Espectroscopia ATR-FTIR | Estudio de las reacciones químicas

La reflectancia total atenuada (ATR) es un método de muestreo que introduce luz en una muestra para adquirir información estructural y de composición. La ATR es una de las tecnologías de muestreo más usadas para la espectroscopia FTIR. La razón del uso ubicuo de la ATR es que permite analizar muestras sólidas y líquidas de forma ordenada, lo que simplifica la medición de prácticamente todas las sustancias.

A diferencia de la transmisión (que es el otro método de muestreo cuyo uso también está muy extendido), el paso de luz de la medición es independiente del grosor de la muestra. La ATR es un método basado en el reflejo interno y el paso de luz de la muestra depende de la profundidad de penetración de la energía infrarroja en la muestra. Una muestra sólida puede tener un grosor de 100 micrones o 100 mm y el espectro infrarrojo registrado tendrá básicamente el mismo aspecto. Si una muestra de líquido o lodo está en contacto con la superficie de la ATR, se registra el espectro infrarrojo de la porción líquida. Es este último fenómeno el que hace que la reflectancia total atenuada (ATR) sea tan eficaz para el control de las reacciones químicas.

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Dado que la ATR permite medir los espectros sin tener que preparar muestras ni usar diluciones, se puede aplicar para el análisis de materiales sólidos y líquidos. Uno de los primeros usos de la ATR fue obtener los espectros infrarrojos de películas y muestras de polímeros. Hace aproximadamente 25 años, se inventó la ATR de diamante DiComp [[1], que amplió el uso de la ATR a muchas aplicaciones nuevas, entre las que se incluía el control de reacciones químicas.

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

En la reflectancia total atenuada (ATR), la energía de la luz pasa a través de un material óptico (es decir, el sensor de ATR) que presenta dos características principales:

1. Este debe ser ópticamente transparente a la frecuencia de la energía, de modo que el material del sensor absorba poca o ninguna radiación.
   
2. El material del sensor ATR tiene un índice de refracción mayor que el del medio circundante, de modo que la ATR actúa como una guía de ondas y refleja internamente la energía de la luz.

En función del material óptico que se seleccione y de la forma en la que se fabrique el sensor, el número de reflejos o nodos se podrá controlar con cuidado. El paso de luz eficaz del sensor ATR se define por el número de reflejos internos multiplicado por la profundidad de penetración de la onda evanescente. En cada nodo, una onda estacionaria de energía emana en la superficie.

Esta energía es evanescente, ya que disminuye en intensidad en función de la distancia a la superficie del sensor. La energía interroga así a cualquier sustancia en contacto directo con el sensor.

La profundidad de penetración también depende de la longitud de onda específica de la energía, de modo que al escanear una muestra con radiación modulada para obtener un espectro, la posición de los picos será similar a la de un espectro de transmisión o absorción; sin embargo, la intensidad de las bandas individuales diferirá de la de dicho espectro. 

Espectroscopia por infrarrojos de ATR: ideal para sustancias nítidas u ópticamente densas
La reflectancia total atenuada (ATR) emplea un material de sensor óptico que presenta un alto índice de refracción para permitir el reflejo interno dentro del sensor. En función del material óptico que se seleccione y de cómo se fabrique el sensor, el número de reflejos o nodos se podrá controlar con cuidado y se lograrán pasos de luz eficaces que se adaptarán bien a las muestras ópticamente densas. La energía interrogará a cualquier sustancia en contacto directo con el sensor. La intensidad del espectro FTIR dependerá fundamentalmente del número de reflejos, la profundidad de penetración de la onda evanescente en la muestra, el número de moléculas de interés en la muestra y su respectiva absortividad.

A diferencia de la técnica de transmisión, en la que la luz debe atravesar la muestra, el grosor de la muestra no es relevante en la ATR de FTIR. Una muestra líquida o sólida puede tener un grosor de 10 micrones o 10 cm y, en cualquiera de los dos casos, se puede adquirir un espectro FTIR útil. Esto hace que la ATR sea ideal para estudiar una amplia gama de reacciones químicas, ya que no se requiere ninguna preparación o dilución de la muestra para obtener espectros útiles. Además, se dispone de sensores ATR que son resistentes a la abrasión y pueden soportar las duras condiciones de reacción asociadas a muchos productos químicos.

En contraste: la espectroscopia por infrarrojos de transmisión suele requerir la preparación de la muestra para obtener el espectro útil
Para obtener un espectro de transmisión de un líquido, la muestra se encierra en una célula con ventanas transparentes de infrarrojos y la energía debe atravesarla. La intensidad del espectro se relaciona con el paso de luz de la célula y la solución que se está analizando. Si el paso de luz de la muestra es demasiado largo o esta contiene moléculas de disolvente o soluble, que absorben mucho los infrarrojos o son muy dispersas, llegará poca o ninguna energía al detector de infrarrojos. Esto hace que el análisis de la mayoría de las reacciones químicas resulte difícil o imposible de realizar en modo de transmisión. En los casos en los que el paso de luz correcto se ajusta al analito, se adquiere el espectro de transmisión. Dado que se pueden construir células de paso de luz largo, la espectroscopia por infrarrojo de transmisión puede resultar útil para identificar especies organometálicas de baja concentración en reacciones de catálisis homogéneas y realizar su seguimiento. Para adquirir el espectro infrarrojo de la mayoría de los sólidos, se debe diluir la muestra ya sea calentándola en aceite de nujol, presionando un gránulo de bromuro de potasio o preparando una porción ultrafina de material. 

La metodología de reflectancia total atenuada es un complemento ideal de la espectroscopia FTIR para el análisis y el control in situ y en tiempo real de las reacciones químicas. Por lo general, las mezclas de reacción son ópticamente densas a la radiación del infrarrojo medio. La profundidad restringida de penetración de la energía infrarroja en la solución de reacción que está en contacto con el sensor ATR permite registrar espectros FTIR de gran calidad.

Un sensor FTIR-ATR fabricado con material adecuado, que se monta en el extremo de una sonda tubular o como parte de una célula de flujo, permite analizar las reacciones ya sea en modo de flujo continuo o por lotes, respectivamente. Los sensores FTIR-ATR adecuados para analizar las reacciones químicas deben tener el índice de refracción necesario para permitir el reflejo interno, pero también deben funcionar en entornos químicos difíciles sin degradarse. Tanto el diamante como el silicio son excelentes materiales de sensores para el análisis FTIR-ATR de productos químicos y la elección de cuál usar depende del tipo de proceso químico y de las posiciones de los picos de infrarrojos que se deban seguir.

Cuando se emplean la ATR y la FTIR, se obtienen las siguientes ventajas:

• Las reacciones se controlan en tiempo real, in situ, en condiciones de reacción reales.
• La información sobre las tendencias de reacción, el progreso y la cinética se adquiere con facilidad.
• Los principales intermediarios de reacción transitoria se observan ayudando en los estudios de los mecanismos.
• La exposición a productos químicos tóxicos o a reacciones energéticas peligrosas se minimiza.
• Se mejora en gran medida la comprensión de la relación entre las variables de reacción y el rendimiento general de la reacción.

Debido a la velocidad con la que la FTIR adquiere espectros y al desarrollo de una nueva generación de sensores ATR resistentes a las sustancias químicas, el uso de esta tecnología combinada revoluciona los medios de adquisición de información cinética química y mecánica.

El ReactIR 702L es el primer sistema que realmente fusiona el poder de la FTIR in situ en tiempo real con una comodidad de manejo equivalente. El ReactIR está preparado para cada proceso químico y experimento.

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Las tecnologías de muestreo basadas en sondas y flujos permiten a los científicos estudiar los procesos químicos de las fases líquida y gaseosa en configuraciones por lotes o continuas. Los materiales de construcción adecuados para su uso facilitan la recogida de datos en entornos ácidos y corrosivos en una amplia gama de temperaturas y presiones.

Entre los ámbitos de aplicación más habituales de la tecnología de reflectancia total atenuada (ATR) se incluyen:

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), pp 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), pp 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, artículo anticipado, publicado por primera vez el 8 de abril de 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 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 Ramírez, “Use of Process Analytical Technology (PAT) in Small Molecule Drug Substance Reaction Development”, capítulo 42, Chemical Engineering in the Pharmaceutical Industry, David am Ende, Mary am Ende ed., 2019