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IR的基础知识讲解

红外吸收光谱(infrared absorption spectrometry, IR)即通过测定样品在红外下的吸收谱图的一种分析方法。虽然现在有很多分析方法,诸如NMR,质谱等。但是红外在对一些特定的官能团的确定上具有很强的参考价值。
在这里小编从原理开始为大家介绍一下红外分光法。

原理

原子与原子之间的结合并不是固定不动的,其实它们之间就好像用弹簧串联般,具有一定程度的柔软度。往分子上附加一个红外领域的能量的话,化学键(长度・角度)就会产生振动。这个时候,根据测定所吸收的红外线能量的值,可以知道化学键(官能团)的种类。一般可以被称作有机化合物的物质,在红外领域内都是具有固有的吸收谱的。

wavelength

引用于网站POTEX

键的振动主要分为、伸缩振动弯曲振动两大类。

IR_1-300x124

伸缩振动(左:对称伸缩振动 右:非对称伸缩振动)

IR_2-768x200

弯曲振动(左:左右摆动 中央左:剪刀式振动 中央右:上下摇摆 右:扭摆)

伸缩振动与弯曲振动的能量都是各不相同的,也就是说对于一种化学结合键来说,会有两种类型的波谱出现。

測定装置

对于IR测定装置来说,根据不同的原理有很多种类、而现代的主流是傅里叶变换红外光谱分析仪(FT-IR)

IR_3-300x157

FT-IR装置

FT-IR仪主要由①光源、②干涉仪、③样品室、④检测器、⑤解析用PC构成。
IR

从光源发出的红外线,通过半透镜,它被分离成两个路径(反射光与透射光)。通过移动镜的移动来调整一方的光路长度,由此获得不同的干涉波。干涉波的终点朝向就是样品室,通过检测透过样品的光,然后用PC对波数成分进行分离解析,得到红外吸收波谱。

因为该仪器不需要狭缝,所以可以更有效地利用光源,能量损失很小,并且可以高感度的测定,这两点是FT-IR的最大优势特征。另外可以同时测定多种波长。

红外吸收光谱的吸收值范围一般在4000〜650 cm-1、波数越大代表能量越高。红外吸收谱图不是求的吸光率,而是根据其振动的强弱进行表征的。

強度 記号
very strong vs
strong s
mediam m
weak w
variable v
broad br

对于红外谱图的解析、首先把整个图谱分成4000〜1500 cm-1与1500〜650 cm-1两个区域,再进行分析。

IR_6 (1)

前者4000〜1500 cm-1只是伸缩振动的吸收谱图,所以光谱图一般是比较简洁的,也便于一些特征官能团的确定。大致的,一般从高波数开始,按照含氢的单键→三键→双键的顺序排列。

而后者1500〜650 cm-1是弯曲振动与单结合的伸缩振动组成的复杂的吸收光谱、一般是化合物的特定基本谱图。而这个领域也被称作为指纹领域

如果要更细分的话,可以仔细阅读下图。

IR_9

引自该网站

 

实例介绍

接下来,我们就以下图所示的一些简单分子位例子来解析下他们的红外谱图,加深了解。

IR_7

octane(脂肪族碳氢化合物)

ir.htm13_small

octane是直链的碳氢化合物,所以分子中只有-CH3与-CH2-这两种官能团。因此吸收带也很少,解析也是相对很简单。

甲苯(芳香族碳氢化合物)

ir.htm14_small
甲苯的红外谱图相对来说稍微复杂一点。但是由于峰比较有特征性,所以解析起来也不难。上图甲苯的谱图中我们可以看到在1625〜1575 cm-1、1525〜1475 cm-1有两个很特征的吸收峰,这是芳香族的C=C结合的特征峰。另外在729、696 cm-1的两个吸收表明这是芳香族单取代化合物。而2920 cm-1吸收峰是甲苯的甲基的特征峰。
3-甲基-2-丁酮(羰基化合物) 
ir.htm16_small

分子内含有羰基化合物的话、在1700 cm-1附近会有很尖锐的吸收峰(淡蓝色区域)。根据羰基的邻位取代基的影响,这个吸收峰会有一些偏移,但是一般不是很大。如果是共轭型的化合物的话,由于酮-烯醇的互变平衡,会导致该峰往低波数方向偏移。相反的,邻位是吸电子集团的话往高波数方向偏移。

苯酚(醇类)

ir.htm17_small

苯酚的红外谱图的最大的特征就是在、3200 cm-1附近有羟基的宽吸收峰。本来苯酚的羟基应该是比较尖的峰,但是由于分子间的复杂的氢键相互作用导致了最终这样的一个宽峰的结果。如果样品比较稀的话,也是有可能看到尖峰的。

结语

虽然红外现在对于发文章不是特别需要,但是很多时候红外是一个特别好的检测手段,比如一些如重氮,叠氮,内酰胺等等的测定是十分具有参考意义的。请大家千万别忽视红外的用途。

最近化学空间主要写了一些很常规基础的文章,积累一些常用的知识,从基础做起,今后会逐渐跟上前沿,进行一些热点论文的详细解析。

 

相关书籍

 

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LuWenjie

LuWenjie

京都大学药学博士,现某化学企业小职员,化学空间员工副代表,网页小编&翻译。

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