紅外吸收峰的頻率.ppt

紅外光譜法,InfraredAnalysis,基本內(nèi)容,一、概論二、傅里葉紅外光譜儀三、紅外光譜的物理基礎(chǔ)四、紅外譜圖解析基礎(chǔ)知識(shí)五、試樣的處理和制備六、紅外光譜法的應(yīng)用1.定性分析2.定量分析,/nm,/cm-1,一、概論：,紅外光區(qū)劃分：通常將紅外波譜區(qū)分為近紅外(near-infrared)，中紅外(middle-infrared)和遠(yuǎn)紅外(far-infrared)。,當(dāng)樣品受到頻率連續(xù)變化的紅外光照射時(shí)，分子吸收某些頻率的輻射，產(chǎn)生分子振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷，使相應(yīng)于這些吸收區(qū)域的透射光強(qiáng)度減弱。記錄紅外光的百分透射比與波數(shù)或波長(zhǎng)關(guān)系曲線，就得到紅外光譜。,定義：,甲基環(huán)己烷的紅外光譜圖,物質(zhì)的紅外光譜是其分子結(jié)構(gòu)的反映，譜圖中的吸收峰與分子中各基團(tuán)的振動(dòng)形式相對(duì)應(yīng)。通過比較大量已知化合物的紅外光譜，發(fā)現(xiàn)：組成分子的各種基團(tuán)，如O-H、N-H、C-H、C=C、C=O和CC等，都有自己的特定的紅外吸收區(qū)域，分子的其它部分對(duì)其吸收位置影響較小。通常把這種能代表基團(tuán)存在、并有較高強(qiáng)度的吸收譜帶稱為基團(tuán)頻率，其所在的位置一般又稱為特征吸收峰。,分子吸收紅外輻射后，由基態(tài)振動(dòng)能級(jí)（=0）躍遷至第一振動(dòng)激發(fā)態(tài)（=1）時(shí)，所產(chǎn)生的吸收峰稱為基頻峰。因?yàn)椋ㄕ駝?dòng)量子數(shù)的差值）=1時(shí)，L=，所以基頻峰的位置（L）等于分子的振動(dòng)頻率。在紅外吸收光譜上除基頻峰外，還有振動(dòng)能級(jí)由基態(tài)（=0）躍遷至第二激發(fā)態(tài)（=2）、第三激發(fā)態(tài)（=3），所產(chǎn)生的吸收峰稱為倍頻峰。由=0躍遷至=2時(shí)，=2，則L=2，即吸收的紅外線譜線（L）是分子振動(dòng)頻率的二倍，產(chǎn)生的吸收峰稱為二倍頻峰。,右圖是雙原子分子的能級(jí)示意圖，圖中EA和EB表示不同能量的電子能級(jí)，在每個(gè)電子能級(jí)中因振動(dòng)能量不同而分為若干個(gè)=0、1、2、3的振動(dòng)能級(jí)，在同一電子能級(jí)和同一振動(dòng)能級(jí)中，還因轉(zhuǎn)動(dòng)能量不同而分為若干個(gè)J=0、1、2、3的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)。,二倍頻峰,由于分子非諧振性質(zhì)，各倍頻峰并非正好是基頻峰的整數(shù)倍，而是略小一些。以HCl為例：基頻峰（01）2885.9cm-1最強(qiáng)二倍頻峰（02）5668.0cm-1較弱三倍頻峰（03）8346.9cm-1很弱四倍頻峰（04）10923.1cm-1極弱五倍頻峰（05）13396.5cm-1極弱除此之外，還有合頻峰（1+2，21+2，），差頻峰（1-2，21-2，）等，這些峰多數(shù)很弱，一般不容易辨認(rèn)。倍頻峰、合頻峰和差頻峰統(tǒng)稱為泛頻峰。,紅外光譜(0.751000m),遠(yuǎn)紅外(轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū))(25-1000m),中紅外(振動(dòng)區(qū))(2.525m),近紅外(泛頻）(0.752.5m),倍頻,分子振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng),分子轉(zhuǎn)動(dòng),分區(qū)及波長(zhǎng)范圍躍遷類型,（常用區(qū)）,3.紅外光譜特點(diǎn)1）紅外吸收只有振-轉(zhuǎn)躍遷，能量低；2）應(yīng)用范圍廣：除單原子分子及單核分子外，幾乎所有有機(jī)物均有紅外吸收；3）分子結(jié)構(gòu)更為精細(xì)的表征：通過IR譜的波數(shù)位置、波峰數(shù)目及強(qiáng)度確定分子基團(tuán)、分子結(jié)構(gòu)；4）定量分析；5）固、液、氣態(tài)樣均可用，且用量少、不破壞樣品；6）分析速度快。7）與色譜等聯(lián)用（GC-FTIR）具有強(qiáng)大的定性功能。,二、儀器類型與結(jié)構(gòu)兩種類型：色散型干涉型（付立葉變換紅外光譜儀）,Nicolet公司:AVATAR360FT-IR,Fourier變換紅外光譜儀(FTIR)工作原理圖,Fourier變換紅外光譜儀的特點(diǎn)：（1）掃描速度極快，多次累加可有效地降低噪聲（2）具有很高的分辨率通常Fourier變換紅外光譜儀分辨率達(dá)0.10.005cm-1。（3）靈敏度高可檢測(cè)10-8g數(shù)量級(jí)的樣品。除此之外，還有光譜范圍寬（100010cm-1）；測(cè)量精度高，重復(fù)性可達(dá)0.1%；雜散光干擾小；樣品不受因紅外聚焦而產(chǎn)生的熱效應(yīng)的影響。,FTIR,分子由于構(gòu)成它的各原子的電負(fù)性的不同，也顯示不同的極性，稱為偶極子。通常用分子的偶極矩（）來描述分子極性的大小。,三、紅外光譜的物理基礎(chǔ)：,從經(jīng)典力學(xué)的觀點(diǎn)來看，當(dāng)分子振動(dòng)伴隨著偶極矩的改變時(shí)，偶極子的振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生電磁波，它和入射的電磁波發(fā)生相互作用，產(chǎn)生光的吸收，所吸收光的頻率即為分子的振動(dòng)頻率。這種電磁輻射的能量比電子能級(jí)躍遷時(shí)吸收的能量小得多。吸收能量后振動(dòng)能級(jí)將提高，即分子被激發(fā)到較高的振動(dòng)能級(jí)(其中也包含不同的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí))，從而形成紅外吸收光譜。,物理基礎(chǔ)：,偶極子在交變電場(chǎng)中的作用示意圖,并非所有的振動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生紅外吸收，只有發(fā)生偶極矩變化（0）的振動(dòng)才能引起可觀測(cè)的紅外吸收光譜，該分子稱之為紅外活性的；=0的分子振動(dòng)不能產(chǎn)生紅外振動(dòng)吸收，稱為非紅外活性的。,電場(chǎng),磁場(chǎng),產(chǎn)生紅外吸收的條件：每種分子都可能有幾種不同的振動(dòng)方式，當(dāng)入射光的頻率與分子的振動(dòng)頻率一致，且分子的振動(dòng)能引起分子的瞬間偶極矩變化時(shí)，分子即吸收紅外光，在紅外光譜上有反映。,同核雙原子分子：沒有偶極矩，輻射不能引起共振，無紅外活性。如：N2、O2、Cl2等。,一、雙原子分子的振動(dòng)分子中的原子以平衡點(diǎn)為中心，以非常小的振幅（與原子核之間的距離相比）作周期性的振動(dòng)，可近似的看作簡(jiǎn)諧振動(dòng)。這種分子振動(dòng)的模型，以經(jīng)典力學(xué)的方法可把兩個(gè)質(zhì)量為m1和m2的原子看成鋼體小球，連接兩原子的化學(xué)鍵設(shè)想成無質(zhì)量的彈簧，彈簧的長(zhǎng)度r就是分子化學(xué)鍵的長(zhǎng)度。,分子振動(dòng)：,HooksLaw(forstretchingvibration),k:力常數(shù)，Ncm-1，與化學(xué)鍵的強(qiáng)度有關(guān)（鍵長(zhǎng)越短，鍵能越小，k越大）,m1和m2分別為化學(xué)鍵所連的兩個(gè)原子的質(zhì)量，單位為克,即：化學(xué)鍵的振動(dòng)頻率（紅外吸收峰的頻率）與鍵強(qiáng)度成正比，與成鍵原子質(zhì)量成反比。,對(duì)于相同化學(xué)鍵的基團(tuán)，波數(shù)與相對(duì)原子質(zhì)量平方根成反比。例如C-C、C-O、C-N鍵的力常數(shù)相近，但相對(duì)折合質(zhì)量不同，其大小順序?yàn)镃-CC-N100非常強(qiáng)峰（vs）20100強(qiáng)峰（s）1020中強(qiáng)峰（m）1六元環(huán)。隨環(huán)張力增加，紅外峰向高波數(shù)移動(dòng)。,6.物質(zhì)狀態(tài)及制樣方法通常，物質(zhì)由固態(tài)向氣態(tài)變化，其波數(shù)將增加。如丙酮在液態(tài)時(shí)，C=O=1718cm-1;氣態(tài)時(shí)C=O=1742cm-1，因此在查閱標(biāo)準(zhǔn)紅外圖譜時(shí)，應(yīng)注意試樣狀態(tài)和制樣方法。7.溶劑效應(yīng)極性基團(tuán)的伸縮振動(dòng)頻率通常隨溶劑極性增加而降低。如羧酸中的羰基C=O：氣態(tài)時(shí)：C=O=1780cm-1非極性溶劑：C=O=1760cm-1乙醚溶劑：C=O=1735cm-1乙醇溶劑：C=O=1720cm-1因此紅外光譜通常需在非極性溶劑中測(cè)量。,要獲得一張高質(zhì)量紅外光譜圖，除了儀器本身的因素外，還必須有合適的樣品制備方法。一、紅外光譜法對(duì)試樣的要求紅外光譜的試樣可以是液體、固體或氣體，一般應(yīng)要求：（1）試樣應(yīng)該是單一組份的純物質(zhì)，純度應(yīng)98%或符合商業(yè)規(guī)格，才便于與純物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)光譜進(jìn)行對(duì)照。多組份試樣應(yīng)在測(cè)定前盡量預(yù)先用分餾、萃取、重結(jié)晶或色譜法進(jìn)行分離提純，否則各組份光譜相互重疊，難于判斷。,五、試樣的處理和制備：,（2）試樣中不應(yīng)含有游離水。水本身有紅外吸收，會(huì)嚴(yán)重干擾樣品譜，而且會(huì)侵蝕吸收池的鹽窗。（3）試樣的濃度和測(cè)試厚度應(yīng)選擇適當(dāng)，以使光譜圖中的大多數(shù)吸收峰的透射比處于10%80%范圍內(nèi)。二、制樣的方法1.氣體樣品氣態(tài)樣品可在玻璃氣槽內(nèi)進(jìn)行測(cè)定，它的兩端粘有紅外透光的NaCl或KBr窗片。先將氣槽抽真空，再將試樣注入。,試樣的處理和制備,2.液體和溶液試樣（1）液體池法沸點(diǎn)較低，揮發(fā)性較大的試樣，可注入封閉液體池中，液層厚度一般為0.011mm。（2）液膜法沸點(diǎn)較高的試樣，直接滴在兩片鹽片之間，形成液膜。對(duì)于一些吸收很強(qiáng)的液體，當(dāng)用調(diào)整厚度的方法仍然得不到滿意的譜圖時(shí)，可用適當(dāng)?shù)娜軇┡涑上∪芤哼M(jìn)行,測(cè)定。一些固體也可以溶液的形式進(jìn)行測(cè)定。常用的紅外光譜溶劑應(yīng)在所測(cè)光譜區(qū)內(nèi)本身沒有強(qiáng)烈的吸收，不侵蝕鹽窗，對(duì)試樣沒有強(qiáng)烈的溶劑化效應(yīng)等。3.固體試樣（1）壓片法將12mg試樣與200mg純KBr研細(xì)均勻，置于模具中，用（510）107Pa壓力在油壓機(jī)上壓成透明薄片，即可用于測(cè)定。試樣和KBr都應(yīng)經(jīng)干燥處理，研磨到粒度小于2微米，以免散射光影響。,（2）石蠟糊法將干燥處理后的試樣研細(xì)，與液體石蠟或全氟代烴混合，調(diào)成糊狀，夾在鹽片中測(cè)定。（3）薄膜法主要用于高分子化合物的測(cè)定?？蓪⑺鼈冎苯蛹訜崛廴诤笸恐苹驂褐瞥赡ぁＲ部蓪⒃嚇尤芙庠诘头悬c(diǎn)的易揮發(fā)溶劑中，涂在鹽片上，待溶劑揮發(fā)后成膜測(cè)定。當(dāng)樣品量特別少或樣品面積特別小時(shí)，采用光束聚光器，并配有微量液體池、微量固體池和微量氣體池，采用全反射系統(tǒng)或用帶有鹵化堿透鏡的反射系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。,紅外光譜法的應(yīng)用,紅外光譜法廣泛用于有機(jī)化合物的定性鑒定和結(jié)構(gòu)分析。一、定性分析1.已知物的鑒定將試樣的譜圖與標(biāo)準(zhǔn)的譜圖進(jìn)行對(duì)照，或者與文獻(xiàn)上的譜圖進(jìn)行對(duì)照。如果兩張譜圖各吸收峰的位置和形狀完全相同，峰的相對(duì)強(qiáng)度一樣，就可以認(rèn)為樣品是該種標(biāo)準(zhǔn)物。如果兩張譜圖不一樣，或峰位不一致，則說明兩者不為同一化合物，或樣品有雜質(zhì)。如用計(jì)算機(jī)譜圖檢索，則采用相似度來判別。使用文獻(xiàn)上的譜圖應(yīng)當(dāng)注意試樣的物態(tài)、結(jié)晶狀態(tài)、溶劑、測(cè)定條件以及所用儀器類型均應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)譜圖相同。,六、紅外光譜法的應(yīng)用：,2.未知物結(jié)構(gòu)的測(cè)定測(cè)定未知物的結(jié)構(gòu)，是紅外光譜法定性分析的一個(gè)重要用途。如果未知物不是新化合物，可以通過兩種方式利用標(biāo)準(zhǔn)譜圖進(jìn)行查對(duì)：（1）查閱標(biāo)準(zhǔn)譜圖的譜帶索引，與尋找試樣光譜吸收帶相同的標(biāo)準(zhǔn)譜圖；（2）進(jìn)行光譜解析，判斷試樣的可能結(jié)構(gòu)，然后在由化學(xué)分類索引查找標(biāo)準(zhǔn)譜圖對(duì)照核實(shí)。,紅外光譜法的應(yīng)用,準(zhǔn)備工作在進(jìn)行未知物光譜解析之前，必須對(duì)樣品有透徹的了解，例如樣品的來源、外觀，根據(jù)樣品存在的形態(tài)，選擇適當(dāng)?shù)闹茦臃椒ǎ蛔⒁庖暡鞓悠返念伾?、氣味等，它們住往是判斷未知物結(jié)構(gòu)的佐證。還應(yīng)注意樣品的純度以及樣品的元素分析及其它物理常數(shù)的測(cè)定結(jié)果。元素分析是推斷未知樣品結(jié)構(gòu)的另一依據(jù)。樣品的相對(duì)分子質(zhì)量、沸點(diǎn)、熔點(diǎn)、折光率、旋光率等物理常數(shù)，可作光譜解釋的旁證，并有助于縮小化合物的范圍。,確定未知物的不飽和度由元素分析的結(jié)果可求出化合物的經(jīng)驗(yàn)式，由相對(duì)分子質(zhì)量可求出其化學(xué)式，并求出不飽和度。從不飽和度可推出化合物可能的范圍。不飽和度是表示有機(jī)分子中碳原子的不飽和程度。計(jì)算不飽和度的經(jīng)驗(yàn)公式為：=1+n4+(n3-n1)/2式中n4、n3、n1分別為分子中所含的四價(jià)、三價(jià)和一價(jià)元素原子的數(shù)目。二價(jià)原子如S、O等不參加計(jì)算。,例如：C3H6的=1+3+(06)/2=1,當(dāng)計(jì)算得：當(dāng)=0時(shí)，表示分子是飽和的，為鏈狀烴及其不含雙鍵的衍生物。當(dāng)=1時(shí)，可能有一個(gè)雙鍵或脂環(huán)；當(dāng)=2時(shí)，可能有兩個(gè)雙鍵和脂環(huán)，也可能有一個(gè)叁鍵；當(dāng)=4時(shí)，可能有一個(gè)苯環(huán)等。,=1+n4+(n3-n1)/2如：H2N-CH2-COOH的=1+2+(15)/2=1,官能團(tuán)分析根據(jù)官能團(tuán)的初步分析可以排除一部分結(jié)構(gòu)的可能性，肯定某些可能存在的結(jié)構(gòu)，并初步可以推測(cè)化合物的類別。在紅外光譜官能團(tuán)初審申八個(gè)較重要的區(qū)域列表如下:,根據(jù)上表可以粗略估計(jì)可能存在的基團(tuán)，并推測(cè)其可能的化合物類別，然后進(jìn)行紅外的圖譜解析。圖譜解析圖譜的解析主要是靠長(zhǎng)期的實(shí)踐、經(jīng)驗(yàn)的積累，至今仍沒有一一個(gè)特定的辦法。一般程序是先官能團(tuán)區(qū)，后指紋區(qū)；先強(qiáng)峰后弱峰；先否定后肯定。首先在官能團(tuán)區(qū)（40001300cm-1）搜尋官能團(tuán)的特征伸縮振動(dòng)，再根據(jù)指紋區(qū)的吸收情況，進(jìn)一步確認(rèn)該基團(tuán)的存在以及與其它基團(tuán)的結(jié)合方式。如果是芳香族化合物，應(yīng)定出苯環(huán)取代位置。最后再結(jié)合,樣品的其它分析資料，綜合判斷分析結(jié)果，提出最可能的結(jié)構(gòu)式，然后用已知樣品或標(biāo)準(zhǔn)圖譜對(duì)照，核對(duì)判斷的結(jié)果是否正確。如果樣品為新化合物，則需要結(jié)合紫外、質(zhì)譜、核磁等數(shù)據(jù)，才能決定所提的結(jié)構(gòu)是否正確。3.幾種標(biāo)準(zhǔn)譜圖（1）薩特勒（Sadtler）標(biāo)準(zhǔn)紅外光譜圖（2）Aldrich紅外譜圖庫（3）SigmaFourier紅外光譜圖庫,二、定量分析紅外光譜定量分析是通過對(duì)特征吸收譜帶強(qiáng)度的測(cè)量來求出組份含量。其理論依據(jù)是朗伯-比耳定律。由于紅外光譜的譜帶較多，選擇的余地大，所以能方便地對(duì)單一組份和多組份進(jìn)行定量分析。此外，該法不受樣品狀態(tài)的限制，能定量測(cè)定氣體、液體和固體樣品。因此，紅外光譜定量分析應(yīng)用廣泛。但紅外光譜法定量靈敏度較低，尚不適用于微量組份的測(cè)定。,（一）基本原理1.選擇吸收帶的原則（1）必須是被測(cè)物質(zhì)的特征吸收帶。例如分析酸、酯、醛、酮時(shí)，必須選擇C=O基團(tuán)的振動(dòng)有關(guān)的特征吸收帶。（2）所選擇的吸收帶的吸收強(qiáng)度應(yīng)與被測(cè)物質(zhì)的濃度有線性關(guān)系。（3）所選擇的吸收帶應(yīng)有較大的吸收系數(shù)且周圍盡可能沒有其它吸收帶存在，以免干擾。,2.吸光度的測(cè)定（1）一點(diǎn)法該法不考慮背景吸收，直接從譜圖中分析波數(shù)處讀取譜圖縱坐標(biāo)的透過率，再由公式lg1/T=A計(jì)算吸光度。,（2）基線法通過譜帶兩翼透過率最大點(diǎn)作光譜吸收的切線，作為該譜線的基線，則分析波數(shù)處的垂線與基線的交點(diǎn)，與最高吸收峰頂點(diǎn)的距離為峰高，其吸光度A=lg（I0/I）。（二）定量分析方法可用標(biāo)準(zhǔn)曲線法、求解聯(lián)立方程法等方法進(jìn)行定量分析。,