红外谱图峰位分析方法.docx

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红外谱图峰位分析方法

红外谱图分析

（一）

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的。

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来。

实验表明，组成分子的各种基团，如O—H、N—H、C—H、C═C、C≡C、C═O等，都有自己特定的红外吸收区域，分子其它部分对其吸收位置影响较小。

通常把这种能代表基团存在、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。

根据化学键的性质，结合波数与力常数、折合质量之间的关系，可将红外4000～400cm-1划分为四个区：

4000~2500cm-1

氢键区

2500~2000cm-1

产生吸收基团有O—H、C—H、N—H；

叁键区

2000~1500cm-1

C≡C、C≡N、C═C═C

双键区

1500~1000cm-1

C═C、C═O等

单键区

按吸收的特征，又可划分为官能团区和指纹区。

一、官能团区和指纹区

红外光谱的整个范围可分成4000~1300cm-1与1300~600cm-1两个区域。

4000~1300cm-1区域的峰是由伸缩振动产生的吸收带。

由于基团的特征吸收峰一般位于高频范围，并且在该区域内，吸收峰比较稀疏，因此，它是基团鉴定工作最有价值的区域，称为官能团区。

在1300~600cm-1区域中，除单键的伸缩振动外，还有因变形振动产生的复杂光谱。

当分子结构稍有不同时，该区的吸收就有细微的差异。

这种情况就像每个人都有不同的指纹一样，因而称为指纹区。

指纹区对于区别结构类似的化合物很有帮助。

指纹区可分为两个波段

（1）1300~900cm-1这一区域包括C—O，C—N，C—F，C—P，C—S，P—O，Si—O等键的伸缩振动和C═S，S═O，P═O等双键的伸缩振动吸收。

（2）900~600cm-1这一区域的吸收峰是很有用的。

例如，可以指示（—CH2—）n的存在。

实验证明，当n≥4时，—CH2—的平面摇摆振动吸收出现在722cm-1；随着n的减小，逐渐移向高波数。

此区域内的吸收峰，还可以鉴别烯烃的取代程度和构型提供信息。

例如，烯烃为RCH═CH2结构时，在990和910cm-1出现两个强峰；为RC═CRH结构时，其顺、反异构分别在690cm-1和970cm-1出现吸收。

此外，利用本区域中苯环的C—H面外变形振动吸收峰和2000~1667cm-1区域苯的倍频或组合频吸收峰，可以共同配合来确定苯环的取代类型。

二、主要基团的特征吸收峰

在红外光谱中，每种红外活性的振动都相应产生一个吸收峰，所以情况十分复杂。

例如，基团除在3700~3600cm-1有O—H的伸缩振动吸收外，还应在1450~1300cm-1和1160~1000cm-1分别有O—H的面内变形振动和C—O的伸缩振动。

后面的这两个峰的出现，能进一步证明的存在。

因此，用红外光谱来确定化合物是否存在某种官能团时，首先应该注意在官能团它的特征峰是否存在，同时也应找到它们的相关峰作为旁证。

这样，我们有必要了解各类化合物的特征吸收峰。

表列出了主要官能团的特征吸收峰的范围。

三、影响基团频率的因素

尽管基团频率主要由其原子的质量及原子的力常数所决定，但分子内部结构和外部环境的改变都会使其频率发生改变，因而使得许多具有同样基团的化合物在红外光谱图中出现在一个较大的频率范围内。

为此，了解影响基团振动频率的因素，对于解析红外光谱和推断分子的结构是非常有用的。

影响基团频率的因素可分为内部及外部两类。

（一）内部因素

1．电子效应

（1）诱导效应（I效应）

由于取代基具有不同的电负性，通过静电诱导效应，引起分子中电子分布的变化，改变了键的力常数，使键或基团的特征频率发生位移。

例如，当有电负性较强的元素与羰基上的碳原子相连时，由于诱导效应，就会发生氧上的电子转移：

导致C═O键的力常数变大，因而使的吸收向高波数方向移动。

元素的电负性越强，诱导效应越强，吸收峰向高波数移动的程度越显着，如表所示。

表10-2元素的电负性对νC═O的影响

R—CO—X

X=R‘

X=H

X=Cl

X=F

R=F，X=F

vC═O/cm-1

1715

1730

1800

1920

1928

（2）中介效应（M效应）

在化合物中，C═O伸缩振动产生的吸收峰在1680cm-1附近。

若以电负性来衡量诱导效应，则比碳原子电负性大的氮原子应使C═O键的力常数增加，吸收峰应大于酮羰基的频率（1715cm-1）。

但实际情况正好相反，所以，仅用诱导效应不能解释造成上述频率降低的原因。

事实上，在酰胺分子，除了氮原子的诱导效应外，还同时存在中介效应M，即氮原子的孤对电子与C═O上л电子发生重叠，使它们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侧位移。

显然，当分子中有氧原子与多重键频率最后位移的方向和程度，取决于这两种效应的净结果。

当I>M时，振动频率向高波数移动；反之，振动频率向低波数移动。

（3）共轭效应（C效应）

共轭效应使共轭体系具有共面性，且使其电子云密度平均化，造成双键略有伸长，单键略有缩短，因此，双键的吸收频率向低波数方向位移。

例如R—CO—CH2—的vC═O出现在1715cm-1，而CH═CH—CO—CH2—的vC═O则出现在1685~1665cm-1。

2．氢键的影响

分子中的一个质子给予体X—H和一个质子接受体Y形成氢键X—H……Y，使氢原子周围力场发生变化，从而使X—H振动的力常数和其相连的H……Y的力常数均发生变化，这样造成X—H的伸缩振动频率往低波数侧移动，吸收强度增大，谱带变宽。

此外，对质子接受体也有一定的影响。

若羰基是质子接受体。

则vC═O也向低波数移动。

以羧酸为例，当用其气体或非极性溶剂的极稀溶液测定时，可以在1760cm-1处看到游离C═O伸缩振动的吸收峰；若测定液态或固态的羧酸，则只在1710cm-1出现一个缔合的C═O伸缩振动吸收峰，这说明分子以二聚体的形式存在。

氢键可分为分子间氢键和分子内氢键。

分子间氢键与溶液的浓度和溶剂的性质有关。

例如，以CCl4为溶剂测定乙醇的红外光谱，当乙醇浓度小于·L-1时，分子间不形成氢键，而只显示游离OH的吸收（3640cm-1）；但随着溶液中乙醇浓度的增加，游离羟基的吸收减弱，而二聚体（3515cm-1）和多聚体（3350cm-1）的吸收相继出现，并显着增加。

当乙醇浓度为mol·L-1时，主要是以多缔合形式存在，如图所示。

由于分子内氢键X—H…Y不在同一直线上，因此它的X—H伸缩振动谱带位置、强度和形状的改变，均较分子间氢键为小。

应该指出，分子内氢键不受溶液浓度的影响，因此，采用改变溶液浓度的办法进行测定，可以与分子间氢键区别。

3．振动偶合

振动偶合是指当两个化学键振动的频率相等或相近并具有一公共原子时，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”，从而形成了强烈的相互作用，这种相互作用的结果，使振动频率发生变化，一个向高频移动，一个向低频移动。

振动偶合常常出现在一些二羰基化合物中。

例如，在酸酐中，由于两个羰基的振动偶合，使vC═O的吸收峰分裂成两个峰，分别出现在1820cm-1和1760cm-1。

4．费米（Fermi）振动

当弱的倍频（或组合频）峰位于某强的基频吸收峰附近时，它们的吸收峰强度常常随之增加，或发生谱峰分裂。

这种倍频（或组合频）与基频之间的振动偶合，称为费米振动。

例如，在正丁基乙烯基醚（C4H9—O—C═CH2）中，烯基ω═CH810cm-1的倍频（约在1600cm-1）与烯基的vC═C发生费米共振，结果在1640cm-1和1613cm-1出现两个强的谱带。

（二）外部因素

外部因素主要指测定物质的状态以及溶剂效应等因素。

同一物质在不同状态时，由于分子间相互作用力不同，所得光谱也往往不同。

分之在气态时，其相互作用很弱，此时可以观察到伴随振动光谱的转动精细结构。

液态和固态分子间的作用力较强，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、强度和形状有较大改变。

例如，丙酮在气态的vC═O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、溶液的浓度和测定时的温度不同，同一物质所测得的光谱也不相同。

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，应尽量采用非极性溶剂。

关于溶液浓度对红外光谱的影响，已在前面“氢键”部分叙述。

红外谱图的解析

（二）

首先应该对各官能团的特征吸收熟记于心，因为官能团特征吸收是解析谱图的基础。

对一张已经拿到手的红外谱图：

（1）首先依据谱图推出化合物碳架类型：

根据分子式计算不饱和度，公式：

不饱和度＝F+1+（T-O）/2其中：

F：

化合价为4价的原子个数（主要是C原子），

T：

化合价为3价的原子个数（主要是N原子），

O：

化合价为1价的原子个数（主要是H原子），

举个例子：

比如苯：

C6H6，不饱和度＝6+1+（0-6）/2＝4，3个双键加一个环，正好为4个不饱和度；

（2）分析3300~2800cm^-1区域C-H伸缩振动吸收；以3000cm^-1为界:

高于3000cm^-1为不饱和碳C-H伸缩振动吸收，有可能为烯,炔,芳香化合物,而低于3000cm^-1一般为饱和C-H伸缩振动吸收；

（3）若在稍高于3000cm^-1有吸收,则应在2250~1450cm^-1频区，分析不饱和碳碳键的伸缩振动吸收特征峰，其中：

炔2200~2100cm^-1

烯1680~1640cm^-1

芳环1600,1580,1500,1450cm^-1

若已确定为烯或芳香化合物，则应进一步解析指纹区，即1000~650cm^-1的频区,以确定取代基个数和位置（顺反，邻、间、对）；

（4）碳骨架类型确定后,再依据其他官能团,如C=O,O-H,C-N等特征吸收来判定化合物的官能团；

（5）解析时应注意把描述各官能团的相关峰联系起来，以准确判定官能团的存在，如2820，2720和1750~1700cm^-1的三个峰，说明醛基的存在。

解析的过程基本就是这样，至于制样以及红外谱图软件的使用，一般的有机实验书上都有比较详细的介绍的，这里就详述了。

以下为各官能团的特征吸收峰：

1.烷烃：

C-H伸缩振动（3000-2850cm^-1），C-H弯曲振动（1465-1340cm^-1），一般饱和烃C-H伸缩均在3000cm^-1以下，接近3000cm^-1的频率吸收。

2.烯烃：

烯烃C-H伸缩（3100~3010cm^-1），C=C伸缩（1675~1640cm^-1），烯烃C-H面外弯曲振动（1000~675cm^1）。

3.炔烃：

伸缩振动（2250~2100cm^-1），炔烃C-H伸缩振动（3300cm^-1附近）。

4.芳烃：

3100~3000cm^-1芳环上C-H伸缩振动，1600~1450cm^-1C=C骨架振动，880~680cm^-1C-H面外弯曲振动。

芳香化合物重要特征:

一般在1600，1580，1500和1450cm^-1可能出现强度不等的4个峰。

880~680cm^-1，C-H面外弯曲振动吸收,依苯环上取代基个数和位置不同而发生变化，在芳香化合物红外谱图分析中,常常用此频区的吸收判别异构体。

5.醇和酚：

主要特征吸收是O-H和C-O的伸缩振动吸收，O-H自由羟基O-H的伸缩振动：

3650~3600cm^-1，为尖锐的吸收峰，

分子间氢键O-H伸缩振动：

3500~3200cm^-1，为宽的吸收峰；C-O伸缩振动：

1300~1000cm^-1，O-H面外弯曲:

769-659cm^-1

6.醚:

特征吸收:

1300~1000cm^-1的伸缩振动，脂肪醚：

1150~1060cm^-1一个强的吸收峰，芳香醚：

两个C-O伸缩振动吸收：

1270~1230cm^-1（为Ar-O伸缩），1050~1000cm^-1（为R-O伸缩）。

7.醛和酮:

醛的主要特征吸收:

1750~1700cm^-1（C=O伸缩），2820，2720cm^-1（醛基C-H伸缩），脂肪酮:

1715cm^-1,强的C=O伸缩振动吸收,如果羰基与烯键或芳环共轭会使吸收频率降低。

8.羧酸：

羧酸二聚体:

3300~2500cm^-1宽,强的O-H伸缩吸收，1720~1706cm^-1C=O吸收，1320~1210cm^-1C-O伸缩，20cm^-1成键的O-H键的面外弯曲振动。

9.酯：

饱和脂肪族酯（除甲酸酯外）的C=O吸收谱带:

1750~1735cm^-1区域，饱和酯C-C（=O）-O谱带:

1210~1163cm^-1区域，为强吸收。

10.胺：

3500~3100cm^-1,N-H伸缩振动吸收，1350~1000cm^-1,C-N伸缩振动吸收，N-H变形振动相当于CH2的剪式振动方式，其吸收带在：

1640~1560cm^-1，面外弯曲振动在900~650cm^-1。

11.腈：

腈类的光谱特征:

三键伸缩振动区域,有弱到中等的吸收，脂肪族腈2260-2240cm^-1，芳香族腈2240-2222cm^-1。

12.酰胺：

3500-3100cm^-1N-H伸缩振动，1680-1630cm^-1C=O伸缩振动，1655-1590cm^-1N-H弯曲振动，1420-1400cm^-1C-N伸缩。

13.有机卤化物：

C-X伸缩脂肪族C-F1400-730cm^-1，C-Cl850-550cm^-1，C-Br690-515cm^-1，C-I600-500cm^-1。

基团频率区

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

这种振动基团频率和特征吸收峰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、N、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.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；R2CH2基的吸收在2930cm-1和2850cm-1附近；R3CH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浆键稍弱，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）2500~1900cm-1为叁键和累积双键区，主要包括-CC、-CN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-CCH和R-CC-R两种类型：

R-CCH的伸缩振动出现在2100~2140cm-1附近；

R-CC-R出现在2190~2260cm-1附近；

R-CC-R分子是对称，则为非红外活性。

-CN基的伸缩振动在非共轭的情况下出现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，-CN基吸收比较强而尖锐。

若分子中含有O原子，且O原子离-CN基越近，-CN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：

C=O伸缩振动出现在1900~1650cm-1，是红外光谱中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

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有一定的作用。

指纹区

（1）1800（1300）cm-1~900cm-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dC-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。

利用上区域中苯环的C-H面外变形振动吸收峰和2000~1667cm-1区域苯的倍频或组合频吸收峰，可以共同配合确定苯环的取代类型。

红外光谱

红外光区划分：

通常将红外波谱区分为近红外（near-infrared），中红外（middle-infrared）和远红外（far-infrared）。

区域

波长范围（m）

波数范围（cm-1）

频率（Hz）

近红外

中红外

4000-200

1012

远红外

50-1000

200-10

1011

常用

4000-670

1013

当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收某些频率的辐射，产生分子振动能级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。

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。

通过比较大量已知化合物的红外光谱，发现：

组成分子的各种基团，如O-H、N-H、C-H、C=C、C=O和CC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。

通常把这种能代表基团存在、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。

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

因为（振动量子数的差值）△=1时，L=，所以基频峰的位置（L）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（=0）跃迁至第二激发态（=2）、第三激发态（=3），所产生的吸收峰称为倍频峰。

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

下图是双原子分子的能级示意图，图中EA和EB表示不同能量的电子能级，在每个电子能级中因振动能量不同而分为若干个=0、1、2、3……的振动能级，在同一电子能级和同一振动能级中，还因转动能量不同而分为若干个J=0、1、2、3……的转动能级。

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（0→1）2885.9cm-1最强

二倍频峰（0→2）5668.0cm-1较弱

三倍频峰（0→3）8346.9cm-1很弱

四倍频峰（0→4）10923.1cm-1极弱

五倍频峰（0→5）13396.5cm-1极弱

除此之外，还有合频峰（1+2，21+2，），差频峰（1-2，21-2，）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。