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【光谱】红外吸收光谱法-谱图解析实例

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2018-07-04 16:24
来源:实验与分析
实验与分析
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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vC=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vO-H 3300~2500cm-1宽吸收峰是否存在。

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

  ③酯查找vC=O 1300~1100cm-1的特征吸收峰是否存在。

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

⑤醛查找官能团vC-H和δC-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vas,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vO-H 3700~3000cm-1的宽吸收峰及vC-O和δO-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γO-H 720~600cm-1宽谱带吸收峰是否存在。

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

  ③醚 查找vC-O 1250~1100cm-1的特征吸收峰是否存在,并且没有醇、酚vO-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vC=C 1680~1620cm-1强度较弱的特征吸收峰及vC=C-H在3000cm-1以上的小肩峰是否存在。

  ②芳烃 查找vC=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vC=C 2200~2100cm-1的尖锐特征吸收峰和vC=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vC≡N 2260~2220cm-1特征吸收峰是否存在。

  ③共轭双键 查找vC=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, vC-H在2960cm-1(vas)和2870cm-1 (vs) 2个吸收峰;亚甲基-CH2-,vC-H在2925cm-1(vas)和2850cm-1(vs)的2个吸收峰;甲基和亚甲基的δC-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-,γC-H在910cm-1的强吸收峰;次甲基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vC=O的强吸收峰,在1300~1000cm-1也无一个vas,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vO-H或vN-N吸收峰,表明其不是醇、酚、胺类化合物;在1250~1100cm-1无vC-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vC-H伸缩振动,在1640cm-1还出现强度较弱的vC=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γC-H

  ⑥在1460cm-1吸收峰为-CH3、-CH2-的不对称剪式振动δC-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vC=O的强吸收峰,在1300~1000cm-1无vas,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vN-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vO-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vC-H

  ④1460cm-1吸收峰,表明存在-CH3、-CH2-的不对称剪式振动δC-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。

  图5未知物C6H10O2的红外光谱图

  解:

(1)由分子式计算其不饱和度:其可能含有1个三键或2个双键。

  (2)谱图解析

  ①谱图中在1900~1650cm-1有一个vC=O的强吸收峰,且分子有2个氧原子,并在1300~1100cm-1有一vC-O强吸收峰,表明其为典型的羧酸酯类化合物。

  ②在2200~2100cm-1无vC≡C的尖锐吸收峰,在3300~3100cm-1无vC≡C-H的尖锐吸收峰,表明其不是炔类化合物。

  ③在1680~1620cm-1有强度较弱的肩峰,表明其为vC-C的较弱吸收峰,此化合物可能为不饱和脂肪酸酯。

  ④在2900~2800cm-1有一弱的吸收峰,其为甲基vC-H(s)吸收峰和亚甲基vC-H(s)吸收峰,表明分子中含有-CH3和-CH2-。

  ⑤在1460cm-1有弱吸收峰,为甲基和亚甲基的δC-H(as)吸收峰;在1380cm-1吸收峰为甲基δC-H(s)。吸收峰;在910cm-1吸收峰为亚甲基γC-H吸收峰。

由以上解析、分子式及不饱和度,可推断此化合物为2-甲基丙烯酸乙酯,分子式为

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