3.5　实验内容

3.5.1　液体、固体样品红外光谱的测定及有机化合物中官能团的确认

实验目的

（1）掌握液体、固体样品的制样方法。

（2）了解傅里叶变换红外光谱仪的工作原理。

（3）理解有机化合物红外光谱的定性分析。

实验原理

IRAffinity-1傅里叶变换红外光谱仪的工作原理如图3-13所示。固定平面镜、分光器和可调凹面镜组成傅里叶变换红外光谱仪的核心部件——迈克尔逊干涉仪。由光源发出的红外光经过固定平面镜后，由分光器分为两束：50%的光透射到可调凹面镜，另外50%的光反射到固定凹面镜。

可调凹面镜移动至两束光光程差为半波长的偶数倍时，这两束光发生相长干涉，干涉由红外检测器获得，经过计算机傅里叶变换处理后得到红外光谱图。

红外光谱定性分析，一般采用两种方法：一种是已知标准物对照法，另一种是标准图谱检索比对法。

①已知标准物对照法是标准物和被检物在相同的条件下，分别绘出其红外光谱进行对照，图谱相同，则确认为同一化合物。

②标准图谱检索比对法是一个最直接、可靠的方法。根据待测样品的来源、物理常数、分子式以及谱图中的特征谱带，检索比对标准图谱来确定化合物。常用标准图谱集为萨特勒红外标准图谱集（Sadtler catalog of infrared standard spectra）。在用未知物图谱检索比对标准图谱时，必须注意：

a.比较所用仪器与绘制的标准图谱在分辨率与精度上的差别，可能导致某些峰的结构有细微差别。

b.未知物的测绘条件一致，否则图谱会出现很大差别。当测定溶液样品时，溶剂的影响大，测定必须要求一致，以免得出错误结论。若只是浓度不同，只会影响峰的强度而每个峰之间的相对强度是一致的。

c.应尽可能避免杂质的引入，因为杂质的引入必定干扰特征吸收带。如水的存在会引进水的吸收带等。

仪器与试剂

（1）仪器　IRAffinity-1型傅里叶变换红外光谱仪；手压式压片机（包括压模等）；玛瑙研钵；可拆式液体池；试样架。

（2）试剂　丙酮；石蜡油；滑石粉；对硝基苯甲酸；苯乙酮试剂；KBr；无水乙醇；苯甲醛等。

实验步骤

（1）固体样品对硝基苯甲酸的红外光谱的测绘　取样品（已干燥）1～2mg，在玛瑙研钵中充分磨细后，再加入100～200mg干燥的KBr，继续研磨至完全混匀，颗粒的直径约为2mm。取出约100mg混合物装于干净的压模内（均匀铺洒在压模内）于压片机上在45kPa压力下，压制30s，制成透明薄片。将此透明薄片装于样品架上，放于IRAffinity-1型傅里叶变换红外光谱仪的样品池中。若透光率达到40%以上，即可进行扫谱。从4000cm^-1扫至400cm^-1为止。若透光率未达40%，则重新压片。扫谱结束后，取下样品架，取出薄片，按要求将模具、样品架等擦净收好。

（2）纯液体样品苯乙酮（或苯甲醛）的红外光谱的测绘

①样品池的准备　戴上指套，将可拆式液体样品池的两个盐研片从干燥器中取出后，在红外灯下用少许滑石粉混入几滴无水乙醇磨光其表面。用软纸擦净后，滴加无水乙醇1～2滴，用吸水纸擦洗干，反复数次，然后将盐研片放于红外灯下烘干备用。

②液体样品的测试　在两盐研片之间滴半滴液体于盐研片上。将另一盐研片平压在上面（注意，不能有气泡），再将另一金属片盖上，对角方向旋紧螺钉，将盐研片夹紧在其中。把此液体池放于IRAffinity-1型傅里叶变换红外光谱仪的样品池，进行扫谱。

③扫谱结束后，取下样品池，松开螺钉，套上指套，小心取出盐研片。先用软纸擦净液体，滴上无水乙醇，洗去样品（千万不能用水洗，要用无水乙醇洗）。然后，再于红外灯下用滑石粉及无水乙醇进行抛光处理。最后，用无水乙醇将表面洗干净，擦干、烘干。将盐研片收入干燥器中保存。

数据处理

把扫谱得到的谱图与已知标准谱图进行对照比较，并找出主要吸收峰的归属。

注意事项

（1）固体样品经研磨（在红外灯下）后仍应随时注意防止吸水，否则压出的锭片易粘在模具上。

（2）可拆式液体池的盐研片应保持干燥透明，每次测定前后均应反复用无水乙醇及滑石粉进行抛光处理（在红外灯下），但切勿用水洗。

思考题

（1）傅里叶变换红外光谱仪与紫外-可见分光光度计在光路设计上有何不同？为什么？

（2）简述固体样品的制样方法及注意事项。

（3）简述液体样品的制样方法及注意事项。

3.5.2　苯甲酸及其未知物的红外光谱测定

实验目的

（1）掌握红外光谱分析时固体样品的压片法样品制备技术。

（2）学习傅里叶变换红外光谱仪的工作原理、构造和使用方法，并熟悉基本操作。

（3）学习红外光谱与分子结构的关系。

实验原理

（1）红外光谱仪原理　红外辐射光照射到物质分子时，如果分子某个基团的振动频率和红外辐射频率一致且伴有分子偶极矩的变化，此时，光的能量通过分子偶极矩的变化传递给分子，这个基团就吸收一定频率的红外光，产生振动跃迁（由原来的基态跃迁到了较高的振动能级），从而产生红外吸收光谱。由于振动能级的跃迁伴随转动能级的跃迁，因此所得的红外光谱不是简单的吸收线，而是一个吸收带。一般将红外区划分为三个区域：近红外区（4000～2820cm^-1）、中红外区（2820～400cm^-1）和远红外区（400～33cm^-1）。中红外区正好适于研究大部分有机化合物的分子振动基频。

用连续改变频率的红外光照射某试样，将分子吸收红外光的情况用仪器记录下来，就得到试样的红外吸收光谱图，图3-14为苯甲酸的红外光谱图。红外光谱图的横坐标是红外光的波数（波长的倒数），纵坐标是透射率，它表示红外光照射在样品薄膜上时，光能透过的程度。制样方法的选择和制样技术的好坏直接影响谱带的频率、数目和强度。

（2）红外吸收光谱与分子结构的关系　特征频率区（或基团频率区）（4000～1298cm^-1）中的吸收峰基本是由基团的伸缩振动产生，数目不是很多，但具有很强的特征性，因此在基团鉴定工作上很有价值，主要是X—H，CX和的伸缩振动，用于鉴定官能团。在不同化合物中，同一种官能团的吸收振动总是出现在一个窄的波数范围内，但它不是出现在一个固定波数上，具体出现在哪一波数，与基团在分子中所处的环境有关。如羰基，不论是在酮、酸、酯或酰胺类等化合物中，其伸缩振动总是在1870～1650cm^-1出现一个强吸收峰。

指纹区（1298～600cm^-1）的情况不同，该区峰多而复杂，没有强的特征性，主要是由一些单键C—O、C—N和C—X（卤素原子）等的伸缩振动及C—H、O—H等含氢基团的弯曲振动以及C—C骨架振动产生。当分子结构稍有不同时，该区的吸收就有细微的差异。像每个人都有不同的指纹，因而称为指纹区。指纹区可以识别一些特定分子。

（3）苯甲酸的相关性质　苯甲酸为无色、无味片状晶体，分子式为C₆H₅COOH，又称安息香酸，熔点为122.13℃，沸点为249℃，相对密度为1.2659（15℃/4℃）。

由于氢键的作用，苯甲酸通常以二分子缔合体的形式存在。只有在测定气态样品或非极性溶剂的稀溶液时，才能看到游离态苯甲酸的特征吸收。用固体压片法得到的红外光谱中显示的是苯甲酸二分子缔合体的特征，在3000～2400cm^-1处是O—H伸展振动峰，峰宽且散；由于受氢键和芳环共轭两方面的影响，苯甲酸缔合体的CO伸缩振动吸收移到1800～1700cm^-1处，而游离CO伸缩振动吸收是在1730～1710cm^-1处；苯环上的CO伸缩振动吸收出现在1500～1480cm^-1和1610～1590cm^-1处，这两处特征吸收峰是鉴别有无芳环的标志之一。苯甲酸分子中各原子基团的基频峰在4000～650cm^-1范围内，见表3-3。

（4）压片法　将固体样品与卤化物（通常是KBr）混合研细，并压成透明片状，然后放到红外光谱仪上进行分析，这种方法就是压片法，有时候也直接称为溴化钾（KBr）压片法。压片法所用卤化物需要尽可能地干燥，其纯度一般应达到分析纯，除了前面提到的KBr外，可采用的卤化物还有NaCl和KI等。其中NaCl的晶格能较大，很难压成透明的薄片，而KI纯度一般不高，不易精制，因此实际测试中，一般采用KBr或KCl作样品载体，尤其以KBr用得多。

仪器与试剂

（1）仪器　空调机；IRAffinity-1型傅里叶变换红外光谱仪；KBr压片器及附件；压片机；模具和干燥器；玛瑙研钵；药匙；镜头纸及红外灯。

（2）试剂　苯甲酸粉末；光谱纯KBr粉末；丙酮。

实验步骤

（1）开启空调机，使室内温度控制在18～20℃，相对湿度≤65%。

（2）将所有的模具用丙酮擦拭干净，在红外灯下烘烤。

（3）在红外灯下将150mg左右预先在110℃烘干48h以上，并保存在干燥器内的溴化钾置于洁净的玛瑙研钵中进行研磨，研磨成均匀、细小的颗粒。

（4）将KBr装入模具，在压片机上压片，加压至45kPa时，保压30s之后解除压力。

（5）打开傅里叶变换红外光谱仪，将压好的薄片装机，设置背景的各项参数之后，进行测试，得到背景的扫描谱图。

（6）取一定量的样品（样品∶KBr=1∶100）放入研钵中研细，然后重复上述步骤得到试样的薄片。

（7）将样品的薄片固定好，装入红外光谱仪，设置样品测试的各项参数后进行测试，得到苯甲酸的红外光谱图。

（8）删掉背景谱图，对样品谱图进行编辑和修饰，并标注出吸收峰值，保存试样的红外光谱图。

（9）在红外光谱仪自带的谱图库中进行检索，检出相关度较大的已知物标准谱图，对样品的谱图进行解读，参考标准谱图从而得出鉴定结果。

数据处理

（1）在苯甲酸标样和试样红外光谱图上，标出各特征吸收峰的波数，并确定其归属。

（2）将苯甲酸试样光谱图和苯甲酸标准光谱图进行对比，如果两张图上的各特征吸收峰强度一致，则可认为该试样是苯甲酸。

注意事项

（1）样品必须预先纯化，保证纯度。

（2）样品必须保持干燥，避免损坏仪器和水峰对样品谱图的干扰。

（3）制得的晶片透光度大于40%，且完整而没有裂痕。

思考题

（1）影响样品红外光谱图质量的因素有哪些？

（2）用压片法制样时，为什么要求将固体试样研磨到颗粒粒度为2μm左右？

（3）为什么要求KBr粉末干燥，避免其吸水受潮？

（4）红外光谱实验室为什么对温度和相对湿度要维持一定的指标？

3.5.3　红外光谱法定量测定苯酚类羟基

实验目的

（1）掌握红外光谱定量分析的方法。

（2）了解去除有机酸干扰的方法。

实验原理

羟基在红外区有强吸收，但是由于含羟基的物质本身分子间有氢键作用，或者由于极性分子间的氢键缔合而影响吸收峰的位置、形状及强度，常常会造成吸光度与浓度间的线性关系被干扰，以致无法用红外光谱法直接定量。为了克服用红外光谱法测定苯酚类物质时所遇到的干扰，可采用溴化反应使苯酚的羟基的伸缩振动由原来的3584cm^-1移至3521cm^-1。这种位移可能由邻位Br原子与—OH基团形成分子内氢键所致。如果苯酚的2位及6位都被取代了或由于位阻效应使Br原子无法进入酚羟基的邻位时，都没有这种伸缩振动位移现象。有机酸在3521cm^-1处有少量吸收干扰。为了避免这种干扰，可用碳酸氢钠溶液萃取溶有苯酚类试样的四氯化碳溶液，以除去有机酸。

仪器与试剂

（1）仪器　IRAffinity-1型傅里叶变换红外光谱仪；可拆式液体样品池；研片；红外灯；分液漏斗等。

（2）试剂　无水乙醇；滑石粉；四氯化碳（A.R.）；10%Na₂SO₃溶液；2%NaHCO₃溶液；三溴苯酚（A.R.）。

实验步骤

由苯酚和溴水反应得到三溴苯酚沉淀。将沉淀过滤，洗涤干净并用红外灯烘干。冷却后，称取样品0.1g，加入10mL CCl₄溶液，再加入5mL10%Na₂SO₃溶液于分液漏斗中摇振15min，三溴苯酚进入四氯化碳层。在另一支分液漏斗中，将四氯化碳萃取液与50mL2%NaHCO₃溶液摇振5min。放出四氯化碳层，经滤纸过滤以除去悬浮的水滴。然后，在红外光谱仪上于4000～400cm^-1区域扫描记录吸光度。

配制一系列标准的2，4，6-三溴苯酚-四氯化碳溶液（如5%、10%、15%、20%等），在3521cm^-1处分别测量各溶液的吸光度，绘制标准曲线。

数据处理

由实验结果绘制出A-c标准曲线，在曲线上找出被测组分对应的浓度，根据样品量测出其含量。

注意事项

（1）本实验所用的液体样品池内研片间的宽度始终应保持一致，故金属垫片厚度应一致。

（2）液体样品应用注射器注入液体池中。

思考题

（1）如何避免溶剂对吸光度的干扰？

（2）如何保证仪器的准确度？