第五章-红外光谱课件.ppt
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1、5.1 基本原理,红外光谱就是当红外光照射有机物时,用仪器记录下来的吸收情况(被吸收光的波长及强度等),用来进行分析的方法。红外线可分为三个区域:,红外光谱法主要讨论有机物对中红区的吸收(振动能级跃迁)。,一、波长和波数,电磁波的波长()、频率(v)、能量(E)之间的关系:,用不断改变波长的红外光照射样品,当某一波长的频率刚好与分子中某一化学键的振动频率相同时,分子就会吸收红外光,产生吸收峰。用波长()或波长的倒数波数(cm-1)为横坐标,百分透光率(T)或吸收度(A)为纵坐标做图,得到红外吸收光谱图(IR)。分子振动所需能量对应波数范围在400 cm-14000 cm-1。,红外光谱的基本原
2、理:,红外光谱是研究波数在4000-400cm-1范围内不同波长的红外光通过化合物后被吸收的谱图。谱图以波长或波数为横坐标,以透过率为纵坐标而形成。,I:表示透过光的强度;I0:表示入射光的强度。,二、红外光谱的表示方法,透光度以下式表示:,纵坐标:吸光度A或透过率T,A越大或T越小,吸收峰强度越大。,横坐标:波长/或波数/cm-1。,横坐标:波数()4004000 cm-1;表示吸收峰的位置。,纵坐标:透过率(T%),表示吸收强度。T,表明吸收的越好,故曲线低谷表示是一个好的吸收带。,对于吸收峰强度或形状,常用下列符号表示:,三、分子振动与红外光谱,分子中的一个化学键可有几种不同的振动形式,
3、而产生不同的红外吸收峰,键的振动分为两大类。,伸缩振动,用表示,原子间沿键轴方向伸长或缩短。弯曲振动用表示,形成化学键的两个原子之一与键轴垂直方向作上下或左右弯曲。组成化学键的原子的质量越小,键能越高,键长越短,振动所需能量越大,吸收峰所在的波数就越高。,1.分子的振动方式 表示方法:(1)伸缩振动:,(2)弯曲振动:,值得注意的是:不是所有的振动都能引起红外吸收,只有偶极矩()发生变化的,才能有红外吸收。H2、O2、N2 电荷分布均匀,振动不能引起红外吸收。HCCH、RCCR,其CC(三键)振动也不能引起红外吸收。,2.振动方程式(Hooke定律),式中:k 化学键的力常数,单位为N.cm-
4、1;折合质量,单位为 g。,力常数k:与键长、键能有关:键能(大),键长(短),k。,一些常见化学键的力常数如下表所示:,折合质量:两振动原子只要有一个的质量,(),红外吸收信号将出现在高波数区。,3.分子的振动能级跃迁和红外吸收峰位,分子的振动是量子化的,其能级为:,式中:v 为振动量子数(0,1,2,);振为化学键的振动频率。,分子由基态v=0 跃迁到激发态v=1 时,吸收光的能量为:,分子振动频率习惯以(波数)表示:,由此可见:()k,()与成反比。,吸收峰的峰位:化学键的力常数k 越大,原子的折合质量越小,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
5、)。,产生红外光谱的必要条件是:,1)红外辐射光的频率与分子振动的频率相当,才能满足分子振动能级跃迁所需的能量,而产生吸收光谱。,2)振动过程中必须是能引起分子偶极矩变化的分子才能产生红外吸收光谱。,4.有机化合物基团的特征频率,总结大量红外光谱资料后,发现具有同一类型化学键或官能团的不同化合物,其红外吸收频率总是出现在一定的波数范围内,我们把这种能代表某基团,并有较高强度的吸收峰,称为该基团的特征吸收峰(又称官能团吸收峰)。,结论:,1).特征频率区:,在16003700 cm-1区域(称为:高频区)出现的吸收峰,较为稀疏,容易辨认,主要有:,(1)YH 伸缩振动区:,25003700 cm
6、-1,Y=O、N、C。,(2)YZ 三键和累积双键伸缩振动区:,21002400 cm-1,主要是:CC、CN 三键和 CCC、CNO 等累积双键的伸缩振动吸收峰。,(3)YZ双键伸缩振动区:,16001800 cm-1,主要是:CO、CN、CC等双键存在。,2)指纹区:,1600 cm-1的低频区,主要是:CC、CN、CO等单键和各种弯曲振动的吸收峰,其特点是谱带密集、难以辨认。,3)倍频区:,3700 cm-1的区域,出现的吸收峰表示基团的基本 频率,而是一些基团的倍频率,其数值略低于基本频率的倍数。,5、峰的数目与振动自由度,从理论上讲,每个振动自由度将产生一个IR吸收峰。对一个线状分子
7、,其峰的数目3N5;对一个非线状分子,其峰的数目3N6。N为分子中成键原子的个数。,例1:为非线状分子,应有3N6963个峰。,例2:OCO为线状分子,便有3N595 4个峰。,Why?,s 不改变分子的偶极矩;,s 与w 简并。,大多数情况下,实际吸收峰的数目少于计算值。其原因为:,吸收峰的位置不在中红区(4004000 cm-1);吸收峰太弱;振动时不改变分子的偶极矩;振动能级简并;(如下CO2中的667 cm-1)强而宽的峰掩盖其附近弱峰。,有时,峰的数目大于计算值,其原因是:,泛频 基频:基态第一激发态的跃迁;倍频:基态第二或第三激发态的跃迁;合频:12 差频:12 倍频、合频、差频统
8、称为泛频。在IR光谱中,绝大多数吸收峰都是基频,泛频出现的机率很小,而且往往很弱。泛频吸收适合于有机物的定量分析。偶合:吸收频率相近的峰之间相互作用。费米共振:泛频位于强吸收(基频)附近,二者相互作用,使泛频强度明显增加或发生裂分。,5.2 各类有机化合物的红外特征吸收,40001300cm-1:官能团区,用于官能团鉴定;该区域出现的吸收峰,较为稀疏,容易辨认.1300650cm-1:指纹区,用于鉴别两化合物是否相同。这一区域主要是:CC、CN、CO 等单键和各种弯曲振动的吸收峰,其特点是谱带密集、难以辨认。官能团区吸收峰大多由成键原子的伸缩振动而产生,与整个分子的关系不大,不同化合物中相同官
9、能团的出峰位置相对固定,可用于确定分子中含有哪些官能团。,红外谱图一般以1300cm-1为界:,指纹区吸收峰大多与整个分子的结构密切相关,不同分子的指纹区吸收不同,象不同的人有不同的指纹,可鉴别两个化合物是否相同。指纹区内的吸收峰不可能一一指认。,例1:若分子中存在COOH,则其IR谱图应出现下列一组相关峰:,例2:若分子中存在CONH,则其IR谱图应出现下列一组相关峰:,相关峰由于某个官能团的存在而出现的一组相互依存、相互佐证的吸收峰。,八个最重要和比较确定的区域:,用一组相关峰确定一个官能团的存在是IR光谱解析的一条重要原则!,一、第一峰区(40002500cm-1),XH 伸缩振动吸收范
10、围。X代表O、N、C、S,对应醇、酚、羧酸、胺、亚胺、炔烃、烯烃、芳烃及饱和烃类的 OH、NH、CH 伸缩振动。,1.OH 醇与酚:游离态的v OH36403610cm-1,峰形尖锐;氢键缔合的v OH3300cm-1附近,峰形宽而钝。,羧酸:33002500cm-1,中心约3000cm-1,谱带宽,胖峰或漫坡;而在3500 cm-1附近无吸收。,原因:羧酸中的羟氢常以二聚体形式存在,即使在极稀溶液中也有二聚体形式存在。,2.NH,胺类:游离35003300cm-1 缔合吸收位置降低约100cm-1 伯胺:3500 3400cm-1,吸收强度比羟基弱,双峰;仲胺:3400cm-1,吸收峰比羟基
11、要尖锐,单峰;叔胺:无吸收。酰胺:伯酰胺:3350 3150cm-1 附近出现双峰;仲酰胺:3200cm-1 附近出现一条谱带;叔酰胺:无吸收。,各种胺盐(NH3、NH2、NH)的 NH在30002250 cm-1出峰,峰形较胖,季铵盐无 NH。原因:NH中NH的力常数。,烃类:33002700 cm-1范围,3000 cm-1是分界线。不饱和碳(三键、双键及苯环)3000 cm-1 饱和碳(除三元环外)3000 cm-1 炔烃:3300 cm-1,峰很尖锐;烯烃、芳烃:31003000 cm-1 饱和烃基:30002700 cm-1,四个峰,CH3:2960(s)、2870 cm-1(m)C
12、H2:2925(s)、2850 cm-1(s)CH:2890 cm-1,3.CH,醛基:28502720 cm-1,两个吸收峰;巯基:26002500 cm-1,谱带尖锐,容易识别。,讨论:,(1)3000cm-1以上有峰是不饱和氢和芳氢的吸收;3000cm-1以下有峰是脂肪族饱和氢的吸收;(2)因大多数有机物中都含有CH3、CH2,CH(饱和)特征性不强。(3)CH(醛)2720cm-1特征性很强,是CHO存在的依据之一。2720cm-1峰是费米共振的典型实例:,例:C6H5CCH(A)、C6H5CHCH2(B)、C6H5CH2CH3(C)、C6H13CH3(D)的部分IR谱图如下,试判断每
13、个图的归属。,(C),(A),(B),(D),二、第二峰区(25002000 cm-1),叁键、累积双键(CC、CN、CCC、NCO、NCS)伸缩振动吸收区。谱带为中等强度吸收或弱吸收。干扰少,容易识别。,注意:共轭使 CC、CN 波数降低。,1.CC 22802100cm-1,乙炔及全对称双取代炔在红外光谱中观测不到。,2.CN 22502240cm-1,谱带较 CC 强。CN 与苯环或双键共轭,谱带向低波数位移 2260-2240cm-1。,例:样品结构为(I)、(II)或(III)的IR谱图如下,问:哪个结构与谱图一致?为什么?,解:3300cm-1(CCH)有峰,只有(II)符合;19
14、00-1650 cm-1(CO)无峰,样品不含羰基。排除(I)、(III)。样品可能是(II)。2200cm-1:CC;1640cm-1:CC;2940、2800cm-1:CH,三、第三峰区(20001500cm-1),双键的伸缩振动区:包括CO、CC、CN、NO。,1.CO 19001650cm-1,峰尖锐或稍宽,其强度都较大。羰基的吸收一般为最强峰或次强峰。,变化规律:,酰卤:吸收位于最高波数端,特征,无干扰。酸酐:两个羰基振动偶合产生双峰,波长位移6080 cm-1。酯:脂肪酯1735 cm-1 不饱和酸酯或苯甲酸酯低波数位移约20 cm-1 羧酸:1720 cm-1 若在第一区约 30
15、00 cm-1出现强、宽吸收,可确认羧基存在。,醛:在28502720 cm-1 范围有 m 或 w 吸收,出现12 条谱带,结合此峰,可判断醛基存在。酮:唯一的特征吸收带酰胺:16901630 cm-1,缔合态约 1650 cm-1 伯酰胺:1690 cm-1(),1640 cm-1()仲酰胺:1680 cm-1(),1530 cm-1(),1260 cm-1()叔酰胺:1650 cm-1,2.CC 16701600 cm-1,强度中等或较低。,烯烃:16801610 cm-1芳环骨架振动:苯环、吡啶环及其它芳环16501450 cm-1 范围 苯:1600,1580,1500,1450 c
16、m-1 吡啶:1600,1570,1500,1435 cm-1 呋喃:1600,1500,1400 cm-1 喹啉:1620,1596,1571,1470 cm-1,硝基、亚硝基化合物:强吸收 脂肪族:15801540 cm-1,13801340 cm-1 芳香族:15501500 cm-1,13601290 cm-1 亚硝基:16001500 cm-1,胺类化合物:NH2 位于16401560 cm-1。,四、第四峰区(1500600 cm-1),指纹区:XC(XH)键的伸缩振动及各类弯曲振动。,1.CH 弯曲振动烷烃:CH3 约1450 cm-1、1380 cm-1 CH(CH3)2 13
17、80 cm-1、1370 cm-1 C(CH3)3 1390 cm-1、1370cm-1 CH 1340 cm-1(不特征),烯烃:面内:14201300 cm-1,不特征。面外:1000670 cm-1,容易识别,可判断取代情况。,芳环:面内:1250950 cm-1范围,应用价值小。面外:910650 cm-1,可判断取代基的相对位置。,苯910670 cm-1 一取代770730 cm-1,710690 cm-1 二取代-邻:770735 cm-1 对:860800 cm-1 间:900800 cm-1,810750 cm-1,725680 cm-1。,2.CO 伸缩振动 1300100
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