紅外光譜的原理與譜圖解析要點

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，是振-轉(zhuǎn)能級從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，相應(yīng)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)

1、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。

2、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(yīng)于一定頻率的 ）對應(yīng)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(yīng)。

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(yīng)、空間效應(yīng)、氫鍵和質(zhì)量效應(yīng)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(yīng)

（4）空間效應(yīng)

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(yīng)

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(yīng)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。

審核編輯：湯梓紅