FTIR光谱

傅里叶变换红外（FTIR）光谱是一种在工业与研发实验室内使用，用于了解单个分子的结构以及分子混合物构成的分析方法。FTIR光谱利用调制的中红外能量检测样品。红外光在与分子中原子间振动键能直接相关的特定频率下被吸收。当振动的键能与中红外光的能量相等时，键可以吸收该能量。分子中的不同键以不同的能量振动，因此吸收不同波长的红外辐射。这些吸收带的位置（频率）和强度对整个光谱产生作用，从而形成分子的特征指纹。

FTIR光谱在对于制药、化学与高分子行业很重要的分子分析方面具有广泛的用途与应用性。FTIR分析用于工业与研发实验室，以更好地了解材料的分子结构以及化学反应和催化循环中的动力学、机理与途径。FTIR光谱用于确保原材料、中间化合物以及最终产品符合规范要求。在化学品与药品研发过程中，原位FTIR光谱用于帮助对化学反应放大生产、优化反应产量以及最大限度减少副产物杂质。在化学品与药品生产过程中，FTIR光谱发挥过程分析技术（PAT）作用，确保过程稳定、可控并且符合最终产品规范要求。

 

了解复杂的化学反应对于化学家与工程师而言既是一种巨大的挑战，又是一种重要的机会。更好地了解化学反应的工作原理以及开发、放大生产与操作工艺的理想条件是实现最终产品产量、纯度和成本目标的关键。原位FTIR能够实时跟踪和监测反应进程，这非常适合深入了解反应的工作原理与优化方式。深入了解反应需要在反应进行时识别和分析关键反应组分（例如：试剂、中间体、产物与副产物）的变化。可以揭示重要的反应事件，例如：引发、稳态条件与终点。可通过这些实时分析信息确定反应速率与其他关键动力学参数，并且支持提出的机理。由于原位FTIR收集大量数据点，因此在数据丰富的实验（例如：反应曲线动力学分析（RPKA））中非常有用。总而言之，上述所有结果都可以通过原位FTIR轻松实现，而传统的离线分析通常无法执行（在压力下、高度腐蚀性、对空气/湿度敏感、有毒等）。此外，离线分析可能需要几分钟到几个小时产生结果，并且/或者容易出现非重现性。

为了实时测量化学性质，需要将调制的红外辐射传输至反应容器或连续流动装置中，然后将未吸收的能量返回至光谱仪。为了实现这一点，ReactIR技术使用安装在管状光学探头末端，可以插入化学反应中的内部反射（衰减全反射/ATR）传感器，或者使用作为细胞监测连续流动反应组成部分的ATR传感器。

ATR方法是用于分析与监测化学反应的FTIR仪器的完美补充。由于红外能量进入样品的深度有限，因此可提供光密反应混合物的高质量FTIR光谱。测量化学反应的纯溶液相，并且气泡、颗粒、催化剂、生物固体、水等物质不会干扰测量。

适合分析化学反应的ATR传感器必须具有实现内部反射所需的折射率，还必须在恶劣的化学环境中正常运行。金刚石与硅均为适用于FTIR-ATR的传感器材料，具体选择哪一种材料取决于化学物质的类型，以及需要跟踪的红外峰的位置。 

原位FTIR光谱广泛用于研究、早期和后期开发、放大生产以及反应优化。这项技术可分析间歇与流动反应、极性与非极性溶剂中的反应，以及在宽广的pH、温度与压力范围内的反应。自动进行数据采集，通常每分钟生成一次定性或定量信息。原位FTIR光谱提供支持实验设计（DoE）研究与其他统计分析方法的数据，无需等待以及时常为离线分析而进行复杂的取样/制备。这意味着仅需几次实验便可提供确定反应驱动力所需信息，无需通过大量的反应了解速率相关性。原位FTIR生成反应动力学参数，并且定义可以无缝传送至生产的关键控制参数（CPP）。由于原位FTIR具备检测与识别反应中间体以及测量动力学参数的能力，因此被广泛用于向建议的反应机理提供支持。 

原位FTIR光谱的常见应用包括：

• 环氧化物
• 烷基化反应与Friedel-Crafts烷基化反应
• 聚合反应
• 高压反应
• 氢化反应
• 加氢甲酰化或羰基合成/工艺
• 格氏反应机理
• 卤化
• 锂化
• 生物催化 | 酶催化
• 流动化学
• 金属与非金属催化反应
• 铃木与相关交叉偶联反应
• C-H活化反应

与其他分析方法（包括其他分子光谱技术）相比，原位FTIR-ATR具有诸多优势。利用这些优势可以帮助研究人员和科研人员改进化学开发，包括：

• 中红外能量区产生关于原材料、中间体、产物与副产物详细的“指纹”光谱，可持续跟踪这些关键物种与时间的关系
• 每分钟或在更短时间内进行一次实时测量
• 原位测量，无需萃取取样；在不干扰反应的情况下测量化学反应
• 不具有破坏性，可保留化学反应的完整性
• 在间歇、半间歇或连续操作中测量反应
• 测量在压力或高温/低温条件下运行的反应
• 测量水性或非水性介质中以及广泛 pH 范围内的反应
• 浸入的ATR传感器通常不会受到腐蚀性试剂的影响
• 无需取样即可监测与腐蚀性、有毒或有害条件的反应
• 测量溶液相；气泡或固体颗粒不会产生干扰
• 可以将光谱数据转换为实时浓度数据，从而开发关键动力学参数以及精确测定终点
• 作为一种经过充分验证的PAT方法，原位FTIR支持质量源于设计（QbD）的举措，并确保对CPP定义和监控
• 提供一种获得重要动力学数据以及支持建议机理的事实证据的主要方法
• 原位FTIR有助于识别和跟踪可能影响产量与质量的瞬态中间体，并且是了解机理的关键
• 实时跟踪反应趋势，从而监控关键反应事件，例如：引发、稳态、终点与分解

• 有机催化
• 金属介导化学
• 化学与生物催化
• C-H活化
• 机理研究
• 反应动力学/反应进程动力学分析
• 催化循环
• 聚合动力学

• 化学合成
• 氢化反应
• 金属催化反应 
• 生物催化|酶催化
• 催化与重结晶（过饱和）
• 卤化/锂化/氟和氟化化学
• 铃木与其他交叉偶联反应
• 金属有机化学
• 低温化学反应
• 质量源于技术与过程分析技术

• 中间产物
• 表面活性剂
• 香精香料
• 涂层/染料
• 农用化学品
• 引发剂
• 基础化工
• 异氰酸酯反应
• 环氧乙烷和环氧丙烷（EO/PO）
• 高度氧化反应
• 氢甲酰化
• 催化反应
• 光气化
• 酯化
• 卤化

ReactIR 702L是第一款将实时原位FTIR的强大功能与同等操作方便性结合起来的系统。ReactIR适用于每一位化学家和每一次实验。

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红外光谱进行的连续测量用于获得反应趋势图，以计算反应速率。同行评审期刊中的一系列出版物重点介绍 原位FTIR光谱令人兴奋与新颖的应用。学术界与工业研究人员利用原位FTIR光谱提供详细的信息与丰富的实验数据，以帮助其进行研究。

烷基化

• Athavale, S. V., Simon, A., Houk, K. N., & Denmark, S. E. (2020). Demystifying the asymmetry-amplifying, autocatalytic behaviour of the Soai reaction through structural, mechanistic and computational studies.Nature Chemistry, 12(4), 412–423. https://doi.org/10.1038/s41557-020-0421-8
• Kariofillis, S. K., Shields, B. J., Tekle-Smith, M. A., Zacuto, M. J., & Doyle, A. G. (2020). Nickel/Photoredox-Catalyzed Methylation of (Hetero)aryl Chlorides Using Trimethyl Orthoformate as a Methyl Radical Source.Journal of the American Chemical Society, 142(16), 7683–7689. https://doi.org/10.1021/jacs.0c02805

生物催化

• Allsop, G. L., Carey, J. S., Joshi, S., Leong, P., & Mirata, M. A. (2020). Process Development toward a Pro-Drug of R-Baclofen.Organic Process Research & Development, 25(1), 136–147. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.0c00491
• Pesci, L., Gurikov, P., Liese, A., & Kara, S. (2017). Amine-Mediated Enzymatic Carboxylation of Phenols Using CO2 as Substrate Increases Equilibrium Conversions and Reaction Rates.Biotechnology Journal, 12(12), 1700332. https://doi.org/10.1002/biot.201700332

化学分析

• Ren, R., Huang, P., Zhao, W., Li, T., Liu, M., & Wu, Y. (2021). A New ternary organometallic Pd(ii)/Fe(iii)/Ru(iii) self-assembly monolayer: the essential ensemble synergistic for improving catalytic activity.RSC Advances, 11(3), 1250–1260. https://doi.org/10.1039/d0ra09347e
• Wu, X., Ding, G., Lu, W., Yang, L., Wang, J., Zhang, Y., Xie, X., & Zhang, Z. (2021). Nickel-Catalyzed Hydrosilylation of Terminal Alkenes with Primary Silanes via Electrophilic Silicon–Hydrogen Bond Activation.Organic Letters, 23(4), 1434–1439. https://doi.org/10.1021/acs.orglett.1c00111

化学动力学

• Foth, P. J., Malig, T. C., Yu, H., Bolduc, T. G., Hein, J. E., & Sammis, G. M. (2020). Halide-Accelerated Acyl Fluoride Formation Using Sulfuryl Fluoride.Organic Letters, 22(16), 6682–6686. https://doi.org/10.1021/acs.orglett.0c02566
• Wei, B., Sharland, J. C., Lin, P., Wilkerson-Hill, S. M., Fullilove, F. A., McKinnon, S., Blackmond, D. G., & Davies, H. M. L. (2019). In Situ Kinetic Studies of Rh(II)-Catalyzed Asymmetric Cyclopropanation with Low Catalyst Loadings.ACS Catalysis, 10(2), 1161–1170. https://doi.org/10.1021/acscatal.9b04595

环氧化物

• Anderson, T. S., & Kozak, C. M. (2019). Ring-opening polymerization of epoxides and ring-opening copolymerization of CO2 with epoxides by a zinc amino-bis(phenolate) catalyst.European Polymer Journal, 120, 109237. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2019.109237
• Marbach, J., Höfer, T., Bornholdt, N., & Luinstra, G. A. (2019). Catalytic Chain Transfer Copolymerization of Propylene Oxide and CO 2 using Zinc Glutarate Catalyst.ChemistryOpen, 8(7), 828–839. https://doi.org/10.1002/open.201900135

氟化

• Morgan, P. J., Hanson-Heine, M. W. D., Thomas, H. P., Saunders, G. C., Marr, A. C., & Licence, P. (2020). C–F Bond Activation of a Perfluorinated Ligand Leading to Nucleophilic Fluorination of an Organic Electrophile.Organometallics, 39(11), 2116–2124. https://doi.org/10.1021/acs.organomet.0c00176
• Turksoy, A., Scattolin, T., Bouayad‐Gervais, S., & Schoenebeck, F. (2020). Facile Access to AgOCF3and Its New Applications as a Reservoir for OCF2for the Direct Synthesis of N−CF3, Aryl or Alkyl Carbamoyl Fluorides.Chemistry – A European Journal, 26(10), 2183–2186. https://doi.org/10.1002/chem.202000116

卤化

• Dunn, A. L., Leitch, D. C., Journet, M., Martin, M., Tabet, E. A., Curtis, N. R., Williams, G., Goss, C., Shaw, T., O’Hare, B., Wade, C., Toczko, M. A., & Liu, P. (2018). Selective Continuous Flow Iodination Guided by Direct Spectroscopic Observation of Equilibrating Aryl Lithium Regioisomers.Organometallics, 38(1), 129–137. https://doi.org/10.1021/acs.organomet.8b00538
• Sugiyama, M., Akiyama, M., Nishiyama, K., Okazoe, T., & Nozaki, K. (2020). Synthesis of Fluorinated Dialkyl Carbonates from Carbon Dioxide as a Carbonyl Source.ChemSusChem, 13(7), 1775–1784. https://doi.org/10.1002/cssc.202000090

氢甲酰化

• Hood, D. M., Johnson, R. A., Carpenter, A. E., Younker, J. M., Vinyard, D. J., & Stanley, G. G. (2020). Highly active cationic cobalt(II) hydroformylation catalysts.Science, 367(6477), 542–548. https://doi.org/10.1126/science.aaw7742
• Yu, S. M., Snavely, W. K., Chaudhari, R. V., & Subramaniam, B. (2020). Butadiene hydroformylation to adipaldehyde with Rh-based catalysts:Insights into ligand effects.Molecular Catalysis, 484, 110721. https://doi.org/10.1016/j.mcat.2019.110721

动力学

• Hosoya, M., Shiino, G., & Tsuno, N. (2021). A Practical Transferring Method from Batch to Flow Synthesis of Dipeptides via Acid Chloride Assisted by Simulation of the Reaction Rate.Chemistry Letters, 50(6), 1254–1258. https://doi.org/10.1246/cl.210103
• Yang, C., Feng, H., & Stone, K. (2021). Characterization of Propionyl Phosphate Hydrolysis Kinetics by Data-Rich Experiments and In-Line Process Analytical Technology.Organic Process Research & Development, 25(3), 507–515. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.0c00451

锂化

• Rao, K. S., St-Jean, F., & Kumar, A. (2019). Quantitation of a Ketone Enolization and a Vinyl Sulfonate Stereoisomer Formation Using Inline IR Spectroscopy and Modeling.Organic Process Research & Development, 23(5), 945–951. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.9b00042
• St-Jean, F., Piechowicz, K. A., Sirois, L. E., Angelaud, R., & Gosselin, F. (2018). Study of a Competing Hydrodefluorination Reaction During the Directed ortho-Lithiation/Borylation of 2-Fluorobenzaldehyde.Organometallics, 38(1), 119–128. https://doi.org/10.1021/acs.organomet.8b00730

聚合作用

• Ambrose, K., Murphy, J. N., & Kozak, C. M. (2019). Chromium Amino-bis(phenolate) Complexes as Catalysts for Ring-Opening Polymerization of Cyclohexene Oxide.Macromolecules, 52(19), 7403–7412. https://doi.org/10.1021/acs.macromol.9b01381
• Zhang, D., Zhang, Y., Fan, Y., Rager, M. N., Guérineau, V., Bouteiller, L., Li, M. H., & Thomas, C. M. (2019). Polymerization of Cyclic Carbamates:A Practical Route to Aliphatic Polyurethanes.Macromolecules, 52(7), 2719–2724. https://doi.org/10.1021/acs.macromol.9b00436

铃木与相关交叉偶联反应

• Matelienė née Dauksaîtė, L., Knaup, J., von Horsten, F., Gu, X., & Brunner, H. (2020). Benign Arylations of Dimethyl Itaconate via Heck-Matsuda Reaction Utilizing in-Situ Generated Palladium on Aluminum Oxide.European Journal of Organic Chemistry, 2020(1), 127–135. https://doi.org/10.1002/ejoc.201901708
• Reddy, K. S., Siva, B., Reddy, S. D., Naresh, N. R., Pratap, T. V., Rao, B. V., Hong, Y. A., Kumar, B. V., Raju, A. K., Reddy, P. M., & Hu, A. (2020). In Situ FTIR Spectroscopic Monitoring of the Formation of the Arene Diazonium Salts and Its Applications to the Heck–Matsuda Reaction.Molecules, 25(9), 2199. https://doi.org/10.3390/molecules25092199

合成

• Connor, C. G., DeForest, J. C., Dietrich, P., Do, N. M., Doyle, K. M., Eisenbeis, S., Greenberg, E., Griffin, S. H., Jones, B. P., Jones, K. N., Karmilowicz, M., Kumar, R., Lewis, C. A., McInturff, E. L., McWilliams, J. C., Mehta, R., Nguyen, B. D., Rane, A. M., Samas, B., Sitter, B. J. Ward, H. W., & Webster, M. E. (2020). Development of a Nitrene-Type Rearrangement for the Commercial Route of the JAK1 Inhibitor Abrocitinib.Organic Process Research & Development, 25(3), 608–615. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.0c00366
• Millward, M. J., Ellis, E., Ward, J. W., & Clayden, J. (2021). Hydantoin-bridged medium ring scaffolds by migratory insertion of urea-tethered nitrile anions into aromatic C–N bonds.Chemical Science, 12(6), 2091–2096. https://doi.org/10.1039/d0sc06188c