Spettroscopia FTIR

La spettroscopia FTIR consente agli scienziati di misurare i trend e i profili delle reazioni in tempo reale, fornendo informazioni molto specifiche sulla cinetica, sul meccanismo, sui pathway della reazione e sull'influsso che le relative variabili hanno sulle prestazioni.  Utilizzando la spettroscopia FTIR in situ ReactIR è possibile monitorare direttamente reattanti, reagenti, intermedi, prodotti e sottoprodotti mentre si modificano nel corso della reazione.  ReactIR fornisce informazioni essenziali per gli scienziati che conducono ricerche, sviluppano e ottimizzano percorsi di sintesi e processi e composti chimici.

Per comprendere le reazioni chimiche, occorre porsi queste domande:

• Quando ha inizio la reazione? Quando termina la reazione?
• Quali sono la cinetica e il meccanismo della reazione?
• Che effetto hanno gli intermedi transienti?
• La reazione è avvenuta come previsto? Quali prodotti si sono formati e perché?
• Cosa accade se si modificano la temperatura, le velocità di dosaggio o le velocità di miscelazione?

La spettroscopia FTIR ReactIR ha cinque caratteristiche che consentono di ottenere i dati migliori e analizzare le reazioni rapidamente: grazie a esse permette quindi a ogni chimico di comprendere la reazione, qualunque sia il suo livello di esperienza.

Dalla sonda al rilevatore e al software, il sistema ReactIR è ottimizzato per l'uso nella regione "caratteristica" dell'infrarosso, è quindi un sistema a sensibilità elevata per ottenere rapidamente informazioni molecolari accurate.

Progettato specificamente per l'analisi delle reazioni risolta nel tempo, il software iC IR unisce un algoritmo di individuazione dei picchi e i dati sui gruppi funzionali per ridurre drasticamente i tempi di analisi. Gli utenti possono aggiungere alle proprie conoscenze in ambito chimico un workflow automatico per l'analisi dati per essere certi di raccogliere e interpretare correttamente i dati di ogni esperimento.

Le sonde, progettate per funzionare dalle basse alle alte temperature, a pressione ridotta o elevata, in ambiente acido, basico, caustico, ossidante e acquoso, consentono di analizzare virtualmente ogni tipo di fenomeno chimico.

Il sistema per spettroscopia FTIR ReactIR è di dimensioni sufficientemente ridotte da entrare in una cappa aspirante, è certificato ATEX per poter essere utilizzato all'interno di un impianto ed è dotato di una tecnologia di campionamento adatta a qualunque processo o reazione: può quindi essere utilizzato per dimostrare che nell'impianto avviene esattamente ciò che è stato osservato in laboratorio.

METTLER TOLEDO si impegna con dedizione da oltre 30 anni nel campo dell'analisi delle reazioni. È il nostro centro di interesse e la nostra passione. Dalla nostra competenza nasce uno strumento ideale per la spettroscopia FTIR.

Il metodo convenzionale per ottenere informazioni sulla reazione consiste nel prelevare campioni da analizzare offline mediante HPLC.  Questa procedura non è semplice se si ha a che fare con reazioni chimiche in cui il prelievo dei campioni determina la perdita di informazioni fondamentali, o che coinvolgono sostanze tossiche oppure pericolose per altre ragioni.  Inoltre, normalmente è necessario che i chimici siano presenti per prelevare il campione e attendere i risultati prima di poter iniziare ad analizzare la reazione.

Questi aspetti comportano alcune conseguenze, ad esempio:

• È possibile che il campione non sia rappresentativo
• La distruzione degli intermedi porta a ipotizzare pathway non corretti
• Scarsa comprensione dei sistemi pressurizzati, esplosivi, tossici o sensibili all'aria
• Tempi di sviluppo più lunghi a causa della raccolta di dati non corretti determinata da variazioni della reazione
• Eventi critici che possono influire sul prodotto o sul processo compromettendo la qualità

ReactIR 702L è il primo sistema che riesce davvero a unire la potenza della spettroscopia FTIR in situ in tempo reale a un'equivalente praticità operativa. ReactIR è pronto per ogni chimico e per ogni esperimento.

ReactIR può rimanere in funzione nelle ore notturne
ReactIR 702L utilizza una tecnologia di raffreddamento a stato solido per garantire le migliori prestazioni della categoria senza l'utilizzo di azoto liquido. Eliminando le pericolose operazioni necessarie per la preparazione e i molteplici riempimenti dei dewar, consente agli scienziati di monitorare facilmente i processi chimici per periodi di tempo prolungati.

ReactIR è sempre pronto per il trasporto
Le unità di dimensioni ridotte e impilabili consentono di risparmiare spazio prezioso all'interno della cappa aspirante e garantiscono la flessibilità necessaria per utilizzare ReactIR in diverse posizioni all'interno del laboratorio. Un rilevatore "sempre acceso" riduce i tempi di configurazione e consente agli scienziati di iniziare a raccogliere dati con un preavviso minimo.

ReactIR è pronto per qualunque reazione
Le tecnologie di campionamento basate su flussi e sonde permettono agli scienziati di studiare la chimica in fase liquida e gassosa in lotti o in configurazioni continue. I materiali di costruzione particolarmente adatti allo scopo dello strumento semplificano la raccolta dati in ambienti acidi e corrosivi in un ampio intervallo di temperatura e pressione.

Il sistema per spettroscopia FTIR ReactIR funziona in un'ampia gamma di processi chimici in cui la molecola viene attivata dagli infrarossi, la chimica è in soluzione o off-gas e la concentrazione è superiore allo 0,1% circa. 

Le più comuni aree di applicazione della spettroscopia FTIR comprendono:

Nonostante la spettroscopia FTIR e la spettroscopia Raman siano spesso intercambiabili e forniscano informazioni complementari, esistono alcune differenze di carattere pratico che fanno sì che una delle due possa rappresentare la scelta ottimale. La maggior parte delle simmetrie molecolari genera un'attività sia con spettroscopia FTIR che con Raman. In una molecola che contiene un centro di inversione, le bande IR e le bande Raman si escludono a vicenda (ovvero il legame sarà Raman attivo oppure IR attivo, ma non potrà essere attivo per entrambe le tecniche). Una regola generale è questa: i gruppi funzionali con grandi variazioni nei dipoli sono ben visibili con la spettroscopia IR, mentre i gruppi funzionali con variazioni dei dipoli deboli o con un grado di simmetria elevato e senza una variazione di dipolo netta sono più visibili con la spettroscopia Raman.

È bene scegliere la spettroscopia FTIR se:

• Si studiano reazioni con reattanti, reagenti, solventi e specie reattive fluorescenti
• Sono importanti i legami con variazioni di dipolo significative, ad esempio C=O, O-H, N=O
• Si studiano reazioni in cui i reagenti e i reattanti sono a basse concentrazioni
• Si studiano reazioni in cui le bande del solvente sono ben visibili con la spettroscopia Raman e possono impedire di vedere il segnale delle specie rilevanti
• Si studiano reazioni in cui si formano intermedi IR attivi

È bene scegliere la spettroscopia Raman se:

• L'obiettivo principale è studiare i legami del carbonio in anelli aromatici e alifatici
• Sono presenti legami difficili da vedere con la spettroscopia FTIR (ad esempio O-O, S-H, C=S, N=N, C=C ecc.)
• È importante esaminare le particelle in soluzione (ad esempio polimorfismo)
• Sono importanti i modi a frequenze inferiori (ad esempio metallo-ossigeno)
• Si desidera studiare reazioni in mezzi acquosi
• Si studiano reazioni che possono essere studiate in modo più semplice e sicuro utilizzando una finestra di reazione (ad esempio reazioni catalitiche ad alta pressione, polimerizzazioni)
• Si desidera studiare i modi di reticolo a frequenze inferiori
• Si studiano l'innesco, il punto finale e la stabilità dei prodotti di reazioni bifasiche e colloidali

Questo articolo presenta cinque esempi, tratti da pubblicazioni recenti, di come la spettroscopia FTIR in situ consenta attività che, se eseguite con le tradizionali tecniche offline, sarebbero state difficoltose, impossibili o avrebbero richiesto un tempo eccessivo:

• Rilevare i meccanismi di reazione: rilevazione di intermedi transienti in un reagente di accoppiamento
• Monitorare un processo chimico difficile da campionare: reazione di litiazione eseguita a -70 °C
• Monitorare l'avanzamento della reazione per migliorare rendimento e purezza: determinazione del punto finale ottimale della reazione
• Eliminare i tempi di pausa per aumentare la qualità e la produttività: decomposizione con conseguente epimerizzazione
• Determinare rapidamente la cinetica: la cinetica della reazione di primo ordine con un solo esperimento

Le misure continue provenienti dalla spettroscopia a infrarossi vengono utilizzate per ottenere profili di reazioni per il calcolo delle velocità di reazione. Un elenco di pubblicazioni tratte da riviste specialistiche si concentra su nuove ed entusiasmanti applicazioni della spettroscopia FTIR in situ.  I ricercatori in ambito accademico e industriale impiegano regolarmente la spettroscopia FTIR in situ per ottenere informazioni complete e dati sperimentali approfonditi che fanno progredire le loro ricerche.

Citazioni rilevanti sulla spettroscopia 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.