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1、2023/10/30,一、红外光谱的基本概念,注：,红外光区的划分如下表：,根据实验技术和应用的不同，将红外光区分成三个区:近红外区、中红外区、远红外区。其中中红外区是研究和应用最多的区域，一般说的红外光谱就是指中红外区的红外光谱.,3.红外光区的划分,2023/10/30,原子核转变,电磁转动,分子转动,分子振动,外层电子的跃迁,内层电子的跃迁,Interaction,Region,Wavelength(cm-1),Wavelength(m),4000 cm-1(2.5m),400 cm-1(25m),谱区范围,2023/10/30,红外光谱的三个波区和能级跃迁类型,可按波长将红外光谱分为近
2、红外 中红外和远红外三个波区,中红外区对应分子振动基态到第一激发态的跃迁,可伴随转动能级的跃迁,是最为常用的红外光谱区.,2023/10/30,一、红外光谱的基本概念,1.红外光谱的定义,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，并由其振动运动或转动运动引起偶极矩的净变化，产生的分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，从而形成的分子吸收光谱称为红外光谱。又称为分子振动转动光谱。利用物质对红外光区电磁辐射的选择性吸收的特性来进行结构分析、定性和定量的分析方法，称红外吸收光谱法。,2.红外活性分子和非红外活性分子,产生红外吸收的分子称为红外活性分子，如CO2分子；反之为非红外活
3、性分子,如O2分子。,2023/10/30,一、红外光谱的基本概念,水分子是非线型分子，振动自由度：33-6=3个振动形式，分别为不对称伸缩振动、对称伸缩振动和变形振动。这三种振动皆有偶极矩的变化是红外活性的。如图所示:,下面以水分子的振动为例加以说明：,2023/10/30,一、红外光谱的基本概念,H2O振动flash,2023/10/30,一、红外光谱的基本概念,CO2振动flash,2023/10/30,红外光谱的作用,绝大多数有机化合物的基频吸收带出现在MIR光 区。基频振动是红外光谱中吸收最强的振动，最适于 进行红外光谱的定性和定量分析。中红外光谱仪最为 成熟、简单，因此它是应用极为
4、广泛的光谱区。通常,中红外光谱法又简称为红外光谱法。红外光谱是鉴别物质和分析物质化学结构的有效手段，已被广泛应用于物质的定性鉴别、物相分析和定量测定，并用于研究分子间和分子内部的相互作用。,2023/10/30,二、红外光谱的应用,红外光谱的最大特点是具有特征性，谱图上的每个吸收峰代表了分子中某个基团的特定振动形式。据此进行化合物的定性分析和定量分析。广泛应用于石油化工、生物医药、环境监测等方面。,（1）已知物的鉴定 在得到试样的红外谱图后，与纯物质的谱图进行比较，如果谱图中峰位、峰形和峰的相对强度都一致，即可认为是同一物质。,1.定性分析,（2）未知物的鉴定 是红外光谱法定性分析的一个重要用
5、途，涉及到图谱的解析。,首先应了解样品的来源、用途、制备方法、分离方法、理化性质、元素组成及其它光谱分析数据如UV、NMR、MS等有助于对样品结构信息的归属和辨认。,2023/10/30,红外吸收峰,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。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。,2023/10/30,红外吸收峰,红外光谱区可分成4000 cm-1 130
6、0 cm-1、1300 cm-1 600 cm-1两个区域。4000 cm-1 1300 cm-1 之间，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（最有分析价值）。1300 cm-1 600 cm-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。（作为化合物存在某种基团的旁证）,2023/10/30,特征区（官能团区）分为三个区域：,（1）4000 2500 cm-1 X-H伸缩振动区
7、（X可以是O、H、C或S等原子）O-H基的伸缩振动出现在3650 3200 cm-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。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 3200 cm-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35003100 cm-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3000 cm-1以下，约30002800 cm-1，取代基对它们影响很小；不饱和的C-H伸缩振动出现在3000 cm-1以上，以此来判别化合物中是否含有不饱和的C-H键
8、；苯环的C-H键伸缩振动出现在3030 cm-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。,2023/10/30,特征区（官能团区）分为三个区域：,（2）25001900 为叁键和累积双键区。主要包括-CC、-CN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-CCH和R-C C-R两种类型，R-CCH的伸缩振动出现在21002140 cm-1附近；R-C C-R出现在21902260 cm-1附近；-C N基的 伸缩振动在非共轭的情况下出现在22402260 cm-1附近。当与不饱和键或芳香核共轭时，该峰位移到22
9、202230 cm-1附近。,2023/10/30,特征区（官能团区）分为三个区域：,（3）19001200 cm-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19001650 cm-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。C=C伸缩振动：烯烃 的C=C伸缩振动出现在16801620 cm-1，一般很弱；单核芳烃的C=C伸缩振动出现在1600 cm-1和1500 cm-1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。苯的衍生物的泛频谱带：出现在20001
10、650 cm-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。,2023/10/30,指纹区,1、1300900 cm-1区域 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1375 cm-1的谱带为甲基的C-H对称弯曲振动，对识别甲基十分有用，C-O的伸缩振动在13001000 cm-1，是该区域最强的峰，也较易识别。2、900650 cm-1区域 某些吸收峰可用来确认化合物的顺反构型。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
11、。对于RCH=CH2结构，在990 cm-1和910 cm-1出现两个强峰；为RC=CRH结构是，其顺、反构型分别在690 cm-1和970 cm-1出现吸收峰，可以共同配合确定苯环的取代类型。,2023/10/30,2023/10/30,红外谱图的区域,N-HO-HC-H,C=NC=C,C=OC=NC=C,指纹区,2023/10/30,红外光谱解析程序,先特征、后指纹；先强峰，后次强峰；先粗查，后 细找；先否定，后肯定;寻找有关一组相关峰佐证先识别特征区的第一强峰，找出其相关峰，并进行 峰归属再识别特征区的第二强峰，找出其相关峰，并进行 峰归属 结合NMR、MS、UV等，进行结构确证（四谱）
12、几种标准谱图（1）萨特勒（Sadtler）标准红外光谱图（2）Aldrich红外谱图库（3）Sigma Fourier红外光谱图库,2023/10/30,四、红外光谱的应用,下面列举两例加以说明：,例一：化合物C8H8O2的红外光谱如右图所示，试推测其结构。,解：计算不饱和度：,3000 cm-1有吸收，说明有 和=C-H基团存在。靠近1700 cm-1的强度吸收，表明有C=O基团，结合2730 cm-1特征峰，进一步说明有醛基 存在，1600、1520 cm-1有吸收说明有苯环存在。根据820 cm-1吸收带苯为对位取代.1460、1390 cm-1是CH3特征吸收峰，根据以上解析并对照标准
13、谱图确定化合物为茴香醛:,2023/10/30,二、红外光谱的应用,下面列举例加以说明：,（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），例如：比如苯：C6H6，不饱和度6+1+（0-6）/24，3个双键加一个环，正好为4个不饱和度；,2023/10/30,三、样品制备技术,1.对试样的要求,2.制样方法,2023/10/30,三、样品制备技术,1.对试样的要求,(1)试样应该是单一组分的纯物质，纯度应98
14、%，便于与纯化合物的标准进行对照。多组分试样应在测定前尽量预先用分馏、萃取、重结晶、区域熔融或色谱法进行分离提纯。(2)试样中不应含有游离水。水本身有红外吸收，会严重干扰样品谱，而且还会侵蚀吸收池的盐窗。(3)试样的浓度和测试厚度应选择适当，以使光谱图中的大多数吸收峰的透射比处于10%80%范围内。,2023/10/30,三、样品制备技术,(1)固体样品的制备 a.压片法:将12mg固体试样与200mg纯KBr研细混合，研磨到粒度小于2m，在油压机上压成透明薄片，即可用于测定。b.糊状法:研细的固体粉末和石蜡油调成糊状，涂在两盐窗上，进行测试。此法可消除水峰的干扰。液体石蜡本身有红外吸收，此法
15、不能用来研究饱和烷烃的红外吸收。,2.制样方法,2023/10/30,三、样品制备技术,(2)液体样品的制备 a.液膜法:对沸点较高的液体，直接滴在两块盐片之间，形成没有气泡的毛细厚度液膜，然后用夹具固定，放入仪器光路中进行测试。b.液体吸收池法:对于低沸点液体样品和定量分析，要用固定密封液体池。制样时液体池倾斜放置，样品从下口注入，直至液体被充满为止，用聚四氟乙烯塞子依次堵塞池的入口和出口，进行测试。,(3)气态样品的制备:气态样品一般都灌注于气体池内进行测试。,2023/10/30,三、样品制备技术,(4)特殊样品的制备薄膜法:a.熔融法:对熔点低，在熔融时不发生分解、升华和其它化学变化的
16、物质，用熔融法制备。可将样品直接用红外灯或电吹风加热熔融后涂制成膜。b.热压成膜法:对于某些聚合物可把它们放在两块具有抛光面的金属块间加热，样品熔融后立即用油压机加压，冷却后揭下薄膜夹在夹具中直接测试。c.溶液制膜法:将试样溶解在低沸点的易挥发溶剂中，涂在盐片上，待溶剂挥发后成膜来测定。如果溶剂和样品不溶于水，使它们在水面上成膜也是可行的。比水重的溶剂在汞表面成膜。,2023/10/30,下面是几个不成功的制样图与一张合适的图比较,合适的样图,三、样品制备技术,2023/10/30,不合适的样图,三、样品制备技术,2023/10/30,较合适的样图,三、样品制备技术,2023/10/30,极不
17、合适的样图,三、样品制备技术,2023/10/30,聚乙烯和聚苯乙烯膜的红外吸收光谱的测绘薄膜法制样,1、目的要求（1）学习聚乙烯和聚苯乙烯膜的红外吸收光谱的测绘方法（2）学习对该谱图的解释，掌握红外吸收光谱分析基本原理（3）学习红外分光光度计的工作原理及其使用方法,本次实验,2023/10/30,实验基本原理,在由乙烯聚合成聚乙烯的过程中，乙烯的双键被打开，聚合生成-(-CH2-CH2-)-n长链，因而聚乙烯分子中原子基团是饱和的亚甲基，其红外吸收光谱如图1所示。,在聚苯乙烯的结构中，除了亚甲基和次甲基外，还有苯环上不饱和碳氢基团和碳碳骨架，它们构成了聚苯乙烯分子中基团的基本振动形式。其红外
18、吸收光谱如图2所示。,2023/10/30,谱图1-聚乙烯(POLY)的红外吸收谱图,Transmittance 透射比，透射率，透过率,2023/10/30,谱图2-聚苯乙烯(polystyrene)的红外吸收光谱图,Transmittance 透射比，透射率，透过率,2023/10/30,美国尼高力-傅立叶变换红外光谱仪,2023/10/30,岛津IRPrestige-21型傅里叶变换红外分光光度计,常用ATR装置及特点,水平型ATR装置(45入射角),晶体面积大，灵敏度高 适用范围-液体与胶状样品 固体样品，如纸张、布、纱线等 金属或树脂表面的涂层(1m)-聚合物膜，纸张，涂料-固体基底
19、上镀膜，层状膜,2023/10/30,仪器,生产厂家：美国尼高力（1999年购买）傅立叶变换红外光谱仪型号：AVATAR360特点（1）分辨率高；（2）测定精度高；（3）光谱范围广（4）测量速度快,2023/10/30,仪器设备（组成）,1、光谱仪2、计算机、打印机、数据采集卡3、软件（操作系统WINDOWS95/98；应用软件EZ.OMNIC E.S.P),2023/10/30,五、Fourier变换红外光谱仪(FTIR仪),1.仪器组成及工作原理,付立叶变换红外光谱仪主要由光源(硅碳棒、高压汞灯)、Michellson干涉仪、检测器、计算机和记录仪组成,2023/10/30,Fourier
20、变换 红外光谱仪工作原理,2023/10/30,2023/10/30,仪器操作及工作环境,检查冷却排气孔，应不被堵塞。打开稳压电源，开计算机显示屏、打印机、计算机主机；待电压稳定，最后打开光学台的开关，电源指示灯亮、扫描指示灯不断闪烁。待光学台预热至少15分钟后，最好是1个小时后，再进行样品测试。制样：液体样品应干燥至无水；制样应在红外灯照射下进行，防止吸潮；固体样品取量应适量，压片要透明。,一、操作规程,2023/10/30,一、操作规程,迅速打开样品仓滑动门，快速将样品架插入样品支架，立即关闭样品仓（操作过程应屏住呼吸，防止较多的水、二氧化碳进入样品仓）。用EASY OMNIC软件控制采集
21、样品光谱数据，背景光谱数据，得出样品的红外光谱图。取出样品，迅速关好样品仓。键盘控制用OMNIC处理谱图数据。用打印机输出光谱图关闭光学台、计算机、打印机、显示屏电源。,2023/10/30,工作环境要求,1、湿度：60%2、温度：18-253、电源：电压稳定，接地线4、工作台稳固。,2023/10/30,软件操作,1、打开程序2、详细操作（动手操作演示）3、谱图处理4、打印光谱图,2023/10/30,试样,试样卡片的制作 取厚度均为5m的30*50mm2的聚乙烯和聚苯乙烯膜各一张。另取50mm*100mm的硬纸板四张，将他们中间开成直径25mm的圆形口，然后把薄膜分别粘夹在两张硬纸板圆形口
22、上，即制成试样卡片。,2023/10/30,卡片式样图,2023/10/30,实验条件,1、测定波长范围2.5-25m（波数4000-400cm-1；2、参比物：空气3、温度：20；湿度：60%,2023/10/30,实验步骤,1、开机预热2、制作试样3、测试样品,4、处理数据(1)记录实验条件(2)在红外吸收谱图上，从高波数到低波数，标出个特征吸收风的频率，并指出各特征吸收峰属于何种基团的什么形式的振动。(3)得出结论：估计试样是什么物质。,5、关闭仪器,2023/10/30,注意事项,1、实验报告要求（1）常规要求（2）附上红外吸收光谱图（3）对红外吸收谱图要有分析过程,2023/10/30,思考题,1、对于试样有什么要求？2、操作红外光谱仪时要注意什么？,
