光谱学
红外光谱:解释光谱的快速入门
最后更新:2022年10月31日|
如何在1分钟或更短的时间内解释红外光谱:要寻找的2件最重要的事情[舌头和剑]
最后发表，我们简单介绍了键振动的概念，我们看到，我们可以把共价键想象成有点像球和弹簧:弹簧振动，每个弹簧都以一个特征频率“唱歌”，这个频率取决于键的强度和原子的质量。这些振动的频率在电磁波谱的中红外(IR)区域。
我们可以通过对样品施加红外辐射并测量辐射被吸收的频率来观察和测量键的“歌唱”。其结果就是一种被称为红外光谱法，这是识别给定分子中存在的键的有用而快速的工具。
我们看到水的红外光谱非常简单，但当我们转向葡萄糖这样相对复杂的分子(下图)时，我们突然面临着一个山峰森林!
你对这份IR的第一印象可能是:唉,我该怎么理解??
对此我想说:别慌!
目录
- 让我们纠正一些关于IR的常见误解
- 从《猎与啄》开始不是正确的方法
- 红外光谱:大图
- 在红外光谱中寻找两个主要的东西:“舌头”和“剑”。
- 醇和羧酸:更多细节
- 羰基官能团红外光谱的具体例子
- 不那么重要，但仍然有用:两个更重要的诊断领域。
- 葡萄糖，重新审视:1分钟分析
- 笔记
1.让我们纠正一些关于IR的常见误解
在这篇文章中，我想展示一个典型的红外光谱分析比你想象的要简单得多。事实上，一旦你知道要找什么，这通常可以在一分钟或更短的时间内完成。为什么?
- 红外光谱通常不用于确定未知分子的整体结构。例如，没有一个活着的人能通过上面的红外光谱推断出葡萄糖的结构。IR是一种用途非常特殊的工具。早在1945年，当红外是为数不多的光谱技术之一时，有必要花更多的时间试图从光谱中挤出每一点信息。今天，有了核磁共振和其他技术，我们可以做更多的选择。
- 我们不需要分析每一个峰值！(正如我们稍后将看到的，这就是NMR的用途:-))。相反，IR是伟大的确定特定的官能团比如酒精和金属羰基合物．以这种方式，它是对其他技术(如核磁共振)的补充，这些技术不能快速获得这些信息。
考虑到这一点，我们可以简化红外光谱的分析除了地势最低的水果，什么都剪掉。
看到500-1400厘米高的山峰森林1？我们基本上会忽略他们!
对我们来说，80%最有用的信息都可以通过阅读获得光谱中的两个特定区域: 3200-3400厘米11650-1800厘米1．我们还将看到至少有两个以上的红外光谱区域值得一看，从而得出一个未知的红外光谱的“一阶”分析。[我们可能会写一篇关于分析红外光谱细节的后续文章]
底线:这篇文章的目的是告诉你如何去做优先安排时间在红外光谱分析中。
[顺便说一句:所有的光谱都来自NIST的数据库．谢谢你们，美国纳税人!］
2.从《猎与啄》开始不是正确的方法
面对未知的红外光谱(以及不断上升的恐慌感)，一个典型的新生会怎么做?
他们通常会使用老师给他们的第一个工具，即IR峰值的常用范围表。
他们分析的下一步是从一边到另一边遍历频谱，试图将每个峰值与表中的一个数字匹配。我知道这一点，因为这正是我第一次学习IR时所做的。我称之为“狩猎和啄食”。
唯一把“猎啄”作为第一步的人是没有计划的人(即“新手”)。
因此，通过阅读下面的几段话，你可以为自己节省很多时间，避免困惑。
[捕猎和啄有它的位置，但只是后你已经在下面找到了“舌头”和“剑”。狩猎和啄食是确保你没有错过任何大东西的好方法——但作为第一步，这太可怕了!］
3.大局
在红外光谱学中，我们测量分子吸收红外辐射光子的位置。峰代表了光谱中发生特定键振动的区域。[有关更多背景信息，请参阅。以前的文章,特别是在“球和弹簧”模型上]．就像不同重量的弹簧根据质量和张力以特征频率振动一样，化学键也是如此。
这是4000厘米红外窗口的概况1到500厘米1突出显示感兴趣的各个区域。
更压缩的概述如下所示:(源）
| 3600 - 2700厘米1 | X-H(与氢的单键) |
| 2700 - 1900厘米1 | X≡X(三键) |
| 1900 - 1500厘米1 | X=X(双键) |
| 1500 - 500厘米1 | X-X(单键) |
在这些范围内，有要重点关注两个高度优先的领域，以及两个优先级较低的领域，我们将在下面进一步讨论。
4.在红外光谱中寻找两个主要的东西:“舌头”和“剑”。
面对新的红外光谱时，请优先考虑以下两个重要问题:
- 在3400-3200厘米左右有一个宽阔的圆形山峰吗1？这就是羟基(哦)出现。
- 在1850-1630厘米的区域是否有一个尖锐而强烈的山峰1？这就是羰基组(C = O)出现。
首先,让我们来看看3400厘米处羟基峰的一些例子1到3200厘米1地区,乔恩生动地描述为“舌头”。下面的峰都属于醇。羟基之间的氢键会导致O-H键强度的变化，从而导致振动能量的范围。这种变化导致了观测到的宽峰。
羟基是羧酸的一部分，它有更广泛的外观，我们一会儿会讲到。
有时候，知道什么不该去找会有所帮助。在最右边包括一个非常弱的峰值基线的例子，你可以安全地忽略。
主要的一点是羟基通常不是你需要在基线噪声中寻找的东西。
虽然羟基是这一地区最常见的宽峰类型，但N-H峰也可以出现在这一地区注1)．它们往往具有更尖锐的外观，并可能出现一个或两个峰，这取决于N-H键的数量。
接下来,让我们看一些例子C = O峰顶，在该地区约1630-1800厘米1。．这些波峰几乎总是整个光谱中最强的波峰，而且相对较窄，使它们看起来有点像“剑”。
这总结了我们的80/20分析:寻找舌头和剑。
如果你没有从这篇文章中学到其他东西，那就学会识别这两种类型的山峰吧!
如果你训练自己去寻找红外光谱的另外两个区域，它们可以迅速提供有用的信息。
3.线在3000厘米处1在两国之间有有用的“边界”吗烯C-H(3000厘米以上1）和筛选一个的C-H(低于3000厘米1)这可以快速帮助你确定是否存在双键。
4.约2200厘米的一个峰顶1- 2050厘米1是三键存在的微妙标志[C≡N或C≡C]。这片区域没有其他线索。
一个常识提醒
首先，一些显而易见的建议:
- 如果你得到了分子式，这就决定了你要找的官能团。如果分子式中没有氧，找OH就没有意义了，或者没有an胺如果配方中缺少氮。
- 不明显,计算不饱和度如果给你分子式，因为它会提供重要的线索。不要在C这样的结构中寻找C=O4H10没有任何程度的不饱和。
5.醇和羧酸:更多细节
醇
让我们来看一个具体的例子，这样我们就可以正确地看待一切。下面是1-己醇的光谱。
注意3300 cm左右的羟基峰1，典型的酒精(尖峰大约3600厘米1是羟基峰的常见伴侣:它代表非氢键的O-H)。
正如你所期望的1-己醇，没有任何迹象羰基峰顶约1700厘米1．初学者可能会被诱惑标记为匕首一样的强峰大约1450厘米1作为一个可能的C=O延伸。不是的．(很可能是C-H弯)。变化只发生在一个非常小的范围内，你几乎不可能看到C=O延伸到1650厘米以下1．你看到的光谱越多，你就越能做出这些判断。
为了熟悉变化，这里有更多的各种醇的整个红外光谱的例子。
羧酸
羧酸中的羟基比醇中的羟基要宽得多。乔恩称之为“毛胡子”，这是一个完美的描述。它们的外观变化也很大。羧酸对OH的吸收范围可以很广，可以延伸到3000厘米以下1，几乎“接管”了频谱的左手部分。
举个例子:丁酸。
这里有更多完整光谱的例子，你可以看到变化。
羟基在外观上的差异酒精这是一个羧酸通常是诊断的。在罕见的情况下，你不确定宽峰是否由于羟基酒精或者一个羧酸，一个建议是检查1700厘米左右的区域是否是C=O拉伸。如果它不存在，你可能在看一个酒精．
［注1更多关于3200-3500厘米的细节1地区:胺、Amides和Terminal炔烃］
6.羰基官能团红外光谱的具体例子
第二个重要的峰值区域是羰基C=O伸展面积约1630-1830厘米。羰基拉伸是尖锐而有力的。
一旦你看到其中一些，就不可能错过。这片区域没有其他线索。
更直观地说，这是己醛的红外光谱。这个峰在1700厘米之后1为C=O拉伸。当它出现时，C=O拉伸几乎总是红外光谱中最强的峰，不可能错过。
C=O拉伸的位置略有不同羰基官能团。某些范围(单位:厘米1)，详情如下:
- 醛(1740 - 1690):苯甲醛，丙醛，戊醛
- 酮(1750 - 1680):2-pentanone，苯乙酮
- 酯类(1750 - 1735):乙酸乙酯，苯甲酸甲酯
- 羧酸(1780-1710):苯甲酸，丁酸
- 酰胺(1690 - 1630):乙酰胺，苯甲酰胺，N, N-二甲基甲酰胺(DMF）
- 酸酐(2个峰;1830-1800和1775-1740):乙酸酐，苯酐
共轭会在一定程度上影响C=O拉伸的位置，使其向较低的波数移动。
一个不错的经验法则是，你永远不会看到C=O延伸到1630以下。例如，如果你在1500处看到一个强峰值，它就是不C = O。这是另一回事。
7.不那么重要，但仍然有用:两个更重要的诊断领域。
- C-H延伸边界在3000厘米处1
3000厘米1作为一个有用的分界线。在这条线上观察到更高频率的C-H拉伸，我们将其归因于sp2杂化碳氢键。下面举两个例子:1-己烯(注意峰高一点)和苯。
对于只有sp的分子3.-杂化C-H键，线将出现在3000厘米以下1下面是己烷。
2.独特的三键区在2200厘米左右1
带有三键的分子在宏观结构中出现的频率相对较低，但当它们出现时，它们在红外光谱中确实有独特的痕迹。
区域在2000厘米之间1和2400厘米1在红外光谱中有点像“鬼城”;这个区域很少出现。如果你在这个区域看到峰值，很可能是一个三键碳，比如an炔烃或腈．
请注意炔烃山峰。对于应该忽略弱峰值的规则，这是一个例外。不过，还是要小心:如果你得到分子式，要确认炔烃可以通过计算不饱和度并确保它至少是2或更多。
终端炔烃(如1-己炔)也有很强的C-H拉伸约3400厘米1这更具诊断性。
8.葡萄糖，重新审视:1分钟分析
好的。我们已经讨论了4个区域，这对快速分析红外光谱是有用的。
- (重要!)O-H约3200-3400厘米1
- (重要!)C=O约1700厘米1
- C-H分界线在3000厘米处1
- (罕见)三键区约2050-2250厘米1
现在我们回过头来看看葡萄糖的红外光谱。我们看到了什么?
这里有两件重要的事情需要注意:
- OH在3300厘米左右1．(事实上，这是上文第3部分中的“剑”之一)
- 没有C=O拉伸。1700厘米左右无强峰1．(最高1450厘米1不是C=O的延伸)。
另外，如果我们多花点时间，我们可以看到:
- 没有烯烃C-H(峰值不超过3000厘米1）
- 在三键区没有(很少，但仍然是一个容易学会检查的东西)
现在:如果给你一个“未知”的光谱和它的分子式，C6H12O6，你对它的结构能得出什么结论?
缺乏一度氢的分子(C6H12O6)，但没有C=O，很可能没有C=C ?
一个好的猜测是这样的这个分子含有一个环．(当然，我们知道这是事实，但很高兴看到IR证实了我们已经知道的事情)。
这就是葡萄糖的红外光谱一分钟的分析所能告诉我们的。注意，不是整个结构，但肯定是一些重要的片段。
今天就到这里。在下一篇文章中，我们将做更多的1分钟分析，并给出更多具体的例子，说明如何使用红外光谱中的信息来得出关于分子结构的结论。
笔记
更多关于3200区域的信息:胺、Amides和Terminal炔烃碳氢键
而我们在3200区域....胺和酰胺
胺酰胺在这个区域也有N-H延伸。(更新:保罗·温托尔德的评论提到了一些关于酰胺的有用建议-它们很罕见-在根据该区域的拉伸分配酰胺之前，从质谱或其他来源寻找确认的证据，因为该区域也可以包含羰基“泛音”山峰]
请注意胺而初级酰胺有两个“毒牙”，而次级酰胺胺而仲酰胺有一个单峰。
的胺拉伸往往比酰胺拉伸更尖锐;酰胺也可以通过强的C=O拉伸来区分(见下文)。
主要的胺(点击查看光谱)
二次胺：
主要酰胺
二酰胺
终端炔烃碳氢键
终端炔烃有典型的碳氢延伸约3300厘米1．下面是乙基苯。
这太有帮助了!!用了这么多不同的例子，现在我什么都懂了!会有碳和质子核磁共振的快速教程吗?
这是对红外光谱学最好的评论!
漂亮的解释!
永远不要再使用其他网站或youtube视频(除非是你的)寻求帮助。你真了不起
伟大的工作!这是我这些年能找到的最好的。
非常感谢你的指导!非常彻底的方法和伟大的解释。
梅格，很高兴你觉得它有用。投入了大量的工作!
这一点即使是外行也很清楚，很容易理解。非常感谢
欢迎你!
为什么烯烃基团(3000 -3100)和卤代烷(500 -539)被添加到NORYL (PPE + PS)塑料中?
哪些属性会受到影响?
你怎么知道3000-3100的峰值不是苯乙烯的?
谢谢你写了这么棒的文章。这真的很有帮助。
试着让它有用。如果成功了，那太好了!
我完全同意之前的赞扬和评论-你在我的有机化学理解中是一个可取之处，我欣赏你简化最复杂事物的方法。老实说，我花了4个多小时来尝试2个问题，弄清楚结构，感觉好多了。谢谢你！继续你非凡的工作!
谢谢你，玛丽贝尔!
我完全同意上面的帖子。
你也应该去Youtube上看看，朋友。伟大的工作!
我确实有一个Youtube频道，但它一直被忽视!
先生解释得很好!!
对红外光谱的最好解释。
等待你的下一篇文章:)
谢谢!
我知道你的教授计划没有成功，但是你比很多教授都强!谢谢你！永远不要停止追逐你的梦想!
谢谢你! !这救了我的命!!!!!!
万岁!
喜欢这个! !
太棒了!
我没有看到<500 cm-1，这是我需要知道的
真的吗?我希望我能给你更好的答案。对我们许多人来说，500厘米以下的区域是一个“永恒的谜”。https://amphoteros.com/2019/01/18/an-enduring-mystery/
谢谢你！你刚救了我的命
如果它让IR不那么痛苦，那太棒了Alejandra!
优秀的解释!谢谢你的辛苦工作。
谢谢齐克!
哇!谢谢-你永远不会知道这为我节省了多少时间。
很高兴听你这么说，弗里曼。
谢谢!这篇文章拯救了我。推荐给我所有的朋友。
谢谢你让我认识哈希特!
我完全迷失在讲座IR，但读了这篇文章后，我意识到它的简单的事情变得困难。你让我免于失败。
很高兴听你这么说，乔。
最好的解释!我唯一懂的…非常感谢!
谢谢奥利维亚!很高兴你觉得有用!
真的救了我的命。
诚实?太棒了!
感谢精彩的讲座，我的问题是如何辨别芳香族或苯环的吸收。我还需要你的电子邮件地址
寻找低于3000 cm-1的碳氢键拉伸。它不是芳香环特有的，但至少指向一个与H键结合的sp2杂化碳。
很有帮助。我能更好地理解材料
说真的，这是我见过的最好的解释，真的很有帮助
电脑很好。请，我们需要MOC教科书。
没有发生!但是谢谢你
非常清楚，有很多例子和经过深思熟虑的说明。我感觉自信多了!非常感谢!
太棒了!很高兴你变得更自信了!
对于新手来说，这是一个很好的IR资源……我喜欢把它给我的学生阅读。寻找质谱分析方面的职位。
谢谢Anju -谢谢。这是我希望在我学习如何解释红外光谱时有人告诉我的。
这是我看过的最好的评论——太棒了!
你没有提到的一件事是羰基泛音峰，这是当分子吸收两个光子的IR光时产生的。这些表现为2倍羰基频率的弱峰值，因此在3300 - 3500范围内。
了解这一点很重要，因为初学者通常会把这些峰值分配给NH延伸。这并不疯狂，因为NH在单取代酰胺中的拉伸相对较弱，所以很难区分它们。
这并不完美，但是，从教师的角度来看，我的建议是避免给他们分配胺或酰胺的冲动。如果你看到羰基，期待看到它的泛音，不要叫它NH延伸。现在，这意味着你可能会漏掉一个酰胺，但仅凭这一点还不足以断定它是酰胺。您需要通过其他方式验证它。如上所述，酰胺的C=O拉伸比其他官能团的能量更低，但即使这样，我也会小心翼翼地把它放在一个太细的点上(吸收通常是在一个范围内，而不是在特定的点上——C=O是1680:这是否意味着它是酰胺?可能是，但也可能是酮在其范围的边缘;两者都是一致的)。现在，如果你有一个质谱，表明N的存在(通过奇数分子质量)，所以你知道N存在，那么当然，它可能是NH拉伸。但没有其他信息表明酰胺，我的建议是不要去那个方向。
谢谢保罗-我不知道在那个地区的暗示。非常有用，谢谢!
谢谢你! !这很容易解释，也很有帮助。我有一个问题:我能在多大程度上信任我的软件建议?我的FTIR仪器的软件包含了一些库。
我不确定。同一分子的样品之间可能存在相当大的变异性，这取决于样品的制备方式(薄膜厚度)和存在的水量(影响氢键)。库是一个很好的起点，但不是灵丹妙药，当与其他信息(例如HRMS数据)结合的更全面方法的一部分时很好。
非常感谢您提供这么好的信息，先生
非常感谢!你的文章真的有助于理解IR:)
我真的很感激这节课真的很棒。
非常感谢。两个月来我一直在为这个话题纠结。充满细节，简单的语言和各种例子。再次感谢
你真是太棒了。读到这里，我感到非常高兴和满足。你介绍背景的风格很好。感谢您为我们付出的辛勤劳动。
非常感谢你做了这么好的工作。我有一个问题:我曾经使用聚合物(在我的特殊情况下，我使用PVC薄膜)。首先，我做了一个FTIR光谱的“收到”PVC薄膜。接下来，我对PVC薄膜进行热处理(低于其Tg)，并重复FTIR。这些峰没有变化，只是强度不同。我试图找出这种现象的解释(在参考书目中搜索)，但我没有找到答案。你知道为什么会这样吗?
非常感谢。
非常感谢。这真的帮助了我，我理解了里面的一切
感谢我是新手，这终于在我的灰色细胞中开辟了一条通道:)
你好,詹姆斯,
感谢您在解释红外光谱方面非常清晰的教程。他们对我帮助很大。
关于一种结构未知的化合物，我有几个问题，我正试图用FTIR来破译。你愿意为我看看这个，并确认我是否做得对，基于你的教程上的信息?
IR最佳评论
谢谢你Sagar。
这很有帮助，谢谢
很好
迄今为止最好的解释。真的很有帮助
解释很容易理解。谢谢你！