伸缩振动亚甲基课件.ppt

1、红外光谱红外光谱红外光谱基本原理红外光谱基本原理影响红外光谱吸收频率的因素影响红外光谱吸收频率的因素各类化合物的红外特征光谱各类化合物的红外特征光谱红外图谱解析红外图谱解析一、红外光谱基本原理一、红外光谱基本原理1 1、概述、概述2、红外吸收光谱产生的条件、红外吸收光谱产生的条件3、分子中基团的基本振动形式、分子中基团的基本振动形式4、红外吸收峰强度、红外吸收峰强度1、概述、概述分子中基团的振动和转动能级跃迁产生：振分子中基团的振动和转动能级跃迁产生：振- -转光谱转光谱辐射辐射分子振动能级跃迁分子振动能级跃迁红外光谱红外光谱官能团官能团分子结构分子结构近红外区近红外区14000-4000cm

2、-1中红外区中红外区4000-400cm-1远红外区远红外区400-10cm-1 物质分子吸收红外线（中红外区、即基本振动物质分子吸收红外线（中红外区、即基本振动-转转动区）产生吸收光谱动区）产生吸收光谱,主要是由于振动和转动能级跃主要是由于振动和转动能级跃迁引起的，因此红外吸收光谱又称振转光谱。迁引起的，因此红外吸收光谱又称振转光谱。红外光谱的表示方法红外光谱的表示方法纵坐标为吸收强度，纵坐标为吸收强度，透过率（透过率（T %）或吸或吸光度（光度（A A）横坐标横坐标为吸收峰的位为吸收峰的位置。置。用波长用波长 （ m ）或或波数波数1/ 单位：单位：cm-1可以用可以用峰数，峰位，峰数，峰

3、位，峰形，峰强峰形，峰强来描述。来描述。红外光谱图：红外光谱图：应用：有机化合物的结构解析应用：有机化合物的结构解析。定性：基团的特征吸收频率；定性：基团的特征吸收频率；定量：特征峰的强度；定量：特征峰的强度；back2 2、红外吸收光谱产生的条件、红外吸收光谱产生的条件 满足两个满足两个条件条件： a. 红外辐射光的频率与分子振动的频率相当，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，而产生才能满足分子振动能级跃迁所需的能量，而产生吸收光谱。吸收光谱。 E=E激激 - E基基 = V h v， V =1 V 是振动光谱的跃迁选率，是振动光谱的跃迁选率，IR主主要

4、观察的是要观察的是 V=0 V=1的吸收峰，的吸收峰，其振动频率等于红外辐射的频率，其振动频率等于红外辐射的频率，称为基频峰。称为基频峰。 V=0V=1V=2 b. b. 振动过程中必须是能引起分子偶极矩变化的分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。子才能产生红外吸收光谱。 对称分子：没有偶极矩，辐对称分子：没有偶极矩，辐射不能引起共振，无红外活性。射不能引起共振，无红外活性。 如：如：N2、O2、Cl2 等。等。 非对称分子：有偶极矩，红非对称分子：有偶极矩，红外活性。外活性。 偶极子在交变电场中的作用示偶极子在交变电场中的作用示意图。意图。 注意：不是所有的振动都

5、能引起红外吸收，只有偶极矩注意：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。发生变化的，才能有红外吸收。 back3、分子中基团的基本振动形式、分子中基团的基本振动形式分子的振动可以分为伸缩振动和弯曲振动两大类。分子的振动可以分为伸缩振动和弯曲振动两大类。（1）伸缩振动）伸缩振动 原子沿键轴方向伸缩，键长发生变化而键原子沿键轴方向伸缩，键长发生变化而键角不变的振动称为伸缩振动，用符号角不变的振动称为伸缩振动，用符号 表示。表示。它又可以分为对称伸缩振动（它又可以分为对称伸缩振动（ s）和不对称）和不对称伸缩振动（伸缩振动（ as ）。对同一基团，不对称伸）。对

6、同一基团，不对称伸缩振动的频率要稍高于对称伸缩振动。缩振动的频率要稍高于对称伸缩振动。伸缩振动伸缩振动 亚甲基：亚甲基：（2）变形振动（又称弯曲振动或变角振动）变形振动（又称弯曲振动或变角振动） 基团键角发生周期变化而键长不变的振动称为变形振动，用基团键角发生周期变化而键长不变的振动称为变形振动，用符号符号 表示。变形振动又分为面内变形和面外变形振动。面内变形振表示。变形振动又分为面内变形和面外变形振动。面内变形振动又分为剪式（以动又分为剪式（以 表示表示）和平面摇摆振动（以）和平面摇摆振动（以 表示表示）。面外变形）。面外变形振动又分为非平面摇摆（以振动又分为非平面摇摆（以 表示表示）和扭曲

7、振动（以）和扭曲振动（以 表示表示）。）。 由于变形振动的力常数比伸缩振动的小，因此，同一基团的变由于变形振动的力常数比伸缩振动的小，因此，同一基团的变形振动都在其伸缩振动的低频端出现。形振动都在其伸缩振动的低频端出现。变形振动变形振动 亚甲基：亚甲基：back4、红外吸收峰强度、红外吸收峰强度 a、峰位、峰位 化学键的力常数化学键的力常数K越大，原子折合质量越小，键的振动越大，原子折合质量越小，键的振动频率越大，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）。数区（高波长区）。例水分子例水分子（非对称分子）（

8、非对称分子） b、峰数、峰数 峰数与分子自由度有关。无瞬间偶极矩变化时，峰数与分子自由度有关。无瞬间偶极矩变化时，无红外吸收。无红外吸收。3、峰强、峰强 瞬间偶基距变化大，吸收峰强瞬间偶基距变化大，吸收峰强 红外吸收谱带的强度取决于分子振动时偶极矩的变化，而偶极矩与红外吸收谱带的强度取决于分子振动时偶极矩的变化，而偶极矩与分子结构的对称性有关。分子结构的对称性有关。振动的对称性越高，振动中分子偶极矩变化越振动的对称性越高，振动中分子偶极矩变化越小，谱带强度也就越弱。小，谱带强度也就越弱。一般地，极性较强的基团（如一般地，极性较强的基团（如C=0C=0，C-XC-X等）振等）振动，吸收强度较大；

9、极性较弱的基团（如动，吸收强度较大；极性较弱的基团（如C=CC=C、C-CC-C、N=NN=N等）振动，吸等）振动，吸收较弱。收较弱。红外光谱的吸收强度一般定性地用很强红外光谱的吸收强度一般定性地用很强（VS）、强强（s）、中中（m）、弱弱（w）和很弱和很弱（vw）等表示。按摩尔吸光系数等表示。按摩尔吸光系数 的大小划分吸的大小划分吸收峰的强弱等级，具体如下：收峰的强弱等级，具体如下： 非常强峰非常强峰（vs） 100 强峰强峰（s） 20 100 中强峰中强峰（m） 10 20 弱峰弱峰（w） 1 3000 cm-1) b)C=C 伸缩振动伸缩振动(1680-1630 cm-1 )c)C-H

10、 变形振动变形振动(1000-700 cm-1 )面内变形面内变形 （=C-H）1400-1420 cm-1 （弱）弱）面外变形面外变形 （=C-H） 1000-700 cm-1 （有价值）有价值）炔烃化合物炔烃化合物C-H伸缩振动：伸缩振动：3340-3300厘米厘米-1，波数高于，波数高于烯烃和芳香烃，峰形尖锐。烯烃和芳香烃，峰形尖锐。C-C叁键伸缩振动：叁键伸缩振动：2100厘米厘米-1 ，峰形尖锐，峰形尖锐，强度中到弱。干扰少，位置特征。末端炔强度中到弱。干扰少，位置特征。末端炔基该吸收强。分子对称性强时，该吸收较基该吸收强。分子对称性强时，该吸收较弱。弱。腈类化合物：腈类化合物：C-

11、N叁键伸缩振动出现在叁键伸缩振动出现在2300-2220厘米厘米-1，波数比炔烃略高，吸收强度，波数比炔烃略高，吸收强度大。大。丙二烯类丙二烯类 两个双键共用中间碳原子，耦合强烈，两个双键共用中间碳原子，耦合强烈，16001600厘米厘米-1-1无吸收，在无吸收，在2000-19152000-1915厘米厘米-1-1和和1100-10001100-1000厘米厘米-1-1附近有不对称和对称身下厮附近有不对称和对称身下厮守，两峰相距守，两峰相距900900厘米厘米-1-1，前者为中强峰，后，前者为中强峰，后者为弱峰。者为弱峰。芳香烃芳香烃 振动类型振动类型波数（波数（cm-1）说明说明芳环芳环C

12、-H伸缩振伸缩振动动305050强度不定强度不定骨架振动骨架振动16501450峰形尖锐，通常为峰形尖锐，通常为4个峰，但不一定同时个峰，但不一定同时出现出现C-H弯曲振动弯曲振动（面外）（面外）910650随取代情况改变随取代情况改变1600 2000cm-1倍频吸收，确定取代苯的重要旁证。倍频吸收，确定取代苯的重要旁证。取代苯的取代苯的C-H面外弯曲振动吸收峰位置面外弯曲振动吸收峰位置取代类型取代类型C-HC-H面外弯曲振动吸收峰位置（面外弯曲振动吸收峰位置（cmcm-1-1）苯苯670670单取代单取代770-730770-730，710-690710-690二取代二取代1 1，2-2-

13、770-735770-7351 1，3-3-810-750810-750，710-690710-6901 1，4-4-833-810833-810三取代三取代1 1，2 2，3-3-780-760780-760，745-705745-7051 1，2 2，4-4-885-870885-870，825-805825-8051 1，3 3，5-5-865-810865-810，730-675730-675四取代四取代1 1，2 2，3 3，4-4-810-800810-8001 1，2 2，3 3，5-5-850-840850-8401 1，2 2，4 4，5-5-870-855870-855五取

14、代五取代870870卤代烃卤代烃 （ C-XC-X ） 随卤素原子量增加，随卤素原子量增加，C-X伸缩振动逐渐降低伸缩振动逐渐降低: C-F 1400 1100cm-1 ; C-Cl 785 540cm-1 ; C-Br 650 510cm-1 ; C-I 600 485cm-1 易受邻近基团影响，易受邻近基团影响，IR鉴定受到限制。鉴定受到限制。醇、酚和醚醇、酚和醚基团基团吸收位置（吸收位置（cm-1）说明说明OH36503580（游离）（游离）35503450（二聚体）（二聚体）34003200（多聚体）（多聚体）3600-2500（分子内缔合）（分子内缔合）尖尖中强，较尖中强，较尖强，宽

15、强，宽宽，散宽，散CO1050（伯）（伯）1100（仲）（仲）1150（叔）（叔）1200（酚）（酚）强，有时发生裂分强，有时发生裂分HO15001250650面内弯曲，强，宽面内弯曲，强，宽面外弯曲，宽面外弯曲，宽醇和酚存在三个特征吸收：羟基醇和酚存在三个特征吸收：羟基OH 伸缩振动和弯曲振动，伸缩振动和弯曲振动，C-O伸缩振动。伸缩振动。 羧酸及其衍生物羧酸及其衍生物1.1.O OH H 伸缩振动吸收峰：二聚体伸缩振动吸收峰：二聚体3000300025002500cmcm-1-1； 2.CH 伸缩振动吸收峰：伸缩振动吸收峰： 3.CO 伸缩振动吸收峰：伸缩振动吸收峰：17251700cm-

16、1（脂肪脂肪族羧酸），族羧酸），17001680cm-1 （芳香族羧酸）。芳香族羧酸）。 羧酸和羧酸盐羧酸和羧酸盐CO2-的对称伸缩振动，的对称伸缩振动，1650-1540，最强峰，反对称伸缩振动，最强峰，反对称伸缩振动，1420-1300，强峰强峰酸酐酸酐1. CO伸缩振动：在伸缩振动：在18501780cm-1、17901740cm-1两处同时出现。两处同时出现。 2. COC伸缩振动：伸缩振动：13001050cm-1（强强吸收）。吸收）。 有两个羰基伸缩振动，相差有两个羰基伸缩振动，相差60厘米厘米-1，反对，反对称伸缩位于高频区，对称伸缩振动位于低频称伸缩位于高频区，对称伸缩振动位于

17、低频区。开链酸酐的高波数峰比低波数峰强，有区。开链酸酐的高波数峰比低波数峰强，有张力的环状酸酐两峰的相对强度正好相反，张力的环状酸酐两峰的相对强度正好相反，强度差别比开链酸酐悬殊。强度差别比开链酸酐悬殊。酰卤酰卤 1.卤素原子直接与羰基相连，强诱导效应使羰卤素原子直接与羰基相连，强诱导效应使羰基伸缩振动大大升高。脂肪族位于基伸缩振动大大升高。脂肪族位于1800厘米厘米-1附近。附近。 2.C-X伸缩振动：脂肪族伸缩振动：脂肪族1000-910厘米厘米-1，峰形宽大，芳香族峰形宽大，芳香族1250-1110厘米厘米-1，通常，通常分裂为数个峰。分裂为数个峰。 3.C-X弯曲振动：弯曲振动：131

18、0-1040厘米厘米-1酰胺酰胺1.N-H1.N-H伸缩振动：伸缩振动：3540-31253540-3125厘米厘米-1-1，伯酰胺，伯酰胺为强度相近的双峰，相距为强度相近的双峰，相距120120厘米厘米-1-1，仲酰，仲酰胺为单峰，叔酰胺无此峰。胺为单峰，叔酰胺无此峰。2.2.羰基伸缩振动：羰基伸缩振动：1690-16201690-1620厘米厘米-1-1（酰胺（酰胺I I峰）峰）3.N-H3.N-H弯曲振动弯曲振动+ +C-NC-N伸缩振动：伸缩振动：1650-15801650-1580厘厘米米-1-1（酰胺（酰胺IIII峰）峰）4.C-N4.C-N伸缩振动：伸缩振动：1430-1050

19、1430-1050 （酰胺（酰胺IIIIII峰）峰）不同酰胺吸收峰数据不同酰胺吸收峰数据谱谱带带类类型型谱谱带带名名称称游游离离缔缔合合（N N- -H H）3 35 50 00 0 cm-13 34 40 00 0 cm-13 33 35 50 0- -3 31 10 00 0 几几个个峰峰（C C= =O O）酰酰胺胺谱谱带带1 16 69 90 0 cm-11 16 65 50 0 cm-1（N N- -H H）（面面内内） 酰酰胺胺谱谱带带1 16 60 00 0 cm-11 16 64 40 0 cm-1（）酰酰胺胺谱谱带带1 14 40 00 0 cm-1伯伯酰酰胺胺（N N- -

20、H H）（面面外外） 酰酰胺胺谱谱带带 7 70 00 0 cm-1（N N- -H H）3 34 44 40 0 cm-13 33 33 30 0 cm-13070 cm-1（N N- -H H）（面面内内）倍倍频频（C C= =O O）酰酰胺胺谱谱带带1 16 68 80 0 cm-1 16 65 55 5 cm-（N N- -H H）（面面内内） 酰酰胺胺谱谱带带1 15 53 30 0 cm-1 15 55 50 0 cm-（）酰酰胺胺谱谱带带1 12 26 60 0 cm-1 12 29 90 0 cm-（N N- -H H）（面面外外） 酰酰胺胺谱谱带带 7 70 00 0 cm-

21、1仲仲酰酰胺胺( (O OC CN N) )酰酰胺胺谱谱带带 6 65 50 0 cm-1（C C= =O O）1 16 65 50 0 cm-11 16 65 50 0 cm-1叔叔酰酰胺胺（）1 11 18 80 0- -1 10 06 60 0 cm-1胺、亚胺和胺盐胺、亚胺和胺盐特征吸收特征吸收化合物化合物吸收峰位置吸收峰位置(cm-1)吸收峰特征吸收峰特征NH伸缩伸缩振动振动伯胺类伯胺类3500-3300两个峰，强度中两个峰，强度中 仲胺类仲胺类3500-3300一个峰，强度中一个峰，强度中 亚胺类亚胺类3400-3300一个峰，强度中一个峰，强度中NH弯曲弯曲振动振动伯胺类伯胺类1

22、650-1590强度强，中强度强，中 仲胺类仲胺类1650-1550强度极弱强度极弱C-N振动振动芳香芳香胺胺伯伯1340-1250强度强强度强 仲仲1350-1280强度强强度强 叔叔1360-1310强度强强度强 脂肪脂肪胺胺 1220-1020强度中，弱强度中，弱 1410强度弱强度弱Back四、红外图谱解析四、红外图谱解析 在定性分析过程中，除了获得清晰可靠的图谱外，最重要的在定性分析过程中，除了获得清晰可靠的图谱外，最重要的是对谱图作出正确的解析。是对谱图作出正确的解析。 所谓所谓谱图的解析谱图的解析就是根据实验所测绘的红外光谱图的就是根据实验所测绘的红外光谱图的吸收峰吸收峰位置、强

23、度和形状位置、强度和形状，利用基团振动频率与分子结构的关系，确定利用基团振动频率与分子结构的关系，确定吸收带的归属，确认分子中所含的基团或键吸收带的归属，确认分子中所含的基团或键，进而推定分子的结，进而推定分子的结构。构。 简单地说，简单地说，就是根据红外光谱所提供的信息，正确地把化合就是根据红外光谱所提供的信息，正确地把化合物的结构物的结构 “翻译翻译”出来出来。往往还需结合其他实验资料，。往往还需结合其他实验资料，如相对分如相对分子质量、物理常数、紫外光谱、核磁共振波谱及质谱等数据才能子质量、物理常数、紫外光谱、核磁共振波谱及质谱等数据才能正确判断其结构。正确判断其结构。红外光谱的分区红外

24、光谱的分区400-2500cm-1:这是这是X-H单键的伸缩振动区。单键的伸缩振动区。2500-2000cm-1:此处为叁键和累积双键伸缩此处为叁键和累积双键伸缩振动区振动区2000-1500cm-1:此处为双键伸缩振动区此处为双键伸缩振动区1500-600cm-1:此区域主要提供此区域主要提供C-H弯曲振动弯曲振动的信息的信息 红外图谱的解析步骤红外图谱的解析步骤 1）准备工作）准备工作 在进行未知物光谱解析之前，必须对样品有透彻的了解，在进行未知物光谱解析之前，必须对样品有透彻的了解，例如例如样品的来源、外观，根据样品存在的形态，选择适当的样品的来源、外观，根据样品存在的形态，选择适当的制

25、样方法制样方法；注意视察；注意视察样品的颜色、气味等，它们住往是判断样品的颜色、气味等，它们住往是判断未知物结构的佐证未知物结构的佐证。还应注意样品的。还应注意样品的纯度以及样品的元素分纯度以及样品的元素分析及其它物理常数的测定结果析及其它物理常数的测定结果。元素分析是推断未知样品结。元素分析是推断未知样品结构的另一依据。样品的相对分子质量、沸点、熔点、折光率、构的另一依据。样品的相对分子质量、沸点、熔点、折光率、旋光率等物理常数，可作光谱解释的旁证，并有助于缩小化旋光率等物理常数，可作光谱解释的旁证，并有助于缩小化合物的范围。合物的范围。 2）确定未知物的不饱和度）确定未知物的不饱和度 由元

26、素分析的结果可求出化合由元素分析的结果可求出化合 物的经验式，由相对物的经验式，由相对分子质量可求出其化学式，并求出不饱和度。分子质量可求出其化学式，并求出不饱和度。 从不饱和度可从不饱和度可推出化合物可能的范围。推出化合物可能的范围。 不饱和度是表示有机分子中碳原子的不饱和程度。计算不饱和度是表示有机分子中碳原子的不饱和程度。计算不饱和度不饱和度 的经验公式为：的经验公式为： =1+n4+(n3-n1)/2 式中式中n4、n3、n1分别为分子中所含的四价、三价和一价元素原分别为分子中所含的四价、三价和一价元素原子的数目。子的数目。 二价原子如二价原子如S、O等不参加计算等不参加计算。 当计算

27、得：当计算得： 当当 =0时，表示分子是饱和的，应在时，表示分子是饱和的，应在 链状烃及其不含双链状烃及其不含双键的衍生物键的衍生物。 当当 =1时，可能有一个时，可能有一个双键或脂环双键或脂环； 当当 =2时，可能有时，可能有 两个双键和脂环两个双键和脂环，也可能有一个，也可能有一个 叁键叁键； 当当 =4时，可能有一个时，可能有一个苯环苯环等。等。 3）官能团分析）官能团分析 根据官能团的初步分析可以排除一部分结构的可能性，肯定根据官能团的初步分析可以排除一部分结构的可能性，肯定某些可能存在的结构，并初步可以推测化合物的类别。某些可能存在的结构，并初步可以推测化合物的类别。 在红外光谱官能

28、团初审八个较重要的区域列表如下在红外光谱官能团初审八个较重要的区域列表如下: 根据上表可以粗略估计可能存在的基团，并推测其可能的根据上表可以粗略估计可能存在的基团，并推测其可能的化合物类别，然后进行红外的图谱解析。化合物类别，然后进行红外的图谱解析。4）图谱解析）图谱解析 图谱的解析主要是靠长期的实践、经验的积累，至今仍没图谱的解析主要是靠长期的实践、经验的积累，至今仍没有一个特定的办法。一般程序是有一个特定的办法。一般程序是先官能团区，后指纹区；先强先官能团区，后指纹区；先强峰后弱峰；先否定后肯定峰后弱峰；先否定后肯定。 首先在官能团区（首先在官能团区（40001300cm-1）搜寻官能团的

29、特征搜寻官能团的特征伸缩振动伸缩振动，再根据指纹区的吸收情况，进一步确认该基团的存再根据指纹区的吸收情况，进一步确认该基团的存在以及与其它基团的结合方式在以及与其它基团的结合方式。如果是芳香族化合物，应定出。如果是芳香族化合物，应定出苯环取代位置。苯环取代位置。5）查阅标准谱图集）查阅标准谱图集几种标准谱图几种标准谱图（1）萨特勒（）萨特勒（Sadtler）标准红外光谱图标准红外光谱图（2）Sigma Fourier红外光谱图库红外光谱图库（3）Aldrich( (奥德里奇奥德里奇) )红外谱图库红外谱图库 萨特勒红外谱图集是较常用的谱图集，数据库，网上资萨特勒红外谱图集是较常用的谱图集，数据库，网上资源源