羟基红外基本原理、特征峰、注意事项大全

羟基（-OH）由O-H键组成，其红外吸收主要源于O-H键的伸缩振动（νₒ‐ₕ）和O-H键的弯曲振动（δₒₕ）。由于羟基易形成氢键或与其他原子（如金属离子）相互作用，其振动频率会随化学环境变化，因此可通过特征峰位置、强度及峰形推断羟基的存在形式。

羟基的红外吸收主要集中在两个区域，核心是伸缩振动峰（用于判断羟基类型和相互作用）：

O-H伸缩振动（νₒ‐ₕ）：

位置：通常在3000-3700cm-¹范围内，是羟基最特征的吸收峰，峰形和位置受氢键影响极大。

细分类型：

游离羟基（未形成氢键）：吸收峰尖锐，位于3600-3700cm-¹（如孤立的醇羟基、分子筛中的孤立硅羟基Si-OH）。

分子间氢键羟基：形成氢键后，O-H键键能降低，振动频率向低波数移动，峰形宽化，位置多在3200-3500cm-¹（如液态水、乙醇中的缔合羟基）。

分子内氢键羟基：如邻硝基苯酚的羟基与硝基形成分子内氢键，峰位通常在3200-3400cm-¹，峰形较窄（区别于分子间氢键的宽峰）。

离子型羟基（如M-OH，M为金属离子）：如氢氧化物（Al-OH、Mg-OH）中的羟基，峰位多在3400-3600cm-¹，具体位置随金属电负性变化（金属电负性越强，峰位越高）。

O-H弯曲振动（δₒ‐ₕ）：

位置：通常在1600-1650cm-¹（液态或固态水的弯曲振动，峰形宽）或1300-1420cm-¹（如醇类的面内弯曲振动），强度较弱，多用于辅助确认羟基存在。

羟基的红外吸收受化学环境影响显著，核心影响因素包括：

氢键作用：

是最主要的影响因素。形成氢键后，O-H键的电子云密度向电负性强的原子（如O、N）偏移，键长变长、键能降低，导致伸缩振动峰向低波数（红移）移动，且峰形宽化（氢键越强，红移越显著，峰越宽）。

例：游离水的羟基（气态）在3650cm-¹左右，液态水因分子间氢键缔合，峰位移至3400cm-¹左右，且峰形宽而强。

取代基效应：

羟基所连基团的电负性会影响O-H键极性：

连有吸电子基团（如-Cl、-NO₂）时，O-H键极性增强，键能升高，峰位向高波数（蓝移）移动（如三氯乙醇的羟基峰比乙醇高）。

连有供电子基团（如-CH₃）时，O-H键极性减弱，峰位略向低波数移动。

状态（气态、液态、固态）：

气态：分子间距离远，多为游离羟基，峰尖锐（如气态甲醇的νₒ‐ₕ在3640cm-¹）。

液态/固态：分子间距离近，易形成氢键，峰宽化且红移（如液态甲醇的νₒ‐ₕ在3340cm-¹）。

样品浓度：

对于醇、酚等，低浓度时分子间氢键少，游离羟基峰（3600-3700cm-¹）明显；高浓度时缔合羟基峰（3200-3500cm-¹）占主导。

固体样品：粉末（如分子筛、氢氧化物）需研磨至细颗粒，避免散射干扰；可采用KBr压片法（注意干燥，避免KBr吸潮引入水的羟基峰）或漫反射法。

液体样品：纯液体可直接涂在盐片（如NaCl、KBr）上，或用溶剂稀释（选择无羟基的溶剂，如CCl₄、CS₂）。

避免水分干扰：测试环境需干燥（如红外仪配备除湿装置），样品需提前烘干（尤其是易吸潮的材料，如氧化物、分子筛）。

透射红外：适用于薄片、薄膜或KBr压片样品，分辨率高，适合定量分析。

漫反射红外（DRIFT）：适用于粉末样品，无需制样（直接填充样品杯），适合原位表征（如升温过程中羟基的变化）。

衰减全反射红外（ATR）：适用于液体或表面分析，无需破坏样品，操作简便。

材料表面羟基表征：

如分子筛（ZSM-5、Y型）表面的硅羟基（Si-OH，3740cm-¹左右的尖锐峰）和铝羟基（Al-OH，3600-3650cm-¹），通过峰强度可判断表面羟基密度，与催化剂活性直接相关（如羟基是某些反应的活性位点）。

金属氧化物（如Al₂O₃、TiO₂）表面的羟基类型（单齿、双齿、桥连羟基），其峰位分别在3700cm-¹、3670cm-¹、3620cm-¹左右，可用于评估材料的表面活性。

氢键作用研究：

如聚合物（如聚乙烯醇PVA）中羟基的分子间氢键，峰位在3300cm-¹左右，通过峰形变化可分析温度、湿度对氢键稳定性的影响。

药物分子中的羟基与其他基团（如羰基C=O）的分子内氢键，可通过红外峰确认其空间结构（影响药物的溶解度和稳定性）。

水分含量与状态分析：

材料中的吸附水（分子间氢键，3400cm-¹宽峰）与结晶水（如CuSO₄・5H₂O中的配位水，峰位略低）可通过羟基峰形和位置区分，结合热重分析（TG）可定量水分含量。

化学反应监控：

如酯化反应中，醇的羟基峰（3300cm-¹）随反应进行逐渐减弱，同时生成酯的羰基峰（1740cm-¹）增强，可实时跟踪反应进度。

水分干扰：空气中的水或样品吸潮会在3400cm-¹左右产生强宽峰，需严格控制实验环境（如使用干燥箱、氮气保护），并扣除背景中的水峰。

峰重叠：羟基峰可能与胺基（-NH₂，3300-3500cm-¹）、炔氢（-C≡C-H，3300cm-¹左右）的峰重叠，需结合其他特征峰（如胺基的弯曲振动峰、炔基的伸缩振动峰）区分。

原位测试：研究温度、气氛对羟基的影响时（如升温脱附羟基），需使用原位红外池，确保在可控条件下（如真空、惰性气体）测试，避免外界干扰。

羟基红外的核心是通过3000-3700cm-¹范围内的伸缩振动峰，分析羟基的存在形式（游离/缔合）、氢键作用及化学环境，是研究物质表面性质、分子间相互作用及化学反应的重要工具。测试中需重点排除水分干扰，并结合样品的物理化学性质（如状态、取代基）解读红外谱图。

本文源自微信公众号：科研测试站

原文标题：《羟基红外基本原理、特征峰、注意事项大全》

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