隨著紅外光譜應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，幾乎每一個(gè)實(shí)驗(yàn)室都會(huì)配有紅外光譜，所以，精心整整理了紅外吸收光譜圖解析實(shí)例，希望對(duì)你在紅外吸收光譜的解析上有所幫助。

利用紅外吸收光譜進(jìn)行有機(jī)化合物定性分析可分為兩個(gè)方面：

一是官能團(tuán)定性分析，主要依據(jù)紅外吸收光譜的特征頻率來(lái)鑒別含有哪些官能團(tuán)，以確定未知化合物的類別；

二是結(jié)構(gòu)分析，即利用紅外吸收光譜提供的信息，結(jié)合未知物的各種性質(zhì)和其它結(jié)構(gòu)分析手段(如紫外吸收光譜、核磁共振波譜、質(zhì)譜)提供的信息，來(lái)確定未知物的化學(xué)結(jié)構(gòu)式或立體結(jié)構(gòu)。

原理

樣品受到頻率連續(xù)變化的紅外光照射時(shí)，分子吸收其中一些頻率的輻射，分子振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)引起偶極矩的凈變化，是振-轉(zhuǎn)能級(jí)從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，相應(yīng)于這些區(qū)域的透射光強(qiáng)減弱，透過(guò)率T%對(duì)波數(shù)或波長(zhǎng)的曲線，即為紅外光譜。

輻射→分子振動(dòng)能級(jí)躍遷→紅外光譜→官能團(tuán)→分子結(jié)構(gòu)

2、紅外光譜特點(diǎn)

• 紅外吸收只有振-轉(zhuǎn)躍遷，能量低；

• 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；

• 特征性強(qiáng)，可定性分析，紅外光譜的波數(shù)位置、波峰數(shù)目及強(qiáng)度可以確定分子結(jié)構(gòu)；

• 定量分析；

• 固、液、氣態(tài)樣均可，用量少，不破壞樣品；

• 分析速度快；

• 與色譜聯(lián)用定性功能強(qiáng)大。

3、分子中振動(dòng)能級(jí)的基本振動(dòng)形式

紅外光譜中存在兩類基本振動(dòng)形式：伸縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng)。

分子結(jié)構(gòu)與紅外光譜

1、分子官能團(tuán)與紅外光譜吸收峰

（1）分子的整體振動(dòng)圖像可分解為若干簡(jiǎn)振模式的疊加，每個(gè)簡(jiǎn)振模式（振動(dòng)能級(jí)躍遷）對(duì)應(yīng)于一定頻率的 ）對(duì)應(yīng)于一定頻率的光吸收峰，全部具有紅外活性的簡(jiǎn)振模式的光吸收峰就構(gòu)成了該分子的振動(dòng)吸收光譜，即紅外光譜。

（2）分子的簡(jiǎn)振模式（振動(dòng)能級(jí)）決定于分子的結(jié)構(gòu)，因此可以將分子結(jié)構(gòu)與其紅外光譜聯(lián)系在一起。

（3）分子的一個(gè)簡(jiǎn)振模式是其所有原子特定運(yùn)動(dòng)分量的疊加，也就是說(shuō)，在一個(gè)簡(jiǎn)振模式下 ，所有原子都在進(jìn)行（相同頻率）運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。但是一般只有某一個(gè)（或幾個(gè)）基團(tuán)的運(yùn)動(dòng)起著主要作用，而其它原子的運(yùn)動(dòng)相對(duì)弱的多。所以，分子的一個(gè)簡(jiǎn)振模式可以看作只是個(gè)別基團(tuán)（官能團(tuán)）的運(yùn)動(dòng)，因此 可以將分子的紅外光譜吸收峰與其官能團(tuán)相對(duì)應(yīng)。

2、官能團(tuán)的主要振動(dòng)方式

（1）化學(xué)鍵長(zhǎng)度改變

（2）化學(xué)鍵鍵角/二面角改變

3、H2O與CH4的簡(jiǎn)正振動(dòng)模式

紅外光譜解析三要素

位置、強(qiáng)度、形態(tài)是紅外光譜解析三要素。

1、紅外光譜吸收峰——線形與線寬

2、紅外光譜吸收峰——位置

官能團(tuán)振動(dòng)頻率的改變，反映了化合物結(jié)構(gòu)或所處環(huán)境的不同 。影響官能團(tuán)吸收頻率的因素可以分成內(nèi)部因素和外部因素兩大類。內(nèi)部因素本質(zhì)上就是指官能團(tuán)所處的分子結(jié)構(gòu)對(duì)其吸收頻率的影響，如振動(dòng)耦合、費(fèi)米共振、電子效應(yīng)、空間效應(yīng)、氫鍵和質(zhì)量效應(yīng)等。外因一般包括溫度、濃度、溶劑、樣品狀態(tài) 、制樣方法等。

影響紅外光譜吸收峰的內(nèi)部因素

（1）振動(dòng)耦合

兩個(gè)基團(tuán)相鄰且振動(dòng)基頻相差又不大時(shí)，振動(dòng)的耦合引起吸收頻率偏離基頻，一個(gè)移向高頻方向（反對(duì)稱），一個(gè)移向低頻方向（對(duì)稱），這種現(xiàn)象稱為振動(dòng)耦合。

（2）費(fèi)米共振

當(dāng)一種振動(dòng)模式的倍頻或合頻與另一振動(dòng)基頻相近時(shí)，由于其相互作用而產(chǎn)生的強(qiáng)吸收帶或發(fā)生的峰裂分稱為費(fèi)米共振。費(fèi)米共振作用也是一種振動(dòng)耦合作用，只不過(guò)是發(fā)生在基頻與倍頻或合頻之間。

（3）電子效應(yīng)

（4）空間效應(yīng)

a. 環(huán)的張力

b.空間障礙

分子中大的基團(tuán)存在空間位阻作用，迫使鄰近基團(tuán)的鍵角改變，使其振動(dòng)吸收頻率發(fā)生改變。當(dāng)共軛體系的共平面性被破壞或偏離時(shí)，共軛體系也受到影響或破壞，其吸收頻率將移向高波數(shù)。

（5）氫鍵

氫鍵的形成降低了化學(xué)鍵的力常數(shù)，吸收頻率移向低波數(shù)方向；振動(dòng)時(shí)的偶極矩變化加大，吸收強(qiáng)度增加，常形成寬而強(qiáng)的吸收峰。胺基發(fā)生分子締合，其吸收頻率多則可降低100cm-1或更多。羧基形成強(qiáng)烈氫鍵，羥基吸收頻率移至2500~3000cm-1。

6）質(zhì)量效應(yīng)

當(dāng)一些含氫基團(tuán)與某些基團(tuán)的吸收峰發(fā)生重疊，可將該官能團(tuán)的氫進(jìn)行氘代，使其吸收峰移向低波數(shù)，將原來(lái)的重疊峰分離開(kāi)。例如在蛋白質(zhì)中酰胺I帶的吸收峰與水分子的O-H彎曲振動(dòng)的強(qiáng)吸收峰重疊在一起，因此經(jīng)常使用重水代替水來(lái)研究溶液狀態(tài)下的蛋白質(zhì)分子。

影響紅外光譜吸收峰的外部因素

（1）外部因素對(duì)官能團(tuán)吸收頻率的影響往往是通過(guò)內(nèi)因起作用的。溫度對(duì)物質(zhì)的紅外吸收光譜有明顯的影響。低溫下，物質(zhì)的吸收帶尖銳；溫度越高，帶寬增加，帶數(shù)減少。

（2）同一物質(zhì)由于所處狀態(tài)不同，分子間相互作用力不同，測(cè)得的光譜也有所不同。一般在氣態(tài)下測(cè)得的譜帶的波數(shù)最高，并能觀察到振動(dòng)譜帶的轉(zhuǎn)動(dòng)精細(xì)結(jié)構(gòu)。

（3）當(dāng)液體樣品或固體樣品溶于有機(jī)溶劑中時(shí)，樣品分子和樣品分子和溶劑分子之間會(huì)發(fā)生相互作用，導(dǎo)致樣品分子的紅外振動(dòng)頻率發(fā)生變化。如果樣品分子中含有極性基團(tuán)，則溶劑的極性越強(qiáng)，二者相互作用愈強(qiáng)，樣品的紅外光譜的變化越大。

（4）由于多種外部因素對(duì)官能團(tuán)吸收頻率的影響都會(huì)有所影響，所以當(dāng)把未知物紅外譜圖與已知樣品或標(biāo)準(zhǔn)譜圖對(duì)比時(shí)，應(yīng)注意作圖條件，最好能以大致相同條件下得到的光譜圖進(jìn)行對(duì)比。

解析紅外光譜圖

1、振動(dòng)自由度

振動(dòng)自由度是分子獨(dú)立的振動(dòng)數(shù)目。N個(gè)原子組成分子，每個(gè)原子在空間上具有三個(gè)自由度，分子振動(dòng)自由度F=3N-6(非線性分子)；F=3N-5(線性分子)。

為什么計(jì)算振動(dòng)自由度很重要，因?yàn)樗从沉宋辗宓臄?shù)量，譜帶簡(jiǎn)并或發(fā)生紅外非活性振動(dòng)使吸收峰的數(shù)量會(huì)少于振動(dòng)自由度。

U=0→無(wú)雙鍵或環(huán)狀結(jié)構(gòu)

U=1→一個(gè)雙鍵或一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)

U=2→兩個(gè)雙鍵，兩個(gè)換，雙鍵+環(huán)，一個(gè)三鍵

U=4→分子中可能含有苯環(huán)

U=5→分子中可能含一個(gè)苯環(huán)+一個(gè)雙鍵

2、紅外光譜峰的類型

基頻峰：分子吸收一定頻率紅外線，振動(dòng)能級(jí)從基態(tài)躍遷至第一振動(dòng)激發(fā)態(tài)產(chǎn)生的吸收峰，基頻峰的峰位等于分子或者基團(tuán)的振動(dòng)頻率，強(qiáng)度大，是紅外的主要吸收峰。

泛頻峰：分子的振動(dòng)能級(jí)從基態(tài)躍遷至第二振動(dòng)激發(fā)態(tài)、第三振動(dòng)激發(fā)態(tài)等高能態(tài)時(shí)產(chǎn)生的吸收峰，此類峰強(qiáng)度弱，難辨認(rèn)，卻增加了光譜的特征性。

特征峰和指紋峰：特征峰是可用于鑒別官能團(tuán)存在的吸收峰，對(duì)應(yīng)于分子中某化學(xué)鍵或基團(tuán)的振動(dòng)形式，同一基團(tuán)的振動(dòng)頻率總是出現(xiàn)在一定區(qū)域；而指紋區(qū)吸收峰特征性強(qiáng)，對(duì)分子結(jié)構(gòu)的變化高度敏感，能夠區(qū)分不同化合物結(jié)構(gòu)上的微小差異。

3、影響峰位的因素

誘導(dǎo)效應(yīng)使振動(dòng)頻率向高波數(shù)移動(dòng)；共軛效應(yīng)使振動(dòng)頻率向低波數(shù)移動(dòng)；氫鍵效應(yīng)使伸縮頻率降低，分子內(nèi)氫鍵對(duì)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(dòng)頻率增加；溶劑極性增加，則極性基團(tuán)的伸縮振動(dòng)頻率減小。

4、譜圖解析實(shí)例

紅外譜圖解析步驟

先特征，后指紋；先強(qiáng)峰，后次強(qiáng)峰；尋找一組相關(guān)峰→佐證。

先識(shí)別特征區(qū)的第一強(qiáng)峰，找出其相關(guān)峰，進(jìn)行歸屬。

若飽和度>=4，優(yōu)先考慮苯環(huán)結(jié)構(gòu)。

下圖是分子式為C9H7NO的有機(jī)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)

紅外光譜應(yīng)用實(shí)例

1、CO2在ZnO上的活化

CO2活化轉(zhuǎn)變?yōu)橛袃r(jià)值的有機(jī)化合物是催化領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)也是一個(gè)難點(diǎn)。Noei等人通過(guò)超高真空傅里葉紅外光譜（UHV-FTIRS）研究了在羥基化的ZnO納米顆粒上的CO2活化。他們將干凈的ZnO粉末樣品暴露于CO2中并在紅外譜圖中觀察到了碳酸鹽相關(guān)振動(dòng)帶的形成，并使用C18O2的同位素置換實(shí)驗(yàn)對(duì)此進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了ZnO納米顆粒在CO2活化方面的高活性。

2、CO吸附在銳鈦礦相的TiO2上

Setvin等人用紅外反射吸收光譜（IRRAS）結(jié)合程序升溫脫附（TPD），掃描隧道顯微鏡（STM）和DFT理論計(jì)算等研究了一氧化碳在銳鈦礦TiO2（101）晶面的吸附。IRRAS譜圖顯示在2181cm-1處僅有一個(gè)CO帶，結(jié)合TPD，估計(jì)分離的分子的吸附能量為0.37±0.03eV，在較高的覆蓋率下，吸收峰移動(dòng)到略小的值。又結(jié)合STM成像和樣品的受控退火證實(shí)了TPD估算的吸附能和輕微的排斥分子間相互作用。CO分子在稍高的溫度下從富電子的外在供體缺陷位點(diǎn)解吸，與金紅石TiO2（110）表面上的CO吸附的比較表明，銳鈦礦型TiO2中電子定域的趨勢(shì)比金紅石TiO2中弱得多。

3、CO與ZnO上其他吸附物的相互作用

實(shí)際催化過(guò)程中，往往并不是單一吸附物種在催化劑表面吸附，而是多種吸附物同時(shí)存在于催化劑表面。Noei等人在超高真空條件下（UHV-FTIRS），通過(guò)FTIR光譜研究了CO與不同改性的多晶ZnO的相互作用。在110K下將干凈的無(wú)吸附質(zhì)的ZnO納米顆粒暴露于CO后，在2187cm-1處有強(qiáng)烈振動(dòng)帶，是CO與ZnO上的Zn2+位點(diǎn)結(jié)合所致。在210K下將CO2預(yù)處理后的ZnO納米顆粒暴露于CO后，在2215cm-1處觀察到新的CO振動(dòng)帶，是吸附在三齒碳酸鹽結(jié)構(gòu)內(nèi)的游離Zn位點(diǎn)上的CO所致。不同溫度下記錄的UHV-FTIRS數(shù)據(jù)表明，在預(yù)吸附的CO2時(shí)，CO在多晶ZnO上的結(jié)合能顯著增加，而且在ZnO粉末顆粒上存在的羥基物質(zhì)不會(huì)導(dǎo)致在UHV條件下CO振動(dòng)帶的顯著變化。

常見(jiàn)有機(jī)物紅外光譜

1、烷烴

2、烯烴

3、芳烴

不同類型取代苯的特征峰：

4、醇

羥基的特征峰：

5、胺

氨基的特征峰：

6、酮

7、醛

8、酸

9、酸酐

10、酯

11、羰基

羰基的特征峰：

12、腈

13、雙鍵、累積雙鍵與叁鍵 、累積雙鍵與叁鍵

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