红外吸收光谱法-谱图解析实例

实验与分析 0 2020-05-27

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应广大亲们的要求,小析姐又连夜精心整整理了红外吸收光谱图解析实例，希望对你在红外吸收光谱的解析上有所帮助。

　　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。

　　主要步骤

　　1.计算不饱和度

　　由于红外吸收光谱不能得到样品的总体信息(如分子量、分子式等)，如果不能获得与样品有关的其它方面的信息，仅利用红外吸收光谱进行样品剖析，在多数情况下是困难的。为此应尽可能获取样品的有机元素分析结果以确定分子式，并收集有关的物理化学常数(如沸点、熔点、折射率、旋光度等)，计算化合物的不饱和度。不饱和度表示有机分子中碳原子的不饱和程度，可以估计分子结构中是否有双键、三键或芳香环。计算不饱和度u的经验公式为：

　　式中，n₁、n₃和n₄分别为分子式中一价、三价和四价原子的数目。通常规定双键(C=C，C=O)和饱和环烷烃的不饱和度u=1，三键的不饱和度u=2，苯环的不饱和度u=4(可理解为一个环加三个双键)。因此根据分子式，通过计算不饱和度u，就可初步判断有机化合物的类型。

　　2.确定特征官能团

　　由绘制的红外吸收谱图来确定样品含有的官能团，并推测其可能的分子结构。

　　按官能团吸收峰的峰位顺序解析红外吸收谱图的一般方法如下：

　　(1)查找羰基吸收峰v_C_=O 1900～1650cm^-1是否存在，若存在，再查找下列羰基化合物。

　　①羧酸查找v_O-H 3300～2500cm^-1宽吸收峰是否存在。

　　②酸酐查找v_C=O 1820cm^-1和1750cm^-1的羰基振动耦合双峰是否存在。

　　③酯查找v_C=O 1300～1100cm^-1的特征吸收峰是否存在。

　　④酰胺查找v_N-H 3500～3100cm^-1的中等强度的双峰是否存在。

⑤醛查找官能团v_C-H和δ_C-H倍频共振产生的2820cm^-1和2720cm^-1两个特征双吸收峰是否存在。

　　⑥酮若查找以上各官能团的吸收峰都不存在，则此羰基化合物可能为酮，应再查找v_as,C-C-C在1300～1000cm^-1存在的一个弱吸收峰，以便确认。

　　(2)若无羰基吸收峰，可查找是否存在醇、酚、胺、醚类化合物。

　　①醇或酚查找v_O-H 3700～3000cm^-1的宽吸收峰及v_C-O和δ_O-H相互作用在1410～1050cm^-1的强特征吸收峰，以及酚类因缔合产生的γ_O-H 720～600cm-1宽谱带吸收峰是否存在。

　　②胺查找v_N-H 3500～3100cm^-1的两个中等强度吸收峰和δ_N-H 1650～1580cm-1的特征吸收峰是否存在。

　　③醚查找v_C-O 1250～1100cm^-1的特征吸收峰是否存在，并且没有醇、酚v_O-H 3700～3000cm^-1的特征吸收峰。

　　(3)查找烯烃和芳烃化合物。

　　①烯烃查找v_C=C 1680～1620cm^-1强度较弱的特征吸收峰及v_C=C-H在3000cm^-1以上的小肩峰是否存在。

　　②芳烃查找v_C=C 在1620～1450cm^-1出现的4个吸收峰，其中1450cm^-1为最弱吸收峰;其余3个吸收峰分别为1600cm^-1, 1580cm^-1和1500cm^-1。以1500cm^-1吸收峰最强，1600cm^-1吸收峰居中，1580cm^-1吸收峰最弱，并常被1600cm^-1处吸收峰掩盖而成肩峰。因此1500cm^-1和1600cm^-1双峰是判定芳烃是否存在的依据。此外还可查找v _C=C-H在3000cm^-1以上低吸收强度的小肩峰是否存在。

　　(4)查找炔烃、氰基和共轭双键化合物。

　　①炔烃查找v_C=C 2200～2100cm^-1的尖锐特征吸收峰和v_C=C-H 3300～3100cm^-1的尖锐的特征吸收峰是否存在。此吸收峰易与其它不饱和烃区分开。

　　②氰基查找v_C≡N 2260～2220cm^-1特征吸收峰是否存在。

　　③共轭双键查找v_C=C=C 1950cm^-1特征吸收峰是否存在。

(5)查找烃类化合物查找甲基-CH₃, v_C-H在2960cm^-1(v_as)和2870cm^-1 (v_s) 2个吸收峰;亚甲基-CH₂-,v_C-H在2925cm^-1(v_as)和2850cm^-1(v_s)的2个吸收峰;甲基和亚甲基的δ_C-H_(as)在1460cm^-1的吸收峰;甲基的δC-H(s)在1380cm^-1的吸收峰;4个以上亚甲基的φ-CH₂-在722cm-1吸收峰(它随CH₂个数减少，吸收峰向高波数方向移动);亚甲基-CH₂-，γ_C-H在910cm^-1的强吸收峰;次甲基,γ_C-H在995cm^-1的强吸收峰。

　　上述诸多吸收峰是否存在，可作为判定烃类存在与否的依据。

　　对一般有机化合物，通过以上解析过程，再查阅谱图中其它光谱信息，与文献中提供的官能团特征吸收频率相比较，就能比较满意地确定被测样品的分子结构。

　　3.谱图解析结果的确证

　　当谱图解析确定了样品组成后，还要查阅标准红外吸收光谱图，进行对比，以确证解析结果的正确性。

　　现有3种标准红外吸收谱图，即萨特勒红外标准谱图集(Sadtler catalog of infrared standard spectra)、分子光谱文献(documentation of molecular spectroscopy, DMS)穿孔卡片和Aldrich红外光谱库(the Aldrich litrary of infrared spectra)。

　　以下以5个实例说明IR谱图解析方法。

　　例1某未知物的分子式为C₁₂H₂₄，试从其红外吸收光谱图(图1)推出它的结构。

　　图1未知物C₁₂H₂₄红外光谱图

　　解：

(1)由分子式计算其不饱和度：，该化合物具有一个双键或一个环。

　　(2)谱图解析

　　①由谱图可看到在1900～1650cm^-1无v_C=O的强吸收峰，在1300～1000cm^-1也无一个v_as,C-C-C的弱吸收峰，分子式中无氧，可初步判定此化合物不是羧酸、酸酐、酯、酰胺、醛和酮。

　　②在3700～3000cm^-1无宽的v_O-H或v_N-N吸收峰，表明其不是醇、酚、胺类化合物;在1250～1100cm^-1无v_C-O吸收峰，分子式中无氧，表明其也不是醚类化合物。

　　③按波数自高至低的顺序，对吸收峰进行解析。首先由3075cm^-1出现小的肩峰说明存在烯烃v_C-H伸缩振动，在1640cm^-1还出现强度较弱的v_C=C伸缩振动，由以上两点表明此化合物为一烯烃。

　　④在3000～2800cm^-1的吸收峰表明有-CH₃、-CH₂-存在，在2960cm^-1、2920cm^-1、2870cm^-1、2850cm^-1的强吸收峰表明存在-CH₃和-CH₂-的vC-H(as)、vC-H(s)，且-CH₂-的数目大于-CH₃的数目，从而推断此化合物为一直链烯烃。在715 cm^-1出现的小峰，显示-CH₂-的面内摇摆振动δ-CH₂-，也表明长碳链的存在。

⑤在980cm^-1、915cm^-1的稍弱吸收峰为次甲基和亚甲基产生的面外弯曲振动γ_C-H。

　　⑥在1460cm^-1吸收峰为-CH₃、-CH₂-的不对称剪式振动δ_C-H(as) ;1375cm^-1为-CH₃的对称剪式振动_C-H(s)，其强度很弱，表明-CH₃的数目很少。

由以上解析可确定此化合物为1-十二烯，分子式为

　　例2某未知物分子式为C₄H₁₀O，试从其红外吸收光谱图(图2)推断其分子结构。

　　图2未知物C₄H₁₀O的红外光谱图

　　解：

(1)由分子式计算它的不饱和度：，表明其为饱和化合物。

　　(2)谱图解析

　　①由谱图可看到1900～1650cm^-1无v_C=O的强吸收峰，在1300～1000cm^-1无v_as,C-C-C的弱吸收峰，但有强吸收峰，可初步判定此化合物不是羧酸、酸酐、酯、酰胺、醛和酮。

　　②在3500～3100cm^-1未出现v_N-H的中强度双峰，表明无铵存在;但在3350cm^-1出现强吸收的宽峰表明存在v_O-H伸缩振动，其已移向低波数表明存在醇的分子缔合现象。

　　③在2960cm^-1、2920cm^-1、2870cm^-1吸收峰，表明存在-CH₃、-CH₂-的伸缩振动v_C-H。

　　④1460cm^-1吸收峰，表明存在-CH₃、-CH₂-的不对称剪式振动δ_C-H(as)。

　　⑤1380cm^-1、1370cm^-1的等强度双峰，表明存在C-H的面内弯曲振动δC-H，其为异丙基分裂现象。

　　⑥1300～1000cm^-1的一系列吸收峰表明存在C-O的伸缩振动vC-O，即有一级醇-OH存在。

由以上解析可确定此化合物为饱和的一级醇，存在异丙基分裂。可确定其为异丁醇，分子式为

　　例3 分子式为C₈H₈O的未知物，沸点为220℃，由其红外吸收光谱图(图3)判断其结构。

　　图3未知物C₈H₈O的红外光谱图

　　解：

(1)从分子式计算不饱和度：，估计其含有苯环和双键(或环烷烃)。

　　(2)谱图解析

　　①在1680cm^-1呈现vC=O的强吸收峰，可能为羧酸、酸酐、酯、酰胺、醛、酮等化合物。因分子式中无氮，可排除酰胺;在3300～2500cm^-1，无vO-H的宽吸收峰，可排除羧酸;在2820cm^-1和2720cm^-1无vC-H和δC-H倍频共振的双吸收峰，可排除醛;在1830cm^-1和1750cm^-1无vC=O的羰基振动耦合双峰，可排除酸酐。

　　由于在1200～1000cm^-1存在3个弱吸收峰，可能为vas,C-C-C或vC-O伸缩振动吸收峰，因此，此化合物可能为酮或酯。

　　②1600cm^-1、1580cm^-1、1500cm^-1处的3个吸收峰是苯环骨架伸缩振动vC=C的特征，表明分子中有苯环。

　　③在1265cm^-1呈现的强吸收峰为芳酮特征，其为羰基和芳香环的耦合吸收峰。

　　④在3000cm^-1以上仅有微弱的吸收峰，表明分子中仅含少量的-CH3或-CH2-。

　　⑤在2000～1700cm^-1仅有微弱的吸收峰，其为γC-H面外伸缩振动，是苯衍生物的特征峰。

　　⑥1380cm^-1吸收峰，表明有-CH3的面内弯曲振动(对称剪式振动)δC-H(s) 。

　　⑦900～650cm^-1的吸收峰，为苯环C-H面外弯曲振动γC-H，750cm^-1、690cm^-1的2个强吸收峰，表明化合物为单取代苯。

由以上解析可知，此化合物为苯乙酮，分子式为。

　　例4某未知物的分子式为C₆H₁₅N，试从其红外吸收光谱图(图4)推断其结构。

　　解：

(1)由分子式计算其不饱和度：，其为饱和化合物。

　　(2)谱图解析

　　图4未知化合物C₆H₁₅N的红外光谱图

　　①谱图中在1900～1650cm^-1无vC=O的强吸收峰，且分子式中无氧，可判定此化合物不是羧酸、酸酐、酯、酰胺、醛和酮。

　　②由3330cm-1和3240cm^-1出现vN-H的2个中等强度吸收峰，可初步判断它可能为胺类。在1606cm^-1呈现δN-H的特征中等强度宽峰，在1072cm^-1呈现vC-N弱吸收峰和在830cm-1呈现的γN-H宽吸收峰，都进一步确证此化合物为胺类。

　　③在3000～2800cm^-1出现的分裂的强吸收峰，表明存在-CH3、-CH2-的伸缩振动vas,C-H和vs,C-H ;在1473 cm^-1出现强峰为-CH3、-CH2-面内弯曲振动δas,C-H;在1382 cm^-1出现中等强度的单峰为-CH3面内弯曲振动δs,C-H;在723cm^-1出现的中强吸收峰，为4个以上-CH2-直接联结时的平面摇摆振动φCH2。

　　由以上解析，可确定此化合物为正己胺，分子式为CH₃(CH₂)₅NH₂。

　　例5某未知物的分子式为C₆H₁₀O₂，试从其红外吸收光谱图(图5)推断其结构。