Abgeschwächte Totalreflexion (ATR)

Die abgeschwächte Totalreflexion (ATR) ist eine Probennahmemethode, bei der Licht auf eine Probe geworfen wird, um Informationen über deren Struktur und Zusammensetzung zu erhalten. ATR ist eine der häufigsten Probennahmetechnologien für die FTIR-Spektroskopie. Der Grund für die häufige Verwendung von ATR ist, dass damit sowohl feste als auch flüssige Proben problemlos analysiert werden können. Dies vereinfacht die Messung bei praktisch allen Substanzen.

Im Gegensatz zur Transmission (der anderen häufig genutzten Probennahmemethode) ist die Pfadlänge der Messung unabhängig von der Dicke der Probe. ATR basiert auf der internen Reflexion, wobei die Pfadlänge der Probe davon abhängt, wie tief die Infrarotenergie in die Probe eindringt. Eine feste Probe kann 100 µm oder 100 mm dick sein, ohne dass sich dies auf das gemessene Infrarotspektrum auswirkt. Wenn eine flüssige oder aufgeschlämmte Probe mit der ATR-Oberfläche in Kontakt kommt, wird das Infrarotspektrum des flüssigen Teils aufgezeichnet. Dank dieser Eigenschaft ist die abgeschwächte Totalreflexion (ATR) so nützlich, um chemische Reaktionen zu überwachen.

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Da ATR Spektren ohne Probenvorbereitung oder Verdünnung messen kann, wird die ATR häufig zur Analyse fester und flüssiger Stoffe eingesetzt. Eines der ersten Anwendungsgebiete der ATR war die Ermittlung der Infrarotspektren von Polymerproben und -folien. Vor ungefähr 25 Jahren wurde die DiComp Diamant-ATR [1] erfunden, durch die sich zahlreiche neue Anwendungsbereiche für die ATR eröffneten. Dazu zählt die Überwachung chemischer Reaktionen.

[1] Milosevic, M. Sting, D., Rein, A., „Diamond Composite Sensor for ATR Spectroscopy“, Spectroscopy, 1995, 10, 44-49

Bei der abgeschwächten Totalreflexion (ATR) wird Lichtenergie durch ein optisches Material (den ATR-Sensor) geleitet, das zwei wichtige Eigenschaften aufweist:

1. Es muss für die Frequenz der Energie optisch transparent sein, damit das Sensormaterial wenig oder gar keine Strahlung absorbiert;
   
2. Das Material des ATR-Sensors weist einen höheren Brechungsindex auf als das Umgebungsmedium, sodass die ATR als Wellenleiter agiert und die Lichtenergie intern reflektiert.

Je nachdem, welches optische Material ausgewählt wurde und wie der Sensor konstruiert ist, kann die Anzahl der Reflektionen oder Knoten genau kontrolliert werden. Die effektive Pfadlänge des ATR-Sensors ergibt sich aus dem Produkt aus der Anzahl der internen Reflektionen und der Eindringtiefe der evaneszenten Welle. Bei jedem Knoten tritt eine stehende Energiewelle aus der Oberfläche hervor.

Diese Energie ist evaneszent, da ihre Intensität abhängig vom Abstand von der Sensoroberfläche abnimmt. Gerät eine Substanz in direkten Kontakt mit dem Sensor, wirkt die Energie auf sie.

Die Eindringtiefe ist auch von der spezifischen Wellenlänge der Energie abhängig. Wenn zum Ermitteln eines Spektrums eine Probe mit modulierter Strahlung gescannt wird, ähnelt die Position der Peaks denen eines Transmissions-/Absorptionsspektrums. Die Intensität der einzelnen Banden weicht jedoch vom Transmissions-/Absorptionsspektrum ab. 

Transmissions-IR-Spektroskopie: Ideal für unverdünnte und optisch dichte Substanzen
Bei der ATR wird ein optisches Sensormaterial mit ausreichend hohem Brechungsindex eingesetzt, damit eine interne Reflexion im Sensor stattfinden kann. Je nachdem, welches optische Material ausgewählt wurde und wie der Sensor konstruiert ist, kann die Anzahl der Reflektionen oder Knoten genau kontrolliert werden. Ausserdem werden effektive Pfadlängen erzielt, die gut auf optisch dichte Proben abgestimmt sind. Gerät eine Substanz in direkten Kontakt mit dem Sensor, wirkt die Energie auf sie. Die Intensität des FTIR-Spektrums ist stark abhängig von der Anzahl der Reflexionen, der Eindringtiefe der evaneszenten Welle in die Probe, der Anzahl der relevanten Moleküle in der Probe und ihrer jeweiligen Absorptionsfähigkeit.

Im Gegensatz zur Transmissionstechnik, bei der Licht die Probe durchdringen muss, ist die Probenstärke für die FTIR-ATR unerheblich. Unabhängig davon, ob eine flüssige oder feste Probe 10 µm oder 10 cm dick ist, kann in beiden Fällen ein verwendbares FTIR-Spektrum aufgenommen werden. Aus diesem Grund ist die ATR ideal zur Untersuchung verschiedener chemischer Reaktionen geeignet, da keine Probenvorbereitung oder -verdünnung erforderlich ist, um verwendbare Spektren aufzunehmen. Darüber hinaus sind abriebfeste ATR-Sensoren erhältlich, die unempfindlich gegenüber den rauen Bedingungen vieler chemischer Reaktionen sind.

Im Gegensatz dazu erfordert Transmissions-IR-Spektroskopie in der Regel eine Probenvorbereitung, um ein verwendbares Spektrum aufzunehmen
Zur Aufnahme eines Transmissionsspektrums einer Flüssigkeit wird die Probe in eine Zelle mit infrarotdurchlässigen Fenstern eingeschlossen und dann von der Energie durchdrungen. Die Intensität des Spektrums ist abhängig von der Pfadlänge der Zelle und der untersuchten Lösung. Wenn die Pfadlänge der Probe zu lang ist und/oder die Probe Lösungsmittel oder gelöste Moleküle enthält, die Infrarotstrahlung stark absorbieren oder streuen, erreicht wenig oder gar keine Energie den Infrarotsensor. Daher ist die Analyse der meisten chemischen Reaktionen im Transmissionsmodus schwierig oder überhaupt nicht durchführbar. Wird die richtige Pfadlänge für den Analyt gewählt, kann das Transmissionsspektrum ermittelt werden. Da Zellen mit langen Pfadlängen konstruiert werden können, kann die Transmissions-IR-Spektroskopie zur Identifikation und Beobachtung organometallischer Spezies mit niedriger Konzentration in homogenen Katalysereaktionen eingesetzt werden. Zur Ermittlung des IR-Spektrums der meisten Feststoffe muss die Probe entweder als Suspension in Nujol, durch Einbetten in Kaliumbromidpresslinge oder durch Herstellung einer extrem dünnen Schicht des Materials vorbereitet werden. 

Die abgeschwächte Totalreflexion ist eine ideale Ergänzung zur  FTIR-Spektroskopie für die In-situ-Echtzeitanalyse und -überwachung von chemischen Reaktionen. Die Reaktionsmischungen sind in der Regel optisch dicht für Strahlung im mittleren Infrarotbereich. Da die Infrarotenergie nur begrenzt in die Reaktionslösung eindringt, die in Kontakt mit dem ATR-Sensor ist, können hochwertige FTIR-Spektren aufgezeichnet werden.

Wird ein FTIR-ATR-Sensor aus einem geeigneten Material gefertigt und am Ende eines Probenröhrchens oder als Teil einer Durchflusszelle montiert, können Reaktionen chargenweise bzw. in kontinuierlichem Durchflussmodus analysiert werden. Zur Analyse chemischer Reaktionen geeignete FTIR-ATR-Sensoren müssen den erforderlichen Brechungsindex für die interne Reflexion aufweisen, aber auch in rauen chemischen Umgebungen ohne Leistungsverlust funktionieren. Diamant und Silizium sind hervorragende Materialien für die FTIR-ATR-Analyse chemischer Reaktionen. Die Auswahl des Materials ist abhängig von der Art der Reaktion sowie von den Positionen der zu erfassenden Infrarot-Peaks.

ATR und FTIR bieten die folgenden Vorteile:

• Reaktionen werden in Echtzeit, in-situ und unter den tatsächlichen Reaktionsbedingungen überwacht.
• Informationen über Reaktionstrends, den Reaktionsfortschritt und die Kinetik werden mühelos ermittelt.
• Die wichtigsten Zwischenprodukte der Reaktion werden beobachtet, um die Untersuchung der Mechanismen zu erleichtern.
• Der Bediener wird toxischen Chemikalien oder gefährlichen, energiereichen Reaktionen nur minimal ausgesetzt.
• Das Verständnis der Beziehung zwischen den Reaktionsvariablen und der gesamten Reaktionsleistung wird deutlich verbessert.

Aufgrund der Geschwindigkeit der Ermittlung von Spektren durch FTIR und der Entwicklung einer neuen Generation von chemikalienbeständigen ATR-Sensoren stellt der Einsatz dieser kombinierten Technologie eine Revolution bei der Ermittlung der Reaktionskinetik und des Reaktionsmechanismus dar.

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Zu den gängigen Anwendungsgebieten der Technologien der ATR (Abgeschwächte Totalreflexion) gehören:

Wang, Z., Gérardy, R., Gauron, G., Damblon, C., Monbaliu, J-C., „Solvent-free organocatalytic preparation of cyclic organic carbonates under scalable continuous flow conditions“, React. Chem. Eng., 2019, 4, 17-26.

Dunn, A., Leitch, D., Journet, M., Martin, M., Tabet, E., Curtis, N., Williams, G., Goss, C., Shaw, T., O’Hare, B., Wade, C., Toczko, M., Li, P., „Selective Continuous Flow Iodination Guided by Direct Spectroscopic Observation of Equilibrating Aryl Lithium Regioisomers“, Organometallics, 2019, 38 (1), S. 129–137

Grignard Clagga, K., Holda, S., Kumarb, A., Koeniga, S., Angelauda, R., „A Telescoped Knochel-Hauser/Kumada-Corriu Coupling Strategy to Functionalized Aromatic Heterocycles“, Tetrahedron Letters, 60, (2019) 5–7.

Folsom, T., Darensbourg, D., „Kinetic Studies of Thermal Dissociation of Carbon Monoxide Ligands From Manganese Tri- and Tetra-Carbonyl Derivatives Containing the Bulky Dipiperidylmethane Ligand“, Inorg. Chim. Acta, 2019, 484, 443-449.

Hammarback, L.A., Robinson, A., Lynam, J., Fairlamb, I., „Mechanistic Insight into Catalytic Redox-Neutral C−H Bond Activation Involving Manganese(I) Carbonyls: Catalyst Activation, Turnover, and Deactivation Pathways Reveal an Intricate Network of Steps“, J. Am. Chem. Soc., 2019, 141 (6), S. 2316–2328

McMillan, A., Steven, A., Ashworth, I., Mullen, A., Chan, L., Espinosa, M., Pilling, M., Raw S., Jones, M., „Stereoretentive Etherification of an α-aryl-β-amino-alcohol using a Selective Aziridinium Ring-Opening for the Synthesis of AZD7594“, J. Org. Chem, Excellence in Industrial Organic Synthesis 2019, 6/19/2018

Peter Sagmeister, Jason D. Williams, Christopher A. Hone and C. Oliver Kappe, „Laboratory of the future: a modular flow platform with multiple integrated PAT tools for multistep reactions“, React. Chem. Eng., 2019, Advance Article, Erstmals veröffentlicht am 8. April 2019

Kallakuri Suparna Rao, Frédéric St-Jean, Archana Kumar, „Quantitation of a Ketone Enolization and a Vinyl Sulfonate Stereoisomer Formation Using Inline IR Spectroscopy and Modeling“, Organic Process Research & Development 2019, 23, 5, 945-951

J. M. Dreimann, E. Kohls, H. F. W. Warmeling, M. Stein, L. F. Guo, M. Garland, T. N. Dinh, A. J. Vorholt, „n Situ Infrared Spectroscopy as a Tool for Monitoring Molecular Catalyst for Hydroformylation in Continuous Processes“, ACS Catalysis 2019, 9, 5, 4308-4319

Léo Violet, Alexis Mifleur, Laurent Vanoye, Duc Hanh Nguyen, Alain Favre-Réguillon, Régis Philippe, Régis M. Gauvin and Pascal Fongarland, „Online monitoring by infrared spectroscopy using multivariate analysis – background theory and application to catalytic dehydrogenative coupling of butanol to butyl butyrate“, React. Chem. Eng., 2019, 4, 909-918

Dimitri Skliar, Jeffrey Nye, Antonio Ramirez, „Use of Process Analytical Technology (PAT) in Small Molecule Drug Substance Reaction Development“, Kapitel 42, Chemical Engineering in the Pharmaceutical Industry, David am Ende, Mary am Ende Hsg., 2019