
紫外和红外吸收光谱法.ppt
190页第十三章第十三章 紫外和红外吸收光谱法紫外和红外吸收光谱法13-1 紫外光谱分析的基本原理紫外光谱分析的基本原理13-2 紫外光谱与有机化合物分子结构关系紫外光谱与有机化合物分子结构关系13-3 紫外光谱的应用紫外光谱的应用13-4 红外吸收光谱分析概述红外吸收光谱分析概述13-5 典型红外吸收谱带吸收范围典型红外吸收谱带吸收范围13-6 红外吸收光谱解析实例红外吸收光谱解析实例13-7 红外吸收光谱仪红外吸收光谱仪1一、概述一、概述 基基于于物物质质对对紫紫外外光光选选择择性性吸吸收收的的分分析析方方法法主主要要应应用用于于有有机机化化合合物物结结构构分分析析,,在在确确定定有有机机化化合合物物的的共共轭轭体体系系、、生生色色基基和和芳芳香香性性等等方方面面比比其其它它的的仪仪器器更更有有独独到到之之处处,,可可以以与与红红外外、、核核磁磁、、质质谱谱相相结结合合使用使用§13-1 紫外吸收光谱的基本原理紫外吸收光谱的基本原理((Ultraviolet Absorption Spectroscopy, UV )) 23 定性分析:紫外吸收光谱的波长分布定性分析:紫外吸收光谱的波长分布是由产生谱带的跃迁能级间的能量差所是由产生谱带的跃迁能级间的能量差所决定,反映了分子内部能级分布状况,决定,反映了分子内部能级分布状况,是物质定性的依据。
是物质定性的依据 定量分析:朗伯定量分析:朗伯-比耳定律比耳定律410 ~ 200 nm:远紫外区,又称真空紫外:远紫外区,又称真空紫外区,空气中的氧气、氮气、水、二氧化区,空气中的氧气、氮气、水、二氧化碳对这个区域的紫外光有强烈的吸收碳对这个区域的紫外光有强烈的吸收200 ~ 400nm范围:近紫外区,可被玻璃范围:近紫外区,可被玻璃吸收;紫外光谱是指吸收;紫外光谱是指200 ~ 400 nm的近的近紫外区的吸收曲线紫外区的吸收曲线波长范围:波长范围:10 ~ 400 nm5二、有机化合物电子跃迁的类型二、有机化合物电子跃迁的类型 有机化合物的紫外吸收光谱是由于分有机化合物的紫外吸收光谱是由于分子中的价电子跃迁而产生子中的价电子跃迁而产生 有机物分子中价电子的类型主要有有机物分子中价电子的类型主要有σ电子、电子、π电子和未成键的孤对电子(称电子和未成键的孤对电子(称为为n 电子或电子或p 电子)反键轨道包括反键反键轨道包括反键σ*轨道和轨道和π*轨道6 σ电子电子:形成单键的电子,如:形成单键的电子,如C--H,,C--C π电子电子:形成不饱和键的电子,:形成不饱和键的电子,如如C==C,,C==O。
未成键电子未成键电子::O、、N、、P、、S、、Cl等杂原等杂原子中的未成键的孤对电子,又称子中的未成键的孤对电子,又称n电子或电子或p电子有机物分子中价电子的类型:有机物分子中价电子的类型:781.σ→ σ*跃迁跃迁 跃跃迁迁所所需需能能量量较较高高,,相相应应波波长长小小于于200nm,处于真空紫外区处于真空紫外区甲烷的甲烷的λmax= 125nm,乙烷的,乙烷的λmax=135nm饱和碳氢化合物有饱和碳氢化合物有σ→σ*跃迁产生的吸收:跃迁产生的吸收:特点:特点:不在紫外分光光度计的测定范围内不在紫外分光光度计的测定范围内9一般在一般在200 nm左右左右 分子中含有杂原子分子中含有杂原子S、、N、、P、、O、、F、、Cl、、Br、、I等的饱和烃,可发生等的饱和烃,可发生 n→σ*跃迁2. n → σ*跃迁跃迁 原子半径较大的硫或碘的衍生物原子半径较大的硫或碘的衍生物n电子电子的能级较高,的能级较高, n → σ *吸收光谱的吸收光谱的λmax在近在近紫外区紫外区220-250 nm附近 原子半径较小的氧或氯衍生物,原子半径较小的氧或氯衍生物,n电子电子能级较低,吸收光谱能级较低,吸收光谱λmax在远紫外区在远紫外区170-180nm附近。
附近10 有些化合物的紫外吸收带虽然在远紫有些化合物的紫外吸收带虽然在远紫外区,但是一些吸收带的尾部可能进入外区,但是一些吸收带的尾部可能进入近紫外区,并随着波长的减小而吸收强近紫外区,并随着波长的减小而吸收强度增加,这种现象称为末端吸收(度增加,这种现象称为末端吸收(end absorption),末端吸收一般不用于定),末端吸收一般不用于定量测定113.π→π*跃迁跃迁吸收峰在吸收峰在200nm左右左右特点:特点:吸收强度大,吸收强度大,ε>104 L·mol-1·cm-1 具有共价键的不饱和化合物,如烯、炔、具有共价键的不饱和化合物,如烯、炔、醛、酮等醛、酮等吸收强度强,吸收峰在吸收强度强,吸收峰在200 nm左右 共轭烯烃分子,吸收峰随着共轭链的共轭烯烃分子,吸收峰随着共轭链的增多往长波方向移动如丁烯增多往长波方向移动如丁烯λmax=185nm,丁二烯,丁二烯λmax= 217nm124. n → π*跃迁跃迁谱带在谱带在200~400 nm 含含杂杂原原子子的的双双键键化化合合物物,,或或者者当当有有杂杂原原子子上上的的孤孤对对电电子子与与碳碳原原子子上上的的π轨轨道道共共轭,则可产生轭,则可产生n→π*跃迁吸收。
跃迁吸收特特点点::吸吸收收强强度度很很弱弱,,ε<102 L·mol-1·cm-1如环己烷溶剂中,丙酮如环己烷溶剂中,丙酮 n→π*跃迁的跃迁的λmax = 280nm,,εmax为为22 L·mol-1·cm-113 5. 电荷转移跃迁(参考)电荷转移跃迁(参考): 当分子形成络合物或分子内的两大体当分子形成络合物或分子内的两大体系相互接近时,可以发生电荷由一个部系相互接近时,可以发生电荷由一个部分跃迁到另一部分而产生电荷转移吸收分跃迁到另一部分而产生电荷转移吸收光谱,这种跃迁的一般表达式为:光谱,这种跃迁的一般表达式为: D + A D+A- D+、、A-为络合物或一个分子中的两个为络合物或一个分子中的两个体系,体系,D是给电子体,是给电子体,A是受电子体是受电子体 hυ14例如例如: 黄色的四氯苯醌与无色的六甲基苯黄色的四氯苯醌与无色的六甲基苯形成的深红色络合物形成的深红色络合物黄色黄色) (无色无色) (深红色深红色) 15 6. 配位体场跃迁配位体场跃迁 (参考)(参考) 过过渡渡金金属属水水合合离离子子或或过过渡渡金金属属离离子子与与显显色色剂剂((通通常常是是有有机机化化合合物物))所所形形成成的的络络合合物物在在外外来来幅幅射射作作用用下下,,可可获获得得相相应应的吸收光谱。
的吸收光谱 16 过渡金属离子(又称中心离子)具有过渡金属离子(又称中心离子)具有简并的(即能量相等的)简并的(即能量相等的)d轨道,镧系轨道,镧系和锕系具有和锕系具有f轨道,而轨道,而H2O,,NH3之类的之类的偶极分子或偶极分子或Cl-、、CN-这样的阴离子(又这样的阴离子(又称配位体)按一定的几何排列与过渡金称配位体)按一定的几何排列与过渡金属离子配位时,将使这些原来属离子配位时,将使这些原来简并的简并的d轨道或轨道或f轨道分裂为能量不同的能级轨道分裂为能量不同的能级 17 若若d轨轨道道((或或f轨轨道道))原原来来是是未未充充满满的的,,则则可可以以吸吸收收辐辐射射,,电电子子由由低低能能级级的的d轨轨道道((或或f轨轨道道))跃跃迁迁到到高高能能级级的的d*轨轨道道(或(或f *轨道)而产生吸收谱带轨道)而产生吸收谱带 这这类类跃跃迁迁吸吸收收能能量量较较小小,,多多出出现现在在可见光区可见光区 Ti(H2O)3+6水水合合离离子子的的配配位位场场跃跃迁迁吸吸收带收带λmax为为490 nm18 紫外光谱的产生:紫外光谱的产生:1. 几几乎乎所所有有的的有有机机分分子子的的紫紫外外-可可见见吸吸收收光光谱谱是是由由于于π→π*或或n→π*跃跃迁迁所所产产生生的的 ;;2. 含含S、、I等元素时的等元素时的n→σ*;; 3. 电荷转移跃迁;电荷转移跃迁;4. 配位体场的配位体场的d →d*跃迁跃迁 产生。
产生 1920二、紫外光谱的常见术语二、紫外光谱的常见术语 1. 吸收光谱(吸收光谱(absorption spectrum))2. 又称吸收曲线,是以波长又称吸收曲线,是以波长λ((nm))为横坐标,以吸光度值(为横坐标,以吸光度值(absorbance,,A)或透射比()或透射比(transmittance,,T)为)为纵坐标所绘制的曲线纵坐标所绘制的曲线 212. 发色团(生色团,发色团(生色团,Chromophore)) 能引起紫外光谱特征吸收,具有共价键能引起紫外光谱特征吸收,具有共价键的不饱和基团称为发色团的不饱和基团称为发色团 有机化合物分子中,这些发色团的结构有机化合物分子中,这些发色团的结构特征大都是含有特征大都是含有π电子如羰基、羧基、电子如羰基、羧基、酯基、硝基、偶氮基及芳香体系酯基、硝基、偶氮基及芳香体系 223. 助色团(助色团( Auxochrome )) 一一些些饱饱和和原原子子基基团团本本身身在在200nm以以上上没没有有吸吸收收,,但但当当它它与与发发色色团团相相连连接接时时,,可可使使发发色色团团的的最最大大吸吸收收峰峰向向长长波波方方向向移移动动,,并并且且强强度度增增加加,,这这样样的的基基团团叫叫助助色色团。
团23 助助色色团团通通常常都都含含有有n电电子子由由于于n电电子子与与π电电子子的的n-π共共轭轭效效应应导导致致π→π*跃跃迁迁能能量量降降低低,,发发色色团团的的吸吸收收波波长长向向长长波波移移动动,,颜颜色色加加深深常常见见的的助助色色基基有有-OH,,-Cl,,-NH,,-NO2,,-SH,等244. 红移(红移(Red shift)) 由于取代基作用或溶剂效应导致发色由于取代基作用或溶剂效应导致发色团的吸收峰向长波移动的现象称为红移团的吸收峰向长波移动的现象称为红移 红移一般是由于共轭体系延长或增加红移一般是由于共轭体系延长或增加了助色团引起的了助色团引起的5. 蓝移(蓝移(Blue shift)) 发色团吸收峰向短波方向的移动称为发色团吸收峰向短波方向的移动称为紫移或蓝移紫移或蓝移 256. 增色效应(增色效应(Hyperchromic effect))使吸收强度强度增加的现象使吸收强度强度增加的现象7. 减色效应(减色效应(Hypochromic effect))使吸收强度降低的现象使吸收强度降低的现象2627三、紫外光谱吸收带三、紫外光谱吸收带1. R 吸收带(吸收带( Radikalartin德文德文:基团型的)基团型的)2. 分子中含有杂原子发色团,分子中含有杂原子发色团,3. 如-如-C==O,-,-NO2等,由于发生了等,由于发生了n→π*跃迁产生的吸收带。
跃迁产生的吸收带特点:吸收峰位于特点:吸收峰位于270 nm以上,强度较弱以上,强度较弱例如,环己烷溶剂中丙酮例如,环己烷溶剂中丙酮 n →π*跃迁的跃迁的λmax = 280 nm,,εmax为为22 L·mol-1·cm-1282. K 吸收带(吸收带( Konjugierte德文:共轭的)德文:共轭的) 由于共轭烯炔中由于共轭烯炔中π→π*跃迁所产生的吸跃迁所产生的吸收带,吸收峰波长位置小于收带,吸收峰波长位置小于R吸收带特点:吸收强度强,特点:吸收强度强,ε>104 L·mol-1·cm-1 29 孤立双键的孤立双键的π→π* 跃迁一般在跃迁一般在<200 nm,共轭双键增加时,不但发生红移,而,共轭双键增加时,不但发生红移,而且强度也加强且强度也加强 CH2=CH-CH=CH2 λmax == 223nm (ε==2.26×104) CH2=CH-CH=CH-CH=CH2 λmax==258 nm (ε ==3.50×104))303. B 吸收带(吸收带(Benzenoid德文:苯型谱带)德文:苯型谱带) 由苯的由苯的π→π*跃迁和苯环振动效应重叠引跃迁和苯环振动效应重叠引起的吸收带。
起的吸收带苯环被取代后,精细结构消失或部分消失苯环被取代后,精细结构消失或部分消失B吸收带常用来识别芳香族化合物吸收带常用来识别芳香族化合物特点:特点:位于位于230-270 nm范围内,范围内,中心在中心在254 nm处,处,εmax250左右,是苯环的特征峰,左右,是苯环的特征峰,强强度较弱;当苯环上有取代基时,吸收峰形简度较弱;当苯环上有取代基时,吸收峰形简单化,红移且强度增强单化,红移且强度增强314. E 吸吸收收带带(( Ethylenic band,,乙乙烯烯型型谱谱带带) 苯苯环环中中的的乙乙烯烯键键和和共共轭轭乙乙烯烯键键引引起起的的紫紫外外吸吸收收带带分分别别称称为为E1 和和E2 带带 分分别别在在在在180nm和和200nm左左右右处处的的两两个强吸收峰个强吸收峰32 E1带带:λmax=184 nm左左右右,,ε>104为为苯苯环环的的特特征征谱谱带带,吸吸收收强强度度较较大大当当苯苯环环上上有有助助色色团团时时,,向向长长波波方方向向移移至至200 ~ 220 nm E2带带:λmax=204 nm左左右右,,εmax 7400是是苯苯环环中中共共轭轭二二烯烯引引起起的的π→π* 跃跃迁迁。
该该带带相相当当K带带当当苯苯环环引引入入发发色色团团时时,,与与苯苯环环共共轭轭,,E2带带移移至至220~250nm, ε>l04,,此此时亦称为时亦称为K带33紫外光谱谱带有:紫外光谱谱带有: B带带 ε 值约值约250 ~ 3000 L·mol-1·cm-1E带带 ε 值约值约2000 ~ 10000 K带带 ε 值约值约10000 (或大于或大于10000) R带带 ε 值值<100 上面介绍的四种吸收带按能量高低排上面介绍的四种吸收带按能量高低排列,一般有列,一般有E1>>E2≥K>>B>>R 的顺序 注意共轭效应和溶剂效应的存在注意共轭效应和溶剂效应的存在3435四、溶剂效应(四、溶剂效应(Solvent EffectSolvent Effect)) 由由于于溶溶剂剂的的极极性性不不同同,,对对化化合合物物的的紫紫外光谱产生的不同影响称为溶剂效应外光谱产生的不同影响称为溶剂效应 主要表现在吸收峰产生位移、形状改主要表现在吸收峰产生位移、形状改变,有时还会影响吸收强度变,有时还会影响吸收强度极性溶剂的影响大于非极性溶剂极性溶剂的影响大于非极性溶剂361.吸收峰产生位移吸收峰产生位移 溶溶剂剂和和溶溶质质间间形形成成氢氢键键,,或或者者由由于于溶剂的偶极作用使溶质的极性增强。
溶剂的偶极作用使溶质的极性增强 一般说来,极性溶剂的影响大于非一般说来,极性溶剂的影响大于非极性溶剂,而在非极性溶剂中测得的光极性溶剂,而在非极性溶剂中测得的光谱较接近于气体状态的光谱谱较接近于气体状态的光谱37π→π*跃迁的溶剂效应极性溶剂中红移跃迁的溶剂效应极性溶剂中红移38n→π*跃迁的溶剂效应极性溶剂中蓝移跃迁的溶剂效应极性溶剂中蓝移 39表表13-1不同极性溶剂对异丙叉丙酮紫外光谱的影响不同极性溶剂对异丙叉丙酮紫外光谱的影响402.形状改变形状改变在在非非极极性性溶溶剂剂中中测测定定时时B带带有有精精细细结结构构,,而而在在极极性性溶溶剂剂中中B带带的的精精细细结结构构消失E2带带B带带R带带41注意:注意:1.所用的溶剂在测量波段内应是透明的,所用的溶剂在测量波段内应是透明的,以免干扰被测物质的紫外光谱以免干扰被测物质的紫外光谱2.2. 对待测样品有足够的溶解度的前提下,对待测样品有足够的溶解度的前提下,尽量使用极性小的尽量使用极性小的 溶剂3.3. 注意杂质的影响,应纯化处理注意杂质的影响,应纯化处理4.4. 配制的浓度要适当,光度测量范围应配制的浓度要适当,光度测量范围应落在透光度落在透光度20~80%(()左右。
左右42§13-2 §13-2 有机化合物分子的紫外光谱有机化合物分子的紫外光谱一、非共轭体系的简单分子一、非共轭体系的简单分子1. 饱和碳氢化合物:饱和碳氢化合物:只能产生只能产生 → *跃迁,吸收带位于远紫跃迁,吸收带位于远紫外区,可以作为溶剂如正己烷、环外区,可以作为溶剂如正己烷、环己烷等 取决于分子的价电子结构取决于分子的价电子结构 价电子跃迁需要吸收的光能(波长)与价电子跃迁需要吸收的光能(波长)与λmax相对应,而跃迁的几率与相对应,而跃迁的几率与ε相对应432. 饱和烃的杂原子取代物饱和烃的杂原子取代物 如如被被助助色色团团--NH2、、--NR2、、--OH、、 --OR、、--SR、、--Cl、、 --Br、、--I等等取取代的饱和烃代的饱和烃 含含有有n电电子子,,不不仅仅有有 → *跃跃迁迁,,而而且有且有n→ *跃迁,但跃迁,但ε较小44大大部部分分化化合合物物的的吸吸收收带带仍仍小小于于200nm,,但但卤卤原原子子取取代代后后吸吸收收带带红红移移较较大大,,甚至进入到近紫外区甚至进入到近紫外区45 含含有有双双键键((如如单单烯烯烃烃)),,其其中中有有些些还还含含有有n电电子子,,这这类类化化合合物物将将发发生生 → *跃跃迁迁,,n→ * 跃迁和跃迁和n→ * 跃迁。
跃迁 → *跃跃迁迁虽虽然然强强度度很很大大,,但但落落在在真真空空紫外区,仍然看不见紫外区,仍然看不见3. 具有孤立发色团的化合物具有孤立发色团的化合物46二、共轭分子二、共轭分子1. 共轭烯烃共轭烯烃 有多个双键组成共轭双键体系,随着共有多个双键组成共轭双键体系,随着共轭体系的延伸,共轭烯烃轭体系的延伸,共轭烯烃 → * 跃迁吸跃迁吸收峰比简单烯烃显著红移,吸收强度也增收峰比简单烯烃显著红移,吸收强度也增强例如,乙烯例如,乙烯 max=165 nm ( =104 ) ,, 丁二烯丁二烯 max = 217 nm ( =2.1×104 )47 与孤立双键相比,共轭双键与孤立双键相比,共轭双键 → *跃迁的能跃迁的能量显著减小,因此量显著减小,因此 max红移红移48Wood-Ward经验规则:经验规则: 用于估算共轭烯烃化合物的最大吸用于估算共轭烯烃化合物的最大吸收波长 以以1,,3-丁丁二二烯烯为为母母体体,,其其最最大大吸吸收收波波长长基基本本值值为为214nm,,再再加加上上各各取取代代基基的的类类型型、、数数目目、、位位置置以以及及溶溶剂剂等等因因素引起的修正值。
素引起的修正值49表表13-2 计算取代共轭双烯紫外计算取代共轭双烯紫外 max的伍德沃德规则(乙醇溶液)的伍德沃德规则(乙醇溶液)1.开链或异环未取代共轭双烯开链或异环未取代共轭双烯 max基本值基本值2.如:如: 2. 同环未取代共轭双烯同环未取代共轭双烯 max基本值基本值 5. 取代基效应:取代基效应:--R (烷基取代)烷基取代) 加加5nm--O--COR 0--OR 加加6nm--Cl, Br 加加5nm --NR2 加加60nm 若为五元环或七元环的若为五元环或七元环的 max基本值基本值 分别为分别为 228及及241nm3. 处于共轭的额外双键(即每增加一个处于共轭的额外双键(即每增加一个C=C)) 加加30nm4. 环外双键(指共轭体系的双键位于一环外,环外双键(指共轭体系的双键位于一环外,且与该环直接相连)且与该环直接相连) 加加5nm214nm253nm505152母体二烯:母体二烯: 214 nm两个环外双键:两个环外双键: 2×5 nm四个取代烷基:四个取代烷基: 4×5nm计算值(计算值(λmax)) 244 nm实测值(实测值(λmax)) 247 nm例例3::53同环双烯:同环双烯: 253 nm环外双键:环外双键: 1×5 nm四个取代烷基:四个取代烷基: 4×5nm共轭双键:共轭双键: 1×30计算值(计算值(λmax)) 308 nm实测值(实测值(λmax)) 308 nm例例4::54((1)) 214+4×5+5=242nm (239nm) (2) 214+3×5+5=234nm(3) 该例中选同环二烯作母体该例中选同环二烯作母体. 同环双烯同环双烯 253 一个延伸双键一个延伸双键 30 三个取代基三个取代基 3×5 一个环外双键一个环外双键 5 一个酰氧基一个酰氧基 0 303nm (304)55烯类紫外光谱有下列特点(参考)烯类紫外光谱有下列特点(参考): (1) 在在双双键键碳碳原原子子上上的的氢氢被被含含氢氢的的烷烷基基取取代代时时,,由由于于超超共共轭轭效效应应,,吸吸收收峰峰向向长长波波方方向向移移动动。
双双键键上上每每增增加加一一个个烃烃基基,,吸吸收收峰峰谱谱带带向向长长波波移移动动约约5 nm;; 表表13 -3 乙烯及其同系物的吸收光谱乙烯及其同系物的吸收光谱 化化 合合 物物 λ max (nm)λ max (nm) ε CH CH2 2=CH=CH2 2 165 165 12000 12000 R-CH=CH R-CH=CH2 2 187 187 9000 9000 (H (H3 3C)C)2 2C=C(CHC=C(CH3 3) )2 2 197 197 11500 1150056 ((2))几几何何异异构构体体中中,,顺顺式式异异构构体体的的λmax一一般般比比反反式式的的小小,,ε也也较较小小因因为为顺顺式式异异构体空间位阻大,共轭性变差构体空间位阻大,共轭性变差λmax =273nm ε==2.0×104λmax==264nmε==9.5×10357((3)多个孤立双键的吸收为各独立双)多个孤立双键的吸收为各独立双键谱带的加合;键谱带的加合;((4)双键形成共轭使谱带发生红移;)双键形成共轭使谱带发生红移; ((5)环状烯烃中,吸收光谱与双键所)环状烯烃中,吸收光谱与双键所处的位置有关,当双键处于环外时,处的位置有关,当双键处于环外时,吸收峰明显地向长波移动。
吸收峰明显地向长波移动583. ,, -不饱和醛和酮不饱和醛和酮形成共轭体系时:形成共轭体系时:孤立孤立C=C:: → *跃迁跃迁165nm ( ≈104)孤立孤立C=O:: → *跃迁跃迁170nm ( ≈104) n→ *跃迁跃迁275nm ( <100)p→ *跃迁:跃迁:220~260nm ( ≈104)n→ *跃迁:跃迁:310~330nm ( <100)59604. , -不饱和羧酸及其酯不饱和羧酸及其酯 这类化合物的这类化合物的 → *跃迁跃迁K带红移程度小于带红移程度小于 , -不饱和酮不饱和酮, max约为约为200 ~ 240nm,, >104 L·mol-1·cm-1 原因是可能存在如下的共轭现象:原因是可能存在如下的共轭现象: 由于共轭效应,羰基由于共轭效应,羰基的亲电子性降低,即接的亲电子性降低,即接受受C=C上上 电子,形成电子,形成 → *跃迁的能力降低,跃迁的能力降低,使使 , -不饱和酸及酯不饱和酸及酯发生发生 → *跃迁需要较大跃迁需要较大的能量,的能量, max蓝移。
蓝移61三、苯及其衍生物三、苯及其衍生物苯:苯:B 带带 λmax == 256 nm,,E1带带 λmax == 184 nm,, E2 带带 λmax==204 nm6263 苯环上有取代基时,苯环上有取代基时,B 带精细结构消带精细结构消失,产生红移,强度增加失,产生红移,强度增加 苯苯环环上上有有杂杂原原子子取取代代基基,,E2红红移移;;有有生生色色团团取取代代,, E2红红移移与与K带带合合并并,,若若分子中含有分子中含有n 电子,还会有电子,还会有R 带出现64K带带(E2带带)B带带R带带245nm275nm310nm65 苯苯酚酚转转化化成成酚酚氧氧负负离离子子时时,,增增加加了了一一对对可可以以用用来来共共轭轭的的电电子子对对,,结结果果酚酚的的吸吸收收波波长长红红移移,,强度增加再加入盐酸,吸收峰又回到原处强度增加再加入盐酸,吸收峰又回到原处λmax ( E2) 203 211 236ε(L·mol-1·cm-1) 7000 6200 9400 苯苯酚酚一一苯苯酚酚钠钠的的相相互互转转化化可可用用来来检检查查化化合合物物中是否有酚羟基与芳香环相连的结构。
中是否有酚羟基与芳香环相连的结构 化合物在不同化合物在不同pH值下紫外光谱可能变化值下紫外光谱可能变化66四、稠环芳烃及杂环化合物四、稠环芳烃及杂环化合物 有有E1、、E2 和和B 带,只是有一定程度带,只是有一定程度的红移,且强度增加的红移,且强度增加 含含有有 → *跃跃迁迁引引起起的的吸吸收收带带,,还还有有n→ *跃跃迁迁的的吸吸收收带带,,它它的的B带带也也有有精细结构,吸收强度增加精细结构,吸收强度增加1. 稠环芳烃稠环芳烃2. 杂环化合物杂环化合物67§13-3 紫外光谱的应用紫外光谱的应用 紫外分光光度法可以对物质进行定性分析紫外分光光度法可以对物质进行定性分析和结构分析,还可以进行定量分析和结构分析,还可以进行定量分析 由于有机化合物的紫外吸收光谱较简单,由于有机化合物的紫外吸收光谱较简单,特征性不强,在定性分析方面的应用受到局特征性不强,在定性分析方面的应用受到局限因此,紫外光谱主要用于鉴定共轭发色限因此,紫外光谱主要用于鉴定共轭发色团并配合其他手段来推知未知物结构团并配合其他手段来推知未知物结构1) 鉴定共轭发色团鉴定共轭发色团 (2) 配合其他手段推断结构配合其他手段推断结构(3) 定量分析定量分析68截止波长截止波长 在测定紫外吸收光谱时,应标明所在测定紫外吸收光谱时,应标明所用的溶剂。
通常,烷烃溶剂对用的溶剂通常,烷烃溶剂对λmax和和εmax的影响较小,在测定紫外吸收光谱时应的影响较小,在测定紫外吸收光谱时应尽可能使用非极性溶剂尽可能使用非极性溶剂 紫外吸收光谱所允许使用溶剂的最紫外吸收光谱所允许使用溶剂的最短波长,称为短波长,称为截止波长截止波长表明当紫外光表明当紫外光波长大于截止波长时,该溶剂无吸收,波长大于截止波长时,该溶剂无吸收,不引起干扰,反之会引起干扰不引起干扰,反之会引起干扰69例例::如如图图是是混混合合物物中中分分离离出出的的四四种种化化合合物物的的紫紫外外光光谱谱,,这这四种化合物结构如下,找出各结构式与光谱的对应关系四种化合物结构如下,找出各结构式与光谱的对应关系ⅡⅢⅠⅣlg 70ABCDOHHOAcOC8H17C8H17C8H17C8H1771解:解:A只有孤立双键,其只有孤立双键,其 → * 跃迁跃迁 max在在200nm以下因图中以下因图中(Ⅰ) max〈〈200nm,故,故(Ⅰ)为化合物为化合物A283nmB的的 max可以计算:可以计算: 基本值基本值 253nm 两个环外双键(两个环外双键(2×5)) 10nm 4个-个-R(4×5) 20nm72C的的 max可以计算:可以计算: 基本值:基本值: 214 nm 1个环外双键(个环外双键(1×5)) 5 nm 3个-个-R(3×5) 15 nm max计算值计算值 234 nmD的的 max可以计算:可以计算: 基本值:基本值: 214 nm 2个环外双键(个环外双键(2×5)) 10 nm 4个-个-R(4×5) 20 nm max计算值计算值 244 nm73§13-4 红外吸收光谱红外吸收光谱(( Infrared Spectrum,,IR ))红外光谱红外光谱 分子吸收红外辐射能引起振动能分子吸收红外辐射能引起振动能级和转动能级的跃迁而获得的吸收光级和转动能级的跃迁而获得的吸收光谱,又称为分子的振动谱,又称为分子的振动- -转动光谱。
转动光谱74红外光区的划分红外光区的划分 红外光谱在可见光区和微波光区之红外光谱在可见光区和微波光区之间,波长范围约为间,波长范围约为 0.75 ~ 1000µm,根据,根据仪器技术和应用不同,习惯上又将红外仪器技术和应用不同,习惯上又将红外光区分为三个区:光区分为三个区: 近红外光区(近红外光区(0.75 ~ 2.5µm ),), 中红外光区(中红外光区(2.5 ~ 25µm ),), 远红外光区(远红外光区(25 ~ 1000µm )75定量:定量:依据特征峰的强度,朗伯-比尔定律依据特征峰的强度,朗伯-比尔定律应用:应用: 与紫外、核磁、质谱相结合,解析与紫外、核磁、质谱相结合,解析有机化合物的结构有机化合物的结构76特点特点((1)红外光谱是依据样品)红外光谱是依据样品 吸收谱带的吸收谱带的位位置、强度、形状、个数置、强度、形状、个数,推测分子中某种,推测分子中某种官能团的存在与否,推测官能团的邻近基官能团的存在与否,推测官能团的邻近基团,确定化合物结构团,确定化合物结构 ((2)) 红外光谱红外光谱不破坏不破坏样品,并且对任何样品,并且对任何样品的存在状态都适用,如气体、液体、样品的存在状态都适用,如气体、液体、可研细的固体或薄膜似的固体都可以分析。
可研细的固体或薄膜似的固体都可以分析测定方便,制样简单测定方便,制样简单 77((3)红外光谱)红外光谱特征性高特征性高由于红外光谱信息多,由于红外光谱信息多,可以对不同结构的化合物给出特征性的谱图,可以对不同结构的化合物给出特征性的谱图,所以人们也常把红外光谱叫所以人们也常把红外光谱叫“分子指纹光谱分子指纹光谱”4))分析时间短分析时间短一般红外光谱做一个样可在一般红外光谱做一个样可在10~30分钟内完成如果采用傅里叶变换红外光分钟内完成如果采用傅里叶变换红外光谱仪在一秒钟以内就可完成扫描谱仪在一秒钟以内就可完成扫描5)所需样品用量少,且可以回收红外光谱)所需样品用量少,且可以回收红外光谱分析一次用样量约分析一次用样量约1~5mg,甚至只用几十微克甚至只用几十微克78纵坐标为百分透光率纵坐标为百分透光率(T%),表示吸收峰强度,表示吸收峰强度横坐标为波长横坐标为波长(λ/μm )或波数或波数(σ/cm-1 )79在处,对应的波数值为:在处,对应的波数值为: 104/2.5 (cm-1)=4000cm-1 波数波数 ( cm-1)=104/λ(μm) 波数即波长的倒数,表示单位波数即波长的倒数,表示单位(cm)长度光中长度光中所含光波的数目。
所含光波的数目 波长或波数可以按下式互换:波长或波数可以按下式互换:一般扫描范围在一般扫描范围在4000~400cm-1 波长在波长在2.5~25μm,叫中红外区叫中红外区 波长波长0·75~2·5μm叫近红外区叫近红外区 波长在波长在25~1000μm叫远红外区叫远红外区80§13-5 §13-5 红外光谱分析的基本原理红外光谱分析的基本原理一、分子振动模型一、分子振动模型双原子分子中化学键的振动可按谐振子处理双原子分子中化学键的振动可按谐振子处理81K :化学键的力常数,单位是:化学键的力常数,单位是N · cm-1μ:成键两原子的折合质量:成键两原子的折合质量σ :振动的频率:振动的频率(吸收峰的波数吸收峰的波数),, 单位是单位是cm-182 可以看出,折合质量和键力常数是影可以看出,折合质量和键力常数是影响基本振动频率的直接因素响基本振动频率的直接因素K 越大,越大,μ越小,化学键的振动频率越高,吸收越小,化学键的振动频率越高,吸收峰将出现在高波数区;反之,则出现在峰将出现在高波数区;反之,则出现在低波数区低波数区。
83 键类型键类型 --C C-- --C==C-- --C--C-- 力常数力常数 15 10 51. 对于具有相近质量的原子团来说,吸对于具有相近质量的原子团来说,吸收峰波数随力常数增大而增大;收峰波数随力常数增大而增大; 峰位峰位 2066cm-1 1687cm-1 1193cm-1 84 键类型键类型 --C--H --C--C-- --C--O--2. 对于具有同化学键的基团来说,吸收对于具有同化学键的基团来说,吸收峰波数随相对原子质量增大而减小;峰波数随相对原子质量增大而减小; 峰位峰位 2920cm-1 1193cm-1 1112cm-1 折合质量折合质量 1.2 6 485二、红外光谱产生的条件二、红外光谱产生的条件1.红外辐射能恰好相当于物质振动能级跃红外辐射能恰好相当于物质振动能级跃迁所需的能量。
迁所需的能量2. 具有偶极矩变化的分子才有可能吸收红具有偶极矩变化的分子才有可能吸收红外辐射,产生红外光谱外辐射,产生红外光谱 拉曼光谱取决于振动中极化度(分子拉曼光谱取决于振动中极化度(分子中电子云变形的难易程度)是否变化,中电子云变形的难易程度)是否变化,只有极化度有变化的振动才能产生拉曼只有极化度有变化的振动才能产生拉曼光谱(供参考)光谱(供参考)86对称分子:无偶极矩变化,非红外活性对称分子:无偶极矩变化,非红外活性非对称分子:有偶极矩变化,有红外活性非对称分子:有偶极矩变化,有红外活性如:如:N2、、O2、、Cl2如:如:H2O、、HCl等等87 特点:特点: 红外光谱和拉曼光谱皆反映了分子振动红外光谱和拉曼光谱皆反映了分子振动的变化,红外光谱适用于分子中基团的测的变化,红外光谱适用于分子中基团的测定,拉曼光谱更适用于分子骨架的测定定,拉曼光谱更适用于分子骨架的测定 红外活性是对应着分子振动时偶极矩的红外活性是对应着分子振动时偶极矩的变化,拉曼活性对应着分子振动时极化度变化,拉曼活性对应着分子振动时极化度的变化 红外光谱和拉曼光谱可以互相补充。
红外光谱和拉曼光谱可以互相补充 88三、红外光谱的吸收强度(参考)三、红外光谱的吸收强度(参考) 一是一是跃迁的几率跃迁的几率,跃迁的几率大,吸收峰,跃迁的几率大,吸收峰也就强 二是振动中二是振动中偶极矩变化的程度偶极矩变化的程度瞬间偶极瞬间偶极矩变化越大,吸收峰越强矩变化越大,吸收峰越强 跃迁的几率与振动方式有关跃迁的几率与振动方式有关: 基频基频(V0→V1)跃迁几率大,所以吸收较强;跃迁几率大,所以吸收较强; 倍频倍频(V0→V2)虽然偶极矩变化大,但跃率几虽然偶极矩变化大,但跃率几率很低,使峰强反而很弱率很低,使峰强反而很弱891. 振动能级的跃迁几率振动能级的跃迁几率 分子吸收红外辐射后,由基态振动能分子吸收红外辐射后,由基态振动能级(级( =0)跃迁至第一振动激发态)跃迁至第一振动激发态(( =1)时,所产生的吸收峰称为)时,所产生的吸收峰称为基频峰基频峰 在红外吸收光谱上除基频峰外,还有在红外吸收光谱上除基频峰外,还有振动能级由基态(振动能级由基态( =0)跃迁至第二激发)跃迁至第二激发态(态( =2)、第三激发态()、第三激发态( =3)),所,所产生的吸收峰称为产生的吸收峰称为倍频峰倍频峰。
90一一般般T%为为10%的的峰峰为为强强吸吸收收(记记为为S),, T%在在 40~60%为为 中中 等等 强强 度度 吸吸 收收 (M),,60~80%为弱吸收为弱吸收(W)基频吸收一般较强;基频吸收一般较强;倍频吸收一般都是弱峰倍频吸收一般都是弱峰912. 红外吸收强度与偶极矩变化的平方成正比红外吸收强度与偶极矩变化的平方成正比((1 1)化学键两端原子)化学键两端原子电负性相差越大电负性相差越大,,或分子对称性越差、产生的吸收峰越强或分子对称性越差、产生的吸收峰越强例如,例如,C==O基团是红外谱图中最强的吸收;基团是红外谱图中最强的吸收;C==C的吸收峰强度很弱的吸收峰强度很弱偶极矩变化的大小与以下四个因素有关:偶极矩变化的大小与以下四个因素有关: 吸收峰强度为吸收峰强度为υC-O>υC-H>υC-C92((2))振动方式振动方式相同基团的振动方式不相同基团的振动方式不同,分子的电荷分布也不同,偶极矩变同,分子的电荷分布也不同,偶极矩变化也不同化也不同 反对称伸缩振动比对称伸缩振动的吸反对称伸缩振动比对称伸缩振动的吸收强度大;收强度大; 伸缩振动的吸收强度比变形振动的吸伸缩振动的吸收强度比变形振动的吸收强度大。
收强度大93((4)其他因素)其他因素((3)分子的)分子的对称性对称性 结构为中心对称的分子,若其振动也中结构为中心对称的分子,若其振动也中心对称,则此振动的偶极矩变化为零如心对称,则此振动的偶极矩变化为零如CO2的对称伸缩振动没有红外活性的对称伸缩振动没有红外活性 对称性差的振动偶极矩变化大,吸收峰对称性差的振动偶极矩变化大,吸收峰强94四、红外光谱的振动形式四、红外光谱的振动形式 指成键原子沿着价键的方向来回相指成键原子沿着价键的方向来回相对运动,键长发生变化而键角不变的运对运动,键长发生变化而键角不变的运动,记为动,记为 可分为可分为对称伸缩振动和反对称伸缩振对称伸缩振动和反对称伸缩振动,分别用动,分别用 s和和 as表示1. 伸缩振动(伸缩振动(stretching vibration):):分子的振动分为伸缩振动和变形振动分子的振动分为伸缩振动和变形振动95亚甲基的伸缩振动亚甲基的伸缩振动96 指原子垂直于价键方向的振动,又称指原子垂直于价键方向的振动,又称为变形振动,为变形振动,键长不变而键角改变的振键长不变而键角改变的振动方式,用字母动方式,用字母δ表示。
表示2. 弯曲振动(弯曲振动(distorting vibration))面内弯曲振动面内弯曲振动97亚甲基的面外摇摆振动和卷曲振动亚甲基的面外摇摆振动和卷曲振动面外弯曲振动:面外弯曲振动:98 跃迁时能级变化的大小为:跃迁时能级变化的大小为: υas >>υs >>δ 能级变化大的出峰在高频区,即波数值能级变化大的出峰在高频区,即波数值大;能级变化小的出峰在低频区,即波数大;能级变化小的出峰在低频区,即波数值小 谱带的位置谱带的位置(波数波数)由能级变化的大小确由能级变化的大小确定谱带的位置定谱带的位置(波数波数)也就是振动时吸收也就是振动时吸收红外线的波数红外线的波数99非线性分子为非线性分子为3N--6,线性分子为,线性分子为3N--5基本振动数:基本振动数:H2O: N==3基本振动数:基本振动数:3T100 CO2((CS2)分子是)分子是N=3的直线型分子,的直线型分子,有有3N-5个基本振动,即个基本振动,即4个振动101峰的个数远小于理论计算振动的个数:峰的个数远小于理论计算振动的个数:1) 对对称称性性强强的的分分子子偶偶极极矩矩变变化化很很小小或或为零,不产生红外吸收;为零,不产生红外吸收;2) 相相同同频频率率的的振振动动吸吸收收峰峰重重叠叠,,产产生生简并;简并;3) 有有些些振振动动频频率率较较弱弱,,难难以以检检测测出出来来;;有些峰落在仪器检测范围之外。
有些峰落在仪器检测范围之外102五、影响基团频率五、影响基团频率(Group Frequency)(Group Frequency)的因素的因素(仅供参考)(仅供参考)1.内部因素对基团频率的影响内部因素对基团频率的影响1)电子效应)电子效应((electronic effect)) 电子效应是通过成键电子起作用,包括诱导电子效应是通过成键电子起作用,包括诱导效应(效应(I效应效应,,Inductive Effect),共轭效应),共轭效应((C效应效应,, Conjugate Effect )等它们对基)等它们对基团频率影响的共同点都是由于化学键的电子云团频率影响的共同点都是由于化学键的电子云分布不均匀,造成键力常数改变而引起的分布不均匀,造成键力常数改变而引起的103a. 诱导效应(诱导效应( Inductive Effect )) 由由于于取取代代基基具具有有不不同同的的电电负负性性,,通通过过静静电电诱诱导导作作用用,,引引起起分分子子中中电电子子云云分分布布的的变变化化,,从从而而引引起起键键力力常常数数的的变变化化,,改改变变基基团团的的特特征征频频率率,,这这种种效效应应称称为为诱诱导导效应。
效应104 吸电子基团(吸电子基团(-I效应)使邻近基团吸效应)使邻近基团吸收波数升高;给电子基团(+收波数升高;给电子基团(+I效应)使效应)使波数降低波数降低 105 RCOR RCOH RCOCl RCOF 1715 cm-1 1730 cm-1 1800 cm-1 1920 cm-1 诱诱导导效效应应沿沿分分子子中中化化学学键键而而传传递递,,和和电电负负性性取取代代基基相相连连的的极极性性共共价价键键,,如如--CO--X,,随随着着X基基电电负负性性增增大大,,诱诱导导效应增强效应增强例如例如:106b.共轭效应(共轭效应(Conjugate Effect))共共轭轭效效应应引引起起双双键键性性降降低低,,伸伸缩缩振振动动频率向低波数位移频率向低波数位移107 饱和酯的饱和酯的 C=O为为1735 cm-1,比酮,比酮((1715 cm-1)高,就是由于高,就是由于I效应大于效应大于C效效应(应(I>C),二者的净效应使得电子云密),二者的净效应使得电子云密度由氧移向双键中间,使键力常数增加度由氧移向双键中间,使键力常数增加的缘故。
的缘故注注意意::有有时时在在化化合合物物中中,,I效效应应与与C效效应应同同时时存存在在,,如如果果二二者者方方向向不不一一致致,,这这时时应考虑哪个效应起主导作用应考虑哪个效应起主导作用108c.场效应场效应 分子内由于相互靠近的基团之间存分子内由于相互靠近的基团之间存在空间静电作用而影响吸收频率的效应在空间静电作用而影响吸收频率的效应称为场效应称为场效应1092))氢键氢键羰基和羟基之间易形成氢键,使羰基和羟基之间易形成氢键,使 C=O降低降低例如,游离的羧酸例如,游离的羧酸 C=O在在1760 cm-1左右,液态左右,液态或固态时形成了二聚体,或固态时形成了二聚体, C=O在在1700 cm-1左右左右1103) 偶合效应(偶合效应(Coupling Effect)) 适当结合的两个基团,原来振动频率很接适当结合的两个基团,原来振动频率很接近,它们之间产生相互作用从而使谱线裂分近,它们之间产生相互作用从而使谱线裂分为二,一个高于正常频率一个低于正常频率,为二,一个高于正常频率一个低于正常频率,这种相互作用称为偶合效应这种相互作用称为偶合效应。
111 4) 费米共振:费米共振: 当一个振动的倍频或组合频与某一个当一个振动的倍频或组合频与某一个强的强的基频基频有接近的频率时,这两个振动相有接近的频率时,这两个振动相互作用发生偶合,互作用发生偶合,产生很强的吸收峰或者产生很强的吸收峰或者发生分裂的现象发生分裂的现象的的 C=O为为1773cm-1和和1736 cm-1,,由由于于 C=O (1774 cm-1)和和C--C弯弯曲曲振振动动 ( 880 ~ 860 cm-1 )的的倍倍频频发发生生费费米米共共振振,,使使C==O峰裂分1122. 外部因素对基团频率的影响外部因素对基团频率的影响 外部因素主要指测定时物质的状态以外部因素主要指测定时物质的状态以及溶剂效应等因素同一种化合物的气及溶剂效应等因素同一种化合物的气态和液态光谱,或者液态和固态光谱,态和液态光谱,或者液态和固态光谱,以及采用不同溶剂时,均会造成谱图的以及采用不同溶剂时,均会造成谱图的差异,尤其在查阅标准谱图时更要注意差异,尤其在查阅标准谱图时更要注意这一点113§13-5 §13-5 典型红外谱带吸收范围典型红外谱带吸收范围一、红外光谱的特征吸收一、红外光谱的特征吸收 化合物红外光谱是各种基团红外吸收的叠加化合物红外光谱是各种基团红外吸收的叠加 。
各种基团在红外光谱的特定区域会出现对应各种基团在红外光谱的特定区域会出现对应的吸收带,其位置大致固定的吸收带,其位置大致固定 受化学结构和外部条件的影响,吸收带会发受化学结构和外部条件的影响,吸收带会发生生位移位移,但综合吸收,但综合吸收峰位置、谱带强度、谱带峰位置、谱带强度、谱带形状及相关峰的形状及相关峰的存在,可以从谱带信息中反映存在,可以从谱带信息中反映出各种基团的存在与否出各种基团的存在与否114 中红外区中红外区(4000~400 cm-1)分成两部分分成两部分: 官能团区官能团区: 4000~1300 cm-1; 指纹区指纹区: 1300~600 cm-1) 官能团的特征吸收大多出现在官能团区官能团的特征吸收大多出现在官能团区 而有关的分子精细结构特征,如取代而有关的分子精细结构特征,如取代类型、几何异构、同分异构在指纹区可以类型、几何异构、同分异构在指纹区可以观察到115基基团团特特征征频频率率::与与一一定定结结构构单单元元相相联联系系的的、、在在一一定定范范围围内内出出现现的的化化学学键键振振动动频频率率, ,又称基团特征峰。
又称基团特征峰例:例:2800 3000 cm-1 --CH3 特征峰特征峰;; 1600 1850 cm-1 --C=O 特征峰特征峰;;116基团的化学环境不同,特征峰出现位置变化基团的化学环境不同,特征峰出现位置变化--CH2--CO--CH2-- 1715 cm-1 酮酮--CH2--CO--O--R-- 1735 cm-1 酯酯--CH2--CO--NH-- 1680 cm-1 酰胺酰胺常见的有机化合物基团频率出现范围:常见的有机化合物基团频率出现范围:1171. 4000 2500 cm-12. 2500 1900 cm-1 叁键,累积双键伸缩振动区叁键,累积双键伸缩振动区主要包括-主要包括-C C,腈键-,腈键-C N,烯酮基,烯酮基等等3. 1900 1500 cm-1 ::双键伸缩振动区双键伸缩振动区4. 1500 670 cm-1X--H伸缩振动区(伸缩振动区(X::O、、N、、C、、S))X--Y伸缩振动,伸缩振动,X--H弯曲振动区弯曲振动区118二、有机化合物分子中常见基团吸收峰二、有机化合物分子中常见基团吸收峰1. X--H伸缩振动区伸缩振动区(4000 2500 cm-1 )1)-)-O--H在非极性溶剂中,浓度较小在非极性溶剂中,浓度较小(稀溶液稀溶液)时,时,峰形尖锐,强吸收;当浓度较大时,发峰形尖锐,强吸收;当浓度较大时,发生缔合作用,峰形较宽。
生缔合作用,峰形较宽3650 3200 cm-1 确定醇,酚,确定醇,酚,有机酸有机酸119单体单体二聚合体二聚合体多聚合体多聚合体正丁醇在氯苯中正丁醇在氯苯中的红外光谱的红外光谱a.1.4% b.3.4% c.7.1% d.14.3%正丁醇正丁醇(重量比重量比)1202)饱和碳原子上的)饱和碳原子上的C--H (3000 cm-1以下以下)的伸缩振动区的伸缩振动区--CH3 2960 cm-1 反对称伸缩振动反对称伸缩振动 2870 cm-1 对称伸缩振动对称伸缩振动--CH2-- 2930 cm-1 反对称伸缩振动反对称伸缩振动 2850 cm-1 对称伸缩振动对称伸缩振动121CH3(CH2)4CH31. C--H伸缩振动伸缩振动 2. C--H变形振动变形振动1223)不饱和碳原子上的)不饱和碳原子上的C--H(( 3000 cm-1 以上以上 )伸缩振动区)伸缩振动区苯环上的苯环上的C--H 3030 cm-1=C--H 3000 3100 cm-1 C--H 3300 cm-1 123CH2==CHCH2CH2CH31.==C--H伸缩伸缩 --H伸缩伸缩 ==C伸缩伸缩 --H弯曲弯曲1242. 叁键和累积双键伸缩振动区叁键和累积双键伸缩振动区((2500 1900 cm-1 ))1))RC CH ((2100 2140 cm-1 )) RC CR′ ((2190 2260 cm-1 )) R= R′时,无红外活性时,无红外活性2))RC N 非共轭非共轭 2240 2260 cm-1 共轭共轭 2220 2230 cm-1 1253.. 双键伸缩振动区双键伸缩振动区(1900 1500 cm-1)1)) RC==CR´2)单核芳烃)单核芳烃C=C键伸缩振动键伸缩振动(1650 1450 cm-1)R= H,, 1620 1680 cm-1,强度弱,强度弱R= R′,, 无红外活性无红外活性苯:苯:1500 cm-1(S)1600 cm-1 (M)1580 cm-1 (W)1450 cm-1 (W)1263))C=O伸缩振动区伸缩振动区 (1850 1600 cm-1 )特点:强度大,峰尖锐特点:强度大,峰尖锐127醛,酮的区分醛,酮的区分: 脂脂肪肪族族饱饱和和醛醛羰羰基基在在1740 1720 cm-1 ,,而而不不饱饱和和醛醛波波数数较较低低;;醛醛的的C--H伸伸缩缩振振动在动在2830和和2720 cm-1 。
这两个吸收是由于醛基质子的这两个吸收是由于醛基质子的 CH与与 CH的倍频的费米共振产生的倍频的费米共振产生128129--H伸缩伸缩 2. C--H伸缩伸缩 3.C=O伸缩伸缩 --H弯曲弯曲1304. X--Y伸缩振动,伸缩振动,X--H 变形振动区变形振动区 (1500-670 cm-1 ) 指纹区指纹区(1300 600 cm-1 ),较复杂C--H,,N--H的变形振动;的变形振动;C--O,,C--X的伸缩振动;的伸缩振动;C--C骨架振动等,精细结构的区分骨架振动等,精细结构的区分 131((1))1500-1300 cm-1 δC-H -CH3 1380 和和1450 cm-1 两个峰两个峰异丙基:异丙基:1380 cm-1 分裂为两个强度相等分裂为两个强度相等的吸收峰;的吸收峰; 叔丁基:叔丁基:1380 cm-1 分裂为两个吸收峰,分裂为两个吸收峰,低波数峰的强度是高波数的两倍低波数峰的强度是高波数的两倍132((2))C-O的伸缩振动:的伸缩振动: 1300-1000 cm-1醇类:伯醇醇类:伯醇 1050 cm-1 ,仲醇,仲醇 1100 cm-1 ,叔醇,叔醇1150 cm-1 酚:酚:1200 cm-1 酯:酯:1250-1150 cm-1,,1140-1030 cm-1 醚:醚:1150-1060 cm-1 133(3) 1000-650 cm(3) 1000-650 cm-1-1 :: a. 烯烯碳碳上上质质子子的的面面外外摇摇摆摆振振动动 =CH,,用于判断烯碳上取代类型及顺反异构。
用于判断烯碳上取代类型及顺反异构仅供参考)(仅供参考)反式构型反式构型 980-960 cm-1顺式构型顺式构型 730-670 cm-1 1341.==C-H伸缩振动伸缩振动 伸缩振动伸缩振动 3. ==C-H面外变形面外变形 1351.=C-H伸缩伸缩 伸缩伸缩 3.C=C伸缩伸缩 4.==C-H变形变形136b. 苯环上(苯环上(==C-H弯曲振动)弯曲振动)的取代:的取代:137 利用苯环利用苯环C-H面外变形振动吸收峰及其倍频吸面外变形振动吸收峰及其倍频吸收峰,确定苯环取代类型下为不同苯环取代类收峰,确定苯环取代类型下为不同苯环取代类型在型在2000~ 1667cm-1和和900~600cm-1区域的光谱区域的光谱138--H 伸缩振动伸缩振动 --O伸缩振动伸缩振动139三、分子的不饱和度三、分子的不饱和度 指指该该化化合合物物在在组组成成上上与与饱饱和和化化合合物物相相差成对的一价元素(差成对的一价元素(H)的数目计计算算:若若分分子子中中仅仅含含一一、、二二、、三三、、四四价价元元素素(H、、O、、N、、C),则,则n4 、、 n3 、、 n1 分别为分子中四价、三价、分别为分子中四价、三价、一价元素的数目一价元素的数目140作作用用:由由分分子子的的不不饱饱和和度度可可以以推推断断分分子子中中含含有有双双键键、、三三键键、、环环、、芳芳环环的的数目,验证谱图解析的正确性。
数目,验证谱图解析的正确性例:例: C9H8O2 = 1 + 9 +((0-- 8 ))/ 2 = 6141§13-6 红外光谱解析实例红外光谱解析实例一、红外谱图解析一、红外谱图解析基础知识基础知识1) 特征频率区特征频率区红红外外光光谱谱中中4000cm-1~1300cm-1的的高高频频区区称称为为特特征征频频率率区区主主要要是是单单键键(X--H)、、三三键键(C C,,C N) 及及双双键键(C==C,,C==O)的伸缩振动的伸缩振动142 红红外外光光谱谱的的1300 cm-1~600 cm-1的的低低频区称为指纹区频区称为指纹区2) 指纹区指纹区 ((fingerprint region))主主要要是是各各种种单单键键(C--N,,C--O,,C--C)的伸缩振动及各种弯曲振动的吸收峰的伸缩振动及各种弯曲振动的吸收峰 指指纹纹区区的的主主要要价价值值在在于于表表示示整整个个分分子子的的特特性性,,与与标标准准谱谱图图比比较较,,确确定定未未知物的结构知物的结构143b) 苯苯及及其其衍衍生生物物的的==C--H键键面面外外变变形形振振动动在在900 650 cm-1范范围围,,按按其其位位置置、、吸吸收收峰峰个个数数及及强强度度可可以以用用来来判判断断苯苯环环上上取代基个数及取代模式。
取代基个数及取代模式a) 烯烯烃烃的的C--H弯弯曲曲振振动动在在750~1000 cm-1范范围围,,反反映映烯烯烃烃是是单单取取代代还还是是多多取代,是顺式还是反式取代,是顺式还是反式c)端炔端炔≡≡C--H的面外弯曲,的面外弯曲,665~625 cm-11441453) 相关峰相关峰习习惯惯上上把把同同一一官官能能团团的的不不同同振振动动方方式式而而产生的红外吸收峰称为相关峰产生的红外吸收峰称为相关峰如如甲甲基基(--CH3) 2960cm-1 ( as),,2870cm1 ( s),,1460cm-1 、、1380cm-1 ( C-H剪剪式式及及面面内内摇摇摆摆)用一种组相关峰可更确定的鉴别官能团,用一种组相关峰可更确定的鉴别官能团,这是红外定性鉴定的重要原则这是红外定性鉴定的重要原则1461. .烷烃烷烃二、常见有机化合物的特征基团频率二、常见有机化合物的特征基团频率 (a) C-H的伸缩振动:基本在的伸缩振动:基本在2975 ~2845 cm-1之间,包括甲基、亚甲基的之间,包括甲基、亚甲基的对称及不对称伸缩振动对称及不对称伸缩振动b) C-H的变形振动:在的变形振动:在1460、、1380 cm-1附近,其中附近,其中1380 cm-1 常作为鉴定甲基常作为鉴定甲基的依据。
的依据147 C(CH3)3 (叔丁基叔丁基) :: 1380cm-1左右分左右分裂成强度不等的两个峰裂成强度不等的两个峰:一个在一个在 1395 cm-1(m)附近,一个在附近,一个在1365 cm-1(S)附近 --CH(CH3)2 (异丙基异丙基) :: 1380 cm-1左左右右 分裂成二个强度大体相等的吸收,分裂成二个强度大体相等的吸收,一个在一个在1385 cm-1附近,一个在附近,一个在1375 cm-1附近148CH3(CH2)4CH31. C--H伸缩振动伸缩振动 2. C--H变形振动变形振动1492. . 烯烃烯烃((1)烯烃有三个特征吸区:)烯烃有三个特征吸区: (a) 3100~3000 cm-1 ,, =CH (b) 1680~1620 cm-1 ,, C=C,用于判断烯,用于判断烯键的存在与否键的存在与否 (c) l000~650 cm-1,烯碳上,烯碳上C-H的面外弯的面外弯曲振动曲振动 =CH,用于判断烯碳上取代类型及,用于判断烯碳上取代类型及顺反异构顺反异构150反式构型反式构型 980-960 cm-1顺式构型顺式构型 730-670 cm-1 1513. 炔烃炔烃((1)炔烃有三个特征吸收带:)炔烃有三个特征吸收带: CH 3340~3260cm-1(S,尖,尖) C C 2260~2100cm-1(m~W) CH 645~615cm-1(S、宽、宽)((2)) C C与与 C=C类似,类似,强度随分子对强度随分子对称性及共轭情况称性及共轭情况的不同而变化。
分子有的不同而变化分子有中心对称时,中心对称时, C C看不到分子与其他看不到分子与其他基团共轭时,基团共轭时, C C 强度大大增强强度大大增强 152(1)苯环在四个区有其特征吸收:苯环在四个区有其特征吸收:3100~3000、、2000~1650、、1625~1450及及900~650 cm-1.(2)) =CH出现在出现在3100~3000 cm-1,常常在,常常在3030 cm-1附近 (3)苯环骨架(苯环骨架(C=C)的伸缩振动:在)的伸缩振动:在1625~1450 cm-1之间,可能有几个吸收,之间,可能有几个吸收,强弱及个数皆与结构有关强弱及个数皆与结构有关4. 芳香烃芳香烃153((4)面外变形振动)面外变形振动 =CH在在900~650 cm-1,,按其位置、吸收峰个数及强度可以用来判断按其位置、吸收峰个数及强度可以用来判断苯环上苯环上取代基个数及取代模式取代基个数及取代模式154 =CH在在3018cm-1,骨架振动在,骨架振动在1606、、1495及及1466 cm-1,,四个邻接氢的吸收在四个邻接氢的吸收在742cm-11555. .醇和酚醇和酚 ((2)羟基的伸缩振动)羟基的伸缩振动 OH在在3550~3200 cm-1 (S)。
1)醇和酚都含有羟基,有三个特征吸收带:)醇和酚都含有羟基,有三个特征吸收带: OH,, OH和和 C-O ((3)) δOH 在在1420~1260cm-1,, C-O在在1250~1000cm-1 吸收位置与伯、仲、叔醇和酚的类别有关吸收位置与伯、仲、叔醇和酚的类别有关 156 苯酚的红外光谱图苯酚的红外光谱图 OH 在在3229 cm-1,是一宽峰;,是一宽峰; OH 在在1372 cm-1,, C-O在在1234 cm-1 1576. 酮(酮(R1-CO-R2)) 基本上在基本上在1900~1650 cm-1范围,常常是第范围,常常是第一强峰一强峰 C=O对化学环境比较敏感对化学环境比较敏感1)酮的特征吸收为)酮的特征吸收为 C=O,常是第一强峰常是第一强峰饱和脂肪酮的饱和脂肪酮的 C=O在在1725~1705 cm-1 (2) 羰基与苯环、烯键或炔键共轭后,使羰基与苯环、烯键或炔键共轭后,使羰基的双键性减小,力常数减小,使羰基的双键性减小,力常数减小,使 C=O移向低波数移向低波数 。
1587.醛(.醛(R-CHO))((1)醛有)醛有 C=O和醛基质子的和醛基质子的 CH两个特征两个特征吸收带吸收带((2)醛基质子的伸缩振动)醛基质子的伸缩振动 醛基的醛基的 CH在在2880~2650 cm-1出现两个出现两个强度相近的中等吸收峰强度相近的中等吸收峰,一般这两个峰在,一般这两个峰在2820 cm-1和和2740~2720 cm-1出现159醛,酮的区分醛,酮的区分: 脂脂肪肪族族饱饱和和醛醛羰羰基基在在1740 1720 cm-1 ,,而而不不饱饱和和醛醛波波数数较较低低;;醛醛的的C--H伸伸缩缩振振动在动在2830和和2720 cm-1 这两个吸收是由于醛基质子的这两个吸收是由于醛基质子的 CH与与 CH的倍频的费米共振产生的倍频的费米共振产生160 苯甲醛的红外光谱图苯甲醛的红外光谱图2820、、2738 cm-1为醛基的为醛基的C-H伸缩振动,伸缩振动,1703 cm-1是是C=O伸缩振动,伸缩振动,1597,,1584,,1456 cm-1为苯环的为苯环的骨架振动,骨架振动,746,,688 cm-1说明为单取代结构。
说明为单取代结构1618.羧酸(.羧酸(RCOOH)及其衍生物)及其衍生物 羧酸在液体和固体状态,一般以羧酸在液体和固体状态,一般以二聚二聚体体形式存在:羧酸分子中既有羟基又有形式存在:羧酸分子中既有羟基又有羰基,两者的吸收皆有羰基,两者的吸收皆有 ((1)羧酸)羧酸 C=O 游离时游离时 C=O ~1760 cm-1 二聚体二聚体 C=O 1725~1700 cm-1162(2) OH 二聚体二聚体 OH在在3200~2500 cm-1一个较一个较大的范围内,以大的范围内,以3000 cm-1为中心有一个宽为中心有一个宽而强的峰而强的峰 ((3)在)在955~915 cm-1有一特征性宽峰,有一特征性宽峰, 是羧酸的二聚体中是羧酸的二聚体中OH的面外变形振动的面外变形振动引起163--H伸缩;伸缩; 2. C--H伸缩伸缩 3.C=O伸缩;伸缩; 4. O--H弯曲弯曲164 在在1330~1050 cm-1有两个吸收带,即有两个吸收带,即 和和 其中 在在1330~1150 cm-1,峰强度大而,峰强度大而且宽,常为第一强峰。
且宽,常为第一强峰9. 酯(酯(RCOOR’))((1)酯有两个特征吸收,即)酯有两个特征吸收,即υC=O和和υC-O-C((2)酯羰基的伸缩振动)酯羰基的伸缩振动υC=O:: 酯的酯的C=O伸缩振动比相应的酮高,在伸缩振动比相应的酮高,在1740 cm-1附近若存在共轭结构,则移向低附近若存在共轭结构,则移向低频3)υC-O-C 的伸缩振动吸收峰的伸缩振动吸收峰165 乙酸乙酯的红外光谱图乙酸乙酯的红外光谱图 1743 cm-1为为C=O伸缩振动,伸缩振动,1243,,1048 cm-1为为C-O-C的不对称和对称伸缩伸缩振动的不对称和对称伸缩伸缩振动166三、红外光谱一般解析步骤及实例红外光谱一般解析步骤及实例1.了解样品来源、样品的理化性质,其他了解样品来源、样品的理化性质,其他分析的数据,样品重结晶溶剂及纯度分析的数据,样品重结晶溶剂及纯度2. 若可以写出分子式,则应先算出分子的若可以写出分子式,则应先算出分子的不饱和度不饱和度Ω3. 确定分子所含基团及化学键的类型确定分子所含基团及化学键的类型。
167 基团的特征吸收带会在一定范围内位基团的特征吸收带会在一定范围内位移分析谱图常按:移分析谱图常按:“先官能团区后指纹先官能团区后指纹区,先强峰后次强峰和弱峰,先否定后肯区,先强峰后次强峰和弱峰,先否定后肯定定” 的原则分析图谱,确定峰的归属的原则分析图谱,确定峰的归属 若在某基团的吸收区出现了吸收,应若在某基团的吸收区出现了吸收,应该查看该基团的相关峰是否也存在,综合该查看该基团的相关峰是否也存在,综合考虑谱带位置、谱带强度、谱带形状和相考虑谱带位置、谱带强度、谱带形状和相关峰的个数,再确定基团的存在关峰的个数,再确定基团的存在1684. 推定分子结构:应用以上图谱分析,结推定分子结构:应用以上图谱分析,结合其他分析数据,确定化合物的结构单元,合其他分析数据,确定化合物的结构单元,提出提出可能的结构式可能的结构式5. 已知化合物分子结构的验证根据推已知化合物分子结构的验证根据推定的化合物结构式,查找该化合物的标定的化合物结构式,查找该化合物的标准图谱,进行验证准图谱,进行验证169例例1:分析化合物:分析化合物C8H8O2的结构的结构170解解: 不饱和度为不饱和度为5,说明分子中可能存在,说明分子中可能存在苯环。
苯环3030 cm-1为为 =CH的的吸收峰,结合吸收峰,结合1600 cm-1、、1520 cm-1的吸收峰说明分的吸收峰说明分子中有苯环子中有苯环1711700 cm-1 为为 C=O的吸收峰,再结合的吸收峰,再结合2730 cm-1的特征峰,说明为醛的特征峰,说明为醛2960 cm-1为为 C-H的吸收峰,结合的吸收峰,结合1460 cm-1、、1390 cm-1的吸收峰说明分子中存的吸收峰说明分子中存在在CH3172C8H8O2 --(CHO + C6H4 + CH3) = O820 cm-1的吸收峰是苯环对位取代特征峰的吸收峰是苯环对位取代特征峰173例例2:分析化合物:分析化合物C4H8O2的结构的结构174解:解:1740 cm-1((s),表明有),表明有C=O基团;基团;1240 cm-1(S)说明有说明有C--O存在;存在;不饱和度为不饱和度为1,说明可能有双键或脂环;,说明可能有双键或脂环;可能是饱和酯可能是饱和酯1752900 cm-1左右有吸收,说明有饱和左右有吸收,说明有饱和C--H,,可能有-可能有-CH3和-和-CH2-基团;-基团;1460 cm-1、、1375 cm-1证明-证明-CH3存在。
存在176例例3:分析化合物:分析化合物C7H6O的结构177解:解: Ω=1十十7十十 (0-6) /2=5 3065、、1597、、1584、、1456 cm-1说明有说明有苯环,结合在苯环,结合在746、、688 cm-1的两个吸收的两个吸收峰,可以认为是单取代苯环峰,可以认为是单取代苯环1703 cm-1 ((s),表明有),表明有C=O基团基团,波数,波数较低,可能有共轭再结合较低,可能有共轭再结合 2820、、2738 cm-1两个吸收峰,说明为醛两个吸收峰,说明为醛17817918013-7 红外吸收光谱仪(仅作参考)红外吸收光谱仪(仅作参考) 红外光谱仪由光源、单色器红外光谱仪由光源、单色器 、吸收池、、吸收池、检测器和记录器等部分组成但就其每检测器和记录器等部分组成但就其每个组成部分而言,它的结构、所用材料个组成部分而言,它的结构、所用材料及性能均与紫外及性能均与紫外-可见分光光度计不同可见分光光度计不同 目前,商品化的仪器有色散型红外光目前,商品化的仪器有色散型红外光谱仪和傅立叶变换红外光谱仪谱仪和傅立叶变换红外光谱仪1811. 光源:光源: 光源的作用是产生高强度、连续的红光源的作用是产生高强度、连续的红外光。
外光 ((1)硅碳棒由硅碳砂加压成型并经锻烧做成由硅碳砂加压成型并经锻烧做成工作温度工作温度1300~1500℃,工作寿命,工作寿命1000小时硅碳棒不需要预热,寿命也较长价格便宜碳棒不需要预热,寿命也较长价格便宜 ((2)能斯特灯由稀土金属氧化物加压成型后)能斯特灯由稀土金属氧化物加压成型后在高温下烧结而成要点亮这种灯要预热到在高温下烧结而成要点亮这种灯要预热到700℃以上能斯特灯寿命长、稳定性好,但价以上能斯特灯寿命长、稳定性好,但价格较贵,操作不如硅碳棒方便格较贵,操作不如硅碳棒方便一、一、 红外光谱仪的主要部件红外光谱仪的主要部件1822. 分光系统分光系统 主要由反射镜、狭缝和分光器组成作用是将主要由反射镜、狭缝和分光器组成作用是将复式光分解成单色光分光系统也叫复式光分解成单色光分光系统也叫单色器单色器 (1) 狭缝2)反射镜3)色散元件色散元件是变复式光为单色光的)色散元件色散元件是变复式光为单色光的部件 第一代红外分光光度计的色散元件是棱镜,棱第一代红外分光光度计的色散元件是棱镜,棱镜是用透红外光的镜是用透红外光的KBr、、NaF、、CaF2,和,和LiF等盐等盐的单晶制成。
的单晶制成 第二代红外光谱仪的色散元件是衍射光栅第二代红外光谱仪的色散元件是衍射光栅 第三代红外分光光度计的色散元件是迈克逊干第三代红外分光光度计的色散元件是迈克逊干涉仪,不用狭缝涉仪,不用狭缝1833. 检测器检测器 检测器是测量红外光强度的大小并检测器是测量红外光强度的大小并将其变为电讯号的装置主要有真空热将其变为电讯号的装置主要有真空热电偶、高莱池和热电量热计三种电偶、高莱池和热电量热计三种184傅里叶变换红外分光光度计傅里叶变换红外分光光度计185 FTIR不用狭缝,消除了狭缝对光谱能量的限不用狭缝,消除了狭缝对光谱能量的限制,使光能的利用率大大提高制,使光能的利用率大大提高傅里叶变换红外分光光度计还具有以下特点傅里叶变换红外分光光度计还具有以下特点: ((1)分辨率高,可达)分辨率高,可达0.l cm-1;;((2)扫描时间短,在几十分之一秒内可扫描)扫描时间短,在几十分之一秒内可扫描一次可用于快速化学反应的追踪、研究瞬间一次可用于快速化学反应的追踪、研究瞬间的变化;的变化;((3)极高的灵敏度可用于痕量分析;)极高的灵敏度可用于痕量分析;((4)测量范围宽;)测量范围宽;((5)价格贵,操作较复杂,环境要求高;)价格贵,操作较复杂,环境要求高;186三、三、 试样的制备试样的制备1. 制样时要注意的问题制样时要注意的问题 ((1)) 样品应为单一组分的纯物质,多组分应先样品应为单一组分的纯物质,多组分应先分离,否则造成光谱重叠,致使谱图无法辨认和分离,否则造成光谱重叠,致使谱图无法辨认和分析;分析; ((2)根据样品的物态和理化性质选择制样方法;)根据样品的物态和理化性质选择制样方法;((3)制样过程要注意避免空气中水份、)制样过程要注意避免空气中水份、CO2等等污染物混入样品,对含水的样品要作干燥处理。
污染物混入样品,对含水的样品要作干燥处理1872. 固体样品的制样方法固体样品的制样方法:((1)压片法:)压片法: 适用于可以研细的固体样品适用于可以研细的固体样品 由于由于KBr易吸收水份,所以制样过程要尽量易吸收水份,所以制样过程要尽量避免水分的影响避免水分的影响2)糊状法:将固体样品研成细末,与糊剂)糊状法:将固体样品研成细末,与糊剂(液体石蜡油)混合成糊状,然后夹在盐窗之(液体石蜡油)混合成糊状,然后夹在盐窗之间分析;间分析; 188 ((3)溶液法:将固体样品溶解在溶剂)溶液法:将固体样品溶解在溶剂中,注入液体池测定中,注入液体池测定4)薄膜法:)薄膜法: 一些高分子膜常常可以直接用来测试一些高分子膜常常可以直接用来测试3. 气体样品:气体样品: 气体样品用气体池进行测定,抽尽空气体样品用气体池进行测定,抽尽空气,再将样品注入气,再将样品注入1894. 液体样品的制样法液体样品的制样法((1)溶液法:沸点较低,挥发性较大的)溶液法:沸点较低,挥发性较大的试样,可注入封闭液体池内中,液层试样,可注入封闭液体池内中,液层厚度一般为~厚度一般为~1.00 mm。
((2)液膜法:在两个窗片之间,滴上)液膜法:在两个窗片之间,滴上1~2滴液体试样,形成一层薄的液膜用滴液体试样,形成一层薄的液膜用于测定此方法适用于高沸点液体化于测定此方法适用于高沸点液体化合物190。












