科研知識-紅外光譜（FT-IR）全面講解

FT-IR是什么？原理是什么？

FT-IR，全稱傅里葉變換紅外光譜儀。一定頻率的紅外線經(jīng)過分子時，被分子中相同振動頻率的鍵振動吸收，記錄透過率T%對波數(shù)或波長的曲線，即為紅外光譜，又稱分子振動轉(zhuǎn)動光譜。橫坐標一般為吸收波長（μm）或吸收頻率（波數(shù)/cm），

縱坐標常用百分透過率T%表示。從譜圖中可得到的信息有：1）吸收峰位置；2）吸收峰強度，常用vs（very strong）s（strong）m（medium）w（ weak）vw（very weak）b（broad）sh（sharp）v（variable）表示；3）吸收峰的形狀。

產(chǎn)生紅外吸收的條件

(1)分子振動時，必須伴隨有瞬時偶極矩的變化。

對稱分子：沒有偶極矩，輻射不能引起共振，無紅外活性，如，N2、O2、Cl2等。

非對稱分子：有偶極矩，紅外活性。

(2)只有當照射分子的紅外輻射的頻率與分子某種振動方式的頻率相同時，分子吸收能量后，從基態(tài)振動能級躍遷到較高能量的振動能級，從而在圖譜上出現(xiàn)相應(yīng)的吸收帶。

FT-IR中分子的振動類型有什么？

伸縮振動：鍵長變動，包括：對稱與非對稱伸縮振動；彎曲振動：鍵角變動，包括剪式振動、平面搖擺、非平面搖擺、扭曲振動

FT-IR中峰數(shù)有沒有計算方法？

含有n個原子的分子，自由度為：

線性分子3n-5個

非線性分子3n-6個

理論上每個自由度在紅外中可產(chǎn)生1個吸收峰，實際上紅外光譜中的峰數(shù)少于基本振動的自由度，原因有：1）振動過程中，伴隨有偶極矩的振動才能產(chǎn)生吸收峰；2）頻率相同的吸收峰，彼此之間發(fā)生減并重疊；3）強、寬峰覆蓋相近的弱、窄峰；4）部分峰落在中紅外區(qū)之外；5）吸收峰太弱，儀器檢測不出來。

以二氧化碳的吸收峰為例：

實際只有2349和667兩個吸收峰。

影響FT-IR中峰位的因素有哪些？

誘導(dǎo)效應(yīng)使振動頻率向高波數(shù)移動；共軛效應(yīng)使振動頻率向低波數(shù)移動；氫鍵效應(yīng)使伸縮頻率降低，分子內(nèi)氫鍵對峰位影響大且不受濃度影響，分子間氫鍵受濃度影響較大，濃度稀釋，吸收峰位置發(fā)生改變；碳原子雜化軌道中s成分增加，鍵能增加，伸縮振動頻率增加；溶劑極性增加，則極性基團的伸縮振動頻率減小。

譜帶的位置所在，可作為指示一定基團存在的依據(jù)。某一基團的特征頻率又取決于原子的質(zhì)量、化學(xué)鍵的力學(xué)常數(shù)以及原子的幾何排布。原子質(zhì)量越小，伸縮振動的頻率越高；反之，伸縮振動頻率越低。如：

對于C-C, C=C、C≡C鍵，原子質(zhì)量雖然相同，但化學(xué)鍵強度不同。化學(xué)鍵越強，其力常數(shù)越大，振動能級間距越大，分子從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)所需能量越大，振動頻率越高，吸收峰往高波數(shù)遞增。

化學(xué)鍵強度：C-C＜C=C＜C≡C

力 常 數(shù)：kC-C＜kC=C＜kC≡C

吸收峰位置：1000 1640~1660 2000~2300

FT-IR的區(qū)域如何劃分？

1.近紅外區(qū)（泛頻區(qū)13158~4000cm-1）：

-OH，-NH，-CH的特征吸收區(qū)（組成及定量分析）

2.中紅外區(qū)（基本振動區(qū)4000~400cm-1）：

絕大多數(shù)有機和無機化合物的化學(xué)鍵振動基頻區(qū)，分子中原子的振動及分子轉(zhuǎn)動，化合物鑒定的重要區(qū)域。大量的實驗證明，許多的基團和化學(xué)鍵其頻率對應(yīng)關(guān)系在4000~1300cm-1區(qū)域能明確體現(xiàn)出來，此區(qū)域稱為基團特征頻率區(qū)。

3.遠紅外區(qū)（轉(zhuǎn)動區(qū)400~10cm-1）：

金屬有機化合物的鍵振動，分子轉(zhuǎn)動、晶格振動

FT-IR中應(yīng)熟記的值有哪些？

1.烷烴：C-H伸縮振動(3000-2850cm-1)C-H彎曲振動(1465-1340cm-1) 一般飽和烴C-H伸縮均在3000cm-1以下，接近3000cm-1的頻率吸收。

2.烯烴：烯烴C-H伸縮(3100~3010cm-1)，C=C伸縮(1675~1640 cm-1)，烯烴C-H面外彎曲振動(1000~675cm-1)。

3.炔烴：炔烴C-H伸縮振動(3300cm-1附近)，三鍵伸縮振動(2250~2100cm-1)。

4.芳烴：芳環(huán)上C-H伸縮振動3100~3000cm-1, C=C 骨架振動1600~1450cm-1, C-H面外彎曲振動880~680cm-1。

芳烴重要特征：在1600，1580，1500和1450cm-1可能出現(xiàn)強度不等的4個峰。C-H面外彎曲振動吸收880~680cm-1，依苯環(huán)上取代基個數(shù)和位置不同而發(fā)生變化，在芳香化合物紅外譜圖分析中，常用判別異構(gòu)體。

5.醇和酚：主要特征吸收是O-H和C-O的伸縮振動吸收， 自由羥基O-H的伸縮振動：3650~3600cm-1,為尖銳的吸收峰， 分子間氫鍵O-H伸縮振動：3500~3200cm-1，為寬的吸收峰; C-O 伸縮振動：1300~1000cm-1,O-H 面外彎曲：769-659cm-1

6.醚特征吸收：1300~1000cm-1 的伸縮振動， 脂肪醚：1150~1060cm-1 一個強的吸收峰 芳香醚：1270~1230cm-1(為Ar-O伸縮)，1050~1000cm-1(為R-O伸縮)

7.醛和酮：醛的特征吸收：1750~1700cm-1(C=O伸縮)，2820，2720cm-1(醛基C-H伸縮) 脂肪酮：1715cm-1，強的C=O伸縮振動吸收，如果羰基與烯鍵或芳環(huán)共軛會使吸收頻率降低

8.羧酸：羧酸二聚體：3300~2500cm-1 寬而強的O-H伸縮吸收 1720~1706cm-1 C=O伸縮吸收 1320~1210cm-1 C-O伸縮吸收 ， 920cm-1 成鍵的O-H鍵的面外彎曲振動

9.酯：飽和脂肪酸酯(除甲酸酯外)的C=O 吸收譜帶：1750~1735cm-1區(qū)域 飽和酯C-O譜帶：1210~1163cm-1 區(qū)域為強吸收

10.胺：N-H 伸縮振動吸收3500~3100 cm-1;C-N 伸縮振動吸收1350~1000 cm-1; N-H變形振動相當于CH2的剪式振動吸收：1640~1560cm-1;面外彎曲振動吸收900~650cm-1.

11.腈：三鍵伸縮振動區(qū)域，有弱到中等的吸收 脂肪族腈 2260-2240cm-1 芳香族腈 2240-2222cm-112.酰胺：3500-3100cm-1 N-H伸縮振動，1680-1630cm-1 C=O 伸縮振動，1655-1590cm-1 N-H彎曲振動，1420-1400cm-1 C-N伸縮

FT-IR解析的一般步驟是什么？

1. 檢查光譜圖是否符合要求；

2.了解樣品來源、樣品的理化性質(zhì)、其他分析的數(shù)據(jù)、樣品重結(jié)晶溶劑及純度；

3.排除可能的“假譜帶”；

4. 若可以根據(jù)其他分析數(shù)據(jù)寫出分子式，則應(yīng)先算出分子的不飽和度U

∪=（2+ 2n4+n3–n1）/2

n4，n3，n1分別為分子中四價，三價，一價元素數(shù)目；

5.確定分子所含基團及化學(xué)鍵的類型（官能團區(qū)4000-1330和指紋區(qū)1330-650cm-1）

6.結(jié)合其他分析數(shù)據(jù)，確定化合物的結(jié)構(gòu)單元，推出可能的結(jié)構(gòu)式;

7.已知化合物分子結(jié)構(gòu)的驗證;

8.標準圖譜對照;

9. 計算機譜圖庫檢索。 FT-IR解析實例

下圖是分子式為C9H7NO的有機物的紅外吸收光譜，確定其分子式。

不飽和度U=(2+2*9+1-7)/2=7→可能含苯環(huán)

FT-IR應(yīng)用案例

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