红外光谱必备知识

红外光谱（I R）（Infrared Spectroscopy）【1】 (2007-12-22 12:54:17)

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第一节：概述

1、 红外吸收光谱与紫外吸收光谱一样是一种分子吸收光谱。红外光的能量（△E=0.05-1.0ev）较紫外光（△E=1-20ev）低，当红外光照射分子时不足以引起分子中价电子能级的跃迁，而能引起分子振动能级和转动能级的跃迁，故红外吸收光谱又称为分子振动光谱或振转光谱。

2、红外光谱的特点：特征性强、适用范围广。

红外光谱对化合物的鉴定和有机物的结构分析具有鲜明的特征性，构成化合物的原子质量不同、化学键的性质不同、原子的连接次序和空间位置不同都会造成红外光谱的差别。

红外光谱对样品的适用性相当广泛，无论固态、液态或气态都可进行测定。

3、红外光谱波长覆盖区域：0.76 mm ~ 1000mm.

红外光按其波长的不同又划分为三个区段。

（1）近红外：波长在0.76-2.5mm之间（波数12820-4000cm-1）

（2） 中红外：波长在2.5-25mm（在4000-400 cm-1）

通常所用的红外光谱是在这一段的（2.5-15mm，即 4000-660 cm-1）光谱范围，本章内容仅限于中红外光谱。

（3） 远红外：波长在25~1000mm（在400-10 cm-1）

转动光谱出现在远红外区。

4、红外光谱图：当物质分子中某个基团的振动频率和红外光的频率一样时，分子就要吸收能量，从原来的振动能级跃迁到能量较高的振动能级，将分子吸收红外光的情况用仪器记录，就得到红外光谱图。

5、红外光谱表示方法：

（1）红外光谱图

红外光谱图以透光率T ％为纵坐标，表示吸收强度，以波长l ( mm) 或波数 s (cm-1)为横坐标，表示吸收峰的位置，现主要以波数作横坐标。波数是频率的一种表示方法（表示每厘米长的光波中波的数目）。通过吸收峰的位置、相对强度及峰的形状提供化合物结构信息，其中以吸收峰的位置最为重要。

（2）将吸收峰以文字形式表示：如下图可表示为，3525cm-1（m)，3097cm-1(m)， 1637cm-1(s)。这种方法指出了吸收峰的归属，带有图谱解析的作用。

第二节 各类化合物的红外光谱特征

有机化合物 的数目非常大，但组成有机化合物的常见元素只有10种左右，组成有机化合物的结构单元即称为基团的原子组合数目约有几十种。根据上述讨论，基团的振动频率主要取决于组成基团原子质量（即原子种类）和化学键力常数（即化学键的种类）。一般来说，组成分子的各种基团如C-H、 C-N 、C=C、 C=O 、C-X等都有特定的红外吸收区域（特征吸收峰），根据特征吸收峰可以推断物质的结构。所以，有必要对各类有机化合物的光谱特征加以总结。

一、烷烃

烷烃中只有C-H键组成的C-H，CH2，CH3基团，纯烷烃的吸收峰只有C-H的伸缩、弯曲振动和C-C骨架振动。

1、νC-H 烷烃的C-H伸缩振动频率

一般不超过3000cm-1，甲基和亚甲基的C-H伸缩分别有对称和不对称振动相应出现四个吸收峰，甲基的C-H伸缩振动，对称的出现在2872cm-1，不对称的出现在2962cm-1；亚甲基的对称出现在2853cm-1，不对称的出现在2926 cm-1。一般不对称的吸收强度稍强，在高分辨的红外仪（光栅型），可以在2853-2962 cm-1处，清楚地观察到这四个峰，而在低分辨的仪器中，两两重叠只能看到两个峰。如下图：

注意：环丙烷的VC-H移向高频，出现在3080-3040cm-1（S）

叔C-H的伸缩吸收很弱，（ 2890cm-1左右 ）通常消失在其它脂肪族的C-H吸收中，对于鉴定分析用途不大。

2、δC-H ： C-H弯曲振动

在1460cm-1和1380cm-1处有特征吸收，前者归于甲基及次甲基的不对称δC-H，后者归于甲基的δS 1380cm-1峰对结构非常敏感，对于识别甲基很有用。

（1）孤立甲基在1380cm-1附近出现单峰，其强度对分子中甲基数目的增多而增强，

（2）偕二甲基 –CH（CH3)2 此峰变为双峰（1391- 1380cm-1（S）和1372-1365 cm-1（S）），而且两个峰的强度大约相等。1380cm-1附近出现双峰是验证分子中有偕二甲基的根据，（必须注意：环己烷醇、甾体和二萜类含有的乙酰氧基-OOC-CH3，其中甲基在1380-1365 cm-1出现双峰，不要误认为分子中有异丙基）。

（3）叔丁基1380 cm-1的峰也分裂为双峰，但这两个峰一强一弱（1380 cm-1为弱峰，1365

cm-1峰为强峰），足以与偕二甲基区分。

（4）当化合物具有四个以上邻接的CH2基团时，几乎总是在（715-725，通常在720cm-1处）有谱带（CH2面内摇摆），它在鉴别上是有用的。

3、C-C骨架振动在1250-800cm-1范围，因特征性不强用途不大。

总结：

d C-H 1460 , 1380cm-1

孤立的甲基－CH3 1380单峰

C(CH3)2 1380双峰，强度１:１ （1391- 1380cm-1, 1372-1365 cm- 1）

－C(CH3)3 1380双峰，强度１:２（低频率为高频率峰强度的２倍） ( 1380 cm-1为弱峰，1365 cm-1峰为强峰）

当化合物具有四个以上邻接的CH2基团时，几乎总是在（715-725，通常在720cm-1处）有谱带（CH2以内摇摆），它在鉴别上是有用的。

二、烯烃

烯烃分子有三类特征吸收峰（ν=C-H、νC=C、δ=C-H）

1、ν＝C-H

（包括苯环的C-H、环丙烷的C-H）在3000cm-1以上，苯出现在3010-3100cm-1的范围内，在甲基及亚甲基伸缩振动大峰左侧出现一个小峰，这是识别不饱和化合物的一个有效特征吸收。

2、νC=C

孤立烯烃双键的伸缩振动吸收位置在1680-1600cm-1，其强度和位置决定于双键碳原子取代基数目及其性质。分子对称性越高，吸收峰越弱。如果有四个取代烷基时，常常不能看到它的吸收峰，一元取代烯 RCH=CH2 和偏二取代烯 R2C=CH2的νC=C 强于三元取代烯 R2C=CHR 和四元取代烯 R2C=CH2；顺式强于反式，末端双键强于链中双键。

（1）C5以上无张力环烯的νC=C 与开链烯的频率相同，环张力愈大，νC=C 环内愈低，但环外双键νC=C 愈高。

（2） 在共轭体系中，由于共轭使键趋于平均化，而使C=C的力常数降低，伸缩振动向低波移， 例如 C=C-C=C中，C=C 吸收移至1600cm-1区域，由于两个 C=C 的振动偶合. 在1650cm-1 有时还能看到另一个峰，但1600cm-1 的峰是鉴定共轭双键的特征峰。

3 δC-H

面内变形振动在1500-1000cm-1，结构不敏感，也不特征，用途不大。面外弯曲振动在1000-700cm-1，对结构敏感，对不同类型的烯烃有其特征吸收，而且比较固定，可以借以判断双键取代情况和构型很有用，如：

RCH=CH2 995-985 cm-1 (s) δ-CH=

935-905cm-1 (s) δ=CH2

R2C=CH2 895-885

cm-1 (s)

三、炔烃：有三个特征带：

ν≡C-H ，δ≡C-H ， ν C≡C

1、 ν≡C-H

在四氯化碳溶液中位于3320-3310cm-1，强峰，固体或液体时在3300-3250cm-1。峰形较窄，易于OH和NH区别开。

2、 δ≡C-H

≡C-H的面外弯曲振动通常在900-610cm-1出现一宽的谱带，有时在1375-1225cm-1处，出现它的倍频峰，此峰也很宽，但很弱。

3、 ν C≡C

碳碳叁键的力常数比碳碳双键的高得多，所以C≡C的伸缩振动出现在高波数区域。一般一元取代炔烃 RC≡CH 的νC≡C在2140-2100cm-1，二元取代炔烃在 RC≡CR1 的νC≡C 在2260-2190cm-1，乙炔和二取代乙炔因分子对称，没有VC≡C的吸收峰。所以看不到νC≡C的谱带，不一定表示没有C≡C。

四、芳香烃的红外光谱

芳香族化合物有三种特征吸收带：即苯环上的芳氢伸缩振动，面外弯曲振动和骨架振动。

1、芳环上的νC-H

3010-3080cm-1（m）

2、芳环的骨架伸缩振动νC-C

1650-1450cm-1（m）出现2～4个吸收峰，由于芳环为一共轭体系，其C=C伸缩振动频率位于双键区的低频一端，往往1500cm-1附近的吸收峰比1600cm-1强。

3、 芳环的面外弯曲振动 (g=C-H )

在650-900cm-1，这一区域的吸收峰位置与芳环上取代基性质无关,而与芳环上相连H的个数有关，相连H越多, g=C-H 振动频率愈低,吸收强度越大.

五、醇和酚

羟基化合物有三个特征吸收带，即νO-H ， νC-O，δO-H。

1、 νO-H

游离的醇和酚的νO-H在3700-3500cm-1以内（峰尖、强），缔和的羟基在3500-3200cm-1以内峰形强而宽。大部分是以氢键缔和的形式存在，只有在气相和非极性溶剂中，很稀的溶液内减少分子间氢键，出现游离的νO-H吸收带，分子间氢键与溶液浓度有关，形成分子内氢键的与浓度无关，但频率更低，例如水杨醛、邻硝基苯酚、邻羟基苯乙酮等。它们VO-H出现在3200-2500cm-1。

2、 δO-H

醇和酚的δO-H（面内弯曲振动） 吸收带在1500~1300cm-1附近。

3、 νC-O

位于1250~1000cm-1附近，通常是谱图中最强吸收峰之一，可根据这个区域的吸收峰确定伯醇、仲醇和叔醇。

各种醇的δO-H和νC-O的吸收如下：

范围 δO-H （面内）cm-1 νC-O cm-1

伯醇 1350-1260 1050

仲醇 1350-1260 1100