关于红外光谱的几个知识

红外光谱分析及FTIR基础知识

第⼀章 红外光谱的基本原理l—1 光的性质

光是⼀种电磁波，它在电场和磁场⼆个正交⾯内波动前进．⼆个波峰或波⾕之间的距离为波长，以“ λ”表⽰。

电磁波包括波长短⾄0.1纳⽶的x射线到长达106厘⽶的⽆线电波．其中波长为0.75微⽶到200微⽶，即从可见光区外延到微波区的⼀段电磁波称红外光．红外光通常以微⽶为单位(µm)．1微⽶等于10-4厘⽶(1µm＝10-4cm)，因此，红外光波长以厘⽶为单位时，其倒数就是1厘⽶内的波数(ν)，所以波数的单位ν是厘⽶-1（cm-1）．红外光既可以波长(λ)，也可以波数(cm-1)表⽰，⼆者关系如(1-1)式所⽰：ν（cm-1）=104/λ(µm) (1-1)

由于光的能量与频率有关，因此红外光也可以频率为单位．频率(f)是每秒内振动的次数．频率、波长和波数的关系是，f=c/λ=ν*c (1—2)

式中：c为光速，是常数(3×1010厘⽶秒); λ是波长(微⽶)；f是频率(秒-1)；ν是波数(厘⽶-1)．

由于波数是频率被⼀个定值(光速)除的商值，因此红外光谱中常将波数称为频率．

光既有波的性质，⼜有微粒的性质．可将⼀束光看作⾼速波动的粒⼦流，最⼩单位为光⼦．根据爱因斯坦—普朗克关系式，⼀定波长或频率的单⾊光束中每个光⼦具有能量E,E＝hf=hcν=hc/λ (1—3)

式中：h为普朗克常量，等于6．63×10-34焦⽿·秒．

按(1.3)式可以算出波长2µm(5000厘⽶-1)的红外光⼦能量为6．63×10-34 (焦⽿·秒)x3x1010/2x10-4厘⽶＝9．95x10-20焦⽿．

同理波长l0微⽶(1000厘⽶-1)的红外光⼦的能量仅1．99×10-20焦⽿．可见波长短，能量⼤．波长长，能量⼩．1-2 分⼦光谱的种类

有机分⼦同其他物质⼀样始终处于不停的运动之中。分⼦在空间⾃由移动需要的能量为移动能．沿重⼼轴转动的能量为转动能，约0.1—0.00l千卡/摩．⼆个以上原⼦连接在⼀起，它们之间的键如同弹簧⼀样振动，所需能量为振动能，约5千卡/摩．此外分⼦中的电⼦从各种成键轨跃⼊反键轨所需能量为电能，约100千卡/摩．

有机化学基础知识点红外光谱的原理与应用

红外光谱是有机化学中一种常用的分析工具，它通过检测物质分子在红外区域（波长2.5-25微米）的吸收和发射光来获取有机物的结构信息。本文将介绍红外光谱的原理以及它在有机化学中的应用。

一、红外光谱的原理

红外光谱的原理基于物质分子的振动和转动。在红外区域，分子发生振动和转动时会吸收特定波长的红外光线，产生红外光谱图。红外光谱图中的吸收峰对应着物质分子中不同的振动模式。

红外光谱图常用两种单位表示：波数和波长。波数是一个与波长倒数成正比的物理量，表示波长的倒数。波数越大，波长越短。在红外光谱图中，吸收峰的波数与分子中相应的振动模式有关。

二、红外光谱的应用

红外光谱在有机化学中有广泛的应用。下面将介绍红外光谱在有机合成、结构鉴定和质谱联用等方面的应用。

1. 有机合成：红外光谱可以用于有机合成反应的监测和鉴定。通过监测反应物的消耗和产物的生成，可以确定反应的进行情况和产物的纯度。此外，红外光谱还可以用于鉴定合成物的结构，通过比对红外光谱图上的吸收峰位置和强度，可以确定有机合成的产物是否与目标结构一致。 2. 结构鉴定：红外光谱是有机化学中常用的结构鉴定技术之一。通过对不同分子的红外光谱进行比对，可以确定有机物的结构。不同官能团在红外光谱图中有特定的吸收峰，通过分析吸收峰的位置和强度，可以确定有机物中存在的官能团。此外，红外光谱还可以用于鉴定有机物的同分异构体。

3. 质谱联用：红外光谱和质谱可以联用，通过红外光谱与质谱技术的结合，可以获得更准确的结构信息。质谱可以提供物质分子的分子量和碎片信息，而红外光谱可以提供物质分子的官能团信息。二者相结合可以更准确地确定分子的结构。

三、红外光谱的局限性

红外光谱在有机化学中有着广泛的应用，但也存在一些局限性。首先，红外光谱对于某些类似结构的化合物鉴定会存在困难，因为它们的红外光谱图可能非常相似。其次，红外光谱只适用于固态物质或液态物质，对于气体物质的分析有一定的限制。此外，红外光谱并不能提供分子的立体结构信息，对于具有手性的有机物的结构鉴定有一定的局限性。

(1) 通常将红外光谱分为三个区域：近红外区(13330~4000cm-1)、中红外区(4000~400cm-1)和远红外区(400~10cm-1)。通常所说的红外光谱即指中红外光谱。

(2) 按吸收峰的来源，可以将4000~400cm-1的红外光谱图大体上分为特征频率区（4000~1300cm-1）以及指纹区（1300~400cm-1）两个区域。其中特征频率区中的吸收峰基本是由基团的伸缩振动产生，数目不是很多，但具有很强的特征性，因此在基团鉴定工作上很有价值，主要用于鉴定官能团。如羰基，不论是在酮、酸、酯或酰胺等类化合物中，其伸缩振动总是在1700cm-1左右出现一个强吸收峰，如谱图中1700cm-1左右有一个强吸收峰，则大致可以断定分子中有羰基。 指纹区的情况不同，该区峰多而复杂，没有强的特征性，主要是由一些单键C-O、C-N和C-X(卤素原子)等的伸缩振动及C-H、O-H等含氢基团的弯曲振动以及C-C骨架振动产生。当分子结构稍有不同时，该区的吸收就有细微的差异。这种情况就像每个人都有不同的指纹一样，因而称为指纹区。指纹区对于区别结构类似的化合物很有帮助。

(3) 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。所谓谱图的解析就是根据实验所测绘的红外光谱图的吸收峰位置、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，进而推定分子的结构。

简单地说，就是根据红外光谱所提供的信息，正确地把化合物的结构 “翻译”出来。往往还需结合其他实验资料，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正确判断其结构。

红外光谱的分区

400-2500cm-1:这是X-H单键的伸缩振动区。

2500-2000cm-1:此处为叁键和累积双键伸缩振动区

2000-1500cm-1:此处为双键伸缩振动区

1500-600cm-1:此区域主要提供C-H弯曲振动的信息

红外光谱法基本原理

红外光谱是反映分子的振动情况。当用一定频率的红外光照射某物质分子时，若该物质的分子中某基团的振动频率与它相同，则此物质就能吸收这种红外光，使分子由振动基态跃迁到激发态。因此，若用不同频率的红外光依次通过测定分子时，就会出现不同强弱的吸收现象。用Ｔ％－λ作图就得到其红外光吸收光谱。红外光谱具有很高的特征性，每种化合物都具有特征的红外光谱。用它可进行物质的结构分析和定量测定。

气相色谱法基本原理

气相色谱法是以气体（此气体称为载气）为流动相的柱色谱分离技术。在填充柱气相色谱法中，柱内的固定相有两类：一类是涂布在惰性载体上的有机化合物，它们和沸点较高，在柱温下可呈液态，或本身就是液体，采用这类固定相的方法称为气液色谱法；另一类是活性吸附剂，如硅胶、分子筛等，采用这类固定相的方法称为气固色谱法。它的应用远没有气液色普法广泛。气固色谱法只适用于气体及低沸点烃类的分析。在毛细管气相色谱法中，色谱柱内径小于lmm，分为填充型和开管型两大类。填充型毛细管与一般填充柱相同，只是径细、柱长，使用的固定相颗粒在几十到几百微米之间。开管型固定相则通过化学键组合或物理的方法直接固定在管壁上，因此这种色谱柱又称开管理柱，它的应用日益普遍。原则上，在填充柱中能够使用的固定液，在毛细管柱中也能使用，但毛细管柱比普通填充柱柱效更高，分离能力更强。气相色谱法的应用面十分广泛，原则上讲，不具腐蚀性气体或只要在仪器所能承受的气化温度下能够气化，且自身又不分解的化合物都可用气相色谱法分析。

当样品加到固定相上之后，流动相就要携带样品在柱内移动。流动相在固定相上的溶解或吸附能力要比样品中的组分弱得多。组分进柱后，就要在固定相和流动相之间进行分配。组分性质不同，在固定相上的溶解或吸附能力不同，即它们的分配系数大小不同。分配系数大的组分在固定相上的溶解或吸附能力强，停留时间也长，移动速度慢，因而后流出柱。反之，分配系数小的组分先流出柱子。可见，只要选择合适的固定相，使被分离组分的分配系数有足够差别，再加上对色谱柱和其他操作条件的合理选择，就可得到令人满意的分离。