【表征】红外吸收光谱解析方法与五大实例解析

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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。 

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。

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1300～1000 cm^-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 3700～3000 cm^-1的宽吸收峰及vC-O和δO-H相互作用在1410～1050 cm^-1的强特征吸收峰，以及酚类因缔合产生的γO-H 720～600 cm^-1宽谱带吸收峰是否存在。

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

③ 醚 查找vC-O 1250～1100 cm^-1的特征吸收峰是否存在，并且没有醇、酚vO-H 3700～3000 cm^-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 1680～1620 cm^-1强度较弱的特征吸收峰及vC=C-H在3000 cm^-1以上的小肩峰是否存在。

② 芳烃 查找vC=C 在1620～1450 cm^-1出现的4个吸收峰，其中1450 cm^-1为最弱吸收峰；其余3个吸收峰分别为1600 cm^-1, 1580 cm^-1和1500 cm^-1。以1500 cm^-1吸收峰最强，1600 cm^-1吸收峰居中，1580 cm^-1吸收峰最弱，并常被1600 cm^-1处吸收峰掩盖而成肩峰。因此1500 cm^-1和1600 cm^-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3000 cm^-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 3300～3100 cm^-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2960 cm^-1(vas)和2870 cm^-1 (vs) 2个吸收峰；

亚甲基－CH2－,vC-H在2925 cm^-1(vas)和2850 cm^-1(vs)的2个吸收峰；

甲基和亚甲基的δC-H(as)在1460 cm^-1的吸收峰；

甲基的δC-H(s)在1380 cm^-1的吸收峰；

4个以上亚甲基的φ-CH2-在910 cm^-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910 cm^-1的强吸收峰；

次甲基, γC-H在995 cm^-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。

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 infraredspectra)。

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1900～1650 cm^-1无vC=O的强吸收峰，在1300～1000 cm^-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3700～3000 cm^-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1250～1100 cm^-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3075 cm^-1出现小的肩峰说明存在烯烃vC-H伸缩振动，在1640 cm^-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3000～2800 cm^-1的吸收峰表明有-CH3、-CH2-存在，在2960 cm^-1、2920 cm^-1、2870 cm^-1、2850 cm^-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980 cm^-1、915 cm^-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1460 cm^-1吸收峰为-CH3、-CH2-的不对称剪式振动δC-H(as) ；1375 cm^-1为-CH3的对称剪式振动δC-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.

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1900～1650 cm^-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3500～3100 cm^-1未出现vN-H的中强度双峰，表明无铵存在；但在3350 cm^-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2960 cm^-1、2920 cm^-1、2870 cm^-1吸收峰，表明存在-CH3、-CH2-的伸缩振动vC-H。

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

⑤1380 cm^-1、1370 cm^-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。

⑥1300～1000 cm^-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。

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1680 cm^-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3300～2500 cm^-1，无vO-H的宽吸收峰，可排除羧酸；在2820 cm^-1和2720 cm^-1无vC-H和δC-H倍频共振的双吸收峰，可排除醛；在1830 cm^-1和1750 cm^-1无vC=O的羰基振动耦合双峰，可排除酸酐。

由于在1200～1000 cm^-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。

② 1600 cm^-1、1580 cm^-1、1500 cm^-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1265 cm^-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3000 cm^-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2000～1700 cm^-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。

⑥ 1380 cm^-1吸收峰，表明有-CH3的面内弯曲振动(对称剪式振动)δC-H(s) 。

⑦ 900～650 cm^-1的吸收峰，为苯环C-H面外弯曲振动γC-H，750 cm^-1、690 cm^-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。

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1900～1650 cm^-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3330 cm^-1和3240 cm^-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1606 cm^-1呈现δN-H的特征中等强度宽峰，在1072 cm^-1呈现vC-N弱吸收峰和在830 cm^-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3000～2800 cm^-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723 cm^-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1300～1100 cm^-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2200～2100 cm^-1无vC≡C的尖锐吸收峰，在3300～3100 cm^-1无vC≡C-H的尖锐吸收峰，表明其不是炔类化合物。

③ 在1680～1620 cm^-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1460 cm^-1有弱吸收峰，为甲基和亚甲基的δC-H(as)吸收峰；在1380 cm^-1吸收峰为甲基δC-H(s)。吸收峰；在910 cm^-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