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第6章红外光谱概要
第6章 红外光谱Infrared Spectra,IR 一、基本原理 二、仪器及实验技术 三、影响振动频率的因素 四、有机化合物的红外特征吸收 五、红外光谱图的解析 一、基本原理 近红外光区 0.75 ~ 2.5μm 中红外光区 2.5 ~ 25μm 4000~400cm-1 远红外光区 25 ~ 1000μm 3、双原子分子的红外吸收频率 经典力学处理 如图1,采用谐振子模型来研究双原子分子的振动。 可得出如下公式: 量子力学处理 对于双原子分子,由量子力学原理可推出如下公式: υ为振动量子数 Eυ为与振动量子数υ相对应的体系能量; 利用经典力学原理可将上式改为: 从基态υ=0跃迁到υ=1,两能级能量差△E为hv 吸收频率 ,即为 或其波数为 此结果与经典力学得结果相同,此频率称为基频; 4、多原子分子的红外吸收频率 多原子分子有多种振动方式: 振动自由度---分子中各原子的相对位置 一个原子有3个自由度,设分子由n个原子组成 非直线型分子基本振动形式有3n-6 种 直线型分子,基本振动形式为(3n-5)种 均称为简正(normal)振动。 IR选律: 偶极矩发生变化的振动 ???0,红外活性, 振动时偶极矩不发生改变??=0,红外非活性 由于一些简正振动无红外吸收活性或吸收在中红外区以及有些振动简并或很靠近,使化合物的红外吸收峰的数目总是大大低于3n-6。 分子振动方式与谱带 伸缩振动:沿着键轴方向伸、缩的振动,吸收频率相对在高波数 处; 弯曲振动:除伸缩振动外的其它一切振动,它的吸收频率相对在低波数处。 除简正振动的基频之外,还有其它的振动频率: 倍频带 从υ=0到υ=2的跃迁对应的吸收频率 合频带 两个或两个以上的基频之差或之和。是弱吸收带 振动耦合 两个基团相邻且它们的振动基频相差又不大时,振动的耦合引起吸收频率偏离于基频,一个移向高频方向,一个移向低频方向; 费米振动 当倍频或组合频与某基频相近时,由于其相互作用而产生的强吸收带或发生的峰的分裂。 吸收谱带的强度 红外吸收的强度决定于跃迁的几率,理论计算有: 跃迁几率∝ μab 2E02 式中 E0为红外电磁波的电场矢量; μab为跃迁偶极矩,反映振动时偶极矩变化的大小; 由式可知,红外吸收的强度决定于振动时偶极矩的变化,因此,分子中含有杂原子时,其红外谱峰一般较强。 C=O,C-X 强度较大 C=C、C-C、N=N 吸收较弱。 ? 100 非常强峰(vs) 20 ?100 强峰(s) 10 ?20 中强峰(m) 1 ?10 弱峰(w) 二、 仪器及实验技术 色散型红外光谱仪 Fourier变换红外光谱仪 FTIR光谱仪中分束器材料 FTIR光谱仪的优点 光学部件简单,只有一个动镜在实验中运动,不易磨损。 测量波长范围宽,其波长范围可达到45000~6cm-1 精度高,光通量大,所有频率同时测量,检测灵敏度高。 扫描速度快,可作快速反应动力学研究,并可与GC、LC联用。 杂散光不影响检测。 对温度湿度要求不高。 实验技术 1、样品池:红外透明,NaCl, KBr盐晶,不能用玻璃和石英 2、样品制备: 气体:充入气体样品槽 液体:溶液法、成膜法 固体:溴化钾压片法 、糊状法 、溶液法 、薄 膜法 、显微切片 、热裂解法 3、波数校正 聚苯乙烯 三、影响振动频率的因素 外部因素 内部因素 2、内部因素 (1)键力常数K和原子质量的影响 四、有机化合物的红外特征吸收 4、芳香烃 取代苯的C-H面外弯曲振动吸收峰位置 各类取代苯的倍频吸收和面外弯曲振动吸收 苯环二取代的红外光谱(a. 邻位 b. 间位 c. 对位) 5、醇、酚 正丁醇的红外光谱 6、醚 脂肪族醚 υasC-O-C 1150~1050cm-1 (s) 芳香族醚 υasC-O-C 1310~1020cm-1 (s) υsC-O-C 1075~1020cm-1 (较弱) 7、酮 特征吸收为υC=O ,常是第一强峰 饱
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