紅外光譜

 紅外光譜簡介

20 世紀初 Coblentz 已發表了 100 多種有機化合物的紅外光譜圖，給有機化學家提供了鑒別未知化合物的有力手段。到 50 年代末就已經積累了豐富的紅外光譜數據。到 70 年代，在電子計算機蓬勃發展的基礎上，傅立葉變換紅外光譜 （FTIR） 實驗技術進入現代化學家的實驗室，成為結構分析的重要工具。它以高靈敏度、高分辨率、快速掃描、聯機操作和高度計算機化的全新面貌使經典的紅外光譜技術再獲新生。近幾十年來一些新技術 （如發射光譜、光聲光譜、色——紅聯用等） 的出現，使紅外光譜技術得到更加蓬勃的發展。

 紅外光譜 原理

當一束具有連續波長的紅外光通過物質，物質分子中某個基團的振動頻率或轉動頻率和紅外光的頻率一樣時，分子就吸收能量由原來的基態振（轉）動能級躍遷到能量較高的振（轉）動能級，分子吸收紅外輻射后發生振動和轉動能級的躍遷，該處波長的光就被物質吸收。所以，紅外光譜法實質上是一種根據分子內部原子間的相對振動和分子轉動等信息來確定物質分子結構和鑒別化合物的分析方法。將分子吸收紅外光的情況用儀器記錄下來，就得到紅外光譜圖。紅外光譜圖通常用波長（λ）或波數（σ）為橫坐標，表示吸收峰的位置，用透光率（T%）或者吸光度（A）為縱坐標，表示吸收強度。

　　當外界電磁波照射分子時，如照射的電磁波的能量與分子的兩能級差相等，該頻率的電磁波就被該分子吸收，從而引起分子對應能級的躍遷，宏觀表現為透射光強度變小。電磁波能量與分子兩能級差相等為物質產生紅外吸收光譜必須滿足條件之一，這決定了吸收峰出現的位置。

　　紅外吸收光譜產生的第二個條件是紅外光與分子之間有偶合作用，為了滿足這個條件，分子振動時其偶極矩必須發生變化。這實際上保證了紅外光的能量能傳遞給分子，這種能量的傳遞是通過分子振動偶極矩的變化來實現的。并非所有的振動都會產生紅外吸收，只有偶極矩發生變化的振動才能引起可觀測的紅外吸收，這種振動稱為紅外活性振動；偶極矩等于零的分子振動不能產生紅外吸收，稱為紅外非活性振動。

　　分子的振動形式可以分為兩大類：伸縮振動和彎曲振動。前者是指原子沿鍵軸方向的往復運動，振動過程中鍵長發生變化。后者是指原子垂直于化學鍵方向的振動。通常用不同的符號表示不同的振動形式，例如，伸縮振動可分為對稱伸縮振動和反對稱伸縮振動，分別用 Vs 和Vas 表示。彎曲振動可分為面內彎曲振動（δ）和面外彎曲振動（γ）。從理論上來說，每一個基本振動都能吸收與其頻率相同的紅外光，在紅外光譜圖對應的位置上出現一個吸收峰。實際上有一些振動分子沒有偶極矩變化是紅外非活性的；另外有一些振動的頻率相同，發生簡并；還有一些振動頻率超出了儀器可以檢測的范圍，這些都使得實際紅外譜圖中的吸收峰數目大大低于理論值。

　　組成分子的各種基團都有自己特定的紅外特征吸收峰。不同化合物中，同一種官能團的吸收振動總是出現在一個窄的波數范圍內，但它不是出現在一個固定波數上，具體出現在哪一波數，與基團在分子中所處的環境有關。引起基團頻率位移的因素是多方面的，其中外部因素主要是分子所處的物理狀態和化學環境，如溫度效應和溶劑效應等。對于導致基團頻率位移的內部因素，迄今已知的有分子中取代基的電性效應：如誘導效應、共軛效應、中介效應、偶極場效應等；機械效應：如質量效應、張力引起的鍵角效應、振動之間的耦合效應等。這些問題雖然已有不少研究報道，并有較為系統的論述，但是，若想按照某種效應的結果來定量地預測有關基團頻率位移的方向和大小，卻往往難以做到，因為這些效應大都不是單一出現的。這樣，在進行不同分子間的比較時就很困難。

　　另外氫鍵效應和配位效應也會導致基團頻率位移，如果發生在分子間，則屬于外部因素，若發生在分子內，則屬于分子內部因素。

紅外譜帶的強度是一個振動躍遷概率的量度，而躍遷概率與分子振動時偶極矩的變化大小有關，偶極矩變化愈大，譜帶強度愈大。偶極矩的變化與基團本身固有的偶極矩有關，故基團極性越強，振動時偶極矩變化越大，吸收譜帶越強；分子的對稱性越高，振動時偶極矩變化越小，吸收譜帶越弱。

 紅外光譜 分區

1. 紅外光譜的分區

　　通常將紅外光譜分為三個區域：近紅外區（13330~4000cm-1）、中紅外區（4000~400cm-1）和遠紅外區（400~10cm-1）。一般說來，近紅外光譜是由分子的倍頻、合頻產生的；中紅外光譜屬于分子的基頻振動光譜；遠紅外光譜則屬于分子的轉動光譜和某些基團的振動光譜。

　　由于絕大多數有機物和無機物的基頻吸收帶都出現在中紅外區，因此中紅外區是研究和應用多的區域，積累的資料也多，儀器技術為成熟。通常所說的紅外光譜即指中紅外光譜。

　　2. 紅外譜圖的分區

　　按吸收峰的來源，可以將4000~400cm-1的紅外光譜圖大體上分為特征頻率區（4000~1300cm-1）以及指紋區（1300~400cm-1）兩個區域。

　　其中特征頻率區中的吸收峰基本是由基團的伸縮振動產生，數目不是很多，但具有很強的特征性，因此在基團鑒定工作上很有價值，主要用于鑒定官能團。如羰基，不論是在酮、酸、酯或酰胺等類化合物中，其伸縮振動總是在1700cm-1左右出現一個強吸收峰，如譜圖中1700cm-1左右有一個強吸收峰，則大致可以斷定分子中有羰基。

指紋區的情況不同，該區峰多而復雜，沒有強的特征性，主要是由一些單鍵C-O、C-N和C-X（鹵素原子）等的伸縮振動及C-H、O-H等含氫基團的彎曲振動以及C-C骨架振動產生。當分子結構稍有不同時，該區的吸收就有細微的差異。這種情況就像每個人都有不同的指紋一樣，因而稱為指紋區。指紋區對于區別結構類似的化合物很有幫助。
 紅外光譜分類

紅外光譜可分為發射光譜和吸收光譜兩類。

　　物體的紅外發射光譜主要決定于物體的溫度和化學組成，由于測試比較困難，紅外發射光譜只是一種正在發展的新的實驗技術，如激光誘導熒光。將一束不同波長的紅外射線照射到物質的分子上，某些特定波長的紅外射線被吸收，形成這一分子的紅外吸收光譜。每種分子都有由其組成和結構決定的*的紅外吸收光譜，它是一種分子光譜。

　　例如水分子有較寬的吸收峰，所以分子的紅外吸收光譜屬于帶狀光譜。原子也有紅外發射和吸收光譜，但都是線狀光譜。

　　紅外吸收光譜是由分子不停地作振動和轉動運動而產生的，分子振動是指分子中各原子在平衡位置附近作相對運動，多原子分子可組成多種振動圖形。當分子中各原子以同一頻率、同一相位在平衡位置附近作簡諧振動時，這種振動方式稱簡正振動。

　　含n個原子的分子應有3n-6個簡正振動方式；如果是線性分子，只有3n-5個簡正振動方式。以非線性三原子分子為例，它的簡正振動方式只有三種。在v1和v3振動中，只是化學鍵的伸長和縮短，稱為伸縮振動，而v2的振動方式改變了分子中化學鍵間的夾角稱為變角振動,它們是分子振動的主要方式。分子振動的能量與紅外射線的光量子能量正好對應，因此，當分子的振動狀態改變時，就可以發射紅外光譜，也可以因紅外輻射激發分子的振動，而產生紅外吸收光譜。

　　原子發射光譜比較杰出的代表是德國斯派克光譜儀和德國布魯克光譜儀，美國熱電光譜分析儀，日本島津直讀光譜儀等廠家。國內有北京納克直讀光譜儀，煙臺東方光譜分析儀