近；-CH2基的吸收在2930cm-1和

2850cm-1附近；≡CH（不是炔烃）基的吸收基出现在2890cm-1附

近，但强度很弱。

不饱和的C-H伸缩振动出现在3000cm-1以上，以

此来判别化合物中是否含有不饱和的C-H键。

苯环的C-H键伸缩振

动出现在3030cm-1附近，它的特征是强度比饱和的C-H浆稍弱，但

谱带比较尖锐。

不饱和的双键=C-H的吸收出现在3010~3040cm-1范围内，末端=CH2的吸收出

现在3085cm-1附近。

叁键≡CH上的C-H伸缩振动出现在更高的区域（3300cm-1）附近。

（2）2500~1900为叁键和累积双键区。

主要包括-C≡C、-C≡N等等叁键的伸缩振动，以及-C=C=C、

-C=C=O等累积双键的不对称性伸缩振动。

对于炔烃类化合物，可

以分成R-C≡CH和R'-C≡C-R两种类型，R-C≡CH的伸缩振动出现在

2100~2140cm-1附近，R'-C≡C-R出现在2190~2260cm-1附近。

如

果是R-C≡C-R，因为分子是对称，则为非红外活性。

-C≡N基的缩

振动在非共轭的情况下出现在2240~2260cm-1附近。

当与不饱和键

或芳香核共轭时，该峰位移到2220~2230cm-1附近。

若分子中含有C、

H、N原子，-C≡N基吸收比较强而尖锐。

若分子中含有O原子，且

O原子离-C≡N基越近，-C≡N基的吸收越弱，甚至观察不到。

（3）1900~1200cm-1为双键伸缩振动区

该区域重要包括三种伸缩振动：

①C=O伸缩振动出现在1900~1650cm-1，是红外光谱中

很特征的且往往是最强的吸收，以此很容易判断酮类、

醛类、酸类、酯类以及酸酐等有机化合物。

酸酐的羰基吸收

带由于振动耦合而呈现双峰。

②C=C伸缩振动。

烯烃的C=C伸缩振动出现在1680~1620cm-1，

一般很弱。

单核芳烃的C=C伸缩振动出现在1600cm-1和1500cm-附

近，有两个峰，这是芳环的骨架结构，用于确认有无芳核的存在。

3苯的衍生物的泛频谱带，出现在2000~1650cm-1范围，是C-H面

外和C=C面内变形振动的泛频吸收，虽然强度很弱，但它们的吸收面貌在表征芳核取代类型上是有用的。

（二）指纹区

1.1800（1300）~900cm-1区域是C-O、C-N、C-F、C-P、C-S、P-O、Si-O等单键的伸缩振动和C=S、S=O、P=O等双键的伸缩振动吸收。

其中≈1375cm-1的谱带为甲基的δC-H对称弯曲振动，对识别甲基十分有用，C-O的伸缩振动在1300~1000cm-1，是该区域最强的峰，也较易识别。

（2）900~650cm-1区域的某些吸收峰可用来确认化合物的顺反构型。

例如，烯烃的=C-H面外变形振动出现的位置，很大程度上决定

于双键的取代情况。

对于RCH=CH2结构，在990cm-1和910cm-1出

现两个强峰；为RC=CRH结构是，其顺、反构型分别在690cm-1和

970cm-1出现吸收峰，可以共同配合确定苯环的取代类型。

二、常见官能团的特征吸收频率（教材）

基团频率主要是由基团中原子的质量和原子间的化学键力常数决定。

然而，分子内部结构和外部环境的改变对它都有影响，因而同样的基团在不同的分子和不同的外界环境中，基团频率可能会有一个较大的范围。

因此了解影响基团频率的因素，对解析红外光谱和推断分子结构都十分有用。

影响基团频率位移的因素大致可分为内部因素和外部因素。

内部因素：

1.电子效应

包括诱导效应、共轭效应和中介效应，它们都是由于化学键

的电子分布不均匀引起的。

（1）诱导效应（I效应）

由于取代基具有不同的电负性，通过静电诱导作用，引起分

子中电子分布的变化。

从而改变了键力常数，使基团的特征频率发

生了位移。

例如，一般电负性大的基团或原子吸电子能力强，与烷基酮

羰基上的碳原子数相连时，由于诱导效应就会发生电子云由氧原子

转向双键的中间，增加了C=O键的力常数，使C=O的振动频率升高，

吸收峰向高波数移动。

随着取代原子电负性的增大或取代数目的增

加，诱导效应越强，吸收峰向高波数移动的程度越显著。

（2）中介效应（M效应）

当含有孤对电子的原子（O、S、N等）与具有多重键的原子

相连时，也可起类似的共轭作用，称为中介效应。

由于含有孤对电

子的原子的共轭作用，使C=O上的电子云更移向氧原子，C=O双键

的电子云密度平均化，造成C=O键的力常数下降，使吸收频率向低

波数位移。

对同一基团，若诱导效应和中介效应同时存在，则振动

频率最后位移的方向和程度，取决于这两种效应的结果。

当诱导效

应大于中介效应时，振动频率向高波数移动，反之，振动频率向低

波数移动。

2.氢键的影响

氢键的形成使电子云密度平均化，从而使伸缩振动频率降低。

游离羧酸的C=O键频率出现在1760cm-1左右，在固体或液体中，

由于羧酸形成二聚体，C=O键频率出现在1700cm-1。

分子内氢键

不受浓度影响，分子间氢键受浓度影响较大。

3.振动耦合

当两个振动频率相同或相近的基团相邻具有一公共原子时，

由于一个键的振动通过公共原子使另一个键的长度发生改变，产生

一个“微扰”，从而形成了强烈的振动相互作用。

其结果是使振动

频率发生感变化，一个向高频移动，另一个向低频移动，谱带分裂。

振动耦合常出现在一些二羰基化合物中，如，羧酸酐。

（4）Fermi共振

当一振动的倍频与另一振动的基频接近时，由于发生相互作

用而产生很强的吸

收峰或发生裂分，这种现象称为Fermi共振。

外部因素

外部因素主要指测定时物质的状态以及溶剂效应等因素。

同一物质的不同状态，由于分子间相互作用力不同，所得到

光谱往往不同。

分子在气态时，其相互作用力很弱，此时可以观察

到伴随振动光谱的转动精细结构。

液态和固态分子间作用力较强，在有极性基团存在时，可能

发生分子间的缔合或形成氢键，导致特征吸收带频率、强度和形状

有较大的改变。

例如，丙酮在气态时的νC-H为1742cm-1，而在液

态时为1718cm-1。

在溶液中测定光谱时，由于溶剂的种类、溶剂

的浓度和测定时的温度不同，同一种物质所测得的光谱也不同。

通

常在极性溶剂中，溶质分子的极性基团的伸缩振动频率随溶剂极性

的增加而向低波数方向移动，并且强度增大。

因此，在红外光谱测

定中，应尽量采用非极性的溶剂。

第四节红外光谱仪

目前主要有两类红外光谱仪：

色散型红外光谱仪和Fourier（傅

立叶）变换红外光谱仪。

一、色散型红外光谱仪

色散型红外光谱仪的组成部件与紫外-可见分光光度计相似，

但对没一个部件的结构、所用的材料及性能与紫外--可见分光光

度计不同。

它们的排列顺序也略有不同，红外光谱仪的样品是放在

光源和单色器之间；而紫外--可见分光光度计是放在单色器之后。

色散型红外光谱仪原理示意图（教材）

1.光源

红外光谱仪中所用的光源通常是一种惰性固体，同电加热使

之发射高强度的连续红外辐射。

常用的是Nernst灯或硅碳棒。

Nernst