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紅外光譜圖解析知識

閱讀：4434 發(fā)布時間：2022-5-27

紅外光譜圖解析知識都在這里，趕緊學習起來??！

紅外光譜應用范圍的擴大，幾乎每一個實驗室都會配有紅外光譜,，所以,，精心整整理了紅外吸收光譜圖解析實例，希望對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行有機化合物定性分析可分為兩個方面：

一是官能團定性分析,，主要依據(jù)紅外吸收光譜的特征頻率來鑒別含有哪些官能團，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,，來確定未知物的化學結(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，分子吸收其中一些頻率的輻射,，分子振動或轉(zhuǎn)動引起偶極矩的凈變化,，振動能級從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，相應于這些區(qū)域的透射光強減弱,，透過率T%對波數(shù)或波長的曲線,，即為紅外光譜。

輻射→分子振動能級躍遷→紅外光譜→官能團→分子結(jié)構(gòu)

2,、紅外光譜特點

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,，幾乎所有有機物均有紅外吸收,；
特征性強，可定性分析,，紅外光譜的波數(shù)位置,、波峰數(shù)目及強度可以確定分子結(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)用定性功能強大,。

3,、分子中振動能級的基本振動形式

紅外光譜中存在兩類基本振動形式：伸縮振動和彎曲振動。

分子結(jié)構(gòu)與紅外光譜

1,、分子官能團與紅外光譜吸收峰

（1）分子的整體振動圖像可分解為若干簡振模式的疊加,，每個簡振模式（振動能級躍遷）對應于一定頻率的）對應于一定頻率的光吸收峰，全部具有紅外活性的簡振模式的光吸收峰就構(gòu)成了該分子的振動吸收光譜,，即紅外光譜,。

（2）分子的簡振模式（振動能級）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）分子的一個簡振模式是其所有原子特定運動分量的疊加,，也就是說，在一個簡振模式下 ,，所有原子都在進行（相同頻率）運動運動,。但是一般只有某一個（或幾個）基團的運動起著主要作用，而其它原子的運動相對弱的多,。所以,，分子的一個簡振模式可以看作只是個別基團（官能團）的運動，因此可以將分子的紅外光譜吸收峰與其官能團相對應,。

2,、官能團的主要振動方式

（1）化學鍵長度改變

（2）化學鍵鍵角/二面角改變

3、H2O與CH4的簡正振動模式

紅外光譜解析三要素

位置,、強度,、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

官能團振動頻率的改變，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)上就是指官能團所處的分子結(jié)構(gòu)對其吸收頻率的影響，如振動耦合、費米共振,、電子效應,、空間效應、氫鍵和質(zhì)量效應等,。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）振動耦合

兩個基團相鄰且振動基頻相差又不大時,，振動的耦合引起吸收頻率偏離基頻,，一個移向高頻方向（反對稱），一個移向低頻方向（對稱）,，這種現(xiàn)象稱為振動耦合,。

（2）費米共振

當一種振動模式的倍頻或合頻與另一振動基頻相近時，由于其相互作用而產(chǎn)生的強吸收帶或發(fā)生的峰裂分稱為費米共振,。費米共振作用也是一種振動耦合作用,，只不過是發(fā)生在基頻與倍頻或合頻之間。

（3）電子效應

（4）空間效應

a. 環(huán)的張力

b.空間障礙

分子中大的基團存在空間位阻作用,，迫使鄰近基團的鍵角改變,，使其振動吸收頻率發(fā)生改變。當共軛體系的共平面性被破壞或偏離時,，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鍵的力常數(shù),，吸收頻率移向低波數(shù)方向,；振動時的偶極矩變化加大，吸收強度增加,，常形成寬而強的吸收峰。胺基發(fā)生分子締合,，其吸收頻率多則可降低100cm-1或更多,。羧基形成強烈氫鍵，羥基吸收頻率移至2500~3000cm-1,。

（6）質(zhì)量效應

當一些含氫基團與某些基團的吸收峰發(fā)生重疊,，可將該官能團的氫進行氘代，使其吸收峰移向低波數(shù),，將原來的重疊峰分離開,。例如在蛋白質(zhì)中酰胺I帶的吸收峰與水分子的O-H彎曲振動的強吸收峰重疊在一起，因此經(jīng)常使用重水代替水來研究溶液狀態(tài)下的蛋白質(zhì)分子。

影響紅外光譜吸收峰的外部因素

（1）外部因素對官能團吸收頻率的影響往往是通過內(nèi)因起作用的,。溫度對物質(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，測得的光譜也有所不同,。一般在氣態(tài)下測得的譜帶的波數(shù)最高,，并能觀察到振動譜帶的轉(zhuǎn)動精細結(jié)構(gòu)。

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

（4）由于多種外部因素對官能團吸收頻率的影響都會有所影響,，所以當把未知物紅外譜圖與已知樣品或標準譜圖對比時，應注意作圖條件,，最好能以大致相同條件下得到的光譜圖進行對比,。嘉峪檢測網(wǎng)

解析紅外光譜圖

1、振動自由度

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

為什么計算振動自由度很重要，因為它反映了吸收峰的數(shù)量,，譜帶簡并或發(fā)生紅外非活性振動使吸收峰的數(shù)量會少于振動自由度,。

U=0→無雙鍵或環(huán)狀結(jié)構(gòu)

U=1→一個雙鍵或一個環(huán)狀結(jié)構(gòu)

U=2→兩個雙鍵，兩個換,，雙鍵+環(huán),，一個三鍵

U=4→分子中可能含有苯環(huán)

U=5→分子中可能含一個苯環(huán)+一個雙鍵

2、紅外光譜峰的類型

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

泛頻峰：分子的振動能級從基態(tài)躍遷至第二振動激發(fā)態(tài),、第三振動激發(fā)態(tài)等高能態(tài)時產(chǎn)生的吸收峰，此類峰強度弱,，難辨認,，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存在的吸收峰,，對應于分子中某化學鍵或基團的振動形式,，同一基團的振動頻率總是出現(xiàn)在一定區(qū)域；而指紋區(qū)吸收峰特征性強,，對分子結(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

誘導效應使振動頻率向高波數(shù)移動,；共軛效應使振動頻率向低波數(shù)移動；氫鍵效應使伸縮頻率降低,，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,。

4,、譜圖解析實例

紅外譜圖解析步驟

先特征，后指紋,；先強峰,，后次強峰；尋找一組相關(guān)峰→佐證,。

先識別特征區(qū)的第一強峰,，找出其相關(guān)峰，進行歸屬,。

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)

紅外光譜應用實例

1、CO₂在ZnO上的活化

CO₂活化轉(zhuǎn)變?yōu)橛袃r值的有機化合物是催化領(lǐng)域的一個熱點也是一個難點,。Noei等人通過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)振動帶的形成，并使用C¹⁸O₂的同位素置換實驗對此進行了驗證,，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CO帶，結(jié)合TPD,，估計分離的分子的吸附能量為0.37±0.03eV,，在較高的覆蓋率下，吸收峰移動到略小的值,。又結(jié)合STM成像和樣品的受控退火證實了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

實際催化過程中,，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存在于催化劑表面。Noei等人在超高真空條件下（UHV-FTIRS）,，通過FTIR光譜研究了CO與不同改性的多晶ZnO的相互作用,。在110K下將干凈的無吸附質(zhì)的ZnO納米顆粒暴露于CO后，在2187cm^-1處有強烈振動帶,，是CO與ZnO上的Zn²⁺位點結(jié)合所致,。在210K下將CO₂預處理后的ZnO納米顆粒暴露于CO后，在2215cm^-1處觀察到新的CO振動帶,，是吸附在三齒碳酸鹽結(jié)構(gòu)內(nèi)的游離Zn位點上的CO所致,。不同溫度下記錄的UHV-FTIRS數(shù)據(jù)表明，在預吸附的CO₂時,，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)不會導致在UHV條件下CO振動帶的顯著變化。