background image

Infrared Spectroscopy

Infrared Spectroscopy

background image

2

2

Introduction

Introduction

Spectroscopy is an analytical 

Spectroscopy is an analytical 

technique which helps determine 

technique which helps determine 

structure

structure

It destroys little or no sample

It destroys little or no sample

The amount of light absorbed by the 

The amount of light absorbed by the 

sample is measured as wavelength is 

sample is measured as wavelength is 

varied

varied

background image

3

3

Types of Spectroscopy

Types of Spectroscopy

Infrared (IR) spectroscopy

Infrared (IR) spectroscopy

measures the bond vibration frequencies in a molecule 

measures the bond vibration frequencies in a molecule 

and is used to determine the functional group

and is used to determine the functional group

Mass spectrometry (MS)

Mass spectrometry (MS)

fragments the molecule and measures the masses

fragments the molecule and measures the masses

Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy

Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy

detects signals from hydrogen atoms and can be used to 

detects signals from hydrogen atoms and can be used to 

distinguish isomers 

distinguish isomers 

Ultraviolet (UV) spectroscopy

Ultraviolet (UV) spectroscopy

uses electron transitions to determine bonding patterns

uses electron transitions to determine bonding patterns

background image

4

4

Electromagnetic Spectrum

Electromagnetic Spectrum

Frequency and wavelength are inversely proportional

Frequency and wavelength are inversely proportional

c

c

 = 

 = 





, where 

, where 

c

c

 is the speed of light

 is the speed of light

Energy per photon = 

Energy per photon = 

h

h

, where 

, where 

h

h

 is Planck’s constant

 is Planck’s constant

background image

5

5

The Spectrum and Molecular 

The Spectrum and Molecular 

Effects

Effects

=
>

background image

6

6

The IR Region

The IR Region

Just below red in the visible region

Just below red in the visible region

Wavelengths usually 2.5-25 

Wavelengths usually 2.5-25 

m

m

More common units are wavenumbers, 

More common units are wavenumbers, 

or cm

or cm

-1

-1

, the reciprocal of the wavelength 

, the reciprocal of the wavelength 

in centimeters (4000-400 cm

in centimeters (4000-400 cm

-1

-1

)

)

Wavenumbers are proportional to 

Wavenumbers are proportional to 

frequency and energy

frequency and energy

background image

7

7

Molecular Vibrations

Molecular Vibrations

Light is absorbed when radiation frequency 

Light is absorbed when radiation frequency 

= frequency of vibration in molecule

= frequency of vibration in molecule

Covalent bonds vibrate at only certain 

Covalent bonds vibrate at only certain 

allowable frequencies

allowable frequencies

Associated with types of bonds and movement 

Associated with types of bonds and movement 

of atoms

of atoms

Vibrations include stretching and bending

Vibrations include stretching and bending

background image

8

8

IR Spectrum

IR Spectrum

No two molecules will give exactly the same IR 

No two molecules will give exactly the same IR 

spectrum (except enantiomers)

spectrum (except enantiomers)

Simple stretching:  1600-3500 cm

Simple stretching:  1600-3500 cm

-1

-1

Complex vibrations:  400-1400 cm

Complex vibrations:  400-1400 cm

-1

-1

, called the 

, called the 

“fingerprint region”

“fingerprint region”

Baseline

Absorbanc
e/Peak

background image

9

9

Interpretation

Interpretation

Looking for presence/absence of 

Looking for presence/absence of 

functional groups

functional groups

Correlation tables

Correlation tables

Wade: Ch. 12 and Appendices 2A and 2B

Wade: Ch. 12 and Appendices 2A and 2B

BTC: Chapter 11

BTC: Chapter 11

A polar bond is usually IR-active

A polar bond is usually IR-active

A nonpolar bond in a symmetrical 

A nonpolar bond in a symmetrical 

molecule will absorb weakly or not at all

molecule will absorb weakly or not at all

background image

10

10

Carbon-Carbon Bond 

Carbon-Carbon Bond 

Stretching

Stretching

Stronger bonds absorb at higher frequencies:

Stronger bonds absorb at higher frequencies:

C-C     1200 cm

C-C     1200 cm

-1

-1

C=C    1660 cm

C=C    1660 cm

-1

-1

C

C

C     2200 cm

C     2200 cm

-1  

-1  

(weak or absent if internal)

(weak or absent if internal)

Conjugation lowers the frequency:

Conjugation lowers the frequency:

isolated C=C     

isolated C=C     

1640-1680 cm

1640-1680 cm

-1

-1

conjugated C=C   

conjugated C=C   

1620-1640 cm

1620-1640 cm

-1

-1

aromatic C=C    

aromatic C=C    

approx. 1600 cm

approx. 1600 cm

-1 

-1 

background image

11

11

Carbon-Hydrogen Stretching

Carbon-Hydrogen Stretching

Bonds with more 

Bonds with more 

s

s

 character absorb 

 character absorb 

at a higher frequency

at a higher frequency

sp

sp

3

3

 C-H, just below 3000 cm

 C-H, just below 3000 cm

-1

-1

 (to the 

 (to the 

right)

right)

sp

sp

2

2

 C-H, just above 3000 cm

 C-H, just above 3000 cm

-1

-1

 (to the 

 (to the 

left)

left)

sp

sp

 C-H,  at 3300 cm

 C-H,  at 3300 cm

-1 

-1 

background image

12

12

An Alkane IR Spectrum

An Alkane IR Spectrum

background image

13

13

An Alkene IR Spectrum

An Alkene IR Spectrum

background image

14

14

An Alkyne IR Spectrum

An Alkyne IR Spectrum

background image

15

15

O-H and N-H Stretching

O-H and N-H Stretching

Both of these occur around 3300 cm

Both of these occur around 3300 cm

-

-

1

1

, but they look different

, but they look different

Alcohol O-H, broad with rounded tip

Alcohol O-H, broad with rounded tip

Secondary amine (R

Secondary amine (R

2

2

NH), broad with one 

NH), broad with one 

sharp spike

sharp spike

Primary amine (RNH

Primary amine (RNH

2

2

), broad with two 

), broad with two 

sharp spikes

sharp spikes

No signal for a tertiary amine (R

No signal for a tertiary amine (R

3

3

N)

N)

background image

16

16

An Alcohol IR Spectrum

An Alcohol IR Spectrum

background image

17

17

An Amine IR 

An Amine IR 

Spectrum

Spectrum

background image

18

18

Carbonyl Stretching

Carbonyl Stretching

The C=O bond of simple ketones, 

The C=O bond of simple ketones, 

aldehydes, and carboxylic acids absorb 

aldehydes, and carboxylic acids absorb 

around 1710 cm

around 1710 cm

-1

-1

Usually, it’s the strongest IR signal

Usually, it’s the strongest IR signal

Carboxylic acids will have O-H also

Carboxylic acids will have O-H also

Aldehydes have two C-H signals around 

Aldehydes have two C-H signals around 

2700 and 2800 cm

2700 and 2800 cm

-1

-1

background image

19

19

A Ketone IR 

A Ketone IR 

Spectrum

Spectrum

background image

20

20

An Aldehyde IR Spectrum

An Aldehyde IR Spectrum

background image

21

21

O-H Stretch of a Carboxylic 

O-H Stretch of a Carboxylic 

Acid

Acid

This O-H absorbs broadly, 2500-3500 cm

This O-H absorbs broadly, 2500-3500 cm

-

-

1

1

, due to strong hydrogen bonding

, due to strong hydrogen bonding

background image

22

22

Variations in C=O Absorption

Variations in C=O Absorption

Conjugation of C=O with C=C lowers the stretching 

Conjugation of C=O with C=C lowers the stretching 

frequency to ~1680 cm

frequency to ~1680 cm

-1

-1

The C=O group of an amide absorbs at an even 

The C=O group of an amide absorbs at an even 

lower frequency, 1640-1680 cm

lower frequency, 1640-1680 cm

-1

-1

The C=O of an ester absorbs at a higher frequency, 

The C=O of an ester absorbs at a higher frequency, 

~1730-1740 cm

~1730-1740 cm

-1

-1

Carbonyl groups in small rings (5 C’s or less) 

Carbonyl groups in small rings (5 C’s or less) 

absorb at an even higher frequency

absorb at an even higher frequency

background image

23

23

An Amide IR 

An Amide IR 

Spectrum

Spectrum

background image

24

24

Carbon - Nitrogen 

Carbon - Nitrogen 

Stretching

Stretching

C - N absorbs around 1200 cm

C - N absorbs around 1200 cm

-1

-1

C = N absorbs around 1660 cm

C = N absorbs around 1660 cm

-1

-1

 and is much 

 and is much 

stronger than the C = C absorption in the same 

stronger than the C = C absorption in the same 

region

region

 N absorbs strongly just 

 N absorbs strongly just 

above

above

 2200 cm

 2200 cm

-1

-1

.  

.  

The alkyne C 

The alkyne C 

 C signal is much weaker and is 

 C signal is much weaker and is 

just 

just 

below

below

 2200 cm

 2200 cm

-1 

-1 

background image

25

25

A Nitrile IR Spectrum

A Nitrile IR Spectrum

background image

26

26

Summary of IR Absorptions

Summary of IR Absorptions

background image

27

27

Strengths and Limitations

Strengths and Limitations

IR alone cannot determine a structure

IR alone cannot determine a structure

Some signals may be ambiguous

Some signals may be ambiguous

The functional group is usually indicated

The functional group is usually indicated

The 

The 

absence

absence

 of a signal is definite proof 

 of a signal is definite proof 

that the functional group is absent

that the functional group is absent

Correspondence with a known sample’s IR 

Correspondence with a known sample’s IR 

spectrum confirms the identity of the 

spectrum confirms the identity of the 

compound

compound


Document Outline