紅外光譜分析實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)——有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)解析實(shí)踐一、引言紅外光譜（InfraredSpectroscopy,IR）是基于分子振動(dòng)能級(jí)躍遷的光譜分析技術(shù)，通過(guò)檢測(cè)化合物對(duì)紅外光的吸收，反映分子中官能團(tuán)的特征振動(dòng)信息，是有機(jī)化學(xué)、材料科學(xué)、藥物分析等領(lǐng)域結(jié)構(gòu)鑒定的“黃金手段”。相較于質(zhì)譜、核磁等技術(shù)，紅外光譜具有操作簡(jiǎn)便、樣品用量少、成本低等優(yōu)勢(shì)，尤其適用于官能團(tuán)的快速識(shí)別。本實(shí)驗(yàn)以“有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)解析”為核心，通過(guò)傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）的操作實(shí)踐，結(jié)合KBr壓片法、液膜法、ATR法三種經(jīng)典采樣技術(shù)，幫助學(xué)習(xí)者掌握紅外光譜的基本原理與譜圖解析邏輯，提升對(duì)分子結(jié)構(gòu)的認(rèn)知能力。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握FT-IR光譜儀的基本操作流程（開(kāi)機(jī)、參數(shù)設(shè)置、掃描、數(shù)據(jù)保存）；2.熟練掌握紅外樣品的制備方法（固體KBr壓片、液體液膜、ATR衰減全反射）；3.理解紅外光譜的核心原理（分子振動(dòng)類(lèi)型、特征吸收峰、官能團(tuán)區(qū)與指紋區(qū)劃分）；4.能夠解析簡(jiǎn)單有機(jī)化合物的紅外譜圖，識(shí)別主要官能團(tuán)（如-OH、-COOH、C=O、苯環(huán)等）；5.學(xué)會(huì)對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)譜圖驗(yàn)證結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治鏊季S。三、實(shí)驗(yàn)原理（一）分子振動(dòng)與紅外吸收紅外光的能量（\(E=h\nu\)）與分子振動(dòng)能級(jí)的躍遷（\(\DeltaE\)）匹配時(shí)，分子會(huì)吸收紅外光，發(fā)生伸縮振動(dòng)（鍵長(zhǎng)變化，如C-H、O-H的伸縮）或彎曲振動(dòng)（鍵角變化，如C-H的面內(nèi)/面外彎曲）。紅外選律：只有當(dāng)分子的偶極矩發(fā)生變化時(shí)，振動(dòng)才能被檢測(cè)到。例如，CO?的對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)（\(O=C=O\)）偶極矩不變，無(wú)紅外吸收；而不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)（\(O=C=O\)）偶極矩變化，有紅外吸收。（二）譜圖分區(qū)與特征吸收紅外譜圖（波數(shù)\(\tilde{\nu}\)vs吸光度\(A\)）通常分為兩個(gè)區(qū)域：1.官能團(tuán)區(qū)（____cm?1）：包含分子中主要官能團(tuán)的特征吸收峰，是解析譜圖的關(guān)鍵區(qū)域。常見(jiàn)官能團(tuán)的特征波數(shù)如下：O-H伸縮：____cm?1（締合態(tài)為寬峰，如羧酸；游離態(tài)為尖峰，如醇）；C=O伸縮：____cm?1（羧酸~1700cm?1，酯~1740cm?1，酮~1715cm?1，醛~1725cm?1）；不飽和C-H伸縮（苯環(huán)、雙鍵）：3000cm?1以上（如苯環(huán)C-H~3050cm?1，雙鍵C-H~3010cm?1）；飽和C-H伸縮（烷烴）：3000cm?1以下（如CH?~2960cm?1，CH?~2920cm?1）。2.指紋區(qū)（____cm?1）：包含分子的骨架振動(dòng)與取代基細(xì)節(jié)，如苯環(huán)取代位置、C-O-C、C-Cl等，是確認(rèn)化合物結(jié)構(gòu)的“指紋”。例如：?jiǎn)稳〈矫嫱釩-H彎曲：750cm?1（強(qiáng)，單峰）、700cm?1（強(qiáng)，單峰）；對(duì)位取代苯面外C-H彎曲：____cm?1（強(qiáng)，單峰）；酯類(lèi)C-O-C伸縮：____cm?1（強(qiáng)）。（三）采樣方法選擇不同狀態(tài)的樣品需采用不同的采樣方法，核心原則是減少干擾、提高信噪比：樣品狀態(tài)采樣方法優(yōu)點(diǎn)適用范圍固體KBr壓片法譜圖清晰、無(wú)溶劑干擾易研磨的固體（如苯甲酸）液體液膜法操作簡(jiǎn)便純液體（如乙醇、丙酮）固體/液體/膏狀A(yù)TR法（衰減全反射）無(wú)需預(yù)處理、樣品用量少難溶、易潮解、珍貴樣品四、儀器與試劑（一）儀器傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR，如ThermoNicoletiS50）；ATR附件（ZnSe晶體）；壓片機(jī)（10-20MPa）；瑪瑙研缽（避免引入雜質(zhì)）；鹽片（NaCl/KBr，用于液膜法）；鑷子、紅外燈（干燥樣品）；鏡頭紙（擦拭晶體/鹽片）。（二）試劑光譜純KBr（120℃干燥2小時(shí)，去除水分）；待分析樣品：苯甲酸（固體）、乙醇（液體）、聚乙烯（固體）；無(wú)水乙醇（清洗鹽片）；干燥劑（硅膠，置于樣品室防潮）。五、實(shí)驗(yàn)步驟（一）樣品制備1.KBr壓片法（固體樣品：苯甲酸）（1）稱(chēng)量與研磨：取約1mg苯甲酸（樣品量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致峰飽和）置于瑪瑙研缽中，加入約200mg干燥的KBr（比例1:100-1:200），研磨5-10分鐘，直至顆粒小于2μm（無(wú)明顯顆粒感，避免散射）。（2）壓片：將研磨好的混合物倒入壓片模具（直徑13mm）中，鋪平后置于壓片機(jī)上，緩慢加壓至15MPa，保持2分鐘，制成透明薄片（若不透明，需重新研磨）。（3）裝樣：用鑷子取出薄片，放入樣品架，備用。2.液膜法（液體樣品：乙醇）（1）清潔鹽片：用無(wú)水乙醇浸泡鹽片（NaCl）1分鐘，取出后用鏡頭紙擦拭干凈，紅外燈烘干（避免殘留水分）。（2）涂樣：取1-2滴乙醇滴在一片鹽片上，蓋上另一片鹽片，輕輕旋轉(zhuǎn)使樣品均勻分布，形成薄液膜（太厚會(huì)導(dǎo)致峰形變形）。（3）固定：將鹽片固定在樣品架上，備用。3.ATR法（固體/液體樣品：聚乙烯）（1）清潔晶體：打開(kāi)ATR附件，用鏡頭紙擦拭ZnSe晶體表面（避免指紋、灰塵）。（2）放樣：取少量聚乙烯樣品（約1mg）置于晶體表面，輕輕按壓樣品架，使樣品與晶體緊密接觸（避免空隙導(dǎo)致信號(hào)弱）。（3）關(guān)閉艙門(mén)：確認(rèn)樣品固定后，關(guān)閉ATR艙門(mén)，備用。（二）儀器操作（以ThermoNicoletiS50為例）1.開(kāi)機(jī)預(yù)熱：打開(kāi)儀器電源，預(yù)熱30分鐘（確保光學(xué)元件穩(wěn)定，減少基線漂移）。2.軟件設(shè)置：?jiǎn)?dòng)OMNIC軟件，設(shè)置掃描參數(shù)：掃描范圍：____cm?1（覆蓋官能團(tuán)區(qū)與指紋區(qū)）；分辨率：4cm?1（常規(guī)分析的最佳選擇，兼顧分辨率與信噪比）；掃描次數(shù)：32次（次數(shù)越多，噪音越小，通常16-64次）；背景扣除：選擇“自動(dòng)扣除背景”（消除空氣中水、CO?的干擾）。3.背景掃描：將空樣品架（或空鹽片）放入樣品室，點(diǎn)擊“Background”（背景掃描），保存背景數(shù)據(jù)。4.樣品掃描：將制備好的樣品放入樣品室，點(diǎn)擊“Sample”（樣品掃描），采集譜圖（約1分鐘）。5.數(shù)據(jù)保存：掃描完成后，將譜圖保存為.spc格式（可編輯），并標(biāo)注樣品名稱(chēng)（如“苯甲酸_KBr壓片”）。（三）譜圖解析譜圖解析需遵循“先官能團(tuán)區(qū)，后指紋區(qū)；先強(qiáng)峰，后弱峰”的邏輯，具體步驟如下：1.預(yù)處理：使用軟件進(jìn)行基線校正（去除基線漂移）和平滑處理（減少噪音，如“Savitzky-Golay”平滑）。2.峰位標(biāo)注：標(biāo)注主要吸收峰的波數(shù)（如苯甲酸的____cm?1、1700cm?1、750cm?1）。3.官能團(tuán)識(shí)別：高頻區(qū)（____cm?1）：____cm?1寬峰→締合O-H（羧酸的-OH因氫鍵締合，峰形寬）；3050cm?1弱峰→苯環(huán)C-H（不飽和C-H，波數(shù)>3000cm?1）。中高頻區(qū)（____cm?1）：1700cm?1強(qiáng)峰→羧酸C=O（締合態(tài)，波數(shù)低于酮的1715cm?1）；1600、1580cm?1→苯環(huán)C=C（芳環(huán)的特征振動(dòng)，通常有2-3個(gè)峰）。指紋區(qū)（____cm?1）：1250cm?1強(qiáng)峰→羧酸C-O（C-O伸縮振動(dòng)）；750cm?1強(qiáng)峰→單取代苯面外C-H（單取代苯的特征峰）。4.結(jié)構(gòu)確認(rèn)：結(jié)合所有官能團(tuán)信息，推斷化合物結(jié)構(gòu)（如苯甲酸），并與標(biāo)準(zhǔn)譜圖（如NIST譜庫(kù)）對(duì)比驗(yàn)證（相似度≥90%可確認(rèn)）。六、數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析以苯甲酸為例，整理譜圖數(shù)據(jù)如下（表1），并得出結(jié)論：表1苯甲酸紅外譜圖數(shù)據(jù)波數(shù)（cm?1）吸收強(qiáng)度振動(dòng)類(lèi)型對(duì)應(yīng)官能團(tuán)____強(qiáng)（寬）O-H伸縮（締合）羧酸-OH3050弱C-H伸縮（苯環(huán)）苯環(huán)1700強(qiáng)C=O伸縮羧酸-C=O1600、1580中C=C伸縮（苯環(huán)）苯環(huán)1250強(qiáng)C-O伸縮羧酸-C-O750強(qiáng)C-H彎曲（面外，單取代）單取代苯結(jié)論：樣品分子中含有羧酸官能團(tuán)（-COOH）和單取代苯環(huán)，與苯甲酸的結(jié)構(gòu)完全一致。七、注意事項(xiàng)（一）樣品制備1.KBr需充分干燥（120℃，2小時(shí)），避免吸水導(dǎo)致譜圖出現(xiàn)1640cm?1（水的H-O-H彎曲）雜峰；2.研磨時(shí)需用瑪瑙研缽（避免金屬離子干擾），顆粒需小于2μm（否則散射會(huì)導(dǎo)致基線上升）；3.液膜法樣品需薄而均勻（太厚會(huì)導(dǎo)致峰形分裂，如乙醇的O-H峰）；4.ATR法樣品需與晶體緊密接觸（空隙會(huì)導(dǎo)致信號(hào)弱，可適當(dāng)增加壓力）。（二）儀器操作1.儀器需預(yù)熱30分鐘以上（否則基線漂移嚴(yán)重）；2.樣品室需保持干燥（可放硅膠干燥劑），避免濕度>60%（水的吸收會(huì)干擾譜圖）；3.不要頻繁開(kāi)關(guān)儀器（光學(xué)元件易受潮，影響壽命）；4.掃描前需扣除背景（消除空氣中水、CO?的干擾，背景掃描后不要移動(dòng)樣品室）。（三）譜圖解析1.不要孤立解讀單個(gè)峰（如1700cm?1的C=O峰，需結(jié)合____cm?1的O-H峰判斷是否為羧酸）；2.注意官能團(tuán)的相互影響（如苯環(huán)與C=O共軛，會(huì)使C=O峰紅移至1680cm?1左右）；3.指紋區(qū)的峰需與標(biāo)準(zhǔn)譜圖對(duì)比（如單取代苯的750cm?1峰，需確認(rèn)是否有700cm?1的伴隨峰）。八、常見(jiàn)問(wèn)題及解決方法問(wèn)題原因解決方法譜圖出現(xiàn)1640cm?1雜峰樣品/KBr吸水重新干燥樣品/KBr（120℃，2小時(shí)）峰強(qiáng)度弱樣品量太少/壓片太松增加樣品量（1-2mg）/加大壓片壓力（15-20MPa）基線漂移儀器未預(yù)熱/環(huán)境濕度大延長(zhǎng)預(yù)熱時(shí)間（>30分鐘）/開(kāi)啟除濕機(jī)譜圖有噪音掃描次數(shù)太少增加掃描次數(shù)（32次→64次）峰形變形（如C=O峰分裂）液膜太厚/樣品不均勻減少樣品量（1滴）/重新研磨均勻ATR法信號(hào)弱樣品與晶體接觸不良增加樣品壓力/更換平整樣品九、思考題1.為什么KBr壓片法需要使用光譜純KBr？（提示：普通KBr含雜質(zhì)，會(huì)產(chǎn)生雜峰）2.共軛效應(yīng)（如苯環(huán)與C=O共軛）會(huì)使C=O峰紅移（波數(shù)降低），試解釋其原因。（提示：共軛使C=O的鍵級(jí)降低，振動(dòng)頻率降低）3.ATR法與KBr壓片法相比，有哪些優(yōu)點(diǎn)？（提示：無(wú)需預(yù)處理、樣品用量少、適用于難溶樣品）4.如何通過(guò)紅外譜圖判斷苯環(huán)的取代位置（單取代、鄰位、對(duì)位）？（提示：面外C-H彎曲峰的位置與數(shù)目）十、參考文獻(xiàn)1.王宗明,何欣翔,孫殿卿.紅外光譜法在有機(jī)化學(xué)中的應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,1987.（經(jīng)典教材，詳細(xì)講解紅外原理與