红外与拉曼的区别

有机化合物的机构表征，即测定——从分子水平上认识物质的基本手段，是有机化学的重要组成部分。过去主要是依靠化学手段来进行有机化合物的机构测定。其缺点是费时费力费钱，且需要的样品量大。例如吗啡碱结构的测定，从1805年开始研究，直至1952年才完全弄清楚，历时147年。现在的结构测定则是采用现代仪器分析法，它具有省时省力省钱快速的优点。它不仅可以研究分子的结构还可以探索分子间的各种聚集态的结构类型和构象的状况，对于人类面临的生命科学，材料科学的发展，是极其重要的。这里我简单调研了两种比较有用的方法：红外光谱和拉曼光谱。红外光谱分子的总能量有以下几种能量组成：。其中电子能一般是紫外光谱和可见光谱，也正是电子能的存在才有了我们一般看到的各种化合物的颜色；而振动能和转动能一般所需的能量较低，波长较长，在不同的振动和转动得能级之间进行跃迁，而产生的在红外波段的光谱就是红外光谱。即使是最简单的水分子，也有不同的振动模式，以最简单的不改变键角的沿轴振动为例，两个氢原子可以是对称地同时向氧原子靠近或离开，也可以是反对称一个靠近氧原子，一个离开氧原子。当然，还会有其它形式的振动和转动，例如改变键角的剪式振动和摇摆振动。下面是亚甲基的各种振动类型：由力学知识可知：由n个原子组成的分子有3n-6个（线性分子为3n-5个）振动模式，例如：上述振动虽然不改变极性分子中正、负电荷中心的电荷量，却改变着正、负电中心间的距离，导致分子偶极矩的变化。相应这种变化，分子中总是存在着不同的振动状态，有着不同的振动频率，因而形成不同的振动能级。能级间的能量差与红外光子的能量相当。选择吸收当一束连续波长的红外光透过极性分子材料时，某一波长的红外光的频率若与分子中某一原子或基团的振动频率相同时，即发生共振。这时，光子的能量通过分子偶极矩的变化传递给分子，导致分子对这一频率的光子的，从振动基态激发到振动激发态，产生振动能级的跃迁。值得注意的是：正是由于偶极矩的变化才导致了红外吸收，所以对于那些对称原子组成的分子振动不会改变偶极矩，自然也就不会产生红外吸收，对于这样的分子，拉曼光谱方法会更有效，我会在下面讲到。总结了大量的红外光谱数据后，发现具有同一类型的化学键或者功能团的不同化合物，其红外吸收频率总是出现在一定的波数范围之内。我们把这种能代表某基团，比具有较高强的吸收峰，称为该基团的特征吸收峰（功能团吸收峰）。下面是红外光谱的八个峰区：其中4000-1400又叫做功能团区，该区域出现的吸收峰较为稀疏，容易辨认。1400-400区域又叫做指纹区，这一区域主要是各种单键和各种弯曲振动的吸收峰，由于此类振动模式的多样使得该区谱带密集，难以辨认。这样我们就可以预先通过已知结构化合物的红外吸收光谱来确定某一个特定的功能团的吸收峰，然后再在未知结构化合物的吸收光谱中寻找不同的吸收峰对应的功能团，来确定其功能团组成，为其进一步的结构测定提供帮助。但是在吸收谱线中功能团与吸收峰并非是一一对应的，还有其它不同的因素去影响基团吸收频率，使之产生位移，例如电子效应，共轭效应，诱导效应，空间效应和氢键的影响。总的来说都是通过改变键的极性或者键长，来使化学键的力常数发生变化，从而改变对应的吸收频率。下面是双光束红外光谱仪光路图：拉曼光谱拉曼辐射理论是1923年由德国物理学家A.Smekal首先预言的，1928年印度物理学家C.V.Raman观察到苯和甲苯的效应，在此基础上发展起了拉曼光谱学。60年代激光被用作拉曼光谱的激发光源之后，由于激光的优越性，从而大大提高了拉曼散射的强度，使拉曼光谱进入了一个新时期，得到了日益广泛的应用。当入射光子与物质相互作用时，除了会发生Rayleigh散射（光子发生弹性碰撞，无能量交换，仅改变方向）外，还会发生Raman散射：碰撞过程中，光子与分子之间发生能量交换，光子不仅改变运动方向，而且改变频率，称为Raman散射。能量的改变过程一般是分子由初能级跃迁到一个虚能级上，然后再由虚能级跌落到终能级上。由初能级和终能级之间的大小关系可将谱线分为stokes谱线（能级升高）和anti-stokes谱线（能级降低），由Boltzman分布可知分子绝大多数处于振动能级基态，所以斯托克斯线的强度远远强于反斯托克斯线。下面是的谱线：Stokes谱线anti-stokes谱线Raman散射的产生是由于在光电场E中，分子产生诱导偶极距，其中=E，为分子极化率。从这里可以看出，当分子极化率发生改变时，便会出现拉曼光谱，而不像红外光谱对对称分子免疫。一般说来：拉曼光谱和红外光谱可以互相补充。对于具有对称中心的分子来说，具有一个互斥规则：与对称中心有对称关系的振动，红外不可见，拉曼可见；与对称中心无对称关系的振动，红外可见，拉曼不可见。下面是红外与拉曼光谱的对比：下面是拉曼光谱的一些具体优点：1.一些在红外光谱中为弱吸收或强度变化的谱带，在拉曼光谱中可能为强谱带，从而有利于这些基团的检出。2.拉曼光谱低波数方向的测定范围宽，有利于提供重原子的振动信息。3.对于结构的变化，拉曼光谱有可能比红外光谱更敏感。4.特别适合于研究水溶液体系。5.比红外光谱有更好的分辨率。6.固体样品可直接测定，无需制样。总的来说，拉曼光谱和红外光谱可以互补去测定复杂分子的结构。