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紅外光譜圖解析知識

更新時間：2022-05-27 點擊次數：3634次

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；

二是結構分析，即利用紅外吸收光譜提供的信息，結合未知物的各種性質和其它結構分析手段(如紫外吸收光譜、核磁共振波譜、質譜)提供的信息，來確定未知物的化學結構式或立體結構。

原理

樣品受到頻率連續變化的紅外光照射時，分子吸收其中一些頻率的輻射，分子振動或轉動引起偶極矩的凈變化，振動能級從基態躍遷到激發態，相應于這些區域的透射光強減弱，透過率T%對波數或波長的曲線，即為紅外光譜。

輻射→分子振動能級躍遷→紅外光譜→官能團→分子結構

2、紅外光譜特點

紅外吸收只有振-轉躍遷，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，紅外光譜的波數位置、波峰數目及強度可以確定分子結構；
定量分析；
固、液、氣態樣均可，用量少，不破壞樣品；
分析速度快；
與色譜聯用定性功能強大。

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。

分子結構與紅外光譜

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）決定于分子的結構，因此可以將分子結構與其紅外光譜聯系在一起。

（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，反映了化合物結構或所處環境的不同。影響官能團吸收頻率的因素可以分成內部因素和外部因素兩大類。內部因素本質上就是指官能團所處的分子結構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、氫鍵和質量效應等。外因一般包括溫度、濃度、溶劑、樣品狀態、制樣方法等。

影響紅外光譜吸收峰的內部因素

（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生的強吸收帶或發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，只不過是發生在基頻與倍頻或合頻之間。

（3）電子效應

（4）空間效應

a. 環的張力

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。

（5）氫鍵

氫鍵的形成降低了化學鍵的力常數，吸收頻率移向低波數方向；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）質量效應

當一些含氫基團與某些基團的吸收峰發生重疊，可將該官能團的氫進行氘代，使其吸收峰移向低波數，將原來的重疊峰分離開。例如在蛋白質中酰胺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，因此經常使用重水代替水來研究溶液狀態下的蛋白質分子。

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因起作用的。溫度對物質的紅外吸收光譜有明顯的影響。低溫下，物質的吸收帶尖銳；溫度越高，帶寬增加，帶數減少。

（2）同一物質由于所處狀態不同，分子間相互作用力不同，測得的光譜也有所不同。一般在氣態下測得的譜帶的波數最高，并能觀察到振動譜帶的轉動精細結構。

（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生相互作用，導致樣品分子的紅外振動頻率發生變化。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

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量，譜帶簡并或發生紅外非活性振動使吸收峰的數量會少于振動自由度。

U=0→無雙鍵或環狀結構

U=1→一個雙鍵或一個環狀結構

U=2→兩個雙鍵，兩個換，雙鍵+環，一個三鍵

U=4→分子中可能含有苯環

U=5→分子中可能含一個苯環+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，振動能級從基態躍遷至第一振動激發態產生的吸收峰，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躍遷至第二振動激發態、第三振動激發態等高能態時產生的吸收峰，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在一定區域；而指紋區吸收峰特征性強，對分子結構的變化高度敏感，能夠區分不同化合物結構上的微小差異。

3、影響峰位的因素

誘導效應使振動頻率向高波數移動；共軛效應使振動頻率向低波數移動；氫鍵效應使伸縮頻率降低，分子內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；尋找一組相關峰→佐證。

先識別特征區的第一強峰，找出其相關峰，進行歸屬。

若飽和度>=4，優先考慮苯環結構。

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

紅外光譜應用實例

1、CO₂在ZnO上的活化

CO₂活化轉變為有價值的有機化合物是催化領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構內的游離Zn位點上的CO所致。不同溫度下記錄的UHV-FTIRS數據表明，在預吸附的CO₂時，CO在多晶ZnO上的結合能顯著增加，而且在ZnO粉末顆粒上存在的羥基物質不會導致在UHV條件下CO振動帶的顯著變化。