红外光谱通常分为三个区域（近红外、中红外和远红外），每个区域都有其各自的范围、特性和应用。中红外（mid-IR）区域跨越电磁波谱中约 2.5 µm 到 25 µm 的范围，对应 4000 cm⁻¹ 到 400 cm⁻¹。mid-IR spectroscopy 广泛用于化学识别、表征和分析。
| 区域 | 波数范围 (cm⁻¹) | 波长范围 (µm) |
| NIR | 12,800 – 4,000 | 0.78 – 2.5 |
| MIR | 4,000 – 400 | 2.5 – 25 |
| FIR | 400 – 10 | 25 – 1000 |
近红外（NIR）spectroscopy 测量基本振动的倍频和合频带。这些跃迁通常较弱，因此适用于需要非破坏性深层能量穿透的测量。例子包括定量体相分析、水分和蛋白质测定，以及各种 Process Analytics。
中红外（MIR）spectroscopy 测量大多数官能团的基本振动模式。中红外吸收带直接反映键强度、分子对称性和化学环境。该波段通常由 FTIR spectroscopy 进行分析，从而实现官能团识别、反应监测、聚合物表征、结晶度评估和机理研究。
远红外（FIR）spectroscopy 测量低能量的振动和转动模式，例如晶格声子、金属-配体振动以及氢键网络。远红外适用于无机化学和配位化学、晶场分析、多晶型区分，以及各种工程材料中的声子研究。
在分子层面，红外吸收源于量子化振动能态之间的跃迁。每一种振动正常模式都对应着原子围绕其平衡态的运动，在谐波近似（即经典的“弹簧-小球”模型）下，这些模式表现为具有特定能级的独立振子。 MIR spectroscopy 测量基本振动跃迁，产生尖锐而强烈的峰，可提供官能团信息和分子指纹。
伸缩模式
弯曲模式
该区域包含大多数主要官能团的基本伸缩振动，因此非常适合用于快速进行结构归属。
一些官能团吸收带位置示例
指纹区是中红外光谱中信息尤为丰富的部分。它包含复杂的低频弯曲振动和骨架振动，这些振动对每种分子而言都是独特的。该区域提供特定的光谱模式，可用于谱库匹配和分子识别。
多重键（C–C、C–O、C–N、C–H）的耦合运动会形成复杂的光谱模式和独特的吸收带形状。
取代、构象变化或同位素标记等细微结构变化都可能显著影响光谱模式。
| 官能团 | 大致范围 (cm⁻¹) | 特征运动 |
| C–H bending (alkanes) | 1470 – 1350 | 剪式振动、摆动 |
| C–O stretch (alcohols, ethers) | 1300 – 1000 | 伸缩 |
| C–N stretch (amines, amides) | 1350 – 1000 | 伸缩 |
| C–Cl, C–Br | 800 – 600 | 伸缩 |
| Aromatic ring modes | 1600 – 700 | 面内和面外弯曲 |
通用型 mid-FTIR spectrometers 与为反应分析设计的 FTIR 系统有何区别？
二者都基于相同的傅里叶变换红外原理，但其光学设计、采样接口和数据流程是为截然不同的用途而设计的。通用型台式 FTIR系统旨在测量多种固体、液体和气相样品，它们通过多种采样技术实现这一点，例如气体和液体透射池、KBr 压片架、漫反射、内反射和镜面反射附件。它们的设计明确针对这类样品和采样技术。这些设备的软件可满足繁忙分析实验室的应用需求，适用于结构鉴定、纯度检查或在质量保证和质量控制应用中的终点分析等单次测量。如果用于分析反应化学，它们通常提供的是在特定时间离线取样后的测量结果，而这些样品可能需要淬灭或稀释。由于样品送到光谱仪存在时间延迟，或者错过了关键中间体的生成或消耗，通用型 FTIR 系统可能只能提供对反应器在某一时刻所发生情况的不准确快照。
像ReactIR这样的实时原位 FTIR 系统则专为直接监测反应器内部的化学过程而设计，可在无需取样、稀释或淬灭的情况下，持续提供时间分辨的红外光谱。与静态快照不同，探头可捕捉动态浓度变化，从而在反应展开过程中直接观察反应动力学、瞬态中间体、诱导期和机理路径。ReactIR 系统使用耐用的光纤 ATR 探头和 flow cell，可承受严苛条件，能够测量catalytic reactions、聚合反应，也适用于在较温和条件下进行的化学过程，如 crystallization 和连续流工艺。集成的 PAT 软件可自动跟踪官能团趋势、计算转化率，并将光谱变化与工艺变量关联，支持 DoE 和优化研究。实时 mid-FTIR 所提供的深度数据流，使高级建模方法得以应用，并支持自动化优化和闭环过程控制。原位实时 FTIR 将 MIR spectroscopy 转变为真正的 PAT 传感器，提供传统离线 FTIR 无法获得的动力学、机理和工艺认知。
台式 FTIR（传统分析型 MIR） | 实时原位 FTIR（ReactIR） | |
硬件：光学与干涉仪 | 用于静态样品优化的标准实验室干涉仪；开放式样品室 | 为长期稳定性而设计的干涉仪；针对光纤耦合进行优化 |
硬件：取样接口 | ATR 晶体（钻石、ZnSe、Ge）、透射池、KBr 压片、漫反射附件 | 用于浆料、压力、温度和腐蚀性介质的光纤 ATR 浸入式探头和 flow cell（钻石或 Si 传感器） |
环境 | 在受控实验室条件下运行；样品必须送至仪器处 | 在反应器内或 continuous flow reaction 流中测量 |
取样：运行方式 | 离线、离散取样；样品需手动制备并放置 | 在线、连续监测；探头在整个反应过程中保持在反应器内或流路上 |
取样：时间分辨率 | 单次光谱或短序列；非连续 | 每 2–10 秒连续采集，生成动力学曲线 |
取样：样品完整性 | 取样可能需要稀释、淬灭、过滤；存在伪影风险 | 无需取样；在原位观察化学过程且不扰动体系 |
软件：数据处理 | 光谱库检索、峰归属、定性/定量分析 | 自动趋势线、转化率跟踪、动力学建模、峰去卷积、PAT 集成 |
软件：过程集成 | 不适用于实时控制；需人工解读 | 与 reactor control systems 集成（温度、加料、流量）；支持闭环优化 |
软件：工作流程 | 基于快照的 ID、QC、材料分析工作流程 | 面向动力学、机理、终点检测、crystallization 控制的时间分辨工作流程 |
离线批量分析与实时连续分析
经典离线 MIR spectroscopy 的核心优势在于，它能够为多种样品类型提供高质量光谱，用于鉴定和结构分析。相比之下，实时中红外可为化学反应提供机理/动力学见解，并具备主动优化和自动化的能力。
| 应用领域 | 离线中红外的典型用途 | 价值 |
| 材料识别 | 固体/液体的指纹识别 | 高度特异性 |
| QC/QA | 原材料和产品验证 | 快速、可靠的筛查 |
| 聚合物与涂层 | 组成、固化、老化 | 体相和表面分析 |
| 微量分析 | 污染物、纤维、颗粒 | 微米级分辨率 |
| 气体分析 | 排放物、环境气体 | 高分辨率光谱 |
| 制药 | 原材料、杂质 | 法规符合性识别 |
| 食品 | 组成与掺假 | 快速、前处理少 |
| 反应动力学与机理 | 跟踪官能团的生成/消耗；检测瞬态中间体；原位运行实验 | 实时机理洞察；无取样伪影 |
| 工艺开发与优化 | 监测转化率、诱导期、试剂比例、催化剂行为 | 更快的 DoE 周期；用于优化的直接反馈 |
| 生物工艺与酶促反应 | 跟踪水解、酯化、肽偶联、蛋白结构变化；发酵等 | 无损、连续的生化监测 |
| 结晶与晶型控制 | 测量 Supersaturation、成核、生长；监测母液浓度 | 对晶型、晶种和终点进行在线控制 |
| 聚合与固化 | 实时跟踪单体转化和交联 | 定量固化动力学；提高批次一致性 |
| 危险 / 高压 / 高温化学 | 监测取样不安全的反应（Hydrogenations、Grignard、羰基化、硝化） | 消除取样风险；捕捉快速事件 |
与传统台式 FTIR 系统相比，ReactIR 技术专为在广泛条件和时间 scale 范围内进行连续、实时的化学测量而设计。有效的反应监测的关键在于长期稳定性，这也是 ReactIR 技术设计考量中的重中之重。每个光学和机电组件都经过优化，以在长时间动力学研究中保持信噪比性能。通过密封并吹扫的光路，可消除大气中的水和 CO₂ 干扰。
该系统以中红外干涉仪为核心，并与光纤 衰减全反射（ATR）探头相连，可在不将物料从反应器中取出的情况下采集光谱。红外辐射通过光纤束传输至 ATR 传感器，在那里倏逝场会穿透反应介质几微米。借助这种结构，可在动态条件下对官能团吸收进行定量，而不受浑浊度、固含量或混合状态影响。直插式 ATR 探头和/或 ATR 微型 flow cell 经过专门设计，具备良好的机械完整性、光学稳定性，并能在广泛的反应条件和物理安装方向下保持可重复的性能。实现这一点需要适当的光学和物理设计，包括正确选择 ATR 传感器材料和耐腐蚀的接液部件，以确保与反应介质兼容，同时尽量降低结垢的可能性。用于原位取样技术的 ATR 元件根据所监测的 chemistry，可采用金刚石或硅材质。
METTLER TOLEDO DST 取样探头集成了内部温度传感器，可直接测量工艺温度。标准接液材料包括哈氏合金 C22 和金；如特定 chemistry 需要，也可提供其他材料。该配置使中红外光谱采集可在广泛的温度、压力和 pH 范围内进行，而无需取样或离线处理。Mettler Toledo DST Sampling 技术可在以下条件下运行：
与 ReactIR 系统配合使用时，这种基于 ATR 的技术支持对以下环境中的 chemistry 进行原位监测：
真实的分子势能偏离理想的“球-弹簧”谐振行为，这使得除基频之外还可以发生振动跃迁，从而支持更高阶激发，并产生 NIR 过音带（2ν、3ν）和组合带（ν₁ + ν₂）。源自这些过音和组合跃迁的 NIR 谱带的摩尔吸光系数远低于 mid-IR 中的基频振动，因此，NIR 光在穿过物质时的吸收要弱得多。结果是其穿透深度显著更大，通常可达毫米到厘米级，使 NIR 能够探测材料内部而不仅仅是表面。实际应用中，这使得 NIR 非常适合借助化学计量学模型进行体相定量（如水分、蛋白质、聚合物组成），但并不适合结构鉴定，因为这些谱带较宽、彼此重叠，而且缺乏 mid-IR 基频所具有的诊断特异性。
MIR spectroscopy 测量分子如何吸收红外光子，这些光子的能量与化学键的基本振动模式相匹配。当红外光穿过样品时，某些频率会被吸收，因为它们对应的振动会引起分子偶极矩的变化。要使振动具有 IR 活性，化学键在振动过程中必须改变其极性。
Raman spectroscopy 与光子吸收无关，而是涉及单色光的非弹性散射。当光子与分子相互作用时，大多数会发生弹性散射（瑞利散射），但极小一部分会与振动模式交换能量，这就是Raman scattering。与 MIR 不同，Raman 的关键在于极化率，而不是偶极矩。如果某个振动会改变分子的极化率张量，即光的电场多么容易使分子电子云发生畸变的量度，那么该振动就具有 Raman 活性。散射光的频率会因振动能量而发生位移（斯托克斯或反斯托克斯谱线），从而得到与 MIR 相似但选择定则不同的光谱。因此，这两者是互补技术，可提供分子动力学完整的“振动指纹”。
在以下情况下使用 Raman spectroscopy：
在以下情况下使用 Mid‑IR Spectroscopy：
Gaster, E., Slocumb, H. S., Jurić, Z., Myers, T. E., Lim, N., Malig, T. C., Toste, F. D., Gosselin, F., Sigman, M. S., & Miller, S. J. (2026). 评估未开发的 sulfondiimines 对映选择性反应中互补催化剂的作用。Journal of the American Chemical Society, 148(18), 18791–18803. https://doi.org/10.1021/jacs.5c23100
研究表明，基于肽和金鸡纳衍生的催化剂能够优于一种异常快速的背景反应，从而实现对未保护 sulfondiimines 的首次高对映选择性酰化。该背景反应是 sulfondiimine（SDI）底物与 2,2,2‑三氟乙基三氟乙酸酯（TFETFA）之间异常快速、未经催化的酰化，在 –78 °C 下 1 小时即可达到约 70% 的转化率。任何催化剂都必须具有比背景反应更快的结合和更快的酰化速率，才能实现对映选择性。
采用 ReactIR 监测 SDI 与 TFETFA 的未经催化酰化，并将数据与 Reaction Lab 结合以拟合机理模型。确定了结合（k₁）、酰化（k₂）以及 TFE 抑制（k₃、K_eq）的基元速率常数。模型显示，两种催化剂与 SDI 的结合速度都比 SDI 与自身结合快几个数量级，并且相对于背景反应可将酰化速度提高 100–1000 倍。发现的关键认识是，两个 SDI 分子协同激活彼此，而每一类催化剂都通过不同的位阻和电子相互作用与底物作用，从而实现高选择性。
“为更好地理解在存在显著背景反应性的情况下仍能获得高对映选择性的原因，我们通过 ReactIR 的原位监测评估了 SDI 与 TFETFA 的背景反应动力学。不同的过量实验结合变量时间归一化分析（VTNA）表明，对亲电体呈一级依赖，对 SDI 呈二级依赖。尽管 SDI 的双分子级数起初出乎意料，但我们通过提出 SDI/SDI 激活模式对这一现象进行了合理解释。在该模型中，一个 SDI 分子通过氢键与第二个 SDI 相互作用，增强 SDI 基团的亲核性并加速其向亲电体的加成。由此得到的三元速率方程表明，SDI 激活步骤以及随后的酰化步骤在动力学上都具有相关性。”
Butler, F., Fiorentini, F., Eisenhardt, K. H. S., & Williams, C. K. (2025). 用于丙烯氧化物和二氧化碳开环共聚的异核双金属 Co(III)Na(I) 催化剂。Macromolecules, 58(14), 7150–7160. https://doi.org/10.1021/acs.macromol.5c01529
合成并研究了四种 Co(III)Na(I) 催化剂（L1-4 Co(III)Na(I)），以评估其对 PO 和 CO2 进行开环共聚（ROCOP）并生成聚碳酸酯的潜力。目标是为 Co(III)/Na(I) 金属体系确定最佳配体配位环境和操作条件，并在三种不同条件下评估催化剂性能。配体进行了有序改造，重点在于二亚胺连接臂（乙基和二甲基丙基连接臂）以及醚位点中氧供体的数量（五个和六个）。之所以选择这些变化，是因为 DFT 计算表明它们会影响速率决定步骤和选择性决定步骤中的金属位点。
“通过 operando ATR-IR spectroscopy 监测反应速率，观察到 1750 cm–1 处峰强度升高，对应于聚碳酸酯中的 C=O 伸缩振动，以及 1810 cm–1 处峰强度升高，对应于环状碳酸酯副产物中的 C=O 伸缩振动。IR 吸光度值通过反应结束时取样所得等分样品的 1H NMR 谱积分校准为转化率。ln([PO]t/[PO]0) 对时间的半对数图呈线性关系，观察到的伪一级速率常数 kobs 由斜率的绝对值计算得出。对比观察到的催化活性显示，该系列中存在显著差异，其中 L1Co(III)Na(I) 表现最佳……就 kobs 和 TOFPPC 而言，其余催化剂的活性按以下顺序下降：L2Co(III)Na(I)、L3Co(III)Na(I) 和 L4Co(III)Na(I)。”
Chai, K., Xia, W., Shen, R., Luo, G., Cheng, Y., Su, W., & Su, A. (2024). 使用 FTIR 在线分析优化异相连续流 hydrogenation：多目标贝叶斯优化与动力学建模的比较研究。Chemical Engineering Science, 302, 120901. https://doi.org/10.1016/j.ces.2024.120901
在重要农化中间体 2-氨基-3-甲基苯甲酸（AMA）的合成中，构建了一个用于 3-甲基-2-硝基苯甲酸（MNA）hydrogenation 的异相连续流系统。该系统配备了原位 IR 监测，采集的数据通过人工神经网络（ANN）模型处理，从而实时得到 MNA 和 AMA 的浓度。利用数据丰富的实验比较了多目标贝叶斯优化（MOBO）与动力学建模。MOBO 方法有效地确定了帕累托最优参数组合，从而深入理解了收率与生产率之间的权衡。动力学建模确定了 hydrogenation 的活化能，并将氢吸附表征为竞争性解离。 由动力学模型生成的响应面也为收率和生产率优化提供了见解。
“根据已报道文献，对在线 FTIR 光谱进行了 ANN 建模处理。制备了多组不同浓度的甲醇溶液中的 MNA 和 AMA，并收集其在线 FTIR 光谱数据作为训练集和验证集……在训练过程中，研究了由一个卷积层后接全连接层的架构。光谱数据在 Conv1D 卷积层中进行处理以提取特征并筛选数据权重。随后，通过全连接层中的不同函数进行数据降维。最后，输出层给出预测的 MNA 和 AMA 浓度。”
Xia, W., Zhan, Y., Xia, J., Luo, G., Su, W., Chai, K., & Su, A. (2025). Sustainable Continuous-Flow Catalysis and Bayesian Optimization of Biomass-Derived HMF Hydrogenation over RuPt@g-C3N4. SSRN Electronic Journal. https://doi.org/10.2139/ssrn.5638748
生物质来源的 5-羟甲基糠醛（HMF）可 hydrogenation 为 2,5-呋喃二甲醇（BHMF），后者是合成可降解聚合物、燃料添加剂和高附加值精细化学品的重要起始分子。该合成具有一定挑战性，因为存在多条相互竞争的 hydrogenation 路径，而催化剂、溶剂和反应变量都会影响选择性和收率。由于对反应条件具有更强的控制，连续流反应器在选择性 HMF hydrogenation 中具有显著优势。因此，本项目的目标是开发一种有效、环保的连续流体系，用于在 RuPt@g-C3N4 催化体系和水作溶剂条件下将 HMF hydrogenation 为 BHMF。开发方法采用了对反应条件的贝叶斯优化，以及基于 inline FTIR 的反应动力学定量跟踪。 作者指出，将贝叶斯优化同时用于反应条件筛选和催化剂组成设计，为优化生物质来源化学平台分子合成提供了一种有效方法。
“使用 inline FTIR spectroscopy 实时监测反应液中 HMF 和 BHMF 的浓度……为研究 hydrogenation 机理，在装填 RuPt@g-C3N4 的连续流固定床反应器中于最优条件下进行了实验……未观察到明确的反应中间体峰。这很可能反映了 RuPt 双金属位点的高本征活性，以及在低覆盖度下中间体主要位于催化剂–底物界面的瞬态特征……”
Wei, D., Ma, K., Ni, L., Mebarki, A., Fu, G., & Jiang, J. (2025). 热安全升级：酸催化叔丁基过氧新戊酸酯合成从釜式到流动过程的转变。Chemical Engineering Journal, 523, 168103. https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.168103
过氧酯的合成由于反应放热以及不稳定化合物的存在，天然存在热安全问题。在本文所述工作中，将一步酸催化酰化生成叔丁基过氧新戊酸酯（TBPP）的半批式工艺改造为流动工艺，以提高安全性。采用密度泛函理论（DFT）计算和原位 IR 表征，以更好地理解该酰化机理。对于半批式反应，使用 DSC、ARC 和反应量热法进行了量热测量，以充分了解反应的热行为。结果发现，工艺温度和加料速率对放热影响最大，而最高风险水平与产生最高收率的条件相关。
“……半批式工艺被转变为流动工艺。通过多目标贝叶斯优化进行工艺优化，以最大化时空收率并最小化 E-factor，同时确定了帕累托前沿……采用了先前提出的风险评估方法 m-ITHI [modified inherent thermal runaway hazard index] 来量化并比较半批式工艺与流动工艺之间的热风险。评估结果表明，微反应器的使用将热失控危险从严重（Class V）降低到中等（Class II）。然而，微反应器带来的安全性提升并不保证 TBPP 合成过程本身是本质安全的，热风险会随着微反应器中的工艺条件而变化……首次提出了 R-factor，用于量化流动过程中由反应条件引起的风险变化。”
Angulo, A., & McMullen, J. P. (2025). 基于数据驱动的建模用于增强对活性药物成分 crystallization 的理解。Organic Process Research & Development, 29(6), 1432–1439. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.5c00036
采用动态响应面方法（DRSM）模型，对药物 Belzutifan 的 crystallization 过程建立了全面认识，重点理解反溶剂加入速率和温度的影响。在 OptiMax 工作站上对反溶剂 crystallization 进行了 22 次全因子 DoE，并使用 ReactIR 获取上清液浓度的时间分辨光谱。IR 数据通过 EasySampler 系统收集的离线上清液样品进行校准，并使用 UPLC 测定浓度。训练了一个自动化偏最小二乘（PLS）化学计量模型，以从 IR 光谱中获得浓度曲线。基于这些信息，DRSM 构建了动态模型，用于表征上清液浓度随温度和反溶剂加入的变化。晶体的 particle size distribution（PSD）作为 crystallization 温度和反溶剂加入速率的函数进行了测量。所生成的 DRSM 模型成功预测了训练数据集以及单独验证实验中，浓度随反溶剂分数、加入速率和温度变化的动态行为。
“本工作展示了一种基于数据驱动的活性药物成分（API）crystallization 建模方法，结合了过程分析技术（PAT）和动态响应面方法（DRSM）……这种方法使用户无需机制模型或知识模型，也无需开展额外实验，就能深入了解反溶剂加入速率和 crystallization 温度如何动态影响浓度曲线。此外，我们表明，只要在 DoE 的设计空间内进行 crystallization，DRSM 就是预测浓度曲线的合适工具。”
Akturk, I., Mackey, J. S., Sundarkumar, V., Murbach, G., Joglekar, G., Csathy, A. T., Wehrle, F. J., Thompson, D. H., & Nagy, Z. K. (2026). 面向敏捷、分布式制药制造：通过 MiniPharm 平台对洛莫司汀的反应、纯化和制剂进行连续端到端集成。Organic Process Research & Development, 30(3), 595–618. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.5c00314
这项工作聚焦于 MiniPharm 平台的开发，以连续集成制造方式生产肿瘤药物洛莫司汀。研究人员通过整合两个串联反应步骤、连续溶剂切换蒸馏、两级 MSMPR crystallization，以及按需滴印胶囊打印，将原料药和制剂操作连接起来。每一项操作的开发都需要对反应动力学、溶解度建模、PAT 监测和工艺模拟进行深入研究。通过包括对反应器、蒸馏和 crystallization 装置的改造，以及自动控制和在线 PAT 集成以提高操作效率等工艺强化措施，研究人员报告洛莫司汀的总体工艺收率达到 69%。
在最初的批式研究中，使用 in situ FTIR 识别起始原料、中间体和产物的特征峰，包括环己胺、2‑氯乙基异氰酸酯、1‑(2‑氯乙基)‑3‑环己基脲中间体、亚硝酸叔丁酯和洛莫司汀。这些光谱用于支持动力学建模、停留时间选择以及验证串联流动反应器中的转化率。在集成操作单元实验中，将 MIR 探头安装在 MSMPR crystallizer 中，以监测溶质浓度、Supersaturation 和稳态行为。一个原位显微成像系统提供了成核、晶体生长、浑浊变化以及潜在油化的实时成像。双 PAT 策略中，MIR 测量溶解态物种，而可视化成像监测晶体形成，是实现有效 continuous crystallization 和成功的全流程端到端集成工作流的关键。
“为实现对反应和 crystallization processes 的实时监测，采用了两种 PAT 工具：Mettler Toledo ReactIR 702L Attenuated Total Reflectance-Fourier Transform Infrared Spectroscopy (ATR-FTIR) 和 Easy-Viewer 100 在线成像探头。在批式反应实验中，ATR-FTIR 用于采集不同浓度下化学物种的光谱，并识别反应物和产物的主要峰。对于流动合成，将 FTIR 探头浸入第二个反应器之后放置的圆底烧瓶中。重复的流动合成试验确认了较高且稳定的转化率。对于集成连续端到端运行，FTIR 探头被重新用于 crystallization 监测，直接放置在 MSMPR crystallizer 中。EasyViewer 100 则配合使用，以可视化监测 MSMPR 内的晶体形成、浑浊和生长。”
Abdoun, S., Bour, C., Mayer, R. J., & Vayer, M. (2026). 通过 allenoic acids 的脱羧实现 N -杂环的电化学 N -丙炔基化。ACS Organic & Inorganic Au. https://doi.org/10.1021/acsorginorgau.5c00117
本研究探讨电合成作为一种无需经典偶联方法中有毒试剂及其相关废物即可构建 C-N 键的方法。2,3‑allenoic acids 被提出为潜在有效前体，因为其阳极氧化会生成 allenyl/propargyl 自由基，随后迅速再次氧化为高亲电性的阳离子，能够实现选择性 N‑propargylation。该工作建立了一种温和、无添加剂的电化学方法，可在吡唑、三唑、四唑、苯并三唑、酰胺、羧酸和醇中获得 N‑丙炔基化产物，收率为 25–82%，原子经济性和法拉第效率均较高，分别为 40-70%。机理研究表明，反应受电化学控制，而非底物浓度控制。理解 reaction mechanism 的关键在于使用 ReactIR，它可实时测量底物消耗并用于确定初始速率。这些数据表明，该反应对 allenoic acid 和亲核试剂均为零级，而速率随施加电流线性增加。这说明阳极电子转移是限速步骤。结合循环伏安和 DFT，动力学证据支持如下路径：氧化脱羧生成 allenyl 自由基，随后立即被氧化为 propargyl 阳离子，并经动力学控制的 C-N 键形成完成反应。研究者最后指出，他们已建立一种在简单、无添加剂条件下，使用 2,3‑allenoic acids 对 N‑杂环进行丙炔基化的电化学方法。该反应使用廉价的碳阳极，不需要外加氧化剂、碱和脱水剂。这项研究说明，机理认识能够如何指导电合成方法的设计，从而生成活性中间体并高效构建 C–N 键。
“……动力学研究通过 in situ IR spectroscopy 完成。为建立动力学测量期间 1a [allenoic acid] 的随时间变化浓度，采用了 IR 吸光度在 1689 cm–1 处与 1a 的浓度之间的线性关系，该波数对应于 1a 的 C═O 峰。随后利用 1a 随时间的消失来确定初始反应速率 k，该速率通过不同初始浓度的 1a 和 2a [pyrazole] 进行了实验测定。k 的初始速率与 1a 和 2a 的浓度无关，表明该反应对 allenoic acid 1a 和 pyrazole 2a 均为零级反应。然而，初始速率与施加电流呈线性相关，说明阳极电子转移过程构成限速步骤。”
Yang, Y., Guan, Z., Wang, R., Wang, W., Zhang, M., Su, X., & Shao, Y. (2026). 使用 In-Line IR spectroscopy 优化固相 Oligonucleotide 脱三苯甲基反应。Organic Process Research & Development, 30(5), 1369–1377. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.6c00103
In-line Mid-IR spectroscopy (ReactIR) 用于优化固相 Oligonucleotide synthesis 中的脱三苯甲基反应，并被证明比传统 UV 监测更具试剂效率。首先，对脱三苯甲基混合物中的主要组分进行了离线 IR 测量，识别出甲苯（1495 cm⁻¹）、无水乙腈（2253 cm⁻¹）、DCA‑monomer（1765 cm⁻¹）和 DCA‑dimer（1740 cm⁻¹）的特征吸收峰。随后建立了基于实时监测的定量分析方法，因为 DCA‑monomer 和 DCA‑dimer 的 IR 强度在 3–10% DCA 范围内与浓度表现出很强的线性关系。
根据对脱三苯甲基反应的动力学和机理认识，DCA-monomer 与 DCA dimer 的相对浓度与脱三苯甲基反应进程密切相关，而 DCA‑dimer 的形成是脱三苯甲基的速率决定步骤。DCA 在甲苯中主要以化学活性的二聚体形式存在，而在乙腈中则转变为无活性的单体形式。当 DCA 无活性单体已完全转化为活性二聚体时，脱三苯甲基反应高效进行。本研究将 in-line IR 对这些 DCA 结构变化的跟踪，与传统 UV 对二甲氧基三苯甲基正离子（DMT⁺）的检测相关联；DMT⁺ 是在 Oligonucleotide 固相合成的脱三苯甲基步骤中释放出的具有 UV 活性的物种。该相关性表明，无活性的 DCA-monomer IR 信号衰减至基线、即定义为节点 III，标志着最佳反应终点。在该时点，产物纯度、去嘌呤水平和总体收率与采用 UV 控制时相当，但脱三苯甲基试剂的消耗量最多减少 40.4%。为验证这一 IR 引导策略的稳健性和普适性，研究者依据节点 III 标准合成了具有多样结构和化学特征的 Oligonucleotide 序列。对于所有序列，产物质量保持一致，去嘌呤副反应得到有效抑制，试剂用量减少了 22.7–46.7%。
“与传统的在线 UV 监测相比，在线 IR 技术克服了 UV 监测的局限性，包括信号响应范围窄、监测滞后以及对微反应过程监测不足。它能够实时跟踪脱三苯甲基过程中关键组分的微观动力学变化，减少试剂消耗，并促进固相合成的绿色和可持续发展。本研究为提高固相合成过程控制精度、实现 Oligonucleotide 全流程精细化生产提供了一种通用策略。”
Pucihar, U., Vračar, P., Bitenc, M., & Kopač, T. (2025). 在自动化微流反应系统中利用机器学习实现 Claisen-Schmidt 缩合的自优化。Computers & Chemical Engineering, 201, 109261. https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2025.109261
以 2-methoxybenzaldehyde 与 acetone 之间的 Claisen-Schmidt aldol condensation reaction 为例，本研究展示了一种新型自优化系统的开发与应用。作者报告称，在由监督控制与数据采集（SCADA）控制的微流控反应器上，结合 in-line MIR (ReactIR) 和 on-line UHPLC PAT，并采用多目标算法 TSEMO（Thompson sampling efficient multi-objective optimization）进行连续变量优化。系统确定了最佳反应条件，包括温度、流速和停留时间，并通过动力学建模进行了验证。
“……自优化过程优于传统化学反应方法，因为它能更快达到目标浓度（设定目标），使用更少的化学品，并且只需极少的人工干预。这不仅提高了该过程的环境可持续性和经济效率，也显示出其在 reaction engineering 中更广泛应用的潜力。实验数据与理论预测高度一致，偏差在 ±10 % 以内，证实了该系统在无需事先了解 reaction kinetics 的情况下进行优化的能力……”
Zou, X., Xie, T., Xu, J., Bai, H., Wang, D., Ke, X., Zhao, W., & Lv, M. (2026). 通过原位 FTIR 揭示 Poly(amic acid) 短链 polyaddition 中的自催化动力学. Industrial & Engineering Chemistry Research, 65(10), 5452–5459. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.6c00046
芳香二胺和二酸酐（PAA）的 polyaddition 分为两个阶段：快速短链形成阶段（阶段 1）和随后缓慢的链增长阶段（阶段 2）。迄今几乎所有动力学研究都集中于使用多种技术研究第二阶段动力学。 尽管这些方法对低反应活性单体有效，但无法捕捉更高反应活性单体强放热的阶段 1。这导致反应最初几分钟内的模拟偏差达 20−30%，从而削弱了过程控制、scale‑up 可靠性和安全性。因此，实时、信息丰富的监测对于捕捉控制这一早期阶段的拟议自催化行为至关重要。
在本工作中，采用 in situ FTIR 提供所需信息，以更全面地理解 poly(amic acid)（PAA）早期阶段 polyaddition 的动力学。通常认为这是一种二级动力学过程，其中反应速率与二胺和二酸酐浓度的乘积成正比。理论模型表明，这类反应具有显著的自催化特征，即反应产物会加速后续反应速率，而中间体会引发自催化效应。 本文建立了高反应活性芳香二胺–二酸酐体系自催化动力学模型，包含机理假设、速率方程推导、数据拟合和热力学分析。该模型有助于理解温度和单体结构等组分如何控制自催化程度。数据表明，短链 polyaddition 服从二级不可逆自催化动力学模型，主要受新形成的 –COOH 基团所致的质子催化驱动。温度与单体亲电性共同调节自催化程度，其中 BTDA 表现出最强的催化加速作用，而 s-BPDA 最弱。
“我们采用 in situ FTIR spectroscopy 定量研究 4,4′-二氨基二苯甲烷（MDA）与三种二酸酐——3,3′,4,4′-二苯甲酮四羧酸二酐（BTDA）、3,3′,4,4′-联苯四羧酸二酐（s-BPDA）和 2,3,3′,4′-联苯四羧酸二酐（a-BPDA）——的早期阶段 polyaddition。MDA 在 818 cm–1 处的孤立特征峰可作为有效探针，用于定量监测 MDA 浓度变化。对归一化峰强（A-818 cm–1、T-818 cm–1 和 S-818 cm–1）的动力学分析表明，该反应遵循二级不可逆自催化动力学。该结合 in situ FTIR 和建模的方法首次从定量上揭示了二酸酐亲电性、分子结构和温度如何协同决定自催化程度，从而为 PAA 合成的精确控制与优化提供了关键的实验和理论指导。”
For six decades, Dr. Rein has been involved in the development, application and/or marketing of scientific instrumentation in the chemical, pharmaceutical, defense, and aerospace industries. His focus has been in the use of FTIR and Raman spectroscopy in real-time measurements and out-of-lab applications. His early collaborations with METTLER TOLEDO personnel and customers led to the eventual formation of the AutoChem group.
