![红外光谱在微量物证分析中的应用(第二版)](https://wfqqreader-1252317822.image.myqcloud.com/cover/379/29976379/b_29976379.jpg)
4.1 碳氢基团的振动频率
烃的C−H伸缩振动频率高、强度大,特征明显。以3000 cm−1为界,饱和烃的C−H伸缩振动频率低于3000 cm−1,不饱和烃的C−H伸缩振动频率高于3000 cm−1。这是由于:饱和烃的C−H键是由碳原子的sp3杂化轨道与氢原子的1s轨道交盖而成的型σ键;不饱和烃的C−H键是由碳原子的sp2杂化轨道或sp杂化轨道与氢原子的1s轨道交盖而成的
型σ键或Csp−Hs型σ键。在sp杂化轨道中s轨道占1/2,p轨道占1/2;在sp2杂化轨道中s轨道占1/3,p轨道占2/3;在sp3杂化轨道中s轨道占1/4,p轨道占3/4。s轨道所占比例越大,电子云交盖程度越大,键力常数越大,伸缩振动频率越高。所以Csp−Hs型σ键或
型σ键的键力常数一定比
型σ键的键力常数大。因此,不饱和烃的C−H伸缩振动频率高于饱和烃的C−H伸缩振动频率。
张力大的小环烃、多卤化烃的C−H伸缩振动峰也位于3000 cm−1以上。见图3.18。
图4.1为聚苯乙烯()的红外光谱。低于3000 cm−1的2923 cm−1、2850 cm−1为饱和结构的CH2的反对称和对称伸缩振动频率;高于3000 cm−1的3082 cm−1、3060 cm−1、3027 cm−1、3002 cm−1为苯环上=C−H的伸缩振动频率。
![4d1](https://epubservercos.yuewen.com/E24AF4/16499781904719106/epubprivate/OEBPS/Images/file102.png?sign=1738861719-DCVtUQI7OzD9io9qKXAHTuLaa1knFUKn-0-d86f505136fc270ff679bc36c328f8ad)
图4.1 聚苯乙烯的红外光谱
4.1.1 CH3的振动频率
4.1.1.1 CH3的伸缩振动频率
(1)饱和直链烷烃CH3的反对称伸缩振动位于(2962±10) cm−1, 对称伸缩振动位于(2872±10) cm−1。如聚丙烯中CH3的反对称伸缩振动位于2952 cm−1,对称伸缩振动位于2878 cm−1,见图4.2。
![4d2](https://epubservercos.yuewen.com/E24AF4/16499781904719106/epubprivate/OEBPS/Images/file103.png?sign=1738861719-nNPReCdaOgBW0wnZyFot9UmCx4lbXF8M-0-1601094bc8efb84af70136f2dfa93acb)
图4.2 聚丙烯的红外光谱
在本书以后的章节,把“饱和直链烷烃CH3的反对称伸缩振动位于2962 cm−1,对称伸缩振动位于2872 cm−1”称作其“常值”。
(2)甲氧基、氮甲基的伸缩振动 与氧、氮原子相连的甲基,3个C−H键中有1个与O或N原子的孤电子对处于反式位置,这个C−H σ键会与孤电子对的p电子形成σ-p超共轭,使之与另外2个没有处在反式位置的C−H键不同。反对称伸缩振动频率略低于正常位置,对称伸缩振动频率则明显降低,可达100 cm−1。O−CH3对称伸缩振动频率降至2850~2810 cm−1,脂肪族N−CH3对称伸缩降至2820~2760 cm−1,芳香族N−CH3对称伸缩降至2820~2810 cm−1,脂肪族或非芳香杂环上的N−CH3振动频率降至2805~2780 cm−1。N−CH3的对称变角振动频率升至1460~1430 cm−1。O−CH3或N−CH3的另外2个C−H的伸缩振动频率仍处“常值”,3个C−H键的伸缩振动吸收往往重叠在一起,看起来好像没有降低那么多。与对称伸缩振动频率降低相对应,对称变角振动频率升高。可参看甲醇的红外光谱。
一个含氮化合物,如果在3400~3200 cm−1没有吸收,而在2850~2710 cm−1有中等强度的吸收,可猜想其有叔胺结构。
醛基C−H的伸缩振动与其变角振动(1380 cm−1)倍频的Fermi共振双峰出现在2820~2700 cm−1,脂肪族叔胺在2850~2700 cm−1有叔胺结构的特征谱带。要注意三者的区别。
图4.3为甲氧基的结构式。图4.4为甲醇(CH3OH)的红外光谱,CH3反对称伸缩振动频率位于2950 cm−1[降低2962−2950= 12(cm−1)],对称伸缩振动频率位于2837 cm−1[降低2872−2837= 35(cm−1)]。与O−CH3对称伸缩振动频率降低相对应,O−CH3对称变角振动频率升高至1422 cm−1。
![](https://epubservercos.yuewen.com/E24AF4/16499781904719106/epubprivate/OEBPS/Images/file104.png?sign=1738861719-T3UxGAB5tTEmN5uIvNFKNu2JzD8N1ox2-0-dca4da6c10d4c7304d62e73813f7dab9)
图4.3 甲氧基的结构式
![4d4](https://epubservercos.yuewen.com/E24AF4/16499781904719106/epubprivate/OEBPS/Images/file105.png?sign=1738861719-jFrOFTKJhyfvVkxlenzJjjLgTLSRorpA-0-643c48296a2cec43acabab2ec8666bda)
图4.4 甲醇的红外光谱
其机理可做以下解释:氧原子进行sp3杂化,形成4个sp3杂化轨道,其中2个sp3杂化轨道各被1个孤电子对占据,是非成键轨道;剩余的2个sp3杂化轨道各被1个电子占据,是成键轨道。
当碳原子和氧原子以适当方式接近时,各用1个sp3杂化轨道相互交盖,生成1个−
型σ键;碳原子剩余的3个sp3杂化轨道各与1个氢原子的1s轨道交盖,生成3个
−Hs型σ键,这就是甲基 −CH3;氧原子剩余的1个sp3杂化成键轨道与氢原子的1s轨道交盖,生成1个
−Hs型σ键,这就是羟基 −OH,见图4.5和图4.6。
![4d6](https://epubservercos.yuewen.com/E24AF4/16499781904719106/epubprivate/OEBPS/Images/file106.png?sign=1738861719-thkJzgKOCfiN8QkI35zviQb5mrWmfJnW-0-8a18258a34b9729a690e5403d3ca9289)
图4.5 甲醇的空间结构示意图
![4d6](https://epubservercos.yuewen.com/E24AF4/16499781904719106/epubprivate/OEBPS/Images/file107.png?sign=1738861719-GlSHEYcLHbXkQtVf4VfMiGMHasm43S8B-0-9dea978e73dd3df0b4cdba1335091f01)
图4.6 甲醇的结构式
CH3中的−Hs键,由于碳原子的电负性大于氢原子,而使C原子带部分负电荷(δ−),H原子带部分正电荷(δ+)。3个
−Hs键互相排斥,其中与氧原子孤电子对处于反式的
−Hs键,σ电子偏离原来的轨道靠向孤电子对,使
型σ轨道与孤电子对所在的p轨道产生部分交盖,生成σ-p超共轭。
σ-p超共轭使4个电子(C原子1个、H原子1个、O原子1个)分布在3个原子(C、H、O)周围,产生键的离域。离域的结果,相当于O原子的孤电子对向C原子供电,增加了C的电子云密度(图4.5、图4.6),C的电负性降低,C−H的键力常数降低,C−H伸缩振动频率降低。
(3)若CH3与羰基直接相连:①CH3反对称伸缩振动频率和对称伸缩振动频率均升高;②伸缩振动峰强度降低4倍;③反对称变角振动频率降至1460~1400 cm−1;④对称变角振动频率降至1370~1350 cm−1,强度增大13倍,超过反对称变角振动峰强度。
图4.7为丙酮的红外光谱,CH3的反对称伸缩振动频率升至3004 cm−1,对称伸缩振动频率升至2925 cm−1,强度明显缩小;反对称变角振动频率降至1419 cm−1,对称变角振动频率降至1357 cm−1,强度远超反对称变角振动峰强度。
![4d7](https://epubservercos.yuewen.com/E24AF4/16499781904719106/epubprivate/OEBPS/Images/file108.png?sign=1738861719-ybLvKBZ4UAqSfWg8CcBxNu1WQ4pJQFxa-0-f1d10f59b395b0d1e60137c2362827ca)
图4.7 丙酮的红外光谱
其机理可解释如下:丙酮分子的甲基和羰基既存在诱导效应也存在σ-π超共轭效应。σ-π超共轭效应使Cα−H键的键力常数增大,伸缩振动频率升高。
羰基是吸电子基,其诱导效应使Cα−H键的电子云趋向碳原子,更偏离Cα−H键的几何中心,键力常数减小,伸缩振动频率降低。
丙酮分子的σ-π超共轭效应大于羰基的诱导效应,所以其伸缩振动频率升高,见图4.8。
![4d8](https://epubservercos.yuewen.com/E24AF4/16499781904719106/epubprivate/OEBPS/Images/file109.png?sign=1738861719-LOcGreUZNHDJz5NFrtFEV8Xah3yPjetR-0-f7a8867b3c339b60228f86460c2a69b2)
图4.8 丙酮的诱导效应
(4)若CH3与氧原子或氯原子间接(相隔一个原子)相连,反对称伸缩振动频率和对称伸缩振动频率均升高。图4.9为乙醇的结构式。图4.10为乙醇的红外光谱,CH3的反对称伸缩振动和对称伸缩振动频率分别升高至2974 cm−1和2886 cm−1。
![4d9](https://epubservercos.yuewen.com/E24AF4/16499781904719106/epubprivate/OEBPS/Images/file110.png?sign=1738861719-EJ7NU7uPjbRMszVIRIwlfJrfbW1DPof0-0-d83d3ee1b3e60e676a1d3d06b096a253)
图4.9 乙醇的结构式
![4d10](https://epubservercos.yuewen.com/E24AF4/16499781904719106/epubprivate/OEBPS/Images/file111.png?sign=1738861719-MRcUy9MZCk210NSdQ9kGU6Mfz1Hv7joQ-0-8c60a10b414044c6857dee64c1b50053)
图4.10 乙醇的红外光谱
其机理可做如下解释:氧原子是强吸电子基,氧原子的诱导效应使Cβ−Cα间的电子云向氧原子移动,Cα原子带部分负电荷,Cβ原子带部分正电荷。Cβ原子电负性增大,使Cβ−H键的键力常数增大,Cβ−H伸缩振动频率升高。
(5)若CH3与苯环(或不饱和双键)相连,反对称伸缩振动和对称伸缩振动频率均降低。
CAr−CH3的反对称伸缩振动位于2930~2920 cm−1,对称伸缩振动位于2870~2860 cm−1。的反对称伸缩振动位于2960 cm−1,对称伸缩振动位于2870 cm−1。
图4.11为安眠酮的结构式,一个CH3与苯环相连,一个与双键相连。图4.12为安眠酮的红外光谱,CH3的反对称伸缩振动和对称伸缩振动频率分别位于2923 cm−1和2855 cm−1,低于其“常值”。“7.7.3 甲苯的红外光谱”中CAr−CH3的反对称伸缩振动位于2922 cm−1,对称伸缩振动位于2875 cm−1。这是诱导效应和σ-π超共轭效应共同作用的结果。
![4d11](https://epubservercos.yuewen.com/E24AF4/16499781904719106/epubprivate/OEBPS/Images/file112.png?sign=1738861719-0FuvMfU2RR9BVseomKx5DbSDiGA8RJTE-0-f9b80133f4f7cd4f9bd31156ed60e216)
图4.11 安眠酮的结构式
![4d12](https://epubservercos.yuewen.com/E24AF4/16499781904719106/epubprivate/OEBPS/Images/file113.png?sign=1738861719-qgHwK3bF9s2hEoQhbPBy2BWm8ymao2Zm-0-88c5e46b2cd7292f73814c1c810fb601)
图4.12 安眠酮的红外光谱
诱导效应的影响:安眠酮CH3与苯环相连,甲基是由碳原子sp3杂化轨道与氢原子的1s轨道交盖而成,甲基碳原子sp3杂化轨道与苯环碳原子sp2杂化轨道交盖成 σ键。sp2杂化轨道中s成分占1/3,p成分占2/3;sp3杂化轨道中s成分占1/4,p成分占3/4。sp2杂化轨道中s成分比sp3杂化轨道中大1/12,sp2的电负性大于sp3的电负性(电负性:sp> sp2>sp3)。使得甲基C−H间的电子云更靠近碳原子,更偏离键的几何中心。C−H间的电子云交盖程度降低,键力常数降低,CH3伸缩振动频率降低。
σ-π超共轭效应的影响:σ-π超共轭效应使C−H电子云密度增大,键长略有缩短,键力常数增大,具有部分双键性质,伸缩振动频率升高。
与双键相连的甲基的伸缩振动可做同样的解释,只是双键的诱导效应比苯环小,与双键相连的甲基的反对称伸缩振动频率位于2960 cm−1。
安眠酮的诱导效应大于σ-π超共轭效应,所以其反对称和对称伸缩振动频率均降低。
4.1.1.2 CH3的变角振动频率
(1)烷烃中C−CH3的不对称变角振动频率位于(1460±5) cm−1,对称变角振动频率位于(1375±5) cm−1(如聚丙烯的红外光谱)。本书以后的章节把上述频率称作CH3变角振动频率的“常值”。一般情况下,1460 cm−1的强度大于1375 cm−1的强度(如聚丙烯的红外光谱),分叉多的烷基情况相反。
CH3的对称变角振动频率很少受其他基团的干扰,是确定分子中存在CH3基团的最重要依据。
(2)直链烃中Cn−CH3的对称变角振动频率与碳链中碳数n有关,n为偶数,δs,Cn−CH3=1368~1365 cm−1;n为奇数,δs,Cn−CH3=1376~1373 cm−1,偶低奇高。
(3)当CH3与羰基相连(如 、
、
),CH3的反对称变角振动频率和对称变角振动频率均降低,强度增大。如图4.13所示,丙酮(
)的红外光谱中,CH3的反对称变角振动频率位于1419 cm−1、对称变角振动频率位于1357 cm−1,强度增大。这是羰基与甲基诱导效应和σ-p超共轭效应共同作用的结果。
![4d13](https://epubservercos.yuewen.com/E24AF4/16499781904719106/epubprivate/OEBPS/Images/file118.png?sign=1738861719-2lAANkaI7OI1KKZdzdtrBfvJgQZAFuPm-0-bf35751745cb8d46fc0e335809c75730)
图4.13 丙酮(A)和聚丙烯(B)的红外光谱比较
通常,若分子中CH3的反对称伸缩振动频率和对称伸缩振动频率升高,则其反对称变角振动频率和对称变角振动频率降低;若分子中CH3的反对称伸缩振动频率和对称伸缩振动频率降低,则其反对称变角振动频率和对称变角振动频率升高。
其机理可这样解释:根据式(3.3),,伸缩振动频率高低正相关于成键原子对的键力常数k,而负相关于折合质量,即振动频率随键力常数的增大而升高,随成键原子质量的增大而降低。C−H的键力常数取决于碳原子s轨道和p轨道杂化程度。C−H键中s轨道所占比例越大,键长越短、键力常数越大、CH3的伸缩振动频率越高。
伸缩振动和变角振动的方向性不同,伸缩振动频率升降与变角振动频率升降所需能量大小相反。s轨道呈球形 [],方向性弱;p轨道呈哑铃形 [
],方向性强。C−H键中p轨道所占比例大,发生不改变方向的伸缩振动较易,所需能量低,频率低;相反,C−H键中p轨道所占比例大,发生改变方向的变角振动较难,所需能量高,频率高。
CH3的伸缩振动频率升高,说明C−H键中s轨道比例增多,产生改变方向的变角振动变得容易,所需能量降低,CH3的变角振动频率降低。
以上规律也有例外,若甲基与氮正离子(N+)相连,CH3的反对称和对称伸缩振动、反对称和对称变角振动频率都升高。如甲基麻黄碱盐酸盐的N+−CH3的反对称和对称伸缩振动、反对称和对称变角振动频率分别升至2969 cm−1、2881 cm−1、1483 cm−1、1392 cm−1(见盐酸甲基麻黄素的红外光谱)。
(4)若2个或3个CH3连接在同一个碳原子上,CH3之间的偶合作用使其对称变角振动峰分裂为2个。C−CH3变角振动峰是否分裂取决于其C−H键的夹角大小。夹角不变小,不分裂。夹角变小,则分裂。夹角越小,分裂成的2个峰相距越远。直键烷烃和双键上的甲基不分裂。偕二甲基()和异丙基(
)的2个甲基有位阻效应,甲基的3个C−H键夹角比直键烷烃和双键上的甲基的3个C−H键夹角小,CH3对称变角振动峰分裂为2个,分别位于1390~1380 cm−1和1372~1365 cm−1,强度相近。叔丁基(
)的CH3受位阻影响更大,夹角更小,CH3的对称变角振动峰分裂成的2个峰间距更大,分别位于1395 cm−1和1365 cm−1,2个峰中前者强度较小,后者强度约是前者的2倍。
不仅甲基对称变角振动频率受影响,骨架振动频率也受影响。支链烷烃C−C骨架振动频率位于1270~1150 cm−1。偕二甲基()骨架振动频率为1170 cm−1、1150 cm−1;异丙基(
)骨架振动频率为1215 cm−1、1195(1170) cm−1;叔丁基(
)骨架振动频率为1270 cm−1、1250~1200 cm−1及930~925 cm−1。
图4.14为双酚A的结构式,图4.15为双酚A的红外光谱,其CH3的对称变角振动频率为1387 cm−1和1364 cm−1。骨架振动频率为1221 cm−1、1176 cm−1,因为连接的是对羟基苯,−OH的面内弯曲振动(1800~1250 cm−1)、=CH的面内弯曲振动(1225~950 cm−1)出现在相近区域,所以骨架振动频率偏差稍大。
![4d14](https://epubservercos.yuewen.com/E24AF4/16499781904719106/epubprivate/OEBPS/Images/file124.png?sign=1738861719-H32XA6VNydmCyMhsvvy6SUM9iGFOuTVp-0-bf8d2a106a58ddd364938bbdc106f821)
图4.14 双酚A的结构式
![4d15](https://epubservercos.yuewen.com/E24AF4/16499781904719106/epubprivate/OEBPS/Images/file125.png?sign=1738861719-NKsFGURN0huQDISDXSDAzQ9h4vA1MGcb-0-3310ce5c0cee29435dc23d4bc8553057)
图4.15 双酚A的红外光谱
(5)CH3连接的同族或同周期原子的电负性越强,CH3的对称变角振动频率越高。
图4.16为聚丙烯(有C−CH3结构)、聚二甲基硅氧烷(有Si−CH3结构)的结构式,图4.17为聚丙烯、聚二甲基硅氧烷的红外光谱。C的电负性(2.25)大于Si的电负性(2.1)。聚丙烯分子中C−CH3的对称变角振动频率为1377 cm−1,聚二甲基硅氧烷分子中Si−CH3的对称变角振动频率为1261 cm−1。
![4d16](https://epubservercos.yuewen.com/E24AF4/16499781904719106/epubprivate/OEBPS/Images/file126.png?sign=1738861719-nZrJNptuMkTOLBaZrzg3ZrXDoZUnPXTV-0-72798f2b701b70f144f78236a9af3fba)
图4.16 聚丙烯和聚二甲基硅氧烷的结构式
![4d17](https://epubservercos.yuewen.com/E24AF4/16499781904719106/epubprivate/OEBPS/Images/file127.png?sign=1738861719-eTCwEb9xzlK0QcbDp61n2WE4D5KKJU9V-0-e12cd25ba194928cb89e7695f9833a78)
图4.17 聚丙烯(A)和聚二甲基硅氧烷(B)的红外光谱
表4.1列出杂原子对CH3对称变角振动频率的影响。
表4.1 X−CH3对称变角振动频率
![](https://epubservercos.yuewen.com/E24AF4/16499781904719106/epubprivate/OEBPS/Images/b4-1.jpg?sign=1738861719-ehno02thdDGYa9DooJAq4IoWUgdkQYZR-0-9008b62c9fcd040dac4eed20fa576615)
4.1.1.3 CH3的摇摆振动频率
CH3的摇摆振动频率在1120~900 cm−1,位于指纹区而且很弱,指认困难,实用价值不大。但有些化合物中此区域没有其他基团的吸收,CH3的摇摆振动较明显。图4.18为α-氰基丙烯酸乙酯(502黏合剂)的结构式,图4.19为其红外光谱。CH3与羧基连接于同一个碳原子,位于1112 cm−1的摇摆振动频率升高,强度增大。
![4d18](https://epubservercos.yuewen.com/E24AF4/16499781904719106/epubprivate/OEBPS/Images/file128.png?sign=1738861719-CdTpwbRglfrXFyBGhOLKtwTJ1eadCgfm-0-ff6fcc8013824ea1896c7a1c76710dd6)
图4.18 α-氰基丙烯酸乙酯的结构式
![4d19](https://epubservercos.yuewen.com/E24AF4/16499781904719106/epubprivate/OEBPS/Images/file129.png?sign=1738861719-S0lAf6l5jYTEVYtYe5cqUYI3HoTGnBrx-0-4bc5f03447b72c12509ea32d60a455b4)
图4.19 α-氰基丙烯酸乙酯的红外光谱
当CH3与羰基直接相连或2个甲基连接于同1个碳原子时,摇摆振动有时出现2个吸收峰,如丙酮的红外光谱中CH3的摇摆振动出现2个谱带,分别位于1092 cm−1、901 cm−1。也可以参阅“聚异丁烯的红外光谱”,CH3的摇摆振动出现2个谱带,分别位于950 cm−1、923 cm−1。
4.1.2 CH2的振动频率
4.1.2.1 饱和烃CH2的伸缩振动频率
(1)饱和烃CH2的反对称伸缩振动频率位于(2923±5) cm−1,对称伸缩振动频率位于(2853±5) cm−1。如聚乙烯 的反对称伸缩振动频率为2919 cm−1,对称伸缩振动频率为2852 cm−1,见图4.20。
![4d20](https://epubservercos.yuewen.com/E24AF4/16499781904719106/epubprivate/OEBPS/Images/file131.png?sign=1738861719-0f9Q8kRtbYjZ8VI7bsmGWgcVy5Loazry-0-78c6eca5ac324d73d6acd458eb7da8ac)
图4.20 聚乙烯的红外光谱
本书在后续章节把上述频率称为CH2伸缩振动频率的“常值”。
(2)若CH2与强吸电子原子(O、Cl等)相连,CH2的反对称和对称伸缩振动频率升高。
图4.21为苯氧基乙醇()的红外光谱,CH2的反对称伸缩振动和对称伸缩振动频率分别为2938 cm−1和2879 cm−1。
![4d21](https://epubservercos.yuewen.com/E24AF4/16499781904719106/epubprivate/OEBPS/Images/file133.png?sign=1738861719-gZHrI5YC0Xm7j9RUZlYMNKwcDkb79yYN-0-627bbf6ffe01131e9aa61cd361775dee)
图4.21 苯氧基乙醇的红外光谱
图4.22为甘油()的红外光谱,CH2的反对称伸缩振动和对称伸缩振动频率分别为2937 cm−1和2883 cm−1。
![4D22](https://epubservercos.yuewen.com/E24AF4/16499781904719106/epubprivate/OEBPS/Images/file135.png?sign=1738861719-eN734IkLyQEe6L5Cn2XaXL69RX046lNY-0-1ab4d0b08f59a4313568b774bb1a1d81)
图4.22 甘油的红外光谱
其机理可这样理解:CH2与强吸电子原子相连,决定其伸缩振动频率升降的主要因素是吸电子诱导效应。原子的强吸电子性使与之相连的C原子电子云密度降低,电负性增强,C−H键的键力常数减小,C−H伸缩振动频率降低。
4.1.2.2 烯烃CH2的伸缩振动频率
烯烃双键上CH2的反对称伸缩振动频率位于3095~3070 cm−1,对称伸缩振动频率稍低于3000 cm−1。图4.23为1,2-聚丁二烯的结构式,图4.24为其红外光谱。双键上CH2的反对称伸缩振动频率位于3074 cm−1,对称伸缩振动频率频率位于2974 cm−1。
![4D23](https://epubservercos.yuewen.com/E24AF4/16499781904719106/epubprivate/OEBPS/Images/file136.png?sign=1738861719-pUknnF20HPO7xuziPkBReZFYGnmzsKgk-0-194747d130c2aa959b54f2d3b47d66f8)
图4.23 1,2-聚丁二烯的结构式
![4D24](https://epubservercos.yuewen.com/E24AF4/16499781904719106/epubprivate/OEBPS/Images/file137.png?sign=1738861719-s2Ieg4Xb93psVZn8bW1qWLdcPdgqdgcQ-0-d87b8dfc2133e43e0bf726846fb13426)
图4.24 1,2-聚丁二烯的红外光谱
烯烃双键上CH2的反对称伸缩振动频率和对称伸缩振动频率比烷烃高的原因有2个:
(1)C=C的碳原子是sp2杂化, C−C的碳原子是sp3杂化。sp2杂化轨道中s轨道占1/3,sp3杂化轨道中s轨道占1/4,sp2杂化轨道比sp3杂化轨道交盖程度大,所以Csp2−H键的键力常数(5.1)比Csp3−H键的键力常数(4.7~5.1)大。
(2)C−H键和C=C相连,Cα−H键与双键的π电子云相互交盖,形成σ-π超共轭体系,σ-π超共轭效应使C−H电子云密度增大,键长略有缩短,键力常数增大,具有部分双键性质。
4.1.2.3 饱和烃CH2的变角振动频率
(1)饱和烃CH2的面内变角振动(又叫剪式振动、平面变角振动、对称变角振动)频率位于 (1465±5) cm−1,见图4.20。本书后续章节把这一频率称为CH2的面内变角振动的“常值”。支链上CH2的面内变角振动稍高,位于 (1468±2) cm−1。
(2)CH2与不饱和基团或电负性原子(Cl、O)相连时,面内变角振动频率降低。
面内变角振动位于1420~1410 cm−1,CH2与Cl、O原子相连时,变角振动位于1445~1400 cm−1。如二丁烯橡胶的
位于1419 cm−1,乙醇(CH3−CH2−OH)的
位于1414 cm−1,见图4.25。
![4D25](https://epubservercos.yuewen.com/E24AF4/16499781904719106/epubprivate/OEBPS/Images/file138.png?sign=1738861719-LPJ0ahICSPXDs0TIjS54MSlmjHDjckcn-0-620f10886a55d904cccddd8d03da369b)
图4.25 二丁烯橡胶(A)和乙醇(B)的红外光谱
(3)长链羧酸中与羧基相连的CH2的面内变角振动位于 (1412±2) cm−1。如油酸的红外光谱中,与羧基相连的CH2的面内变角振动位于1414 cm−1。
4.1.2.4 饱和烃CH2的面内摇摆振动频率
饱和烃CH2的面内摇摆振动频率在790~720 cm−1。用CH2
表示分子中连续CH2的个数。n较小时,频率较高,强度较小,如乙基(−CH2CH3)为790~770 cm−1,正丙基(−CH2CH2CH3)为750~740 cm−1,正丁基(−CH2CH2CH2CH3)为736~723 cm−1。如果n≥4,CH2面内摇摆振动频率在 (720±2) cm−1,强度随相连CH2个数的增加而增强。固态时有时会分裂为双峰。在“图4.20聚乙烯的红外光谱”中,CH2面内摇摆振动频率在718 cm−1。
聚乙烯结晶度高,如果有2个或几个大分子同时穿过一个晶胞,会发生振动偶合,引起CH2面内变角振动和面内摇摆振动谱带分裂,在1473 cm−1和1463 cm−1、729 cm−1和719 cm−1处分别产生一对双峰,见图4.26。
![4D26](https://epubservercos.yuewen.com/E24AF4/16499781904719106/epubprivate/OEBPS/Images/file141.png?sign=1738861719-ZVS7K5WGML6lD7hhHOpSLZaPjcHyxb08-0-355109d4300b8efdbcdbab492f115069)
图4.26 高结晶度聚乙烯的红外光谱
如果是−CH2CH3结构,CH2面内摇摆振动频率在790~770 cm−1。邻苯二甲酸二辛酯又称邻苯二甲酸二(2-乙基)己酯,简称DOP,其结构式如图4.27所示。图4.28为邻苯二甲酸二辛酯的红外光谱。770 cm−1为乙基(−CH2CH3)中CH2的面内摇摆振动。
![4d27](https://epubservercos.yuewen.com/E24AF4/16499781904719106/epubprivate/OEBPS/Images/file142.png?sign=1738861719-2KILjOob7M9Nq2Ly573y0Vyfnr3IhVvj-0-38296a9cea2846ea675c77cb8321039d)
图4.27 邻苯二甲酸二辛酯的结构式
![4D28](https://epubservercos.yuewen.com/E24AF4/16499781904719106/epubprivate/OEBPS/Images/file143.png?sign=1738861719-OdUPBcXC4rS5bzipEL30BoHsLJxzgzzw-0-3bd5304c94813be905404f2e31a4a0b5)
图4.28 邻苯二甲酸二辛酯的红外光谱
如果是 −CH2CH2CH3结构,CH2的面内摇摆振动频率在750~740 cm−1。图4.29为眠尔通的结构式,图4.30为眠尔通的红外光谱。−CH2CH2CH3中CH2面内摇摆振动频率在747 cm−1。
![4d29](https://epubservercos.yuewen.com/E24AF4/16499781904719106/epubprivate/OEBPS/Images/file144.png?sign=1738861719-I0qUOLpp3axhz34FHwjG1enuaSonHVHe-0-620e1443e99b77d2972a1c1a32b9ba6a)
图4.29 眠尔通的结构式
![4d30](https://epubservercos.yuewen.com/E24AF4/16499781904719106/epubprivate/OEBPS/Images/file145.png?sign=1738861719-mVE8S0RTzT0mufd0bhZKM9xFRiceODpA-0-367b8e0cc0d2783c5f5e029e507c08ce)
图4.30 眠尔通的红外光谱
4.1.2.5 饱和烃CH2的面外摇摆振动频率
极性基团在末端的结晶直链脂肪族化合物(如脂肪酸、脂肪酯、酰胺等),其CH2的面外摇摆振动频率位于1350~1180 cm−1。
非结晶固体直链烷烃化合物CH2的面外摇摆振动吸收很弱,不易指认。但当CH2与极性基团相连时,强度增加。如乙二醇(HO−CH2−CH2−OH)的红外光谱中1332 cm−1、1255 cm−1和1204 cm−1被指认为CH2的面外摇摆振动频率,见图4.31。乙二醇在常温下是液体,分子有多种构型,所以CH2的面外摇摆振动频率不止1个。
![4D31](https://epubservercos.yuewen.com/E24AF4/16499781904719106/epubprivate/OEBPS/Images/file146.png?sign=1738861719-3NnxdRNcIKJNBJQjvbxiRp3xF34M8xoL-0-81baebaba1ddb7e5e4471281e0aee27d)
图4.31 乙二醇的红外光谱
4.1.2.6 烯烃CH2的面外摇摆振动频率
单取代烯烃CH2的面外摇摆振动()频率位于910 cm−1左右,强度很大,其倍频位于1850~1800 cm−1 ,面内变角振动位于1420~1405 cm−1,伸缩振动位于3095~3070 cm−1。图4.32为1,2-聚丁二烯(
)的红外光谱,其CH2的面外摇摆振动位于911 cm−1,面内变角振动位于1419 cm−1,伸缩振动位于3074 cm−1。
![4D32](https://epubservercos.yuewen.com/E24AF4/16499781904719106/epubprivate/OEBPS/Images/file149.png?sign=1738861719-buogW62ZXBmFmz7S0uEVCpef71A2s8nx-0-c631deeea07244819fe8343f6efd4f2d)
图4.32 1,2-聚丁二烯的红外光谱
双取代烯烃CH2的面外摇摆振动()频率位于890 cm−1,倍频位于1780 cm−1,面外变角振动位于965 cm−1,面内变角振动位于1420~1410 cm−1,伸缩振动位于3090~3070 cm−1。
4.1.2.7 CH2的扭曲振动频率
烷烃CH2的扭曲振动(也称面外变角振动、卷曲振动)频率位于1305 cm−1左右,通常强度很小,指认困难。若CH2与极性基团相连,强度增大。
烯烃CH2的扭曲振动频率位于 (990±10) cm−1左右。如1,2-聚丁二烯的CH2的扭曲振动位于995 cm−1,见图4.32。
4.1.3 CH的振动频率
4.1.3.1 CH的伸缩振动频率
(1)烷烃CH的伸缩振动频率 烷烃CH的伸缩振动频率位于2900~2870 cm−1。烷烃中CH所占比例小,CH的伸缩振动吸收常被CH3和CH2的伸缩振动吸收覆盖,实用价值较小。
若CH与氧、氯等强极性原子相连,诱导效应使CH的伸缩振动频率升高,强度增大。
如异丙醇()的CH的伸缩振动频率位于2931 cm−1,见图4.33。
![4d33](https://epubservercos.yuewen.com/E24AF4/16499781904719106/epubprivate/OEBPS/Images/file152.png?sign=1738861719-EzRzZNONKdJXM67kMrKFR6SdwKyApmSD-0-15920fea53868e9b20f50910d439a54c)
图4.33 异丙醇的红外光谱
(2)烯烃CH的伸缩振动频率 单取代亚甲烯RCH=CH2中=CH的伸缩振动位于3040~3010 cm−1,面内变角振动位于1300~1290 cm−1,面外变角振动位于990 cm−1,见图4.32。
双取代顺式烯烃和反式烯烃
的=CH伸缩振动均位于3040~ 3010 cm−1。反式 =CH面外变角振动位于965 cm−1,顺式位于720~690 cm−1。
三取代烯烃的 =CH伸缩振动均位于3040~3010 cm−1,面外变角振动位于850~790 cm−1。
(3)苯环上CH的伸缩振动频率 苯环上CH的伸缩振动频率见“4.3 芳香化合物的振动频率”。
(4)炔类CH的伸缩振动频率 炔类CH的伸缩振动频率位于3310 cm−1左右,强度大,特征明显。
(5)醛类CH的伸缩振动频率 参考“7.7.16 乙醛的红外光谱”。
4.1.3.2 CH的面内变角振动
烷烃C−CH的C−H面内变角振动位于1350~1320 cm−1;烯烃=CH的C−H面内变角振动位于1420~1290 cm−1,参考“8.1.3 聚丁二烯的红外光谱”;醛基(−COH)的C−H面内变角振动位于1410~1390 cm−1;苯环的C−H面内变角振动位于1250~950 cm−1。通常强度均比较小,指认困难,实际应用价值不大。