基本介紹
- 中文名：紅外光譜法
- 類型：分子吸收光譜
- 特點：特徵性強、測定快速
- 領域：化學
特點,要求,分析,①已知物的鑑定,②未知物的鑑定,③新化合物的結構分析,分析,劃分,基團頻率,指紋區,
特點
特徵性強、測定快速、不破壞試樣、試樣用量少、操作簡便、能分析各種狀態的試樣、分析靈敏度較高、定量分析誤差較大。
要求
①試樣純度應大於98%，或者符合商業規格
Ø 這樣才便於與純化合物的標準光譜或商業光譜進行對照
②試樣不應含水（結晶水或游離水）
③試樣濃度和厚度要適當
使最強吸收透光度在5～20%之間
分析
紅外光譜具有鮮明的特徵性，其譜帶的數目、位置、形狀和強度都隨化合物不同而各不相同。因此，紅外光譜法是定性鑑定和結構分析的有力工具
①已知物的鑑定
將試樣的譜圖與標準品測得的譜圖相對照，或者與文獻上的標準譜圖（例如《藥品紅外光譜圖集》、Sadtler標準光譜、Sadtler商業光譜等）相對照，即可定性
使用文獻上的譜圖應當注意：試樣的物態、結晶形狀、溶劑、測定條件以及所用儀器類型均應與標準譜圖相同
②未知物的鑑定
未知物如果不是新化合物，標準光譜己有收載的，可有兩種方法來查對標準光譜：
A.利用標準光譜的譜帶索引，尋找標準光譜中與試樣光譜吸收帶相同的譜圖
B.進行光譜解析，判斷試樣可能的結構。然後由化學分類索引查找標準光譜對照核實
解析光譜之前的準備：
Ø 了解試樣的來源以估計其可能的範圍
Ø 根據元素分析及分子量的測定，求出分子式
Ø 計算化合物的不飽和度Ω，用以估計結構並驗證光譜解析結果的合理性解析光譜的程式一般為：
B.用指紋區的譜帶驗證，找出可能含有基團的相關峰，用一組相關峰來確認一個基團的存在
C.對於簡單化合物，確認幾個基團之後，便可初步確定分子結構
D.查對標準光譜核實
③新化合物的結構分析
紅外光譜主要提供官能團的結構信息，對於複雜化合物，尤其是新化合物，單靠紅外光譜不能解決問題，需要與紫外光譜、質譜和核磁共振等分析手段互相配合，進行綜合光譜解析，才能確定分子結構。
分析
紅外光譜有許多譜帶可供選擇，更有利於排除干擾。Ø 紅外光源發光能量較低，紅外檢測器的靈敏度也很低，ε<103
Ø 吸收池厚度小、單色器狹縫寬度大，測量誤差也較大
☆對於農藥組份、土壤表面水份、田間二氧化碳含量的測定和穀物油料作物及肉類食品中蛋白質、脂肪和水份含量的測定，紅外光譜法是較好的分析方法
劃分
通常將紅外波譜區分為近紅外(near-infrared)，中紅外(middle-infrared)和遠紅外(far-infrared)。
區域 | 波長範圍(um) | 波數範圍(cm-1) | 頻率(Hz) |
近紅外 | 0.78-2.5 | 12800-4000 | 3.8?10-1.2?10 |
中紅外 | 2.5-50 | 4000-200 | 1.2?10-6.0?10 |
遠紅外 | 50-1000 | 200-10 | 6.0?10-3.0?10 |
常用 | 2.5-15 | 4000-670 | 1.2?10-2.0?10 |
當樣品受到頻率連續變化的紅外光照射時，分子吸收某些頻率的輻射，產生分子振動能級和轉動能級從基態到激發態的躍遷，使相應於這些吸收區域的透射光強度減弱。記錄紅外光的百分透射比與波數或波長關係曲線，就得到紅外光譜。物質的紅外光譜是其分子結構的反映，譜圖中的吸收峰與分子中各基團的振動形式相對應。
通過比較大量已知化合物的紅外光譜，發現：組成分子的各種基團，如O-H、N-H、C-H、C=C、C=O和C?C等，都有自己的特定的紅外吸收區域，分子的其它部分對其吸收位置影響較小。通常把這種能代表基團存在、並有較高強度的吸收譜帶稱為基團頻率，其所在的位置一般又稱為特徵吸收峰。分子吸收紅外輻射後，由基態振動能級(n=0)躍遷至第一振動激發態(n=1)時，所產生的吸收峰稱為基頻峰。因為(振動量子數的差值) △n=1時，nL=n，所以基頻峰的位置(nL)等於分子的振動頻率。在紅外吸收光譜上除基頻峰外，還有振動能級由基態(n=0)躍遷至第二激發態(n=2)、第三激發態(n=3)?，所產生的吸收峰稱為倍頻峰。由n = 0躍遷至n = 2時，△n = 2，則nL = 2n，即吸收的紅外線譜線(nL )是分子振動頻率的二倍，產生的吸收峰稱為二倍頻峰。
下圖是雙原子分子的能級示意圖，圖中EA和EB表示不同能量的電子能級，在每個電子能級中因振動能量不同而分為若干個n = 0、1、2、3……的振動能級，在同一電子能級和同一振動能級中，還因轉動能量不同而分為若干個J= 0、1、2、3……的轉動能級。
由於分子非諧振性質，各倍頻峰並非正好是基頻峰的整數倍，而是略小一些。以HCl為例：
基頻峰(n0→1) 2885.9 cm 最強
二倍頻峰(n0→2 ) 5668.0 cm 較弱
三倍頻峰(n0→3 ) 8346.9 cm 很弱
四倍頻峰(n0→4 ) 10923.1 cm 極弱
五倍頻峰(n0→5 ) 13396.5 cm 極弱
除此之外，還有合頻峰(n1+n2，2n1+n2，?)，差頻峰(n1-n2，2n1-n2，?)等，這些峰多數很弱，一般不容易辨認。倍頻峰、合頻峰和差頻峰統稱為泛頻峰。
基團頻率
中紅外光譜區可分成4000 cm~1300(1800) cm和1800 (1300 ) cm~ 600 cm兩個區域。最有分析價值的基團頻率在4000 cm~ 1300 cm之間，這一區域稱為基團頻率區、官能團區或特徵區。區內的峰是由伸縮振動產生的吸收帶，比較稀疏，容易辨認，常用於鑑定官能團。
在1800 cm(1300 cm)~600 cm區域內，除單鍵的伸縮振動外，還有因變形振動產生的譜帶。這種振動基團頻率和特徵吸收峰與整個分子的結構有關。當分子結構稍有不同時，該區的吸收就有細微的差異，並顯示出分子特徵。這種情況就像人的指紋一樣，因此稱為指紋區。指紋區對於指認結構類似的化合物很有幫助，而且可以作為化合物存在某種基團的旁證。
基團頻率區可分為三個區域
(1) 4000 ~2500 cm X-H伸縮振動區，X可以是O、N、C或S等原子。
O-H基的伸縮振動出現在3650 ~3200 cm範圍內，它可以作為判斷有無醇類、酚類和有機酸類的重要依據。
當醇和酚溶於非極性溶劑(如CCl4)，濃度於0.01mol. dm時，在3650 ~3580 cm處出現游離O-H基的伸縮振動吸收，峰形尖銳，且沒有其它吸收峰干擾，易於識別。當試樣濃度增加時，羥基化合物產生締合現象，O-H基的伸縮振動吸收峰向低波數方向位移，在3400 ~3200 cm出現一個寬而強的吸收峰。
胺和醯胺的N-H伸縮振動也出現在3500~3100 cm，因此，可能會對O-H伸縮振動有干擾。
C-H的伸縮振動可分為飽和和不飽和的兩種：
飽和的C-H伸縮振動出現在3000 cm以下，約3000~2800 cm，取代基對它們影響很小。如-CH3基的伸縮吸收出現在2960 cm和2876 cm附近；R2CH2基的吸收在2930 cm和2850 cm附近；R3CH基的吸收基出現在2890 cm附近，但強度很弱。
不飽和的C-H伸縮振動出現在3000 cm以上，以此來判別化合物中是否含有不飽和的C-H鍵。
苯環的C-H鍵伸縮振動出現在3030 cm附近，它的特徵是強度比飽和的C-H漿鍵稍弱，但譜帶比較尖銳。
不飽和的雙鍵=C-H的吸收出現在3010~3040 cm範圍內，末端= CH2的吸收出現在3085 cm附近。
叄鍵?CH上的C-H伸縮振動出現在更高的區域(3300 cm)附近。
(2) 2500~1900 cm為叄鍵和累積雙鍵區，主要包括-C?C、-C?N等叄鍵的伸縮振動，以及-C =C=C、-C=C=O等累積雙鍵的不對稱性伸縮振動。
對於炔烴類化合物，可以分成R-C?CH和R?-C ?C-R兩種類型：
R-C?CH的伸縮振動出現在2100~2140 cm附近；
R?-C ?C-R出現在2190~2260 cm附近；
R-C ?C-R分子是對稱，則為非紅外活性。
-C ?N基的伸縮振動在非共軛的情況下出現2240~2260 cm附近。當與不飽和鍵或芳香核共軛時，該峰位移到2220~2230 cm附近。若分子中含有C、H、N原子，-C ?N基吸收比較強而尖銳。若分子中含有O原子，且O原子離-C ?N基越近，-C ?N基的吸收越弱，甚至觀察不到。
(3) 1900~1200 cm為雙鍵伸縮振動區,該區域重要包括三種伸縮振動：
C=O伸縮振動出現在1900~1650 cm，是紅外光譜中特徵的且往往是最強的吸收，以此很容易判斷酮類、醛類、酸類、酯類以及酸酐等有機化合物。酸酐的羰基吸收帶由於振動耦合而呈現雙峰,苯的衍生物的泛頻譜帶，出現在2000~1650 cm範圍，是C-H面外和C=C面內變形振動的泛頻吸收，雖然強度很弱，但它們的吸收面貌在表征芳核取代類型上有一定的作用。
指紋區
(1) 1800(1300) cm~ 900 cm區域是C-O、C-N、C-F、C-P、C-S、P-O、Si-O等單鍵的伸縮振動和C=S、S=O、P=O等雙鍵的伸縮振動吸收。
其中：1375 cm的譜帶為甲基的dC-H對稱彎曲振動，對識別甲基十分有用，C-O的伸縮振動在1300~1000 cm，是該區域最強的峰，也較易識別。
(2) 900 ~ 650 cm區域的某些吸收峰可用來確認化合物的順反構型。
利用上區域中苯環的C-H面外變形振動吸收峰和2000~ 1667cm區域苯的倍頻或組合頻吸收峰，可以共同配合確定苯環的取代類型。
