仪器分析实验有机化合物的红外光谱分析 2015年4月21日有机化合物的红外光谱分析开课实验室：环境资源楼312【实验目的】1、初步掌握两种基本样品制备技术及傅里叶变换光谱仪器的简单操作；2、通过谱图解析及网上标准谱图的检索，了解由红外光谱鉴定未知物的一般过程；3、掌握有机化合物红外光谱测定的制样方法，回顾基础有机化学光谱的相关知识。
【基本原理】• 原理概述：物质分子中的各种不同基团，在有选择地吸收不同频率的红外辐射后，发生振动能级之间的跃迁，形成各自独特的红外吸收光谱。
据此，可对物质进行定性和定量分析。
特别是对化合物结构的鉴定，应用更为广泛。
• 红外吸收法：类型：吸收光谱法；原理：电子的跃迁：电子由于受到光、热、电等的激发，从一个能级转移到另一个能级的现象。
这是因为分子中的电子总是处在某一种运动状态中，每一种状态都具有一定的能量，属于一定的能级。
当这些电子有选择地吸收了不同频率的红外辐射的能量，发生振动能级之间的跃迁，形成各自独特的红外吸收光谱。
据此，可对化合物进行定性和定量分析；条件：分子具有偶极矩。
【仪器与试剂】1、仪器：傅里叶变换红外光谱仪（德国Bruker公司，TENSOR 27型; 美国Thermo Fisher 公司， Nicolet 6700型）；压片机；玛瑙研钵；红外灯。
2、试剂：NaCl窗片、KBr晶体，待分析试样液体及固体。
【实验步骤】1、样品制备（1）固体样品：KBr压片法在玛瑙研钵将KBr晶体充分研磨后加入其量5%左右的待测固体样品，混合研磨直至均匀。
在一个具有抛光面的金属模具上放一个圆形纸环，用刮勺将研磨好的粉末移至环中，盖上另一块模具，放入油压机中进行压片。
KBr压片形成后，若已透明，可用夹具固定测试；（2）液体样品：液膜法取一对NaCl窗片，用刮勺沾取液体滴在一块窗片上，然后用另一块窗片覆盖在上面，形成一个没有气泡的毛细厚度薄膜，用夹具固定，即可放入仪器光路中进行测试，此法适用于高沸点液体样品。
2、仪器测试与解析（1）打开红外光谱测试软件→进入测试对话框→背景测试→样品测试→标峰值→打印谱图→取出样品；（2）解析谱图，推出可能的结构式。
（3）查阅萨特勒标准谱图集，直至查到与所测试样品红外光谱图完全一致的谱图。
（4）联网用分子式索引查阅顺序为：化合物分子式→化合物英文名称→谱图号→谱图。
【数据处理与实验结果分析】1、简述两种制样方法的适用范围，仪器操作要点：21 日 KBr压片法：适用于常温下为固体的物质。
固体样应控制浓度，样品的质量分数约占5%；液膜法：适用于常温下为液体的样品。
液体样应均匀涂在NaCl 晶片上，不应过多或过少。
2、解释谱图中主要吸收峰与官能团的关系，重点写出谱图解释过程。
（1）固体样品：化学式：C3H5NO；不饱和度：Ω=2（猜测可能有碳碳双键、碳氧双键或者氮氧双键）； -1 谱图解析：发现在 3360cm 附近有范围很大的宽峰，且为双峰， 1676cm-1 附近有明显吸收。
结合以上三者，表明化合物中有氢键（O-H 或 N-H，可以依稀看出为双峰，故应有两个氢键，故猜测有-NH2 结构，但由于所测结果不是十分明显，故只是猜测）， 1676cm-1 的峰可归属到酰胺键中的 C=O 伸缩振动（一般酰胺中的 C=O 伸缩振动在 1650-1690 cm-1），而剩下一个不饱和度则只能归属到碳碳双键，而碳碳双键中 C-H 键伸缩振动的 3000cm-1 附近有一峰吸收峰。
图 1 丙烯酰胺的结构式结合网上分子式索引查阅的丙烯酰胺（Propenide）的 IR 图：图 2 网上分子式索引查阅的丙烯酰胺的 IR 图可以看出，主要的吸收峰：3360 附近的两个双峰、1650 附近的峰，与我的测量结果匹配的很好。
所以基本可以断定是丙烯酰胺。
（2）液体样品：化学式：C6H7N； 2 仪器分析实验有机化合物的红外光谱分析 2015 年 4 月 21 日不饱和度：Ω=4（猜测可能有苯环）；谱图解析：发现在 3360cm-1 附近有范围很大的宽峰，且为双峰，表明化合物中有氢键 N-H，且应有两个氢键，故应有-NH2 结构；3000-3100 cm-1 的峰可归属到苯环上的多个 C-H 键伸缩振动，苯环中碳碳键的伸缩振动在 1450-1600 cm-1 也有体现。
图 3 苯胺的结构式结合网上分子式索引查阅的苯胺（Aniline）的 IR 图：图 2 网上分子式索引查阅的苯胺（Aniline）的 IR 图可以看出，主要的特征吸收峰：3360cm-1 附近的两个宽的双峰、3000-3100 cm-1 的峰匹配较好。
所以基本可以判断是苯胺。
3、在红外光谱上注出官能团的特征吸收峰（见最后两页）。
【思考题】 1、为什么测试红外光谱选用 KBr、NaCl 制样?有何优缺点? 答：优点：KBr 在 4000-400cm-1 波数（这个波段是常用的分析有机物官能团和结构的波段）整个中红外区都没有特征吸收，使用 KBr 制样可以很大程度上避免背景干扰而得到所测样品真实的红外谱图。
NaCl 在 4000-600cm-1 波数范围内也没有特征吸收，因此用 NaCl 制样可以得到 4000-600 波数范围内背景很小的谱图，有利于分析的准确性；缺点：NaCl 和 KBr 易受腐蚀，尤其是分析强极性物质如酸、醇、胺等类物质时容易受到腐蚀而造成透明度下降而背景增强等后果；另外对于 600-仪器分析实验有机化合物的红外光谱分析 2015年4月21日不饱和度：Ω=4（猜测可能有苯环）；谱图解析：发现在3360cm-1附近有范围很大的宽峰，且为双峰，表明化合物中有氢键N-H，且应有两个氢键，故应有-NH2结构；3000-3100 cm-1的峰可归属到苯环上的多个C-H键伸缩振动，苯环中碳碳键的伸缩振动在1450-1600 cm-1也有体现。
图3 苯胺的结构式结合网上分子式索引查阅的苯胺（Aniline）的IR图：图2 网上分子式索引查阅的苯胺（Aniline）的IR图可以看出，主要的特征吸收峰：3360cm-1附近的两个宽的双峰、3000-3100 cm-1的峰匹配较好。
所以基本可以判断是苯胺。
3、在红外光谱上注出官能团的特征吸收峰（见最后两页）。
【思考题】1、为什么测试红外光谱选用KBr、NaCl制样?有何优缺点?答：优点：KBr在4000-400cm-1波数（这个波段是常用的分析有机物官能团和结构的波段）整个中红外区都没有特征吸收，使用KBr制样可以很大程度上避免背景干扰而得到所测样品真实的红外谱图。
NaCl在4000-600cm-1波数范围内也没有特征吸收，因此用NaCl 制样可以得到4000-600波数范围内背景很小的谱图，有利于分析的准确性；缺点：NaCl和KBr易受腐蚀，尤其是分析强极性物质如酸、醇、胺等类物质时容易受到腐蚀而造成透明度下降而背景增强等后果；另外对于600-400cm-1波数的无机物等化合物时，使用NaCl制样会影响实验结果的准确性。
2、用FT-IR仪测试样品为什么要先测试背景？答：先测试背景是为了在后续测试样品得到的数据中扣除背景：样品室中的物质如二氧化碳、水、残留的测试样品蒸汽等对红外光有吸收，还有即使没有任何吸收仪器本身也会产生一些背景，这些背景会干扰数据分析，因此要先测试背景然后在样品测试过程中扣除背景。
3、如何用红外光谱鉴定饱和烃、不饱和烃和芳香烃的存在？答：饱和烃的红外光谱很简单，在1200-4000cmଵ内只有2900cmଵ附近有C−H振动吸收，若遇到这样的谱仪器分析实验有机化合物的红外光谱分析 2015年4月21日图，基本可以断定是饱和烃。
不饱和烃含有3000cmଵ以上的特征吸收峰，根据化合物的分子式，若分子为碳氢化合物而具有一个及以上的饱和度，那么基本可以断定为不饱和烃。
芳香烃在3000-3100cmଵ内有特征吸收，并并且同时在900-600cmଵ有苯环的面外弯曲振动，根据面外弯曲振动的形式可以判定是否为芳香烃以及是什么取代形式的芳香烃。
4、醇类、羧酸和酯类的红外光谱有何区别？答：a、醇类和羧酸具有活泼氢。
在液态下，由于氢键的作用，醇类的活泼氢一般在3200-3400cm-1附近有一个很大的吸收峰；而羧酸则在2500-3300 cm-1附近有一个较大的吸收峰。
另外，羧酸还有羰基吸收峰，在1650–1700cm-1之间；在气态（游离态）醇在3580-3650 cm-1有较强而尖锐的吸收峰，而酸在3500 cm-强而尖锐的吸收峰。
而酯类没有活泼氢；b、醇在1000-1200 cm-1有碳氧单键特征吸收，羧酸的碳氧单键吸收在1350-1180 cm-1，而酯类的碳氧单键在1000-1300 cm-1。
酯类的碳氧单键吸收=C−O−C的吸收在1150-1300 cm-1左右，常用来作为酯类的判断依据；c、酯类在1740 cm-1左右有强的羰基吸收峰，游离酸的羰基吸收峰在1760 cm-1左右，而缔合酸的羰基吸收峰在1715 cm-1左右。
醇没有羰基吸收峰。
【讨论与体会】红外吸收光谱法是化学特别是有机化学表征化合物的基本表征手段之一。
实验原理较简单，操作也较轻松，通过红外吸收光谱法的压片法和液膜法分别定性测出了未知固相和液相化合物。
下面是本实验的一些经验教训与体会：1、本实验所用仪器，包括NaCl晶体，必须是干燥的，因为水对红外光有强烈吸收；2、液体样应均匀涂在NaCl晶片上，不应过多或过少；固体样同样应控制浓度，样品质量分数约占5%。
这一点是尤为要注意的：特别是液膜法中，对于粘度较大的样品（氢键较多），若样品过多，特别是宽的氢键吸收峰会超过两成（纵坐标<0），造成无法准确读谱、分析；若样品较少，液膜可能滑向四周，导致所测部分出现气泡，出峰过小甚至无峰；3、使用油压机时，直至压力指示到5MPa左右停止摇把，保持1分钟；4、测量时红外仪需要测背景，减少空气中其他物质的干扰；5、本实验在通过液膜法测量的过程中，锻炼了我们的耐心；在处理数据和对比标准图谱的过程中，提高了我们处理数据和定性分析图谱的能力。