一文了解红外光谱谱图

张明 2024-07-22

一文了解红外光谱谱图

利用红外吸收光谱进行有机化合物定性分析可分为两个方面：

一是官能团定性分析，主要依据红外吸收光谱的特征频率来鉴别含有哪些官能团，以确定未知化合物的类别；

二是结构分析，即利用红外吸收光谱提供的信息，结合未知物的各种性质和其它结构分析手段(如紫外吸收光谱、核磁共振波谱、质谱)提供的信息，来确定未知物的化学结构式或立体结构。

原理

样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收其中一些频率的辐射，分子振动或转动引起偶极矩的净变化，是振-转能级从基态跃迁到激发态，相应于这些区域的透射光强减弱，透过率T%对波数或波长的曲线，即为红外光谱。

辐射→分子振动能级跃迁→红外光谱→官能团→分子结构

2、红外光谱特点

红外吸收只有振-转跃迁，能量低；
除单原子分子及单核分子外，几乎所有有机物均有红外吸收；
特征性强，可定性分析，红外光谱的波数位置、波峰数目及强度可以确定分子结构；
定量分析；
固、液、气态样均可，用量少，不破坏样品；
分析速度快；
与色谱联用定性功能强大。

3、分子中振动能级的基本振动形式

红外光谱中存在两类基本振动形式：伸缩振动和弯曲振动。

图二弯曲振动

分子结构与红外光谱

1、分子官能团与红外光谱吸收峰

（1）分子的整体振动图像可分解为若干简振模式的叠加，每个简振模式（振动能级跃迁）对应于一定频率的）对应于一定频率的光吸收峰，全部具有红外活性的简振模式的光吸收峰就构成了该分子的振动吸收光谱，即红外光谱。

（2）分子的简振模式（振动能级）决定于分子的结构，因此可以将分子结构与其红外光谱联系在一起。

（3）分子的一个简振模式是其所有原子特定运动分量的叠加，也就是说，在一个简振模式下，所有原子都在进行（相同频率）运动运动。但是一般只有某一个（或几个）基团的运动起着主要作用，而其它原子的运动相对弱的多。所以，分子的一个简振模式可以看作只是个别基团（官能团）的运动，因此，可以将分子的红外光谱吸收峰与其官能团相对应。

2、官能团的主要振动

（1）化学键长度改变

（2）化学键键角/二面角改

3、H2O与CH4的简正振动模式

红外光谱解析三要素

位置、强度、形态是红外光谱解析三要素。

1、红外光谱吸收峰——线形与线宽

2、红外光谱吸收峰——位置

官能团振动频率的改变，反映了化合物结构或所处环境的不同。影响官能团吸收频率的因素可以分成内部因素和外部因素两大类。内部因素本质上就是指官能团所处的分子结构对其吸收频率的影响，如振动耦合、费米共振、电子效应、空间效应、氢键和质量效应等。外因一般包括温度、浓度、溶剂、样品状态、制样方法等。

影响红外光谱吸收峰的内部因素

（1）振动耦合

两个基团相邻且振动基频相差又不大时，振动的耦合引起吸收频率偏离基频，一个移向高频方向（反对称），一个移向低频方向（对称），这种现象称为振动耦合。

（2）费米共振

当一种振动模式的倍频或合频与另一振动基频相近时，由于其相互作用而产生的强吸收带或发生的峰裂分称为费米共振。费米共振作用也是一种振动耦合作用，只不过是发生在基频与倍频或合频之间。

（3）电子效应

（4）空间效应

a. 环的张力

b.空间障碍

分子中大的基团存在空间位阻作用，迫使邻近基团的键角改变，使其振动吸收频率发生改变。当共轭体系的共平面性被破坏或偏离时，共轭体系也受到影响或破坏，其吸收频率将移向高波数。

（5）氢键

氢键的形成降低了化学键的力常数，吸收频率移向低波数方向；振动时的偶极矩变化加大，吸收强度增加，常形成宽而强的吸收峰。胺基发生分子缔合，其吸收频率多则可降低100cm-1或更多。羧基形成强烈氢键，羟基吸收频率移至2500~3000cm-1。

（6）质量效应

当一些含氢基团与某些基团的吸收峰发生重叠，可将该官能团的氢进行氘代，使其吸收峰移向低波数，将原来的重叠峰分离开。例如在蛋白质中酰胺I带的吸收峰与水分子的O-H弯曲振动的强吸收峰重叠在一起，因此经常使用重水代替水来研究溶液状态下的蛋白质分子。

影响红外光谱吸收峰的外部因素

（1）外部因素对官能团吸收频率的影响往往是通过内因起作用的。温度对物质的红外吸收光谱有明显的影响。低温下，物质的吸收带尖锐；温度越高，带宽增加，带数减少。

（2）同一物质由于所处状态不同，分子间相互作用力不同，测得的光谱也有所不同。一般在气态下测得的谱带的波数最高，并能观察到振动谱带的转动精细结构。

（3）当液体样品或固体样品溶于有机溶剂中时，样品分子和样品分子和溶剂分子之间会发生相互作用，导致样品分子的红外振动频率发生变化。如果样品分子中含有极性基团，则溶剂的极性越强，二者相互作用愈强，样品的红外光谱的变化越大。

（4）由于多种外部因素对官能团吸收频率的影响都会有所影响，所以当把未知物红外谱图与已知样品或标准谱图对比时，应注意作图条件，最好能以大致相同条件下得到的光谱图进行对比。

解析红外光谱图

1、振动自由度

振动自由度是分子独立的振动数目。N个原子组成分子，每个原子在空间上具有三个自由度，分子振动自由度F=3N-6(非线性分子)；F=3N-5(线性分子)。

为什么计算振动自由度很重要，因为它反映了吸收峰的数量，谱带简并或发生红外非活性振动使吸收峰的数量会少于振动自由度。

U=0→无双键或环状结构

U=1→一个双键或一个环状结构

U=2→两个双键，两个换，双键+环，一个三键

U=4→分子中可能含有苯环

U=5→分子中可能含一个苯环+一个双键

2、红外光谱峰的类型

基频峰：分子吸收一定频率红外线，振动能级从基态跃迁至第一振动激发态产生的吸收峰，基频峰的峰位等于分子或者基团的振动频率，强度大，是红外的主要吸收峰。

泛频峰：分子的振动能级从基态跃迁至第二振动激发态、第三振动激发态等高能态时产生的吸收峰，此类峰强度弱，难辨认，却增加了光谱的特征性。

特征峰和指纹峰：特征峰是可用于鉴别官能团存在的吸收峰，对应于分子中某化学键或基团的振动形式，同一基团的振动频率总是出现在一定区域；而指纹区吸收峰特征性强，对分子结构的变化高度敏感，能够区分不同化合物结构上的微小差异。

3、影响峰位的因素

诱导效应使振动频率向高波数移动；共轭效应使振动频率向低波数移动；氢键效应使伸缩频率降低，分子内氢键对峰位影响大且不受浓度影响，分子间氢键受浓度影响较大，浓度稀释，吸收峰位置发生改变；碳原子杂化轨道中s成分增加，键能增加，伸缩振动频率增加；溶剂极性增加，则极性基团的伸缩振动频率减小。

4、谱图解析实例

红外谱图解析步骤

先特征，后指纹；先强峰，后次强峰；寻找一组相关峰→佐证。

先识别特征区的第一强峰，找出其相关峰，进行归属。

若饱和度>=4，优先考虑苯环结构。

下图是分子式为C9H7NO的有机物的红外吸收光谱，确定其分子式。

不饱和度U=(2+2*9+1-7)/2=7→可能含苯环

红外光谱应用实例

1、CO2在ZnO上的活化

CO2活化转变为有价值的有机化合物是催化领域的一个热点也是一个难点。Noei等人通过超高真空傅里叶红外光谱（UHV-FTIRS）研究了在羟基化的ZnO纳米颗粒上的CO2活化。他们将干净的ZnO粉末样品暴露于CO2中并在红外谱图中观察到了碳酸盐相关振动带的形成，并使用C18O2的同位素置换实验对此进行了验证，证明了ZnO纳米颗粒在CO2活化方面的高活性。

图一 CO2不同温度下吸附在ZnO上的UHV-FTIR光谱

2、CO吸附在锐钛矿相的TiO2上

Setvin等人用红外反射吸收光谱（IRRAS）结合程序升温脱附（TPD），扫描隧道显微镜（STM）和DFT理论计算等研究了一氧化碳在锐钛矿TiO2（101）晶面的吸附。IRRAS谱图显示在2181cm-1处仅有一个CO带，结合TPD，估计分离的分子的吸附能量为0.37±0.03eV，在较高的覆盖率下，吸收峰移动到略小的值。又结合STM成像和样品的受控退火证实了TPD估算的吸附能和轻微的排斥分子间相互作用。CO分子在稍高的温度下从富电子的外在供体缺陷位点解吸，与金红石TiO2（110）表面上的CO吸附的比较表明，锐钛矿型TiO2中电子定域的趋势比金红石TiO2中弱得多。

图二不同剂量CO在95K下吸附在非偏振光锐钛矿（101）晶面的IRRAS

3、CO与ZnO上其他吸附物的相互作用

实际催化过程中，往往并不是单一吸附物种在催化剂表面吸附，而是多种吸附物同时存在于催化剂表面。Noei等人在超高真空条件下（UHV-FTIRS），通过FTIR光谱研究了CO与不同改性的多晶ZnO的相互作用。在110K下将干净的无吸附质的ZnO纳米颗粒暴露于CO后，在2187cm-1处有强烈振动带，是CO与ZnO上的Zn2+位点结合所致。在210K下将CO2预处理后的ZnO纳米颗粒暴露于CO后，在2215cm-1处观察到新的CO振动带，是吸附在三齿碳酸盐结构内的游离Zn位点上的CO所致。不同温度下记录的UHV-FTIRS数据表明，在预吸附的CO2时，CO在多晶ZnO上的结合能显着增加，而且在ZnO粉末颗粒上存在的羟基物质不会导致在UHV条件下CO振动带的显著变化。