3.5　實驗內容

3.5.1　液體、固體樣品紅外光譜的測定及有機化合物中官能團的確認

實驗目的

（1）掌握液體、固體樣品的制樣方法。

（2）了解傅里葉變換紅外光譜儀的工作原理。

（3）理解有機化合物紅外光譜的定性分析。

實驗原理

IRAffinity-1傅里葉變換紅外光譜儀的工作原理如圖3-13所示。固定平面鏡、分光器和可調凹面鏡組成傅里葉變換紅外光譜儀的核心部件——邁克爾遜干涉儀。由光源發出的紅外光經過固定平面鏡后，由分光器分為兩束：50%的光透射到可調凹面鏡，另外50%的光反射到固定凹面鏡。

可調凹面鏡移動至兩束光光程差為半波長的偶數倍時，這兩束光發生相長干涉，干涉由紅外檢測器獲得，經過計算機傅里葉變換處理后得到紅外光譜圖。

紅外光譜定性分析，一般采用兩種方法：一種是已知標準物對照法，另一種是標準圖譜檢索比對法。

①已知標準物對照法是標準物和被檢物在相同的條件下，分別繪出其紅外光譜進行對照，圖譜相同，則確認為同一化合物。

②標準圖譜檢索比對法是一個最直接、可靠的方法。根據待測樣品的來源、物理常數、分子式以及譜圖中的特征譜帶，檢索比對標準圖譜來確定化合物。常用標準圖譜集為薩特勒紅外標準圖譜集（Sadtler catalog of infrared standard spectra）。在用未知物圖譜檢索比對標準圖譜時，必須注意：

a.比較所用儀器與繪制的標準圖譜在分辨率與精度上的差別，可能導致某些峰的結構有細微差別。

b.未知物的測繪條件一致，否則圖譜會出現很大差別。當測定溶液樣品時，溶劑的影響大，測定必須要求一致，以免得出錯誤結論。若只是濃度不同，只會影響峰的強度而每個峰之間的相對強度是一致的。

c.應盡可能避免雜質的引入，因為雜質的引入必定干擾特征吸收帶。如水的存在會引進水的吸收帶等。

儀器與試劑

（1）儀器　IRAffinity-1型傅里葉變換紅外光譜儀；手壓式壓片機（包括壓模等）；瑪瑙研缽；可拆式液體池；試樣架。

（2）試劑　丙酮；石蠟油；滑石粉；對硝基苯甲酸；苯乙酮試劑；KBr；無水乙醇；苯甲醛等。

實驗步驟

（1）固體樣品對硝基苯甲酸的紅外光譜的測繪　取樣品（已干燥）1～2mg，在瑪瑙研缽中充分磨細后，再加入100～200mg干燥的KBr，繼續研磨至完全混勻，顆粒的直徑約為2mm。取出約100mg混合物裝于干凈的壓模內（均勻鋪灑在壓模內）于壓片機上在45kPa壓力下，壓制30s，制成透明薄片。將此透明薄片裝于樣品架上，放于IRAffinity-1型傅里葉變換紅外光譜儀的樣品池中。若透光率達到40%以上，即可進行掃譜。從4000cm^-1掃至400cm^-1為止。若透光率未達40%，則重新壓片。掃譜結束后，取下樣品架，取出薄片，按要求將模具、樣品架等擦凈收好。

（2）純液體樣品苯乙酮（或苯甲醛）的紅外光譜的測繪

①樣品池的準備　戴上指套，將可拆式液體樣品池的兩個鹽研片從干燥器中取出后，在紅外燈下用少許滑石粉混入幾滴無水乙醇磨光其表面。用軟紙擦凈后，滴加無水乙醇1～2滴，用吸水紙擦洗干，反復數次，然后將鹽研片放于紅外燈下烘干備用。

②液體樣品的測試　在兩鹽研片之間滴半滴液體于鹽研片上。將另一鹽研片平壓在上面（注意，不能有氣泡），再將另一金屬片蓋上，對角方向旋緊螺釘，將鹽研片夾緊在其中。把此液體池放于IRAffinity-1型傅里葉變換紅外光譜儀的樣品池，進行掃譜。

③掃譜結束后，取下樣品池，松開螺釘，套上指套，小心取出鹽研片。先用軟紙擦凈液體，滴上無水乙醇，洗去樣品（千萬不能用水洗，要用無水乙醇洗）。然后，再于紅外燈下用滑石粉及無水乙醇進行拋光處理。最后，用無水乙醇將表面洗干凈，擦干、烘干。將鹽研片收入干燥器中保存。

數據處理

把掃譜得到的譜圖與已知標準譜圖進行對照比較，并找出主要吸收峰的歸屬。

注意事項

（1）固體樣品經研磨（在紅外燈下）后仍應隨時注意防止吸水，否則壓出的錠片易粘在模具上。

（2）可拆式液體池的鹽研片應保持干燥透明，每次測定前后均應反復用無水乙醇及滑石粉進行拋光處理（在紅外燈下），但切勿用水洗。

思考題

（1）傅里葉變換紅外光譜儀與紫外-可見分光光度計在光路設計上有何不同？為什么？

（2）簡述固體樣品的制樣方法及注意事項。

（3）簡述液體樣品的制樣方法及注意事項。

3.5.2　苯甲酸及其未知物的紅外光譜測定

實驗目的

（1）掌握紅外光譜分析時固體樣品的壓片法樣品制備技術。

（2）學習傅里葉變換紅外光譜儀的工作原理、構造和使用方法，并熟悉基本操作。

（3）學習紅外光譜與分子結構的關系。

實驗原理

（1）紅外光譜儀原理　紅外輻射光照射到物質分子時，如果分子某個基團的振動頻率和紅外輻射頻率一致且伴有分子偶極矩的變化，此時，光的能量通過分子偶極矩的變化傳遞給分子，這個基團就吸收一定頻率的紅外光，產生振動躍遷（由原來的基態躍遷到了較高的振動能級），從而產生紅外吸收光譜。由于振動能級的躍遷伴隨轉動能級的躍遷，因此所得的紅外光譜不是簡單的吸收線，而是一個吸收帶。一般將紅外區劃分為三個區域：近紅外區（4000～2820cm^-1）、中紅外區（2820～400cm^-1）和遠紅外區（400～33cm^-1）。中紅外區正好適于研究大部分有機化合物的分子振動基頻。

用連續改變頻率的紅外光照射某試樣，將分子吸收紅外光的情況用儀器記錄下來，就得到試樣的紅外吸收光譜圖，圖3-14為苯甲酸的紅外光譜圖。紅外光譜圖的橫坐標是紅外光的波數（波長的倒數），縱坐標是透射率，它表示紅外光照射在樣品薄膜上時，光能透過的程度。制樣方法的選擇和制樣技術的好壞直接影響譜帶的頻率、數目和強度。

（2）紅外吸收光譜與分子結構的關系　特征頻率區（或基團頻率區）（4000～1298cm^-1）中的吸收峰基本是由基團的伸縮振動產生，數目不是很多，但具有很強的特征性，因此在基團鑒定工作上很有價值，主要是X—H，CX和的伸縮振動，用于鑒定官能團。在不同化合物中，同一種官能團的吸收振動總是出現在一個窄的波數范圍內，但它不是出現在一個固定波數上，具體出現在哪一波數，與基團在分子中所處的環境有關。如羰基，不論是在酮、酸、酯或酰胺類等化合物中，其伸縮振動總是在1870～1650cm^-1出現一個強吸收峰。

指紋區（1298～600cm^-1）的情況不同，該區峰多而復雜，沒有強的特征性，主要是由一些單鍵C—O、C—N和C—X（鹵素原子）等的伸縮振動及C—H、O—H等含氫基團的彎曲振動以及C—C骨架振動產生。當分子結構稍有不同時，該區的吸收就有細微的差異。像每個人都有不同的指紋，因而稱為指紋區。指紋區可以識別一些特定分子。

（3）苯甲酸的相關性質　苯甲酸為無色、無味片狀晶體，分子式為C₆H₅COOH，又稱安息香酸，熔點為122.13℃，沸點為249℃，相對密度為1.2659（15℃/4℃）。

由于氫鍵的作用，苯甲酸通常以二分子締合體的形式存在。只有在測定氣態樣品或非極性溶劑的稀溶液時，才能看到游離態苯甲酸的特征吸收。用固體壓片法得到的紅外光譜中顯示的是苯甲酸二分子締合體的特征，在3000～2400cm^-1處是O—H伸展振動峰，峰寬且散；由于受氫鍵和芳環共軛兩方面的影響，苯甲酸締合體的CO伸縮振動吸收移到1800～1700cm^-1處，而游離CO伸縮振動吸收是在1730～1710cm^-1處；苯環上的CO伸縮振動吸收出現在1500～1480cm^-1和1610～1590cm^-1處，這兩處特征吸收峰是鑒別有無芳環的標志之一。苯甲酸分子中各原子基團的基頻峰在4000～650cm^-1范圍內，見表3-3。

（4）壓片法　將固體樣品與鹵化物（通常是KBr）混合研細，并壓成透明片狀，然后放到紅外光譜儀上進行分析，這種方法就是壓片法，有時候也直接稱為溴化鉀（KBr）壓片法。壓片法所用鹵化物需要盡可能地干燥，其純度一般應達到分析純，除了前面提到的KBr外，可采用的鹵化物還有NaCl和KI等。其中NaCl的晶格能較大，很難壓成透明的薄片，而KI純度一般不高，不易精制，因此實際測試中，一般采用KBr或KCl作樣品載體，尤其以KBr用得多。

儀器與試劑

（1）儀器　空調機；IRAffinity-1型傅里葉變換紅外光譜儀；KBr壓片器及附件；壓片機；模具和干燥器；瑪瑙研缽；藥匙；鏡頭紙及紅外燈。

（2）試劑　苯甲酸粉末；光譜純KBr粉末；丙酮。

實驗步驟

（1）開啟空調機，使室內溫度控制在18～20℃，相對濕度≤65%。

（2）將所有的模具用丙酮擦拭干凈，在紅外燈下烘烤。

（3）在紅外燈下將150mg左右預先在110℃烘干48h以上，并保存在干燥器內的溴化鉀置于潔凈的瑪瑙研缽中進行研磨，研磨成均勻、細小的顆粒。

（4）將KBr裝入模具，在壓片機上壓片，加壓至45kPa時，保壓30s之后解除壓力。

（5）打開傅里葉變換紅外光譜儀，將壓好的薄片裝機，設置背景的各項參數之后，進行測試，得到背景的掃描譜圖。

（6）取一定量的樣品（樣品∶KBr=1∶100）放入研缽中研細，然后重復上述步驟得到試樣的薄片。

（7）將樣品的薄片固定好，裝入紅外光譜儀，設置樣品測試的各項參數后進行測試，得到苯甲酸的紅外光譜圖。

（8）刪掉背景譜圖，對樣品譜圖進行編輯和修飾，并標注出吸收峰值，保存試樣的紅外光譜圖。

（9）在紅外光譜儀自帶的譜圖庫中進行檢索，檢出相關度較大的已知物標準譜圖，對樣品的譜圖進行解讀，參考標準譜圖從而得出鑒定結果。

數據處理

（1）在苯甲酸標樣和試樣紅外光譜圖上，標出各特征吸收峰的波數，并確定其歸屬。

（2）將苯甲酸試樣光譜圖和苯甲酸標準光譜圖進行對比，如果兩張圖上的各特征吸收峰強度一致，則可認為該試樣是苯甲酸。

注意事項

（1）樣品必須預先純化，保證純度。

（2）樣品必須保持干燥，避免損壞儀器和水峰對樣品譜圖的干擾。

（3）制得的晶片透光度大于40%，且完整而沒有裂痕。

思考題

（1）影響樣品紅外光譜圖質量的因素有哪些？

（2）用壓片法制樣時，為什么要求將固體試樣研磨到顆粒粒度為2μm左右？

（3）為什么要求KBr粉末干燥，避免其吸水受潮？

（4）紅外光譜實驗室為什么對溫度和相對濕度要維持一定的指標？

3.5.3　紅外光譜法定量測定苯酚類羥基

實驗目的

（1）掌握紅外光譜定量分析的方法。

（2）了解去除有機酸干擾的方法。

實驗原理

羥基在紅外區有強吸收，但是由于含羥基的物質本身分子間有氫鍵作用，或者由于極性分子間的氫鍵締合而影響吸收峰的位置、形狀及強度，常常會造成吸光度與濃度間的線性關系被干擾，以致無法用紅外光譜法直接定量。為了克服用紅外光譜法測定苯酚類物質時所遇到的干擾，可采用溴化反應使苯酚的羥基的伸縮振動由原來的3584cm^-1移至3521cm^-1。這種位移可能由鄰位Br原子與—OH基團形成分子內氫鍵所致。如果苯酚的2位及6位都被取代了或由于位阻效應使Br原子無法進入酚羥基的鄰位時，都沒有這種伸縮振動位移現象。有機酸在3521cm^-1處有少量吸收干擾。為了避免這種干擾，可用碳酸氫鈉溶液萃取溶有苯酚類試樣的四氯化碳溶液，以除去有機酸。

儀器與試劑

（1）儀器　IRAffinity-1型傅里葉變換紅外光譜儀；可拆式液體樣品池；研片；紅外燈；分液漏斗等。

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

實驗步驟

由苯酚和溴水反應得到三溴苯酚沉淀。將沉淀過濾，洗滌干凈并用紅外燈烘干。冷卻后，稱取樣品0.1g，加入10mL CCl₄溶液，再加入5mL10%Na₂SO₃溶液于分液漏斗中搖振15min，三溴苯酚進入四氯化碳層。在另一支分液漏斗中，將四氯化碳萃取液與50mL2%NaHCO₃溶液搖振5min。放出四氯化碳層，經濾紙過濾以除去懸浮的水滴。然后，在紅外光譜儀上于4000～400cm^-1區域掃描記錄吸光度。

配制一系列標準的2，4，6-三溴苯酚-四氯化碳溶液（如5%、10%、15%、20%等），在3521cm^-1處分別測量各溶液的吸光度，繪制標準曲線。

數據處理

由實驗結果繪制出A-c標準曲線，在曲線上找出被測組分對應的濃度，根據樣品量測出其含量。

注意事項

（1）本實驗所用的液體樣品池內研片間的寬度始終應保持一致，故金屬墊片厚度應一致。

（2）液體樣品應用注射器注入液體池中。

思考題

（1）如何避免溶劑對吸光度的干擾？

（2）如何保證儀器的準確度？