谱图解析基本知识

 

 

1、基团频率区

中红外光谱区可分成4000cm^-1~1300（1800）cm^-1和1800（1300）cm^-1~600cm^-1两个区域。有分析价值的基团频率在4000cm^-1~1300cm^-1之间，这一区域称为基团频率区、官能团区或特征区。区内的峰是由伸缩振动产生的吸收带，比较稀疏，容易辨认，常用于鉴定官能团。

 

在1800cm^-1（1300cm^-1）~600cm^-1区域内，除单键的伸缩振动外，还有因变形振动产生的谱带。这种振动基团频率和特征吸收峰与整个分子的结构有关。当分子结构稍有不同时，该区的吸收就有细微的差异，并显示出分子特征。这种情况就像人的指纹一样，因此称为指纹区。指纹区对于指认结构类似的化合物很有帮助，而且可以作为化合物存在某种基团的旁证。

 

基团频率区可分为三个区域：（1）4000~2500cm^-1X-H伸缩振动区，X可以是O、N、C或S等原子。O-H基的伸缩振动出现在3650~3200cm^-1范围内，它可以作为判断有无醇类、酚类和有机酸类的重要依据。当醇和酚溶于非极性溶剂（如CCl4），浓度于0.01mol.dm^-3时，在3650~3580cm^-1处出现游离O-H基的伸缩振动吸收，峰形尖锐，且没有其它吸收峰干扰，易于识别。当试样浓度增加时，羟基化合物产生缔合现象，O-H基的伸缩振动吸收峰向低波数方向位移，在3400~3200cm^-1出现一个宽而强的吸收峰。
胺和酰胺的N-H伸缩振动也出现在3500~3100cm^-1，因此，可能会对O-H伸缩振动有干扰。
C-H的伸缩振动可分为饱和和不饱和的两种：饱和的C-H伸缩振动出现在3000cm^-1以下，约3000~2800cm^-1，取代基对它们影响很小。如-CH3基的伸缩吸收出现在2960cm^-1和2876cm^-1附近；R2CH2基的吸收在2930cm^-1和2850cm^-1附近；R3CH基的吸收基出现在2890cm^-1附近，但强度很弱。

 

不饱和的C-H伸缩振动出现在3000cm^-1以上，以此来判别化合物中是否含有不饱和的C-H键。

 

苯环的C-H键伸缩振动出现在3030cm-1附近，它的特征是强度比饱和的C-H浆键稍弱，但谱带比较尖锐。
不饱和的双键=C-H的吸收出现在3010~3040cm^-1范围内，末端=CH2的吸收出现在3085cm^-1附近。叁键C-H上的C-H伸缩振动出现在更高的区域（3300cm^-1）附近。

 

（2）2500~1900cm^-1为叁键和累积双键区，主要包括-C≡C、-C≡N等叁键的伸缩振动，以及-C=C=C、-C=C=O等累积双键的不对称性伸缩振动。
对于炔烃类化合物，可以分成R-C≡CH和R￠-C≡C-R两种类型：R-C≡CH的伸缩振动出现在2100~2140cm^-1附近；R￠-C≡C-R出现在2190~2260cm^-1附近；R-C≡C-R分子是对称，则为非红外活性。-C≡N基的伸缩振动在非共轭的情况下出现2240~2260cm^-1附近。当与不饱和键或芳香核共轭时，该峰位移到2220~2230cm^-1附近。
若分子中含有C、H、N原子，-C≡N基吸收比较强而尖锐。若分子中含有O原子，且O原子离-C≡N基越近，-C≡N基的吸收越弱，甚至观察不到。
（3）1900~1200cm^-1为双键伸缩振动区，该区域重要包括三种伸缩振动：C=O伸缩振动出现在1900~1650cm^-1，是红外光谱中特征的且往往是明显的吸收，以此很容易判断酮类、醛类、酸类、酯类以及酸酐等有机化合物。
酸酐的羰基吸收带由于振动耦合而呈现双峰。
苯的衍生物的泛频谱带，出现在2000~1650cm^-1范围，是C-H面外和C=C面内变形振动的泛频吸收，虽然强度很弱，但它们的吸收面貌在表征芳核取代类型上有一定的作用。

2、指纹区

 

 

（a）1800（1300）cm^-1~900cm^-1区域是C-O、C-N、C-F、C-P、C-S、P-O、Si-O等单键的伸缩振动和C=S、S=O、P=O等双键的伸缩振动吸收。

 

其中：1375cm^-1的谱带为甲基的C-H对称弯曲振动，对识别甲基十分有用，C-O的伸缩振动在1300~1000cm^-1，是该区域明显的峰，也较易识别。

 

（b）900~650cm^-1区域的某些吸收峰可用来确认化合物的顺反构型。利用上区域中苯环的C-H面外变形振动吸收峰和2000~1667cm^-1区域苯的倍频或组合频吸收峰，可以共同配合确定苯环的取代类型。

 

谱图分析顺口溜

 

 

红外光谱分析步骤

 

（1）首先依据谱图推出化合物碳架类型：根据分子式计算不饱和度，

公式：不饱和度＝（2C+2-H-Cl+N）/2 其中：Cl为卤素原子

例如：比如苯：C6H6，不饱和度=（2*6+2-6）/2=4，3个双键加一个环，正好为4个不饱和度；

 

（2）分析3300~2800cm^-1区域C-H伸缩振动吸收；

以3000cm-1为界：高于3000cm^-1为不饱和碳C-H伸缩振动吸收，有可能为烯，炔，芳香化合物，而低于3000cm^-1一般为饱和C-H伸缩振动吸收；

 

（3）若在稍高于3000cm^-1有吸收，则应在2250~1450cm^-1频区，分析不饱和碳碳键的伸缩振动吸收特征峰，其中：

炔2200~2100cm^-1

烯1680~1640cm^-1

芳环1600，1580，1500，1450cm^-1泛峰

 

若已确定为烯或芳香化合物，则应进一步解析指纹区，即1000~650cm^-1的频区，以确定取代基个数和位置（顺、反；邻、间、对）；

 

（4）碳骨架类型确定后，再依据其他官能团，如C=O，O-H，C-N等特征吸收来判定化合物的官能团；

 

（5）解析时应注意把描述各官能团的相关峰联系起来，以准确判定官能团的存在，如2820，2720和1750~1700cm^-1的三个峰，说明醛基的存在。

5个实例说明IR谱图解

 

 

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1900～1650cm^-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。

 

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。

 

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1473cm^-1出现强峰为-CH3、-CH2-面内弯曲振动δas,C-H；在1382cm^-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