实验11　红外光谱法测定几种有机物的结构

一、实验目的

1.了解红外光谱仪的工作原理及操作方法。

2.简单了解红外检测中样品的制备方法，学会固体样品的KBr压片技术。

3.学习红外光谱谱图解析的基本方法，了解用标准数据库进行谱图检索的方法。

二、实验原理

红外光谱是研究分子振动和转动信息的分子光谱。它是利用物质的分子吸收了红外辐射后，引起偶极矩的净变化，产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，得到分子振动能级和转动能级变化产生的振动-转动光谱。红外光谱可用于分子结构的基础研究和用于物质的化学组成分析。它以波长或波数为横坐标，以百分透过率或吸收率为纵坐标来记录谱带，并判断特征吸收峰的位置。

红外光谱定性是根据光谱中吸收峰的位置和形状来鉴定未知物中含有哪些基团，或结合其他实验资料（如质谱、紫外光谱、核磁共振波谱等）进行物质结构分析。红外光谱定性分析具有灵敏性高、分析时间短、需要的试样量少、不破坏试样、测定方便等优点，使其具有较广泛的应用。分子振动伴随转动能级跃迁大多在中红外区（4000～400cm^-1），红外光谱多在此波数区间进行检测。其中，4000～1350cm^-1区域称为基团特征频率区（也称官能团区），主要用于分析有机化合物分子中的原子基团及其在分子中的相对位置。1350～650cm^-1区域称为指纹区，化合物结构上的微小差异会使这一区域的谱峰产生明显差异，犹如人的指纹因人而异一样，此区域的主要价值在于表示整个分子特征。因此，在相同的条件下测定化合物和样品的红外吸收光谱，可以对化合物进行定性分析。

傅里叶变换红外光谱仪是20世纪70年代后发展起来的，它具有扫描速度快、光通量大、分辨率高、光谱范围宽等特点，主要由红外光源、迈克尔逊干涉仪、检测器、计算机等部分组成。其原理是红外辐射经迈克尔逊干涉仪变为干涉光，通过试样和检测器后得到含试样信息的干涉图，由计算机采集，再经傅里叶变换处理，得到红外光谱。红外光谱的试样可以是液体、固体或气体，一般应要求：①试样应该是单一组分的纯物质，多组分试样应在测定前尽量预先分离提纯，否则各组分光谱相互重叠，难于判断；②试样中不应含有游离水，水本身有红外吸收，且会侵蚀吸收池的盐窗；③试样的浓度和测试厚度应选择适当，以使光谱图中的大多数吸收峰的透射比处于10%～80%范围内。

红外光谱制样的方法主要有以下几种。

（1）液体池法　沸点低于100℃的样品可采用液体池法制样。选择不同的垫片尺寸可以调节液池的厚度，对于一些吸收很强的样品，可用适当的溶剂配成稀溶液进行测定。

（2）液膜法　沸点高于100℃或黏稠的样品可采用液膜法制样。方法是将样品直接滴在两个盐片之间，使之形成液膜。

（3）石蜡糊法　将干燥的试样研细，与液体石蜡或全氟代烃混合，调成糊状夹在盐片中测定。

（4）压片法　将0.5～2mg试样与100～200mg纯KBr研细均匀，置于模具中，用压片装置压成透明的薄片后测定。试样和KBr都应经干燥处理，研磨粒度最好小于2μm，以避免散射光对测定的干扰。

（5）薄膜法　薄膜法多用于高分子化合物的测定。可将它们直接加热熔融后涂制或压制成膜。也可将试样溶解在低沸点的易挥发溶剂中，涂在盐片上，待溶剂挥发后成膜测定。此外，气体样品可在气体进样槽中测定。

红外光谱定量分析是依照特征吸收峰的强度来测定混合物中各组分的含量，它的依据是朗伯-比耳定律。

三、仪器和试剂

仪器：TENSOR27傅里叶变换红外光谱仪；玛瑙研钵；压片机；模具；盐片；红外灯；钢铲；镊子。

试剂：KBr（光谱纯）；苯甲酸（分析纯）；苯乙酮（分析纯）；聚苯乙烯（分析纯）。

四、实验步骤

1.打开主机电源和工作站，仪器开始自检，预热仪器10min。

2.样品的制备

（1）固体样品苯甲酸的制备——KBr压片法　KBr在玛瑙研钵中磨细，干燥箱中110℃干燥2h以上，然后放在磨口瓶中置于干燥器中备用。在玛瑙研钵中加入已经干燥的苯甲酸1mg左右，在红外灯下粉碎研磨，直到充分研细（粒度小于2μm）并混合均匀。再加入约300mg干燥的KBr粉末压片（压力1.5～2.0MPa）。

取出清洁、干燥的压片模具，将一压舌光面向上放入模芯中，套上套环，将适量研磨好的样品均匀铺撒入模芯中，将另一压舌光面向下放入模芯中，然后将压杆插入，并用手的压力将压杆底座和底座旋转一下，使模具芯内试样趋于均匀分布（见图1）。

将模具防御压片机中间位置，通过手轮调节压力杆，使其顶好。顺时针拧紧手轮，关闭放油阀。上下摆动把手，同时观察压力表读数，加压到20MPa，维持压力1～2min。逆时针拧开放油阀泄压，工作活塞自动复位，取下模具。然后将模具倒置，放上不锈钢环，稍加压力即可顶出试样。压好的应是厚为0.5～1mm的透明圆片，然后将此透明薄片装于样品架上，放入仪器光路中进行测定。

（2）固体样品聚苯乙烯的制备——薄膜法　将聚苯乙烯溶于二氯甲烷中，滴加在干净的载玻片上，然后在通风处自然干燥，除去大部分溶剂。然后进一步在红外灯下烘干溶剂。成膜后用镊子小心撕下薄膜，放在样品架上进行红外测定。

（3）液体样品苯乙酮的制备——液膜法　在盐片上滴1～2滴液体（苯乙酮）试样，将另一盐片平压在上面（不能有气泡），盐片之间形成一层薄的液膜，将它放在夹具夹中固定即可测量。

3.调用测定模式，进行背景扫描，这时在屏幕下面出现1，2，3，4，5…字样，等待扫描完成。

4.样品扫描：将样品放入光路中，按“样品扫描”，这时在屏幕下面出现1，2，3，4，5…字样，等待扫描完成，处理谱图后保存。

5.扫谱结束后，取下样品架，取出薄片，按要求将模具、样品架等洗净擦干放入干燥器中。如用盐片，用纸把上面的液体擦干净，取少量的无水乙醇清洗样品，在红外灯下用滑石粉和无水乙醇进行抛光，处理后再用无水乙醇清洗，红外灯下烘干，最后把两个盐片收好放入干燥器中备用。

6.测试完毕，关闭主机、工作站电源。

五、数据处理

1.对几张测得的红外谱图进行主要吸收峰的归属。

2.比较三个物质分子结构上的差异，进而讨论对谱图的影响。

3.把扫谱得到的谱图与已知标准谱图进行对照比较。

六、思考题

1.用压片法制样时，为什么要求研磨到颗粒度在2μm左右？研磨时不在红外灯下操作，谱图上会出现什么情况？

2.为什么进行红外吸收光谱测试时要做空气背景扣除？

3.液体测量时，为什么低沸点的样品要求采用液体池法？

4.对于难以研磨和粉碎的样品，可以采用哪些制样方法？使用这些方法应注意什么？

七、仪器介绍

仪器型号：TENSOR 27傅里叶变换红外光谱仪。

生产厂商：德国布鲁克科技有限公司。

应用领域：主要应用于药物中间体和原料药的鉴定，高分子材料功能性官能团的检测等。

仪器简介：布鲁克TENSOR 27傅里叶变换红外光谱仪的内部结构见图2，外部结构见图3。

【注意事项】

1.KBr容易吸水，使用前在120℃的烘箱中干燥10h以上或在110℃真空干燥箱中干燥2h以上，平时KBr应放入干燥器中贮存备用，制样过程应在红外灯下进行，以防止吸水。

2.研磨样品一定要用玛瑙研钵，研磨时必须把样品均匀地分散在KBr中，并且尽可能将它们研细到2μm左右。

3.要掌握好样品与KBr的比例以及圆片的厚度，以得到一个质量好的透明的薄片。

4.液体池的盐片应保持干燥透明，每次测定前后均应反复用无水乙醇清洗并在红外灯下烘干，放在干燥器内密闭保存。