在现代科学研究与分析检测领域，红外光谱技术凭借其独特优势，应用范围正持续广泛拓展。如今，几乎在每一个涉及化学分析、材料研究、生物检测等诸多领域的实验室中，红外光谱仪都已成为标准配置的重要仪器设备。为助力大家在红外吸收光谱解析工作上取得突破，今天我们精心梳理整合了一系列详尽且具有代表性的红外吸收光谱图解析实例，期望能为各位在该领域的研究与实践提供切实有效的帮助。
利用红外吸收光谱进行有机化合物定性分析的两个关键方向
- 官能团定性分析：主要依据红外吸收光谱中那些具有显著特征的频率信息，以此来精准鉴别化合物分子中究竟含有哪些特定的官能团，进而能够初步确定未知化合物所属的类别。例如，在众多有机化合物中，若在红外光谱特定区域检测到明显吸收峰，便可据此判断是否存在羟基、羰基、氨基等常见官能团，从而为后续深入分析提供关键线索。
- 结构分析：借助红外吸收光谱所提供的丰富信息，并将其与未知物的各种物化性质以及其他强有力的结构分析手段，如紫外吸收光谱、核磁共振波谱、质谱等所给出的信息进行全面整合与深度剖析。通过综合考量各方面数据，抽丝剥茧般地确定未知物的化学结构式，甚至能够解析出其复杂的立体结构。这一过程犹如拼图游戏，每种分析手段提供的信息都是一块拼图碎片，只有将它们准确拼接，才能还原出未知物完整而精确的结构图像。
红外光谱技术的原理
当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子会有选择性地吸收其中一些特定频率的辐射能量。这一过程中，分子的振动或转动状态发生改变，引发偶极矩的净变化，促使振 - 转能级从基态向激发态跃迁。相应地，在这些被吸收频率所对应的区域，透射光强度会明显减弱。以透过率 T% 为纵坐标，波数或波长为横坐标绘制出的曲线，即为我们所熟知的红外光谱。其过程可简单概括为：辐射作用于分子，引发分子振动能级跃迁，进而产生红外光谱，通过对光谱的分析，能够识别出官能团，最终助力解析分子结构。例如，在对某种有机化合物进行红外光谱测试时，从光谱曲线的特征变化就能推断出分子内化学键的振动情况，为确定分子结构提供依据。
红外光谱的显著特点
- 能量较低：红外吸收本质上仅涉及振 - 转跃迁，相较于其他一些光谱技术，所需能量较低。这使得红外光谱在分析一些对高能量较为敏感的物质时具有独特优势，能够在不破坏样品原有结构和性质的前提下进行检测分析。
- 适用范围广：除了单原子分子及单核分子外，几乎所有的有机物都能够在红外光谱中展现出独特的吸收特征。无论是简单的有机小分子，还是结构复杂的高分子聚合物，红外光谱都能为其结构分析提供有效信息，适用范围极为广泛，涵盖了有机化学、材料科学、生物医学等多个领域。
- 特征性强：红外光谱的波数位置、波峰数目以及强度等信息丰富且具有高度特征性，这些特征犹如物质的 “指纹”，能够精准地用于定性分析。通过与已知标准谱图对比，或者依据特征频率数据库，能够快速准确地鉴别出化合物的种类和结构，为未知物的鉴定提供关键依据。
- 具备定量分析能力：不仅可以进行定性分析，红外光谱在一定条件下还能够用于定量分析。通过测量特定吸收峰的强度，并结合朗伯 - 比尔定律等相关理论，能够对样品中各成分的含量进行精确测定，在药物分析、环境监测等领域有着重要应用。
- 样品状态适应性好：无论是固态、液态还是气态样品，红外光谱技术都能适用，并且所需样品用量极少，同时不会对样品造成实质性破坏。这使得在分析珍贵样品或微量样品时，红外光谱成为首选技术之一，极大地拓展了其应用场景。
- 分析速度快：借助现代先进的仪器设备和数据处理软件，红外光谱分析能够在短时间内完成测试并获取结果，大大提高了分析效率，满足了现代科研和工业生产对快速检测的需求。
- 联用功能强大：与色谱技术联用后，红外光谱的定性功能得到了进一步强化。例如气相色谱 - 红外光谱联用（GC - IR）和液相色谱 - 红外光谱联用（LC - IR），能够先通过色谱将复杂混合物中的各组分分离，然后再利用红外光谱对每个组分进行准确的结构鉴定，为复杂样品的分析提供了极为有效的手段。
分子中振动能级的基本振动形式
在红外光谱中，存在着两类最为基本的振动形式，即伸缩振动和弯曲振动。
- 伸缩振动：这种振动形式表现为化学键长度的周期性改变，就如同弹簧的拉伸与压缩。在分子结构中，不同化学键的伸缩振动频率各异，例如碳 - 碳双键（C = C）的伸缩振动频率通常高于碳 - 碳单键（C - C），通过对伸缩振动频率的分析，能够初步判断分子中所含化学键的类型。
- 弯曲振动：弯曲振动则是指化学键键角或二面角发生周期性变化。以水分子（H₂O）为例，其弯曲振动模式使得氢 - 氧 - 氢（H - O - H）键角在一定范围内来回变动。这种振动形式同样会在红外光谱中产生特定的吸收峰，为分子结构分析提供重要信息。弯曲振动又可细分为面内弯曲振动和面外弯曲振动，不同类型的弯曲振动所对应的红外吸收峰位置和特征也有所不同，进一步丰富了红外光谱所蕴含的分子结构信息。例如在一些有机分子中，通过分析面内弯曲振动峰的位置和强度，可以推断分子中基团的相对位置和空间取向。
分子结构与红外光谱
- 分子官能团与红外光谱吸收峰的紧密关联分子的整体振动图像实际上是由若干简振模式叠加而成的复杂图景。在这一过程中，每个简振模式（对应着振动能级的跃迁）都会与特定频率的光吸收峰相对应。所有具有红外活性的简振模式所产生的光吸收峰共同构成了该分子独特的振动吸收光谱，也就是我们所研究的红外光谱。这就好比一首交响乐，每个乐器的演奏（简振模式）都为整体旋律（红外光谱）贡献了独特的音符（吸收峰）。分子的简振模式（振动能级）从根本上取决于分子的结构。不同结构的分子，其原子间的连接方式、化学键的性质以及空间排列等因素各不相同，从而导致简振模式存在差异。因此，我们能够巧妙地将分子结构与其红外光谱紧密联系在一起。例如，苯环独特的共轭结构决定了其在红外光谱中具有特定的吸收峰位置和强度，通过识别这些特征峰，就可以判断分子中是否存在苯环结构。在分子的一个简振模式下，所有原子都在以相同频率进行运动。然而，通常情况下只有某一个（或几个）基团的运动在整个振动过程中起着主导作用，而其他原子的运动相对微弱得多。基于这一特性，我们可以近似地将分子的一个简振模式看作主要是个别基团（官能团）的运动表现。因此，分子的红外光谱吸收峰能够与特定的官能团相对应。例如，在许多含有羟基（ - OH）官能团的化合物中，都会在红外光谱的特定区域出现明显的吸收峰，该吸收峰就可作为识别羟基官能团的重要依据。
- 官能团的主要振动形式化学键长度改变：如前所述，伸缩振动就是典型的化学键长度改变的振动形式。对于不同类型的化学键，其伸缩振动的难易程度和频率范围各不相同。例如，碳 - 氢键（C - H）的伸缩振动频率一般在 2800 - 3300 cm⁻¹ 之间，通过检测该区域的吸收峰，能够判断分子中是否存在碳 - 氢键以及其所处的化学环境。化学键键角 / 二面角改变：弯曲振动体现了化学键键角或二面角的改变。以甲烷（CH₄）分子为例，其具有多种弯曲振动模式，这些模式使得分子的空间构型在一定范围内发生变化，同时在红外光谱中产生相应的吸收峰。通过对这些吸收峰的分析，可以深入了解甲烷分子的空间结构以及其在化学反应中的行为变化。
- H₂O 与 CH₄的简正振动模式水分子（H₂O）的简正振动模式：水分子是一个非线性分子，其振动自由度 F = 3N - 6 = 3×3 - 6 = 3（N 为原子个数）。水分子存在三种简正振动模式，分别是对称伸缩振动、反对称伸缩振动和弯曲振动。对称伸缩振动时，两个氢 - 氧键同时伸长或缩短；反对称伸缩振动则是一个氢 - 氧键伸长，另一个缩短；弯曲振动表现为氢 - 氧 - 氢键角的变化。这三种振动模式在红外光谱中分别对应不同的吸收峰位置，通过对这些吸收峰的精确测量和分析，能够深入研究水分子的结构和性质，以及其在化学反应和物理过程中的变化情况。例如，在研究水与其他物质的相互作用时，红外光谱可以通过监测水分子振动模式吸收峰的变化，来揭示水分子与其他分子之间的氢键形成、解离等过程。甲烷分子（CH₄）的简正振动模式：甲烷分子同样为非线性分子，其振动自由度 F = 3N - 6 = 3×5 - 6 = 9。甲烷分子具有多种简正振动模式，包括对称伸缩振动、反对称伸缩振动以及不同类型的弯曲振动。这些振动模式使得甲烷分子在空间中呈现出复杂的动态变化，同时在红外光谱中产生丰富的吸收峰。通过对甲烷分子红外光谱的详细分析，不仅可以确定其分子结构，还能够研究其在催化反应、燃烧过程等领域中的反应机理。例如，在研究甲烷催化氧化反应时，红外光谱可以实时监测反应过程中甲烷分子振动模式的变化，从而揭示反应的中间产物和反应路径。
红外光谱解析三要素
位置、强度、形态堪称红外光谱解析的三大关键要素，它们相互关联、相辅相成，共同为我们解读红外光谱所蕴含的分子结构信息提供了关键线索。
- 红外光谱吸收峰 —— 线形与线宽：吸收峰的线形和线宽能够反映分子振动的精细特征以及分子所处的微观环境。例如，尖锐的吸收峰通常表明分子振动的环境较为单一，相互作用较弱；而宽化的吸收峰则可能暗示分子存在多种振动模式的耦合，或者受到分子间相互作用、晶格振动等因素的影响。在某些情况下，吸收峰的线形还可能出现不对称的情况，这往往与分子的电子云分布、化学键的非均匀性等因素有关。通过对线形和线宽的细致分析，可以深入了解分子的结构和动力学特性。
- 红外光谱吸收峰 —— 位置：官能团振动频率的变化，如同分子结构的 “晴雨表”，敏锐地反映了化合物结构或所处环境的差异。影响官能团吸收频率的因素错综复杂，大致可分为内部因素和外部因素两大类。内部因素：从本质上讲，内部因素是指官能团所处的分子结构对其吸收频率的深刻影响。常见的内部因素包括振动耦合、费米共振、电子效应、空间效应、氢键和质量效应等。振动耦合：当两个基团相邻且它们的振动基频相差不大时，振动之间会发生强烈的耦合作用，这种耦合导致吸收频率显著偏离基频。其中，一个振动模式的频率移向高频方向（反对称振动），另一个则移向低频方向（对称振动）。例如，在一些含有相邻羰基（C = O）基团的化合物中，由于振动耦合的存在，会出现两个明显偏离单个羰基振动频率的吸收峰，通过对这一现象的分析，可以推断分子中羰基的相对位置和相互作用情况。费米共振：当一种振动模式的倍频或合频与另一振动基频相近时，二者之间会发生强烈的相互作用，从而产生强吸收带或导致峰裂分，这一现象被称为费米共振。费米共振本质上也是一种特殊的振动耦合作用，只不过它发生在基频与倍频或合频之间。例如，在某些醛类化合物中，醛基（ - CHO）的 C - H 伸缩振动倍频与 C = O 伸缩振动基频相近，会发生费米共振，使得红外光谱中相应吸收峰的强度和位置发生变化，通过对这种变化的研究，可以更准确地确定醛基的存在和其周围的化学环境。电子效应：电子效应包括诱导效应和共轭效应等。诱导效应是由于分子中电负性不同的原子或基团的影响，使化学键的电子云密度分布发生改变，从而导致振动频率发生变化。一般来说，吸电子基团会使化学键的电子云密度降低，振动频率向高波数移动；给电子基团则使电子云密度增加，振动频率向低波数移动。共轭效应则是由于分子中存在共轭体系，使得电子云发生离域，化学键的键长趋于平均化，振动频率也相应发生改变。例如，在苯乙烯分子中，由于苯环与碳 - 碳双键形成共轭体系，使得碳 - 碳双键的伸缩振动频率相比于孤立的碳 - 碳双键有所降低。空间效应：空间效应主要包括环的张力和空间障碍。环的张力会对环内化学键的振动频率产生显著影响。例如，在小环化合物中，由于环的张力较大，化学键的键角偏离正常键角，导致振动频率发生明显变化。空间障碍是指分子中大的基团存在空间位阻作用，迫使邻近基团的键角改变，进而使其振动吸收频率发生改变。当共轭体系的共平面性被破坏或偏离时，共轭体系也会受到影响或破坏，其吸收频率将移向高波数。例如，在某些具有较大取代基的芳香族化合物中，由于取代基的空间位阻作用，会使苯环的振动吸收峰位置和强度发生变化，通过对这些变化的分析，可以推断分子的空间结构和取代基的位置。氢键：氢键的形成对化学键的振动频率有着重要影响。氢键的存在降低了化学键的力常数，使得吸收频率移向低波数方向。同时，振动时的偶极矩变化加大，吸收强度显著增加，常常形成宽而强的吸收峰。例如，胺基（ - NH₂）发生分子缔合形成氢键时，其吸收频率可降低 100 cm⁻¹ 或更多；羧基（ - COOH）形成强烈氢键后，羟基（ - OH）的吸收频率移至 2500 - 3000 cm⁻¹ 范围。通过对氢键相关吸收峰的研究，可以了解分子间的相互作用和聚集状态，在生物大分子如蛋白质、核酸等的结构研究中具有重要意义。质量效应：当一些含氢基团与某些基团的吸收峰发生重叠时，为了将重叠峰分离开，以便更准确地分析分子结构，可采用将该官能团的氢进行氘代的方法。由于氘的质量比氢大，氘代后官能团的振动频率会移向低波数，从而将原来重叠在一起的峰清晰地分离开来。例如，在蛋白质研究中，酰胺 I 带的吸收峰常常与水分子的 O - H 弯曲振动的强吸收峰重叠，严重影响对蛋白质结构的分析。通过使用重水（D₂O）代替水，使蛋白质中的氢被氘代，水分子的吸收峰位置发生改变，从而能够更准确地研究溶液状态下蛋白质分子的结构和动力学特性。外部因素：外部因素对官能团吸收频率的影响往往是通过内部因素间接起作用的。常见的外部因素包括温度、浓度、溶剂、样品状态、制样方法等。温度：温度对物质的红外吸收光谱有着显著的影响。在低温环境下，物质分子的热运动减弱，分子间相互作用相对稳定，吸收带通常较为尖锐；随着温度的升高，分子热运动加剧，分子间碰撞频率增加，导致吸收峰带宽增加，同时一些精细结构可能会消失，带数也相应减少。例如，在研究某些高分子材料的热稳定性时，通过监测不同温度下其红外吸收光谱的变化，可以了解材料分子结构在热作用下的演变过程。浓度：同一物质在不同浓度下，由于分子间相互作用的程度不同，测得的红外光谱也会有所差异。当物质浓度较高时，分子间距离较近，相互作用较强，可能会导致吸收峰的位置、强度和形状发生变化。例如，在研究溶液中溶质分子的红外光谱时，随着溶质浓度的增加，分子间可能会形成氢键或其他相互作用，使得溶质分子的某些吸收峰发生位移或展宽。通过对浓度与红外光谱关系的研究，可以了解分子间相互作用的规律，以及在实际应用中如何优化样品浓度以获得更准确的光谱信息。溶剂：当液体样品或固体样品溶于有机溶剂中时，样品分子与溶剂分子之间会发生复杂的相互作用，这种相互作用会导致样品分子的红外振动频率发生改变。如果样品分子中含有极性基团，那么溶剂的极性越强，二者之间的相互作用就越强烈，样品的红外光谱变化也就越大。例如，在研究某些有机化合物在不同溶剂中的红外光谱时，发现随着溶剂极性的增加，化合物中极性基团如羰基（C = O）的伸缩振动频率会逐渐减小。这是因为极性溶剂分子与样品分子中的极性基团之间形成了溶剂化作用，改变了化学键的电子云分布和力常数，从而影响了振动频率。在进行红外光谱分析时，选择合适的溶剂对于准确获取样品分子的结构信息至关重要。样品状态：物质所处的状态不同，分子间相互作用力也存在差异，这会导致测得的光谱有所不同