Riflettanza totale attenuata (ATR)

La riflettanza totale attenuata (ATR) è un metodo di campionamento che sfrutta la penetrazione della luce in un campione per acquisire dati sulla sua struttura e sulla sua composizione. L’ATR è una delle tecnologie di campionamento più utilizzate per la spettroscopia FTIR. La grande popolarità dell'ATR è dovuta al fatto che consente di analizzare i campioni solidi e liquidi così come sono, semplificando l'analisi di pressoché tutte le sostanze.

Al contrario di quanto avviene con la trasmissione (l'altro metodo di campionamento più utilizzato), la lunghezza del cammino di misura è indipendente dallo spessore del campione. L'ATR è un metodo basato sulla riflessione interna e la lunghezza di cammino per un dato campione dipende dalla profondità a cui l'energia a infrarossi riesce a penetrare all'interno del campione. Un campione allo stato solido può avere uno spessore di 100 micron o di 100 mm e lo spettro infrarosso registrato avrà praticamente lo stesso aspetto. Se un campione fluido o semiliquido è a contatto con la superficie dello strumento per ATR, sarà registrato lo spettro infrarosso del liquido. È per via di questo ultimo fenomeno che l'ATR è uno strumento così potente per il monitoraggio delle reazioni chimiche.

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Poiché con questo metodo è possibile ricavare gli spettri senza dover preparare o diluire in alcun modo i campioni, l'ATR viene utilizzata per l'analisi di materiali solidi e liquidi. Una delle prime applicazioni dell'ATR era ottenere lo spettro infrarosso di campioni e pellicole di polimeri. Circa 25 anni fa, è stata inventata la Diamond ATR DiComp [1], che ha permesso di estendere l'uso dell'ATR a molte nuove applicazioni, tra cui il monitoraggio delle reazioni chimiche.

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

La tecnica della riflettanza totale attenuata (ATR) prevede l'invio di energia luminosa attraverso un materiale ottico (ovvero, il sensore per ATR) che ha due caratteristiche principali:

1. Deve essere otticamente trasparente alla frequenza dell'energia, in modo che il materiale del sensore non assorba la radiazione o ne assorba poca
   
2. Il materiale di cui è costituito il sensore per ATR deve avere un indice di rifrazione più elevato di quello del mezzo che lo circonda, così che il dispositivo per ATR agisca come una guida d'onda, riflettendo internamente l'energia luminosa.

A seconda del materiale ottico selezionato e delle modalità di fabbricazione del sensore, il numero di riflessioni o nodi può essere controllato con precisione. L'effettiva lunghezza di cammino per un sensore per ATR è data dal numero di riflessioni interne moltiplicato per la profondità di penetrazione dell'onda evanescente. In corrispondenza di ogni nodo, a livello della superficie viene emessa un'onda energetica stazionaria.

Questa energia è evanescente, ovvero la sua intensità diminuisce in funzione della distanza dalla superficie del sensore. Qualsiasi sostanza a diretto contatto con il sensore viene quindi investita (e analizzata) dall'energia.

La profondità di penetrazione dipende anche dalla lunghezza d'onda specifica dell'energia in questione, quindi, quando si esamina un campione con radiazioni modulate per ottenerne lo spettro, la posizione dei picchi sarà simile a quella che si ottiene in uno spettro di trasmissione/assorbanza ma l'intensità delle singole bande sarà diversa da quella che si ha nello spettro di trasmissione/assorbanza. 

Spettroscopia IR con ATR: ideale per sostanze pure o con elevata assorbanza
La riflettanza totale attenuata (ATR) utilizza un materiale del sensore ottico che abbia un indice di rifrazione sufficientemente alto, adeguato a consentire la riflessione interna al sensore. A seconda del materiale ottico selezionato e delle modalità di fabbricazione del sensore, il numero di riflessioni o nodi può essere controllato con precisione e si ottengono lunghezze di cammino effettive che si adattano bene a campioni con assorbanza elevata. Qualsiasi sostanza a diretto contatto con il sensore viene investita (e analizzata) dall'energia. L'intensità dello spettro ottenuto mediante FTIR dipende fondamentalmente dal numero di riflessioni, dalla profondità di penetrazione dell'onda evanescente nel campione, dal numero di molecole di interesse presenti nel campione e dalla rispettiva assorbività.

A differenza di quanto avviene con la spettroscopia in trasmissione, per cui la luce deve attraversare interamente il campione, per l'analisi con ATR-FTIR lo spessore del campione non è rilevante. Un campione solido o liquido può avere uno spessore di 10 micron o di 10 cm: in qualunque caso è possibile acquisire uno spettro FTIR utile. Questa caratteristica rende l'ATR la tecnica ideale per studiare una vasta gamma di reazioni chimiche, poiché non è necessaria alcuna preparazione o diluizione dei campioni per ottenere spettri utili. Inoltre, sono disponibili sensori per ATR resistenti all'abrasione e capaci di tollerare le condizioni di reazione difficili associate a molte chimiche di reazione.

Metodo opposto: la spettroscopia IR in trasmissione richiede la preparazione dei campioni per ottenere spettri utili
Per ottenere lo spettro di trasmissione di un liquido, il campione viene racchiuso in una cella con finestre trasparenti a infrarossi e l’energia deve attraversare il campione. L'intensità dello spettro ottenuto dipende dalla lunghezza di cammino della cella e dalla soluzione che si sta analizzando. Se la lunghezza di cammino relativa al campione è eccessiva e/o se il campione contiene molecole di solventi o soluti con elevata assorbanza nell'infrarosso o tali da provocare una diffusione elevata, una quantità minima o nulla di energia raggiunge il detector di infrarossi. Questa situazione rende l'analisi in trasmissione della maggior parte delle reazioni chimiche difficile o impossibile. Nei casi in cui la lunghezza di cammino dell'analita sia quella giusta, si ottiene lo spettro di trasmissione. Poiché è possibile costruire celle con lunghezze di cammino elevate, la spettroscopia IR in trasmissione può rivelarsi utile per identificare e monitorare eventuali specie organometalliche a bassa concentrazione in reazioni catalitiche omogenee. Per ottenere lo spettro IR della maggior parte dei solidi occorre diluire il campione macinandolo in olio Nujol, pressandolo insieme a un pellet di bromuro di potassio o preparando una fetta ultrasottile di materiale. 

Il metodo della riflettanza totale attenuata completa perfettamente la spettroscopia FTIR per le analisi in situ in tempo reale e per il monitoraggio delle reazioni chimiche. Le miscele di reazione hanno in genere un'elevata assorbanza nel medio infrarosso. La ridotta profondità di penetrazione dell'energia infrarossa all'interno della soluzione di reazione che si trova a contatto con il sensore per ATR consente di ottenere spettri FTIR di qualità elevata.

Un sensore per ATR-FTIR fabbricato con il materiale appropriato, se montato all'estremità di una sonda tubolare o integrato in una cella a flusso, consente di analizzare le reazioni rispettivamente in modalità batch o a flusso continuo. I sensori per ATR-FTIR adatti all'analisi delle reazioni chimiche devono avere un indice di rifrazione adeguato a consentire la riflessione interna ma devono anche essere in grado di funzionare in ambienti chimici difficili senza deteriorarsi. Sia il diamante sia il silicio sono materiali eccellenti per i sensori per l'analisi di chimiche mediante ATR-FTIR: per scegliere quale utilizzare occorre tenere conto del tipo di chimica e delle posizioni dei picchi infrarossi che si desidera monitorare.

Quando si utilizzano ATR e FTIR si ottengono i vantaggi seguenti:

• Le reazioni vengono monitorate in tempo reale, in situ, nell'ambiente di reazione reale
• Le informazioni sui trend, l'avanzamento e la cinetica delle reazioni vengono acquisite immediatamente
• Si riescono a osservare gli intermedi di reazione fondamentali, il che facilita lo studio dei meccanismi di reazione
• Si riduce al minimo l'esposizione a sostanze chimiche tossiche o pericolose e a reazioni con elevata energia
• Si comprende molto meglio la relazione tra le variabili di reazione e le prestazioni complessive della reazione

Grazie alla velocità con cui vengono acquisiti gli spettri mediante FTIR e allo sviluppo di una nuova generazione di sensori per ATR resistenti alle reazioni chimiche, l'uso di questa tecnica combinata rivoluziona le modalità di raccolta dati sulla cinetica e i meccanismi di reazione.

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

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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.

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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.

Le più comuni aree di applicazione della tecnologia ATR comprendono:

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), 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), 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, 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, prima pubblicazione 8 aprile 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, "In 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, 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", cap. 42, Chemical Engineering in the Pharmaceutical Industry, David am Ende, Mary am Ende ed., 2019