CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP PHỔ HỒNG NGOẠI (PHỔ IR) - MTA

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP PHỔ HỒNG NGOẠI (PHỔ IR) 

2.1. Khái niệm phổ hồng ngoại (Infrared Spectroscopy) 

Bức xạ hồng ngoại: 

• Hồng ngoại gần: 

• Hồng ngoại cơ bản: 

• Hồng ngoại xa: 

λ = 750 – 2000 nm (2μm) 

λ = 2μm – 50 μm 

λ = 50 μm – 300μm 

1

❖Phổ IR của mỗi hợp chất hóa học là một trong các đặc tính quan trọng của nó, là một 

phần trong tổng thể bức xạ IR đã bị hấp thụ bởi chất đó và được biểu diễn như một 

hàm của bước sóng bức xạ hồng ngoại đi qua chất đó. 

❖Vùng bức xạ hồng ngoại chiếm dải sóng từ giới hạn vùng khả kiến đến vùng sóng 

micro, tức từ 0,75m (750nm) đến 300m. 

❖Trong phương pháp phổ IR, người ta sử dụng các bức xạ từ 2,5m đến 16m. Các 

vùng bức xạ sóng ngắn hơn và dài hơn khoảng đó trong vùng hồng ngoại gọi là vùng 

hồng ngoại gần và hồng ngoại xa. 

❖ Phổ của các vùng này chứa thông tin giá trị về cấu trúc các chất nhưng chưa được 

nghiên cứu đầy đủ thậm trí chỉ với phân tích định tính. 

2


❖ Để mô tả đặc trưng bức xạ hồng ngoại thường sử dụng số sóng là cm -1 . Vùng phổ IR 

từ 2,5m đến 16m tương ứng với số sóng 4000cm -1 – 625cm -1 . 

❖Trên đồ thị phổ IR, trục tung là độ truyền qua biểu diễn vào % (percent transmition) 

Độ truyền qua 100% nghĩa là mẫu thử không hấp thụ bức xạ, còn độ truyền qua 0% tức 

toàn bộ bức xạ đã bị hấp thụ. Trên trục hoành đồ thị phổ IR là số sóng (cm -1 ). Vì độ 

truyền qua 100% là đỉnh của phổ nên dải hấp thụ trong phổ IR là phần đi xuống. 

❖Cường độ dải hấp thụ tương ứng với độ truyền qua: độ truyền qua nhỏ nhất là dải 

hấp thụ lớn nhất. 

3


2.2. Phổ IR và cấu tạo các hợp chất hữu cơ 

2.2.1. Dao động của các phân tử và phổ hồng ngoại 

Phân tử được cấu tạo từ các nguyên tử liên kết với nhau bằng các liên kết hóa học. 

Chuyển động của các nguyên tử liên kết hóa học với nhau tương tự dao động không 

ngừng của các hòn bi liên kết với nhau bằng các lò xo. Chuyển động của chúng có thể 

coi là kết quả cộng lại của các dao động kéo căng và nén. Nếu giữ chặt một hòn bi thì 

chuyển động của hòn bi còn lại theo mô hình dao động điều hòa (dao động tử) 

Mẫu dao động tử điều hòa 

4


Với phân tử có nhiều nguyên tử (có nhiều liên kết), dùng mô hình các hòn bi gắn trên các 

lò xò, mỗi nguyên tử có thể coi như một hòn bi treo trên các lò xò, dao động của nó có thể 

theo 3 hướng x, y, z trong không gian, những dao động như vậy gọi là dao động cơ bản 

hay dao động riêng 

Tổng số dao động riêng của phân tử có N nguyên tử: 

3N – 5 đối với phân tử thẳng 

3N – 6 đối với phân tử không thẳng 

5


Khi phân tử bị kích thích có thể xảy ra quá trình dao động và quay đồng thời, năng lượng 

tương ứng của trạng thái dao động quay của phân tử được tính như tổng năng lượng 

dao động E v (Vibration) và năng lượng quay E r (rotation). 

Các dao động riêng của phân tử có thể được kích thích bởi các bức xạ điện từ nhưng 

sự kích thích này có tính lựa chọn: 

Chỉ các dao động nào làm thay đổi momen lưỡng cực của phân tử mới bị kích thích 

bởi bức xạ hồng ngoại 

6


Người ta phân chia các dao động riêng thành 2 loại chính: 

❑ Dao động hóa trị (Stretching vibration) là những dao động làm thay đổi chiều dài liên 

kết của các nguyên tử trong phân tử nhưng không làm thay đổi góc liên kết. 

❑ Dao động biến dạng (Bending vibration) là những dao động làm thay đổi góc liên kết 

nhưng không làm thay đổi chiều dài liên kết của các nguyên tử trong phân tử. 

Ngoài ra người ta còn phân biệt dao động đối xứng và bất đối xứng. 

7


Ví dụ: 

phân tử CO 2 thẳng có 3N- 5 = 3.3 – 5 = 4 dao động riêng trong đó có 1 dao động hóa trị 

đối xứng, 1 dao động hóa trị bất đối xứng và 2 dao động biến dạng (hình 2.2): 

dao động hóa trị đối xứng 

dao động hóa trị bất đối xứng 

+ + 

dao động biến dạng 


Các dạng dao động riêng của phân 

tử CO 2 

Hai dao động biến dạng này có cùng 1 mức năng lượng bởi vì chúng hoàn toàn giống nhau. 

8


Phân tử H 2 O không thẳng sẽ có 3.3 – 6 = 3 dao động riêng gồm 2 dao động hóa trị và 1 dao 

động biến dạng, cả 3 có các mức năng lượng khác nhau: 

dao động hóa trị đối xứng 


dao động hóa trị bất đối xứng 

Các dạng dao động riêng của phân tử H 2 O 

9


Các dạng dao động của liên kết C-H trong hợp chất hữu cơ 

Cắt kéo 

Quạt 

Đua đưa 

Xoắn 

10


11


2.2.2. Phổ IR của các hợp chất hữu cơ 

2.2.2.1. Phổ IR và liên kết hóa học 

Năng lượng hay tần số dao động không chỉ phụ thuộc vào bản chất các mối liên kết như 

C–H hoặc C–O … mà còn phụ thuộc tất cả phân tử và môi trường xung quanh. 

Tuy nhiên 1 số liên kết có các tính chất đặc trưng: 

Vị trí dải hấp thụ phụ thuộc vào lực liên kết và khối lượng các nguyên tử tham gia 

liên kết . Liên kết càng mạnh, khối lượng các nguyên tử tham gia liên kết càng nhỏ 

thì tần số hấp thụ của liên kết càng lớn 

12


Vị trí dải hấp thụ phụ thuộc vào khối lượng và độ âm điện của các nguyên tố 

tham gia liên kết 

VD: Dao động hóa trị của liên kết: O-H là 3600 cm -1 

O-D là 2630 cm -1 (Do D gấp 2 lần khối lượng H) 

C-H 3000 cm -1 

C-C 1200 cm -1 

C-O 1100 cm -1 

C-Cl 750 cm -1 

C-I 500 cm -1 

Dao đông hóa trị của liên kết C-H phụ thuộc vào độ lai hóa của liên kết theo 

thứ tự: sp > sp 2 > sp 3 

C-H sp 3300 cm -1 

C-H sp 2 3100 cm -1 

C-H sp 3 2900 cm -1 

13


Dải hấp thụ của liên kết: C-C khoảng 1500-1350 cm -1 

C-H khoảng 3000-2800 cm -1 

Các hợp chất hiđrocacbon chỉ gồm các nguyên tử C và H có độ âm điện khác nhau 

không nhiều, dải hấp thụ của liên kết C–H không mạnh, trái lại các dải hấp thụ của 

các liên kết giữa các nguyên tử khác biệt nhiều về độ âm điện như C–N; C–O; C=O; 

CN thường rất mạnh. 

14

Percent transmittance 


2.2.2.2. Dải hấp thụ đặc trưng trong phổ IR của hợp chất hữu cơ 

Phổ IR thường xuyên dùng để xác định dạng nhóm chức trong hợp chất hữu cơ 

a. Hiđrocacbon 

Ankan 

CH 3 b 

sp 3 C-H s 

CH 2 b 

Wavenumber (cm -1 ) 

15


C-H dd hóa trị 3000 – 2840 cm -1 

CH 2 dd biến dạng 1465 cm -1 , CH 3 dd biến dạng 1375 cm -1 

CH 2 (four or more CH 2 groups) rocking at 720 cm -1 

16


Note lack of long-chain bend and CH 3 bend in above spectrum 

17

Anken 


✓=C-H stretch occurs in region of 3095 – 3010 cm -1 (higher wavenumber relative to alkanes) 

✓C=C stretch occurs in region of 1670 – 1640 cm -1 

Can be used to determine type of substitution: 

❑Symmetrically substituted does not absorb at all 

A cis isomer absorbs more strongly than a trans isomer (cis is less symmetrical than trans) 

✓Simple monosubstituted absorbs at 1640 cm -1 

✓Simple 1,1-disubstituted absorbs at 1650 cm -1 

❑C-H out of plane bending (oop) absorbs at 1000 – 650 cm -1 Often very strong 

Can be used to determine type of substitution: 

✓Monosubstituted gives two peaks near 990 and 910 cm -1 

✓1,2-disubstituted (cis) gives one strong band near 700 cm -1 

✓1,2-disubstitued (trans) gives on band near 970 cm -1 

✓1,1-disubstituted gives one strong band near 890 cm -1 

✓A trisubstituted double bond absorbs near 815 cm -1 

✓A tetrasubstituted double bond does not absorb at all 

18


19


20


✓ A monosubstituted alkene gives two strong peaks near 990 and 910 cm -1 

21


✓ A monosubstituted alkene gives two strong peaks near 990 and 910 cm -1 

22


✓ A cis 1,2-disibstiuted alkene gives one strong band near 700 cm -1 

Note that the C=C stretch is much less intense than for the monosubstituted example 

23


✓ 

The strength of the C=C stretch can serve to differentiate between cis and trans isomers 

The cis isomer – more intense C=C stretch 

Note the single large peak at 700 cm -1 (indicates cis isomer) 

24


✓ A cis 1,2-disibstiuted alkene gives one strong band near 700 cm -1 

=C-H bending 

25


The trans isomer – less intense C=C stretch than cis isomer 

Note the band near 970 cm –1 (indicates trans isomer) 

26


27

Gem-diankyl 

✓1,1-disubstituted gives one strong band near 890 cm -1 

28

Triankyl 

✓A trisubstituted double bond absorbs near 815 cm -1 

29


Ankin 

✓ C H stretching frequency is approximately 3300 cm -1 (still higher than for alkanes 

or alkenes) 

✓ stretch occurs at approximately 2150 cm -1 (but not observed if alkyne is symmetric) 

C C 

30


An symmetric alkyne 

31


Aren ✓ C-H stretch occurs between 3050 and 3010 cm -1 

✓ C-H out-of-plane bending occurs at 900 – 690 cm -1 (useful for 

determining type of ring substitution) 

✓ C=C stretching often occurs in pairs at 1600 cm -1 and 1475 cm -1 

✓ Overtone and combination bands occur between 2000 and 1667 cm -1 

✓ Monosubstituted rings give strong absorptions at 690 cm -1 and 750 cm -1 

(second may be masked by hydrocarbon solvent) 

32

Mono-ankyl 


=C-H stret 

=C-H stret 

C=C stret 

C=C stret 

=C-H bend 

33


✓ Ortho substituted rings give one strong band at 750 cm -1 

34

✓ Ortho substituted rings give one strong band at 750 cm -1 

C=C stret 

=C-H stret 

=C-H stret 

=C-H bend 

C=C stret 

oop 

35


✓ Meta substituted rings gives bands at 690 cm -1 , 780 cm -1 , and sometimes a third band 

of medium intensity at 880 cm -1 

36


✓ Meta substituted rings gives bands at 690 cm -1 , 780 cm -1 , and sometimes a third band 

of medium intensity at 880 cm -1 

37


✓ Para substituted rings give one band from 800 to 850 cm -1 

38


✓ Para substituted rings give one band from 800 to 850 cm -1 

39


Stetching Vibrations 

40


Bending Vibrations 

41


Triankyl 1,2,3 

42



43



44


Tetra ankyl 1,2,3,4 

45



46



47


Penta ankyl 1,2,3,4,5 

48

) Ancol và phenol 


✓ Hydrogen-bonded O-H stretching occurs as a very broad and intense peak at 3400- 

3300 cm-1 

✓ Free O-H stretching (only observed when dilute) occurs at 3600 – 3650 cm -1 

✓ C-O-H bending - a broad and weak peak at 1550-1220 cm -1 

✓ C-O stretching occurs in range 1260 – 1000 cm -1 

The position of the C-O stretch can be used to determine the type of alcohol 

- Phenols – 1220 cm -1 

- Tertiary alcohols – 1150 cm -1 

- Secondary alcohols – 1100 cm -1 

- Primary alcohols – 1050 cm -1 

49


Primary alcohols C-O stretch: 1050 cm -1 

50


51


Secondary alcohols: C-O stretch : 1100 cm -1 

52

Ancol b3 

Tertiary alcohols: C-O stretch 1150 cm -1 

53


Phenols: C-O stretch 1220 cm -1 

54


c) Ethers 

✓ C-O stretch most important, occurs at 1300-1000 cm -1 

In dialkyl ethers occurs as a strong band at 1120 cm -1 

✓ 

Aryl alkyl ethers give two peaks; asymmetric C-O-C stretch near 1250 cm -1 and a 

symmetric stretch near 1040 cm -1 

✓ 

Vinyl alkyl ethers give two peaks, a strong asymmetric stretch at 1220 cm -1 and a weak 

symmetric stretch near 850 cm -1 

✓ C-O stretches also occur in alcohols and esters, so look for O-H or C=O stretches before 

concluding a compound is an ether 

55


56


57


d) Aldehydes 

✓ Contains a C=O stretch at: 

1740 – 1725 cm -1 for normal aliphatic aldehyde 

1700 – 1680 cm -1 for conjugation with double bond 

1700 – 1660 cm -1 for conjugation with phenyl group 

✓ Conjugation decreases the C-O bond order and therefore decreases the stretching 

frequency 

✓ The (CO)-H stretch occurs as a pair of weak bands at 2860 – 2800 cm -1 and 2760 – 

2700 cm -1 ; the higher-frequency bands are often masked by alkane C-H absorptions 

✓ Above band can help to differentiate between aldehydes and ketones as these both 

have a carbonyl group 

58


59


60


61


d) Ketones 

✓ Contains a C=O stretch at: 

1720 – 1708 cm -1 for normal aliphatic aldehyde (slightly lower frequency than 

for aldehydes) 

1700 – 1675 cm -1 for conjugation with double bond 

1700 – 1680 cm -1 for conjugation with one phenyl group 

1670 – 1600 cm -1 for conjugation with two phenyl groups 

~ 1716 cm -1 for 1,2 diketones (not conjugated) 

~ 1680 cm -1 for 1,2 diketones (conjugated) 

62


63


64


e) Carboxylic Acids 

✓ 

Carboxylic acids occur as hydrogen-bonded dimers unless in dilute solution 

✓ C=0 stretch occurs in the following regions: 

• 1730 – 1700 cm -1 for simple aliphatic acids in dimeric form 

• Occurs at lower frequencies if conjugated with an alkene or aromatic 

• O-H stretch occurs as a very broad peak at 3400 to 2400 cm -1 , may partially 

obscure C-H stretching bands 

• C-O stretch of medium intensity observed at 1320 –1210 cm -1 

65


66

67

68

69


f) Esters 

✓ C=O stretch occurs at: 

• 1750 – 1735 cm -1 for normal aliphatic esters (example – ethyl butyrate, 1738 cm -1 ) 

• 1740 – 1750 cm -1 if carbonyl carbon conjugated with an alkene (example – methyl 

methacrylate, 1725 cm -1 ) 

• 1740 – 1715 cm -1 if carbonyl carbon conjugated with aromatic (example – methyl 

benzoate, 1724 cm -1 ) 

• 1765 – 1762 cm -1 if oxygen atom conjugated with alkene or aromatic (note that this is a 

shift to higher frequency) 

(example – phenyl acetate, 1765 cm -1 ) 

(example – vinyl acetate, 1762 cm -1) 

• The C-O stretch occurs as two bands, one stronger and broader than the other, at 1300 

– 1000 cm -1 

70


71


✓ 

Vinyl acetate – alkene group adjacent to C=O group 

72


✓ 

Vinyl acetate – oxygen atom conjugated with alkene 

73


✓ 

Methyl benzoate – aromatic group adjacent to C=O group 

74


g) Amines 

✓ N-H stretch occurs at 3500 –3300 cm -1 

• Primary amines – two bands 

• Secondary amines – one band; weak for aliphatic amines but stronger for aromatic 

• Tertiary amines have no absorption in this region (no N-H bonds) 

✓ 

N-H bending 

• Broad band at 1640 – 1560 cm -1 for primary amine 

• Secondary amines absorb at 1500 cm -1 

• N-H out of plane bending occurs at 800 cm -1 

✓ C-N stretching occurs at 1350 – 1000 cm -1 

75

76

77

78


✓ 

Butylamine – primary amine 

79


✓ 

Dibutyl amine – secondary amine 

80


✓ 

N-methyl aniline – secondary aromatic amine 

81

Amin b1 

82

83

84

85

86

87

88


h) Các dẫn xuất halogen của ankan (Haloankan) 

Các dải hấp thụ do liên kết cacbon-halogen xuất hiện trong vùng “dấu vân tay” từ 

1350cm -1 đến 670cm -1 . Vì các đám hấp thụ khác gây nhiễu trong vùng “dấu vân tay” nên 

không thể dùng để khẳng định sự có mặt của halogen trong hợp chất hữu cơ 

89


90


91


92


2.3. Sơ đồ nguyên lý quang phổ kế hồng ngoại 

93

2.4. Chuẩn bị các mẫu đo 

a. Dạng mẫu khí 


Đối với mẫu khí tinh khiết hay hỗn hợp khí, cần sử dụng loại cuvet có chiều dài 10cm. 

Vì nồng độ các phân tử khí loãng rất nhiều so với các chất lỏng do đó cần thiết phải 

để ánh sáng đi qua mẫu với một chiều dài khá lớn, có thể từ 1 đến 10m. Vì chiều dày 

của cuvet chỉ 10cm, người ta phải đặt một hệ thống gương phản chiếu ánh sáng 

trong cuvet để làm tăng chiều dài đường đi của ánh sáng qua mẫu nhằm tăng độ hấp 

thụ ánh sáng của các phân tử khí. Cuvet chứa mẫu khí phải trong suốt với bức xạ 

hồng ngoại, các cửa sổ của cuvet, các van chân không để nạp và hút khí nghiên cứu 

được làm từ tinh thể KBr hoặc CaF 2 . 

94


b. Mẫu là chất lỏng tinh khiết 

Dạng mẫu này được nghiên cứu ở dạng các màng mỏng được chuẩn bị bằng cách nén giọt 

chất lỏng giữa hai tấm bản mỏng làm từ halogenua kim loại kiềm hoặc kiềm thổ (LiF, KBr, 

CaF 2 ). Chiều dày lớp mẫu đo từ 0,01 0,05mm. 

c. Mẫu là dung dịch lỏng 

Hoà tan mẫu đo vào dung môi hữu cơ rồi bơm vào cuvet. Thường cuvet gồm hai tấm 

bản mỏng (hai cửa sổ) làm từ tinh thể LiF (KBr hoặc CaF 2 ) với tấm đệm làm từ teflon 

giữa các cửa sổ, tạo ra chiều dày lớp hấp thụ. Các tấm đệm có chiều dày từ 0,1 – 

1mm. Dung dịch được đưa vào và lấy ra khỏi cuvet qua các lỗ hở đặc biệt. Có cả các 

cuvet có khả năng điều chỉnh chiều dày. 

Dung môi thường dùng là CCl 4 , CS 2 hoặc CHCl 3 tuyệt đối khan 

95


d. Mẫu rắn 

Các mẫu rắn có thể đem ghi phổ IR ở dạng rắn bằng cách nghiền mẫu nhỏ rồi sau đó 

trộn mẫu với dầu parafin (Nujol) hoặc trộn mẫu với bột KBr rồi ép (phương pháp ép 

KBr). Theo phương pháp ép KBr, mẫu được trộn với bột KBr khan, nghiền nhỏ, cho vào 

cối ép thành một màng mỏng có chiều dày khoảng 0,1mm rồi đặt vào cuvet để ghi phổ. 

Lượng mẫu cân thường từ 2 – 5mg. 

96


Méthode d’étude d’un spectre IR : 

1. Rechercher la présence d’un groupe C=O : présence d’une bande intense 

vers 1700 - 1800 cm–1. Si oui, continuer ci-dessous, sinon, passer au §2 

1.1. Essayer de trouver d’autres bandes caractéristiques des fonctions 

comprenant un C=O : 

· doublet C-H des aldéhydes entre 2650 et 2800 cm–1. 

· bande large et forte O-H des acides entre 2500 et 3300 cm–1 

· bande très forte C-O des esters à 1200 cm–1 

· bande attenante au C=O de la fonction amide primaire et secondaire : N-H 

(b) vers 1650 cm–1 et bande(s); N-H vers 3300 cm–1 (F ; 2 bandes pour les 

primaires et une pour les secondaires) 

97


1.2. vérifier la fréquence d’absorption du C=O en fonction des autres bandes 

trouvées 

· 1660-1685 pour les amides 

· 1700 pour les acides 

· 1715 pour les cétones 

· 1720-25 pour les aldéhydes 

· 1740-55 pour les esters 

· 1780-1850 pour les lactones 

· 1800-1870 pour les halogénures d’acide 

passer au § suivant 

98


2. Rechercher la présence de bandes fortes et pas trop larges vers 3250 – 3500 

cm–1. Il s’agit d’élongations O-H des alcools (TF ; 3350) , N-H des amines (mf ; 2 

bandes pour les primaires et une pour les secondaires) , C-H des alcynes vrais (F 

à TF, vers 3250). 

3. Il reste les fonctions particulières : 

· dérivés halogénés 

· dérivés soufrés 

· dérivés azotés (nitriles, isocyanates, etc...) 

pour tous ceux-là, voir le tableau des valeurs IR 

99


4. Enfin, étude des liaisons C–H autres que celles vues auparavant : 

· C-H : alcanes : 2850 à 2950 cm–1 

· C-H : alcènes : 3050 à 3080 cm–1, avec les à 1640 cm–1 (v. aussi les 

· C-H : aromatiques : 3020 à 3050 cm–1, avec les caractéristiques de la 

substitution (voir tableau) vers 650 - 900 cm–1, et les vers 1450 – 1600 . 

100

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP PHỔ HỒNG NGOẠI (PHỔ IR) - MTA

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?