Phương pháp phân tích phổ IR co bai tap

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP PHỔ HỒNG NGOẠI (PHỔ IR)
2.1. Khái niệm phổ hồng ngoại
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 0,75µm (750nm) đến 300µm.
Trong phương pháp phổ IR, người ta sử dụng các bức xạ từ 2,5µm đến 16µm.
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.
1


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

Để mô tả đặc trưng bức xạ hồng ngoại thường sử dụng số sóng là cm -1. Vùng phổ IR từ
2,5µm đến 16µm 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.

2


CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP PHỔ HỒNG NGOẠI (PHỔ IR)
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
3


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

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

4


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

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 Ed và năng lượng quay Eq .
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 µ của phân tử mới bị kích thích
bởi bức xạ hồng ngoại

5


CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP PHỔ HỒNG NGOẠI (PHỔ IR)
Người ta phân chia các dao động riêng thành 2 loại chính:
1. Dao động hóa trị 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.
2. Dao động biến dạng 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.

6


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

Ví dụ:
phân tử CO2 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
+

+

dao động biến dạng

Các dạng dao động riêng của phân
tử CO2
Hai dao động biến dạng này có cùng 1 mức năng lượng bởi vì chúng hoàn toàn giống nhau.

7


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

Phân tử H2O 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 biến dạng
dao động hóa trị bất đối xứng

Các dạng dao động riêng của phân tử H2O

8


CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP PHỔ HỒNG NGOẠI (PHỔ IR)
Các dạng dao động của liên kết C-H trong hợp chất hữu cơ
Cắt kéo

9

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

10


CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP PHỔ HỒNG NGOẠI (PHỔ IR)
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 nho
thì tần số hấp thụ của liên kết càng lớn
Ví dụ: lực liên kết tăng khi chuyển từ liên kết đơn sang liên kết đôi và liên kết ba, tương
ứng là sự gia tăng tần số dao động hóa trị
700cm-1 ÷ 1500cm-1 (liên kết đơn)
1600cm-1 ÷ 1800cm-1 (liên kết đôi)
2000cm-1 ÷ 2500cm-1 (liên kết ba)

11


CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP PHỔ HỒNG NGOẠI (PHỔ IR)
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
C-C
C-O
C-Cl
C-I

3000 cm-1
1200 cm-1
1100 cm-1
750 cm-1
500 cm-1

Dao đông hóa trị của liên kết C-H phụ thuôôc vào đôô lai hóa của liên kết theo
thứ tự: sp > sp2 > sp3
C-H sp
C-H sp2
C-H sp3

3300 cm-1
3100 cm-1
2900 cm-1
12


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

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;
C≡N thường rất mạnh.

13


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

Percent transmitance

Ankan

CH3 b

sp3 C-H s

CH2 b

Wavenumber (cm-1)
14


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

C-H dd hóa trị
3000 – 2840 cm-1
CH2 dd biến dạng 1465 cm-1 ,
CH3 dd biến dạng
CH2 (four or more CH2 groups) rocking at 720 cm-1

1375 cm-1

15


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

Note lack of long-chain bend and CH3 bend in above spectrum

16


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

17


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



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

18


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

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
19


CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP PHỔ HỒNG NGOẠI (PHỔ IR)
 The strength of the C=C stretch can serve to differentiate between cis and trans isomers

CH2 bend

The cis isomer – more intense C=C stretch
Note the single large peak at 700 cm-1 (indicates cis isomer)
20


CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP PHỔ HỒNG NGOẠI (PHỔ IR)
The trans isomer – less intense C=C stretch than cis isomer

Note the band near 970 cm–1 (indicates trans isomer)
21


CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP PHỔ HỒNG NGOẠI (PHỔ IR)
Ankin
C H stretching frequency is approximately 3300 cm -1(still higher than for alkanes

or alkenes)
 C C stretch occurs at approximately 2150 cm-1(but not observed if alkyne is symmetric)

22


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

An symmetric alkyne

23

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

24


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



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

25