红外光谱分析基础知识
1.红外光谱产生的原理
1.1产生红外光谱的原因
分子是在不断地运动的，分子运动服从量子力学规律。分子运动的能量由平动能、转动能、振动能和电子能四部分组成。分子运动的能量 E 可以表示为：
E = E平＋ E转 ＋ E振 ＋ E电
分子的平移运动可以连续变化，不是量子化的，没有能级变化，不产生光谱。分子的转动、振动和电子运动都是量子化的，转动和振动出现红外光谱，电子跃迁出现发射光谱。分子的转动光谱主要是指气体的转动光谱。由于气体中分子之间的距离很大，分子可以自由转动，吸收光辐射后，能观察到气体分子转动光谱的精细结构。液体中分子之间的距离很短，分子之间的碰撞使分子的转动能级受到微绕，因此观察不到液体分子转动光谱的精细结构。固体样品也观察不到转动光谱。因此我们看到的中红外光谱主要是由于分子的振动产生的。
产生红外光谱的原因：1）光的振动频率与分子的振动频率相匹配；2）分子在发生振动时产生了偶极矩的变化。
1.2红外光谱的特征及振动类型
1.2.1红外光谱的特征
1）红外吸收光谱的强度主要取决于分子振动时的偶极矩变化；
2）偶极矩变化的程度与分子吸收光能的程度成正比；
3）分子振动的对称性越高，振动分子中偶极矩的变化越小，谱带强度越弱，若没有偶极矩则无红外活性；非对称分子有偶极矩，有红外活性。
4）一般来说，极性强度越强的集团，其吸收强度越强；极性较弱的集团其振动吸收也较弱。
1.2.2分子的振动类型
分子中不同的基团具有不同的振动模式，相同的基团（双原子除外）具有几种不同的振动模式。在中红外区，基团的振动模式分为两大类：伸缩振动和弯曲振动。
伸缩振动（Stretching Vibration）
伸缩振动时，基团中的原子沿着价键的方向来回运动，所以伸缩振动时，键角不发生变化
弯曲振动（又可称变形振动）（Bending Vibration）
弯曲振动时，基团的原子运动方向与价键方向垂直。弯曲振动又细分为剪式变角振动，对称变角振动，反对称（不对称）变角振动，面内弯曲振动，面外弯曲振动，平面摇摆振动，非平面摇摆振动和卷式振动。除了摇摆振动外，其余振动键角都发生变化（即变形）。
2.中红外光谱谱图基本解析
中红外光谱中官能团的伸缩振动在高频，变形振动在低频。通常可把4000-650cm-1的中红外区划分为四个区域便于理解和记忆。
| 区域 | 基团 | 吸收频率cm-1 | 振动形式 | 说明 |
| 第一区域 （4000-2500cm-1）主要是X-H伸缩振动区 | O-H（游离） | 3650-3500 | 伸缩，尖峰 | 判断有无醇类、酚类和有机酸的重要依据 |
| O-H（缔合） | 3400-3200 | 伸缩，宽峰 | ||
| 胺和酰胺N-H | 3500-3100 | 伸缩 | OH和CH相互有干扰 | |
| 三键C-H | 3300 | 伸缩 | 以3000为界限可判断化合物是饱和的还是不饱和的，3000以上C-H为不饱和，3000以下为饱和 | |
| 二键C-H | 3100 | 伸缩 | ||
| 苯环的C-H | 3030 | | ||
| CH3 | 2962 2872 | 反对称伸缩 对称伸缩 | ||
| CH2 | 2926 2853 | 反对称伸缩 对称伸缩 | ||
| CH | 2890 | 弱峰，除-CHO外，不易观测 | ||
| 第二区域 （2500-1900cm-1）主要是三键和累积双键伸缩振动区 | 脂肪族-C≡N | 2260-2240 | 伸缩，针状 | |
| 芳香族-C≡N | 2240-2215 | |||
| -N=C=O | 2280-2265 | 反对称伸缩，强 | 对称伸缩弱无实用价值 | |
| R1-C≡C-R2 | 2260-2190 | 伸缩 | 如对称则无红外活性 | |
| R-C≡C-H | 2260-2100 | 伸缩 | | |
| 第三区域 （1900-1200 cm-1）主要是双键伸缩振动区 | 烯烃C=C | 1680-1620 | 强度可变 | 共轭作用，波数偏低，强度增加 |
| 苯环C=C | 1620-1450 | 骨架振动 | 常用四个吸收峰，1600、1500对确定苯环结构有用 | |
| 羰基-C=O | 1850-1550 | 强，容易识别 | 其他吸收带干扰少，是判断羰基（酮、酸、酯、酸酐等）的特征频率 | |
| 脂肪族硝基-NO2 | 1565-1545 1385-1350 | 反对称伸缩（强） 对称伸缩（强） | | |
| 芳香族硝基-NO2 | 1550-1500 1365-1290 | 反对称伸缩 对称伸缩 | 吸收强度比脂肪族稍低 | |
| 砜S=O | 1350-1290 1165-1120 | 反对称伸缩 对称伸缩（强） | | |
| 亚砜S=O | 1070-1030 | 伸缩，强 | | |
| P=O | 1300-1140 | | | |
| 第四区域 （主要是X-Y伸缩振动和X-H变形振动区） | C-O | 1300-1000 | 伸缩，强 | 判断醇、醚、酯、酸等的存在 |
| -CH3 | 1460 | 反对称变形振动 | 可根据相对强度判断化合物链的长短 | |
| -CH2 | 1460 | 对称变形振动 | ||
| -CH3 | 1380 | 变形振动 | ||
| -NH2 | 1650-1550 900-650 | 面内变形 面外变形（宽大） | | |
| -NH | 750-700 | 面外变形（宽大） | 面内变形弱，不易找到 | |
| | C-F | 1400-1000 | 伸缩振动（强） | 其他卤素可变 |
| | C-Cl | 800-600 | 伸缩振动（强） |
注：因受到相邻基团影响，不同化合物的波数有变化；此表格为个人总结仅供参考，不建议转发
撰稿人 于颖
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