红外光谱法的基本原理

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1、第 二 节 红 外 光 谱 法 的 基 本 原 理一 、 红 外 光 谱 的 形 成 、 条 件 和 分 子 的 运 动1、 红 外 光 谱 的 形 成 和 产 生 条 件物 质 吸 收 红 外 光 发 生 振 动 和 转 动 能 级 的 跃 迁 须 满 足 两 个 条 件 :(1)红 外 辐 射 光 量 子 具 有 的 能 量 等 于 分 子 振 动 能 级 的 能 量 差(2)分 子 振 动 时 , 偶 极 距 的 大 小 和 方 向 必 须 有 一 定 的 变 化 当 一 定 波 长 的 红 外 光 照 射 样 品 时 , 如 果 分 子 中 某 个 基 团 的振 动 频 率 和 它 的

2、 一 样 , 二 者 就 会 发 生 共 振 , 此 时 光 的 能 量 通 过分 子 偶 极 距 的 变 化 传 递 给 分 子 , 这 个 基 团 就 会 吸 收 该 频 率 的 红外 光 而 发 生 振 动 能 级 的 跃 迁 , 产 生 红 外 吸 收 峰 。 2、 分 子 的 振 动 和 转 动(1)双 原 子 分 子分 子 是 由 各 种 原 子 通 过 化 学 键 连 接 而 成 的 。 为 简 化 讨 论 , 可以 将 原 子 模 拟 成 不 同 质 量 的 小 球 , 将 化 学 键 看 成 是 不 同 强 度的 弹 簧 。若 两 个 原 子 质 量 分 别 为 m1、 m2

3、, 化 学 键 的 质 量 不 计 , 其 伸 缩振 动 可 近 似 看 作 沿 轴 线 方 向 的 简 谐 振 动 。 任 意 两 个 相 邻 的 能 级 间 的 能 量 差 为 : kkc khhE 1307211 2 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 =m 1m 2/( m 1+m 2) 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 。 表 某 些 键 的 伸 缩 振 动 的 力 常

4、 数 ( 毫 达 因 /埃 )键 类 型 CC C =C C C 力 常 数 15 17 9.5 9.9 4.5 5.6峰 位 4.5m 6.0 m 7.0 m 化 学 键 键 能 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 。正 己 烯 中 C=C键 伸 缩 振 动 频 率 实 测 值 为 1652 cm-1 11650212 69130713072

5、11 cm/. kkcv (2)多 原 子 分 子 的 振 动 ( 两 种 形 式 )伸 缩 振 动 : 键 长 沿 键 轴 方 向 变 化 , 键 角 不 变 ;弯 曲 振 动 : 键 长 不 变 , 键 角 变 化 ; 又 称 为 变 形 振 动 。亚 甲 基 : CH2-的 振 动方 式 及 其 分 类 如 下 : 伸 缩 振 动 变 形 振 动 基 频 : 每 一 种 振 动 方 式 都 有 一 个 特 征 频 率 , 叫 基 频 ;基 频 峰 : 分 子 吸 收 红 外 光 后 , E0 E1引 起 的 一 个 吸 收 峰 。倍 频 峰 : 分 子 吸 收 红 外 光 后 , E0

6、E2, E0 E3引 起 的 一 系列 吸 收 峰 。 倍 频 峰 通 常 很 弱 。注 意 : 理 论 上 有 几 种 振 动 方 式 就 有 几 个 吸 收 带 。二 、 红 外 光 谱 仪两 种 : 色 散 型 红 外 仪 和 傅 立 叶 变 换 型 红 外 仪 ( FTIR) 。1、 色 散 型 红 外 光 谱 仪色 散 型 红 外 光 谱 仪 的 组 成 元 件 与 紫 外 可 见 分 光 光 度 计 元 件 相 似 , 其 仪 器 原 理 示 意 图 如 下 : 工 作 流 程 :从 光 源 3发 出 的 红 外 光 经 过 两 个 聚 光 镜 1后 分 成 两 束 等 同 的 红

7、 外光 , 一 束 通 过 样 品 池 , 另 一 束 通 过 参 比 池 , 而 后 利 用 光 断 续 器6使 样 品 光 束 和 参 比 光 束 周 期 性 交 替 通 过 反 射 镜 7、 入 射 狭 缝 8、进 入 光 栅 9, 再 由 出 射 狭 缝 10进 入 检 测 器 15, 随 着 光 断 续 器 的交 替 , 检 测 器 也 就 交 替 的 接 受 这 两 束 光 , 在 光 学 系 统 中 , 只 要这 两 束 光 强 度 相 等 , 在 检 测 器 上 产 生 的 光 强 差 为 0, 则 记 录 器上 没 有 记 录 。 但 是 当 通 过 样 品 池 的 红 外

8、光 被 样 品 吸 收 而 光 强 减 弱 时 , 在 检 测器 上 , 会 产 生 一 个 信 号 , 此 信 号 与 双 光 束 强 度 差 成 正 比 , 此信 号 经 放 大 器 伺 服 马 达 13, 马 达 带 动 光 阑 运 动 来 补 偿 样 品 对光 的 吸 收 从 而 保 持 两 束 光 的 平 衡 , 当 波 长 连 续 改 变 时 , 由 于样 品 对 不 同 波 长 的 光 吸 收 强 度 不 同 , 光 楔 运 动 带 动 记 录 笔 11,即 可 得 到 红 外 光 谱 图 。 元 件 组 成 及 其 功 能 :(1)光 源 室大 多 用 能 斯 特 灯 ( 由

9、氧 化 锆 、 氧 化 铈 、 氧 化 钍 烧 结 而 成 的棒 ) , 长 约 35mm, 直 径 约 1.5mm, 外 缠 绕 铂 金 丝 , 打 开 电 源 ,先 接 通 铂 金 丝 , 加 热 到 1800 时 能 斯 特 灯 即 发 射 红 外 光 , 波数 在 5000 400cm-1范 围 , 优 点 是 : 光 强 大 、 寿 命 长 , 但 价贵 。 有 的 红 外 光 谱 仪 用 硅 碳 棒 ( 由 碳 化 硅 烧 结 而 成 ) , 工 作温 度 在 1200 1500 , 波 数 4000 400 cm -1, 还 可 低 至 200 cm-1, 优 点 是 : 热 辐

10、 射 强 、 发 光 面 积 大 、 坚 固 耐 用 , 寿 命 比能 斯 特 灯 短 些 。 也 有 用 镍 铬 丝 的 。 (2)、 吸 收 池 ( 包 括 样 品 池 和 参 比 池 )IR吸 收 池 需 用 可 透 过 红 外 光 的 NaCl,KBr,KI,CsI等 制 成 窗 片 或 盐片 。A: 对 气 体 样 品分 子 在 气 态 时 , 相 互 作 用 力 极 弱 , 故 用 气 体 池 。B: 对 液 体 样 品对 易 挥 发 液 体 , 用 液 体 池 ;对 不 易 挥 发 液 体 , 可 以 将 样 品 直 接 涂 在 盐 片 上 , 样 品 粘 度 大 时 ,可 用

11、溶 剂 溶 解 后 涂 在 盐 片 上 。C: 对 固 体 样 品压 片 法 : 将 粉 末 状 的 样 品 与 KBr一 起 研 磨 , 用 压 片 机 压 片 浆 糊 法 : 将 样 品 粉 末 溶 解 在 液 体 介 质 中 , 涂 膜 作 红 外 光 谱 。 (3)、 光 度 计来 自 光 源 室 通 过 样 品 室 的 两 束 光 , 如 果 强 度 相 等 , 在 检 测 器上 产 生 的 光 强 差 为 0, 则 记 录 器 上 没 有 记 录 。 但 是 当 通 过 样品 池 的 红 外 光 配 样 品 吸 收 而 光 强 减 弱 时 , 在 检 测 器 上 , 会 产生 一

12、个 信 号 , 此 信 号 与 双 光 束 强 度 差 成 正 比 , 此 信 号 经 放 大器 伺 服 马 达 , 马 达 带 动 光 阑 运 动 来 补 偿 样 品 对 光 的 吸 收 从 而保 持 两 束 光 的 平 衡 , 当 波 长 连 续 改 变 时 , 由 于 样 品 对 不 同 波长 的 光 形 吸 收 强 度 不 同 , 光 楔 运 动 带 动 记 录 笔 , 即 可 得 到 红外 光 谱 图 。 (4)、 单 色 器 ( 包 括 棱 镜 、 狭 缝 、 光 栅 等 元 件 )将 入 射 的 复 合 光 通 过 色 散 变 成 单 色 光 , 再 按 照 一 定 的 波 长

13、顺序 排 列 在 出 射 狭 缝 的 平 面 上 。 第 一 代 红 外 光 谱 仪 用 棱 镜 作 单色 器 , 第 二 代 用 光 栅 色 散 元 件 进 行 分 光 , 光 栅 分 光 比 棱 镜 分光 测 量 范 围 宽 , 分 辨 率 高 。 第 三 代 用 干 涉 型 的 傅 立 叶 变 换 进行 分 光 , 功 能 更 强 , 效 果 更 好 。(5)、 检 测 器汇 集 单 色 器 出 射 的 单 色 光 于 真 空 热 电 偶 的 接 受 面 上 , 热 电 偶将 不 平 衡 的 光 信 号 转 化 为 电 信 号 , 后 经 放 大 器 带 动 马 达 , 马达 再 带 动

14、 光 栅 运 动 , 记 录 红 外 光 谱 图 。 2、 傅 立 叶 变 换 红 外 光 谱 仪( Fourier Transform spectrometer ,FTIR)FTIR是 上 世 纪 70年 代 问 世 的 , 属 于 第 三 代 红 外 光 谱 仪 , 它 是基 于 光 相 干 性 原 理 而 设 计 的 干 涉 性 红 外 光 谱 仪 。FTIR没 有 色 散 元 件 , 主 要 以 光 源 、 干 涉 仪 、 检 测 器 、 计 算 机和 记 录 仪 组 成 。 其 核 心 部 件 是 干 涉 仪 。 它 将 光 源 来 的 信 号 以干 涉 图 的 形 式 送 往 计

15、算 机 进 行 傅 立 叶 变 换 的 数 学 处 理 , 最 后将 干 涉 图 还 原 为 光 谱 图 。 纵 坐 标 为 吸 光 度 (A)或 透 过 率 (T%),横 坐 标 为 波 长 (m )和 波 数 1/ (cm-1)。可 以 用 峰 数 , 峰 位 , 峰 形 , 峰 强 来 描 述 化 合 物 的 红 外 谱 图 。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 ;三 、 红 外 光 谱 图 1、 特 征 谱 图 区从 大 量 化 合 物 的 红 外 谱 图 发 现 , 具 有 相 同

16、 化 学 键 或 官 能 团 的 一系 列 化 合 物 的 红 外 吸 收 谱 带 均 出 现 在 一 定 的 波 数 范 围 内 , 受 分子 内 其 它 结 构 的 影 响 较 小 。例 如 : C=O:1650 1870cm-1 ,C N:2225 2260 cm-1C C, C=C, C=N, N-H, O-H, C-H等 在 红 外 谱 图 上 均 在 40001333cm -1之 间 , 且 吸 收 峰 较 稀 疏 , 容 易 辨 认 , 常 把 此 区 间 称 为特 征 谱 带 区 。特 征 峰 : 在 特 征 区 中 凡 能 鉴 定 官 能 团 是 否 存 在 的 吸 收 峰

17、称 为 特征 峰 。 2、 指 纹 区红 外 光 谱 图 中 的 波 数 区 1333 667( 400) cm-1之 间 称 为 指 纹 区 ,其 间 出 现 的 谱 带 主 要 是 C C, C N, C O等 单 键 伸 缩 振 动 及 各种 弯 曲 振 动 。由 于 这 些 单 键 的 键 强 差 别 不 大 , 原 子 质 量 又 相 似 , 所 以 谱 带 出现 的 区 域 也 相 近 , 相 互 间 的 影 响 也 较 大 , 加 上 各 种 弯 曲 振 动 能级 间 隔 很 小 , 这 一 区 域 谱 带 密 集 犹 如 人 的 指 纹 , 故 指 指 纹 区 。由 于 化 合

18、 物 的 微 小 变 化 在 指 纹 区 都 会 有 反 应 , 因 此 可 帮 助 确 认化 合 物 。 三 、 峰 数 、 峰 强 及 峰 位1、 峰 数 与 振 动 自 由 度峰 数 : 吸 收 峰 的 数 目 ; 振 动 自 由 度 : 基 本 振 动 的 数 目 。一 个 原 子 x,y,z三 维 空 间 3个 自 由 度n个 原 子 x,y,z三 维 空 间 3n个 自 由 度分 子 的 自 由 度 平 动 转 动 振 动 自 由 度线 性 分 子 的 自 由 度 ( 3n) 3 2 3n-5非 线 性 分 子 的 自 由 度 ( 3n) 3 3 3n 6 红 外 光 谱 产 生

19、的 第 二 个 条 件 : 瞬 间 偶 极 距 的 变 化瞬 间 偶 极 距 的 变 化(又 称 具 有 红 外 活 性 的 振 动 )。虽 然 , CO2分 子 本 身 的 永 久偶 极 距 为 0, 但 在 振 动过 程 中 , 其 瞬 间 偶 极 距不 见 得 也 都 为 0。在 对 称 伸 缩 振 动 中 , 对 整 个 分 子 而 言 , 偶 极 距 为 0, 故 该 种 振动 不 产 生 红 外 吸 收 , 也 叫 做 无 红 外 活 性 。其 他 三 种 振 动 均 有 瞬 间 偶 极 距 不 为 0的 情 况 。 所 以 在 CO2的 红 外 谱 图 上 出 现 两 个 吸 收

20、 峰 。 非 极 性 的 同 核 双 原 子 分 子 在 振 动 过 程 中 偶 极 距 也 不 发 生变 化 , 无 红 外 活 性 , 如 : H2 、 N2、 O2、 Cl2 等 。 理 论 上 , 每 个 振 动 自 由 度 都 应 产 生 一 个 吸 收 峰 , 实 际 上 峰 数往 往 少 于 基 本 振 动 自 由 度 。 其 原 因 有 : (1)、 某 些 振 动 不 能 使 分 子 发 生 瞬 间 偶 极 距 的 变 化 , 不 能 引 起红 外 吸 收 ;(2)、 有 些 振 动 动 当 频 率 完 全 相 同 时 会 发 生 简 并 ;(3)、 强 而 宽 的 吸 收

21、峰 常 把 相 近 的 弱 而 窄 的 峰 掩 盖 ;(4)、 有 个 别 峰 落 在 红 外 区 以 外 ;(5)、 有 的 振 动 产 生 的 吸 收 峰 太 弱 , 测 不 出 来 。( 但 也 有 极 少 数 情 况 下 , 峰 数 增 多 的 可 能 , 如 因 出 现 倍 频 峰 、合 频 峰 、 差 频 峰 、 费 米 峰 等 , 则 会 使 峰 数 多 于 振 动 自 由 度数 。 ) 例 1 CO2分 子 是 线 性 分 子 , 有 4种 振 动 形 式 , 出 现 2个吸 收 峰 。 例 2 H2O分 子 的 振 动 吸 收 峰 3 、 峰 强 与 分 子 偶 极 距峰 强

22、 : 吸 收 峰 的 强 度 。 可 以 用 摩 尔 吸 收 系 数 表 示 ; 100 (vs); :20 100(s); :10 20(m) ; :1 10(s); C H C C , C=O C=CB、 振 动 形 式 : 振 动 形 式 不 同 , 对 分 子 的 电 荷 分 布 影 响 不 同 ,吸 收 峰 的 强 度 不 同 , 一 般 的 说 , 伸 缩 振 动 的 吸 收 峰 强 度 大 于弯 曲 振 动 吸 收 峰 的 强 度 , 不 对 称 伸 缩 振 动 的 吸 收 峰 强 度 大 于对 称 的 伸 缩 振 动 的 吸 收 峰 强 度 。C、 分 子 的 对 称 性 :

23、结 构 对 称 的 分 子 , 如 果 某 种 振 动 的 偶 极距 为 0, 则 此 种 振 动 不 产 生 吸 收 峰 。 (2)、 其 它 影 响A、 费 米 共 振 ( Fermi resonance) : 当 倍 频 位 于 某 个 强 的 基 频峰 附 近 时 , 弱 的 倍 频 峰 的 吸 收 峰 强 度 会 大 大 强 化 ( 有 时 会 发 生峰 的 裂 分 ) , 这 种 倍 频 与 基 频 的 振 动 偶 合 称 为 费 米 共 振 。B、 氢 键 : 由 于 氢 键 的 存 在 使 偶 极 距 发 生 明 显 的 变 化 , 故 吸 收峰 强 度 增 强 , 谱 带 加

24、 宽 。C、 某 键 与 偶 极 距 较 大 的 基 团 共 轭 时 , 两 个 峰 的 强 度 都 会 增 加 。例 如 : C=C 的 吸 收 峰 很 弱 , 但 当 C=C与 C=O共 轭 时 两 个 峰 均 明 显增 强 。总 之 , 在 红 外 谱 图 中 , 某 一 基 团 的 峰 强 , 必 须 视 具 体 化 合 物 而 定 , 并 与 样 品 测 定 时 的 溶 剂 、 浓 度 等 有 关 。 3、 峰 位 与 特 征 形 式 频 率峰 位 : 吸 收 峰 出 现 的 位 置 ,用 波 长 (cm), 或 波 (cm-1)表 示 。由 于 分 子 中 各 个 基 团 的 振

25、动 不 是 孤 立 的 , 而 是 受 分 子 整 体 以 及邻 近 基 团 的 影 响 , 还 有 测 试 条 件 的 影 响 , 所 以 即 使 是 同 种 基 团在 不 同 的 化 合 物 中 、 不 同 测 试 条 件 ,其 波 长 或 波 数 也 是 不 固 定 的 。影 响 峰 位 变 化 的 因 素 :(1)、 电 子 效 应A、 诱 导 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 的 力 常 数 ( K) ,使 基 团 的 特 征 吸 收 频 率 (

26、从 而 使 吸 收 波 数 ) 发 生 位 移 。 R-COR C=0 1715cm-1 ; R-COH C=0 1730cm -1 ;R-COCl C=0 1800cm-1 ; R-COF C=0 1920cm-1 ; F-COF C=0 1928cm-1 ; 由 于 强 的 吸 电 子 基 团 的 存 在 , 使 羰 基 上 的 碳 原 子 的 正 电 性 增大 , 从 而 使 C O双 键 相 互 吸 引 力 增 强 , 既 力 常 数 K增 大 , 故吸 收 峰 移 向 高 波 数 。 相 反 , ( 给 ) 斥 电 子 基 团 使 吸 收 峰 移 向低 波 数 。 B、 共 轭 效

27、应 : 分 子 中 形 成 大 键 所 引 起 的 效 应 。R-COH C=0 1730cm -1 ; R-COCl C=0 1800cm-1 ; R-CONH2 C=0 1650 1690cm-1 从 电 负 性 上 看 : H Cl N (3.0)若 从 诱 导 效 应 看 , 酰 胺 与 酰 氯 中 C O的 特 征 吸 收 峰 应 该 相 近 ,但 结 果 酰 胺 中 的 C O与 醛 、 酮 、 酰 氯 中 的 C O吸 收 峰 相 比 , 不仅 未 移 向 高 波 数 , 反 而 向 低 波 数 移 动 。 COH3C CH3 CO CH3 CO CH3 CO1715 1685

28、1685 1660cm -1 cm -1 cm -1 cm -1 因 为 , N原 子 与 C原 子 同 处 一 个 周 期 , N上 的 未 共 用 p电 子 可以 有 效 的 与 C O中 的 键 共 轭 , 使 整 个 O C NH2上 的 电 子密 度 平 均 化 , 从 而 使 C O的 双 键 性 降 低 , 双 键 力 常 数 K降 低 ,即 p 键 共 轭 使 酰 胺 C O特 征 吸 收 峰 移 向 低 波 数 。 (2)、 空 间 效 应A、 场 效 应 : 从 下 列 羰 基 化 合 物 的 特 征 吸 收 峰 来 分 析 :4,4-二 甲 基 环 己 酮 C=O 171

29、2cm-1 OCH 3CH3O Br(a键) OCH3 CH3 Br(e键) O 2 溴 4, 4 二 甲 基 环 己 酮 C=O 1728cm-12-溴 环 己 酮 C=O 1716cm-1环 己 酮 C=O 1712cm-1 B、 空 间 位 阻 : 对 比 ( A) 、 (B)化 合 物 中 羰 基 的 特 征 吸 收 峰 波 数 。 C=O 1663cm-1 C=O 1693cm-1 由 于 (B)化 合 物 的 立 体 障 碍 比 ( A) 大 , 致 使 ( B) 中 C O与苯 环 上 双 键 不 能 共 平 面 , 共 轭 效 应 受 到 限 制 , 不 能 使 电 子 云平

30、均 化 , K值 较 高 , 吸 收 峰 波 数 较 大 。C CH 3O CH3 CH3C CH3OCH3 ( 3) 氢 键 效 应氢 键 的 形 成 , 往 往 对 吸 收 峰 的 波 数 和 峰 强 都 有 明 显 的 影 响 , 通常 使 波 数 降 低 。 因 为 , X H-Y(其 中 X、 Y是 N、 O、 F等 电 负 性较 大 的 原 子 )的 形 成 使 电 子 云 密 度 平 均 化 , 从 而 使 K降 低 , 吸 收峰 的 波 数 减 小 。 氢 键 分 为 分 子 内 氢 键 和 分 子 间 氢 键 。A、 分 子 内 氢 键 OCH 3OCOH 3CH HO370

31、5-31252835O- H 伸 缩 cm -1 cm -1 B、 分 子 间 氢 键一 般 醇 、 酚 的 OH在 极 稀 的 溶 液 中 呈 游 离 态 , 其 吸 收 峰 波 数 =3650 3600cm-1,随 其 浓 度 的 增 大 , 分 子 间 形 成 氢 键 , 二 聚体 =3515 cm-1, 多 聚 体 =3350cm-1, 可 见 , 氢 键 的 形 成 使波 数 降 低 。例 1: 不 同 浓 度 时 的 乙 醇 四 氯 化 碳 红 外 光 谱 图 3515cm -1 0 01M0 1M0 25M1 0M3640cm -1 3350cm -1 乙 醇 在 四 氯 化 碳

32、 中 不 同 浓 度 的 IR图2950cm -12895 cm -1 (4)、 其 它 因 素A、 样 品 的 物 理 状 态 不 同 , 吸 收 峰 位 也 有 差 异 。在 气 态 时 , 分 子 间 作 用 力 很 小 , 低 压 时 得 到 游 离 分 子 的 IR谱 图 ;在 液 态 时 , 可 能 会 分 子 间 或 分 子 内 氢 键 , 使 IR谱 图 中 波 数 降 低 ;在 故 态 , 因 晶 格 力 场 的 作 用 , 发 生 分 子 振 动 和 晶 格 振 动 的 偶 合 ,将 会 出 现 新 的 吸 收 峰 , 峰 尖 锐 、 峰 数 多 。( CH3) 2 C O C O : 气 态 1738cm-1 液 态 1715 cm-1B、 溶 剂 不 同 , 吸 收 峰 的 峰 位 有 所 不 同 , 一 般 随 溶 剂 极 性 增 大 ,其 吸 收 峰 波 数 降 低 。C、 红 外 光 谱 仪 色 散 元 件 不 同 , 测 出 的 峰 位 也 稍 有 差 异 。 故 一 般 文 献 中 会 给 出 红 外 光 谱 图 的 测 试 条 件 。

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