Spectroscopie infrarouge

La spectroscopie FTIR permet aux chercheurs de mesurer les tendances et les profils de réaction en temps réel, en délivrant des informations très spécifiques sur la cinétique, le mécanisme, le chemin de la réaction ainsi que sur l'influence des variables sur les performances de réaction.  Basé sur la spectroscopie FTIR in situ, le spectromètre infrarouge ReactIR surveille directement les réactifs, les produits intermédiaires, les produits et produits dérivés qui se transforment au cours de la réaction.  ReactIR apporte des informations critiques aux chercheurs au cours des phases de recherche, de développement et d'optimisation de composés chimiques, de chemins de synthèse ou de procédés chimiques.

Afin de comprendre les réactions chimiques, les chimistes doivent répondre aux questions suivantes :

• Quand la réaction débute-t-elle ? Quand la réaction s'arrête-t-elle ?
• Quelle est la cinétique de réaction et quel est son mécanisme ?
• Quel est l'effet des produits intermédiaires transitoires ?
• La réaction est-elle conforme aux attentes ? Des produits dérivés se sont-ils formés, et pourquoi ?
• Que se passe-t-il si la température de réaction, la vitesse de dosage ou la vitesse de mélange change ?

Pour obtenir les meilleures données possibles et analyser rapidement les réactions, la spectroscopie infrarouge FTIR ReactIR s'appuie sur cinq fonctionnalités qui permettent à tous les chimistes (experts ou non) de bien comprendre les réactions en cours.

Sonde, détecteur, logiciel : tous les composants de ReactIR ont été optimisés pour une utilisation dans la région d'empreinte des infrarouges moyens. Ultrasensible, le système fournit rapidement des informations moléculaires précises.

Conçu spécifiquement pour les analyses de réaction en fonction du temps, le logiciel iC IR associe un algorithme de détection des pics avec des calculs de groupes fonctionnels, pour offrir des temps d'analyse très réduits. Les utilisateurs profitent à la fois d'informations sur leur procédé chimique et d'un flux d'analyse des données automatisé, qui leur permettent de collecter et d'interpréter correctement les résultats de chaque expérience.

Sondes conçues pour fonctionner à température faible ou élevée, basse ou haute pression, en milieu acide, basique, caustique, oxydant et aqueux, pour analyser presque tous les types de produits chimiques.

De format compact, certifié ATEX, le spectromètre FTIR ReactIR peut être intégré à une hotte aspirante de laboratoire ou à une chaîne de production. Sa technologie d'échantillonnage permet d'analyser tout procédé ou réaction, pour garantir que les observations en laboratoire se reproduisent à l'identique sur le site de production.

METTLER TOLEDO est une entreprise possédant plus de 30 années d'expérience en solutions dédiées à l'analyse de réactions. Elles sont à la fois notre but et notre passion. Cette expertise est mise au service de nos systèmes de spectroscopie FTIR spécialisés.

Généralement, pour obtenir des informations sur une réaction, des échantillons sont prélevés pour procéder à une analyse hors ligne à l'aide de la technique HPLC.  Pour les réactions chimiques où le prélèvement d'échantillon entraîne la perte d'informations clés, ou lorsque l'échantillon est toxique ou dangereux, cette procédure devient plus complexe.  De plus, le prélèvement requiert l'intervention d'un chercheur et un délai d'attente avant de commencer l'analyse de réaction.

Ces problèmes ont des conséquences, notamment :

• L'échantillon peut être peu représentatif.
• La destruction des produits intermédiaires peut fausser les hypothèses de chemin de réaction.
• Faible compréhension des systèmes sensibles à l'air, toxiques, explosifs ou sous pression.
• Délais de développement rallongés en raison des erreurs de données causées par un changement de réaction.
• Possibilité de manquer des événements critiques influant sur la qualité des processus ou des produits.

Le ReactIR 702L est le premier système qui propose une spectroscopie FTIR in situ en temps réel avec la même simplicité d'utilisation que les systèmes hors ligne. ReactIR s'adapte à tous les chimistes et à toutes les expériences.

ReactIR est prêt pour les expériences pendant la nuit.
ReactIR 702L utilise une technologie de refroidissement par semi-conducteur, pour des performances inégalées, sans l'emploi d'azote liquide. Au travers de l'élimination des conditions dangereuses et des remplissages répétitifs du vase Dewar, les scientifiques peuvent facilement contrôler le cycle chimique sur de longues périodes.

ReactIR est prêt à être utilisé n'importe où.
Les petites unités superposables offrent un gain de place dans les hottes aspirantes et permettent d'installer ReactIR en différents endroits du laboratoire. Le détecteur est toujours prêt, sans délai de configuration. Les chercheurs peuvent ainsi commencer à collecter les données en toute confiance, à tout moment.

ReactIR est adapté à votre procédé chimique.
Les prélèvements par sonde et par flux permettent aux chercheurs d'étudier les procédés chimiques liquides et gazeux en lots ou en flux continu. Construites en matériaux spéciaux, elles permettent de collecter directement les données dans les environnements acides et corrosifs, sur de larges plages de température et de pression.

Le spectroscope FTIR ReactIR est adapté à un large éventail de produits chimiques répondant aux critères suivants : molécule sensible aux infrarouges, solution ou émanations de gaz, concentration supérieure à ~0,1 %. 

Parmi les applications courantes de spectroscopie FTIR figurent :

Même si les solutions de spectroscopie FTIR et Raman sont souvent interchangeables et fournissent des informations complémentaires, certaines différences pratiques permettent de déterminer la solution la plus adaptée. La plupart des molécules symétriques permettent d'utiliser indifféremment la spectroscopie FTIR ou Raman. Sur les molécules à centre d'inversion, les bandes IR et Raman s'excluent mutuellement (la liaison réagit aux IR ou à la diffusion Raman mais pas aux deux). La règle qui s'applique généralement est la suivante : les groupes fonctionnels fortement sensibles aux moments dipolaires réagissent bien aux IR, les groupes fonctionnels faiblement sensibles aux dipôles ou à haut degré de symétrie (pas de modification nette aux moments dipolaires) réagissent mieux à la diffusion Raman.

Préférez la spectroscopie FTIR et les spectromètres infrarouges :

• pour les réactions avec des réactifs, des solvants et des espèces réactionnelles fluorescents ;
• pour les liaisons où les modifications aux dipôles sont importantes, p. ex. C=O, O-H, N=O ;
• pour les réactions où les réactifs sont faiblement concentrés ;
• pour les réactions où les bandes de solvant réagissent au spectre Raman et peuvent noyer le signal des principales espèces ;
• pour les réactions où se forment des produits intermédiaires sensibles aux infrarouges.

Préférez la spectroscopie Raman et les spectromètres Raman :

• pour les recherches où les liaisons carbone en cycles aliphatiques et aromatiques ont un intérêt primordial ;
• pour les liaisons difficilement identifiables avec la technologie FTIR (p. ex. 0-0, S-H, C=S, N=N, C=C, etc.) ;
• lorsque l'examen des particules en solution est important (p. ex. polymorphisme) ;
• lorsque les modes à faible fréquence sont importants (p. ex. métal-oxygène) ;
• pour analyser des réactions en milieux aqueux ;
• pour des réactions devant être observées par une fenêtre, pour des raisons de facilité ou de sécurité (p. ex., réactions catalytiques haute pression, polymérisations) ;
• lorsqu'il faut analyser des réseaux tridimensionnels à faible fréquence ;
• pour rechercher le déclenchement de réaction, son point final et la stabilité du produit dans les réactions biphasiques et colloïdales.

Ce document présente cinq exemples tirés d'articles récents, qui montrent que les analyses de spectroscopie FTIR in situ permettent d'effectuer des tâches qui seraient difficiles, impossibles ou extrêmement fastidieuses si elles étaient réalisées à l'aide de techniques hors ligne classiques :

• Révéler les mécanismes de réaction – Détection des intermédiaires réactionnels transitoires dans un réactif de couplage
• Surveiller les produits chimiques difficiles à prélever - Réaction de lithiation déclenchée à -70 °C
• Suivre l'évolution des réactions pour accroître le rendement et la pureté - Détermination du point final de réaction optimal
• Éliminer la durée de maintien pour accroître la qualité et le rendement - Décomposition entraînant l'épimérisation
• Détermination rapide de la cinétique - Déterminer la cinétique de la réaction en une seule expérience

Les mesures continues par spectroscopie infrarouge sont utilisées pour obtenir des profils de réaction et calculer ainsi les vitesses de réaction. Une liste de publications issues de revues à comité de lecture porte sur les applications innovantes et prometteuses de la spectroscopie FTIR in situ.  Les chercheurs du secteur académique et industriel emploient la spectrométrie FTIR infrarouge moyen in situ pour obtenir des informations exhaustives et des données expérimentales enrichissantes pour leurs recherches.

Citations relatives à la spectroscopie FTIR

• Beutner, G., Young, I., Davies, M., Hickey, M., Park, H., Stevens, J., Ye, Q., « TCFH−NMI: Direct Access to N‑Acyl Imidazoliums for Challenging Amide Bond Formations », Org. Lett. (2018) 20, 4218−4222.
• Sheikh,N., Leonori,D., Barker,G., Firth,J., Campos,K., Meijer, A., O'Brien,P., Coldham,I., « An Experimental and in Situ IR Spectroscopic Study of the Lithiation−Substitution of N-Boc-2-phenylpyrrolidine and -piperidine: Controlling the Formation of Quaternary Stereocenters » J. Am. Chem. Soc.( 2012) 134, 5300−5308.
• Hamilton, P., Sanganee, M., Graham, J., Hartwig, T., Ironmonger, A., Priestley, C., Senior, L., Thompson, D., Webb, M., « Using PAT To Understand, Control, and Rapidly Scale Up the Production of a Hydrogenation Reaction and Isolation of Pharmaceutical Intermediate », Org. Process Res. Dev. (2015) 19, 236−243.
• Chanda, A., Daly, A., Foley, D., LaPack, M., Mukherjee, S., Orr, J., Reid, G., Thompson, D., Ward, H., « Industry Perspectives on Process Analytical Technology: Tools and Applications in API Development », Org. Process Res. Dev. (2015) 19, 63-83.
• Rehbein, M., Husmann, S., Lechner, C., Kunick, C., Scholl, S., « Fast and calibration free determination of first order reaction kinetics in API synthesis using in-situ ATR-FTIR », European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics 126 (2018) 95–100.