FTIR spektroskopie

FTIR spektroskopie je technika, která využívá střední infračervenou energii k analýze molekulární struktury a složení látek měřením absorpce specifických frekvencí infračerveného světla, což poskytuje jedinečný otisk prstu pro identifikaci a analýzu. 

Jak funguje FTIR spektroskopie?

FTIR, zkratka pro "infračervené s Fourierovou transformací", funguje tak, že detekuje specifické frekvence světla, které odpovídají energiím vibračních vazeb v molekulách. Když se energie vibrací shoduje se středním infračerveným světlem, vazba tuto energii absorbuje. Protože různé vazby vibrují při různých energiích, absorbují různé vlnové délky IR záření. Výsledné spektrum se svými jednotlivými absorpčními pásy z hlediska polohy a intenzity tvoří unikátní molekulární otisk.

FTIR spektroskopie má široké využití a použitelnost při analýze molekul důležitých ve farmaceutickém, chemickém a polymerním průmyslu. FTIR analýza se používá v průmyslových i akademických laboratořích k lepšímu pochopení molekulární struktury materiálů a také kinetiky, mechanismu a drah v chemických reakcích a katalytických cyklech. FTIR spektroskopie se používá k zajištění toho, aby suroviny, meziprodukty a konečné produkty byly v souladu se specifikacemi. 

V chemickém a farmaceutickém výzkumu a vývoji se in-situ FTIR spektroskopie používá k urychlení chemických reakcí, optimalizaci výtěžku reakce a minimalizaci nečistot z vedlejších produktů. V chemické a farmaceutické výrobě funguje FTIR spektroskopie jako procesní analytická technologie (PAT), která zajišťuje, že procesy jsou stabilní a pod kontrolou a dosahují specifikací konečného produktu.

Pochopení složitých chemických reakcí je pro chemiky a inženýry velkou výzvou a příležitostí. Klíčem k dosažení výtěžnosti, čistoty a nákladových cílů je lepší základní přehled o tom, jak chemické reakce fungují, a ideální podmínky pro vývoj, rozšiřování a provoz procesů. Schopnost in-situ FTIR poskytovat sledování a monitorování průběhu reakce v reálném čase je ideální pro získání přehledu o tom, jak reakce fungují a jaké jsou prostředky k jejich optimalizaci.

Poznatky o reakcích pocházejí z identifikace a profilování variací klíčových reakčních druhů včetně činidel, meziproduktů, produktů a vedlejších produktů v průběhu reakce. Jsou odhaleny důležité reakční události, včetně iniciace, podmínek ustáleného stavu a koncového bodu. Rychlosti reakce a další klíčové kinetické parametry jsou určeny z těchto informací o profilování v reálném čase, stejně jako podpora navrhovaných mechanismů. Se značným množstvím shromážděných datových bodů je in-situ FTIR spektroskopie velmi užitečná při experimentech bohatých na data, jako je kinetická analýza reakčního profilu (RPKA).

Abychom to shrnuli, všech výše uvedených možností lze snadno dosáhnout in-situ FTIR spektroskopií, zatímco tradiční offline analýzy je často nemožné provést (pod tlakem, vysoce žíravé, citlivé na vzduch/vlhkost, toxické atd.). Kromě toho může výsledek offline analýz trvat několik minut až hodin a/nebo může být nereprodukovatelný.

In-situ FTIR spektroskopie je široce používána ve výzkumu, raném a pozdním vývoji, škálování a optimalizaci reakcí. Tato technologie analyzuje dávkové a průtokové reakce, reakce v polárních a nepolárních rozpouštědlech a reakce v širokém rozsahu pH, teploty a tlaku. Sběr dat je automatizovaný, kvalitativní nebo kvantitativní informace jsou obvykle generovány každou minutu.

FTIR spektroskopie prováděná in situ poskytuje data pro podporu studií návrhu experimentů (DoE) a dalších metod statistické analýzy bez čekání a občasného složitého vzorkování/přípravy na offline analýzu. To znamená, že spíše než provádět velký počet reakcí k pochopení závislostí rychlosti může jen několik experimentů poskytnout potřebné informace k určení hnacích sil reakce. In-situ FTIR poskytuje parametry reakční kinetiky a definuje kritické kontrolní parametry (CPP), které lze bez problémů přenést do výroby. Díky své schopnosti detekovat a identifikovat meziprodukty reakce a měřit kinetické parametry je in-situ FTIR široce používán k poskytování podpory pro navrhované reakční mechanismy.

Analýza reakcí v reálném čase vyžaduje přenos modulovaného infračerveného záření do reakční nádoby nebo zařízení s kontinuálním průtokem a poté návrat neabsorbované energie do spektrometru. K dosažení tohoto cíle používají přístroje pro infračervenou spektroskopii ATR-FTIR , jako je ReactIR, interní reflexní senzor namontovaný na konci trubicové optické sondy, kterou lze vložit do chemické reakce, nebo ATR senzor, který je nedílnou součástí buňky monitorující kontinuální průtokové reakce.

Metoda ATR je ideálním doplňkem k FTIR přístrojům pro in-situ analýzu a monitorování chemických reakcí. Omezená hloubka průniku infračervené energie do vzorku umožňuje vysoce kvalitní FTIR spektra opticky hustých reakčních směsí. Měří se čistá fáze roztoku chemické reakce a bubliny, částice, katalyzátory, biologické pevné látky, voda atd. měření nenarušují.

Vhodné ATR senzory pro analýzu chemických reakcí musí mít požadovaný index lomu, aby umožnily vnitřní odraz, a musí také fungovat v drsném chemickém prostředí bez degradace. Diamant i křemík jsou vynikající senzorové materiály pro ATR-FTIR spektroskopii a jejich výběr závisí na typu chemie a polohách infračervených píků, které je třeba sledovat. 

ReactIR 702L je první FTIR spektrometr , který skutečně spojuje výkon FTIR v reálném čase in-situ s ekvivalentním provozním komfortem. ReactIR je připraven pro každého chemika a pro každý experiment.

ReactIR je připraven ke spuštění přes noc!
ReactIR 702L využívá technologii chlazení polovodičem, která poskytuje nejlepší výkon ve své třídě - bez potřeby kapalného dusíku. Odstraněním nebezpečného nastavení a opakovaného doplňování Dewarovy nádoby mohou vědci snadno sledovat chemii po delší dobu.

ReactIR je připraven k použití!
Malé, stohovatelné jednotky šetří cenné místo v digestoři a nabízejí flexibilitu při nasazení ReactIR na různých místech v laboratoři. Detektor "vždy zapnutý" zkracuje dobu nastavení a umožňuje vědcům začít sbírat data s jistotou během okamžiku.

ReactIR je připraven na vaši chemii!
Technologie odběru vzorků založených na sondách a průtokech umožňují vědcům studovat chemii kapalné a plynné fáze v dávkovém nebo kontinuálním uspořádání. Stavební materiály vhodné pro daný účel usnadňují sběr dat v kyselém a korozivním prostředí v širokém rozsahu teplot a tlaků.

Mezi běžné aplikace in-situ FTIR spektroskopie patří:

• Epoxidy
• Alkylační reakce a Friedel-Craftsovy alkylační reakce
• Polymerační reakce
• Reakce na vysoký tlak
• Hydrogenační reakce
• Hydroformylace nebo oxosyntéza/proces
• Grignardovy reakční mechanismy
• Halogenace
• Litace
• Biokatalýza | Enzymatická katalýza
• Průtoková chemie
• Reakce katalyzované kovy a nekovy
• Suzuki a související cross-couplingové reakce
• Reakce aktivace C-H

• Organokatalýza
• Chemie zprostředkovaná kovy
• Chemo- a biokatalýza
• Aktivace C-H
• Mechanistické studie
• Kinetika reakce/analýza kinetiky průběhu reakce
• Katalyzátorové cykly
• Kinetika polymerace

• Chemická syntéza
• Hydrogenační reakce
• Reakce katalyzované kovy
• Biokatalýza/enzymatická katalýza
• Krystalizace a rekrystalizace (přesycení)
• Halogenace/litace/fluor a fluorační chemie
• Suzuki a další cross-couplingové reakce
• Organokovová chemie
• Nízkoteplotní chemie
• Kvalita podle návrhu a procesní analytická technologie

• Meziprodukty
• Povrchově aktivní látky
• Příchutě a vůně
• Nátěry/pigmenty
• Agrochemikálie
• Iniciátoři
• Volně ložené chemikálie
• Izokyanátové reakce
• Ethylenoxid a propylenoxid (EO/PO)
• Vysoce oxidační reakce
• Hydroformylace
• Katalytické reakce
• Fosgenace
• Esterifikace
• Halogenace

Kontinuální měření z infračervené spektroskopie se používají k získání reakčních profilů pro výpočet reakčních rychlostí. Seznam publikací z recenzovaných časopisů se zaměřuje na vzrušující a neotřelé aplikace in-situ FTIR spektroskopie. Výzkumní pracovníci v akademické sféře i průmyslu využívají in-situ FTIR spektroskopii k poskytování komplexních informací a bohatých experimentálních dat, která podporují jejich výzkum.

Alkylace

• Athavale, SV, Simon, A., Houk, KN, & Dánsko, S. E. (2020). Demystifikace autokatalytického chování Soaiovy reakce zesilující asymetrii prostřednictvím strukturních, mechanistických a výpočetních studií. Přírodní chemie, 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). niklem/fotoredoxně katalyzovaná methylace (hetero)arylchloridů s použitím trimethylorthoformatu jako zdroje methylových radikálů. Časopis Americké chemické společnosti, 142(16), 7683–7689. https://doi.org/10.1021/jacs.0c02805

Biokatalýza

• Allsop, G. L., Carey, J. S., Joshi, S., Leong, P., & Mirata, M. A. (2020). Vývoj procesu směrem k pro-léku R-baklofenu. Výzkum a vývoj organických procesů, 25(1), 136–147. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.0c00491
• Pesci, L., Gurikov, P., Liese, A., & Kara, S. (2017). Aminem zprostředkovaná enzymatická karboxylace fenolů s použitím CO2 jako substrátu zvyšuje rovnovážné konverze a reakční rychlost. Biotechnologický časopis, 12(12), 1700332. https://doi.org/10.1002/biot.201700332

Chemická katalýza

• Ren, R., Huang, P., Zhao, W., Li, T., Liu, M., & Wu, Y. (2021). Nová ternární organokovová monovrstva Pd(ii)/Fe(iii)/Ru(iii): základní soubor synergický pro zlepšení katalytické aktivity. 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). Niklem katalyzovaná hydrosilylace koncových alkenů s primárními silany prostřednictvím elektrofilní aktivace vazby křemík-vodík. Organické dopisy, 23(4), 1434–1439. https://doi.org/10.1021/acs.orglett.1c00111

Chemická kinetika

• Foth, P. J., Malig, T. C., Yu, H., Bolduc, T. G., Hein, J. E., & Sammis, G. M. (2020). Tvorba acylfluoridu akcelerovaná halogenidy pomocí sulfurylfluoridu. Organické dopisy, 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, HML (2019). In situ kinetické studie Rh(II)-katalyzované asymetrické cyklopropance s nízkým zatížením katalyzátoru. Katalýza ACS, 10(2), 1161–1170. https://doi.org/10.1021/acscatal.9b04595

Epoxidy

• Anderson, TS, & Kozak, CM (2019). Polymerace epoxidů s otevřením kruhu a kopolymerace CO2 s epoxidy pomocí amino-bis(fenolátového) katalyzátoru zinečnatého. Evropský polymerní žurnál,120, 109237. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2019.109237
• Marbach, J., Höfer, T., Bornholdt, N., & Luinstra, G. A. (2019). Kopolymerace přenosu katalytického řetězce propylenoxidu a CO2 pomocí katalyzátoru glutarátu zinečnatého. Chemie otevřená, 8(7), 828–839. https://doi.org/10.1002/open.201900135

Fluorace

• Morgan, P. J., Hanson-Heine, M. W. D., Thomas, H. P., Saunders, G. C., Marr, A. C., & Licence, P. (2020). Aktivace perfluorovaného ligandu vazbou C–F vedoucí k nukleofilní fluoraci organického elektrofilu. Organometalika, 39(11), 2116–2124. https://doi.org/10.1021/acs.organomet.0c00176
• Turksoy, A., Scattolin, T., Bouayad‐Gervais, S., & Schoenebeck, F. (2020). Snadný přístup k AgOCF3 a jeho nové aplikace jako rezervoár pro OCF2pro přímou syntézu N−CF3, aryl nebo alkylkarbamoylfluoridů. Chemie – Evropský časopis, 26(10), 2183–2186. https://doi.org/10.1002/chem.202000116

Halogenace

• 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). Selektivní kontinuální jodace řízená přímým spektroskopickým pozorováním ekvilibrujících aryllithných regioizomerů. Organometalika, 38(1), 129–137. https://doi.org/10.1021/acs.organomet.8b00538
• Sugiyama, M., Akiyama, M., Nishiyama, K., Okazoe, T., & Nozaki, K. (2020). Syntéza fluorovaných dialkylkarbonátů z oxidu uhličitého jako karbonylového zdroje. ChemSusChem, 13(7), 1775–1784. https://doi.org/10.1002/cssc.202000090

Hydroformylace

• Hood, D. M., Johnson, R. A., Carpenter, A. E., Younker, J. M., Vinyard, D. J., & Stanley, G. G. (2020). Vysoce aktivní kationtové hydroformylační katalyzátory kobaltu. Věda, 367(6477), 542–548. https://doi.org/10.1126/science.aaw7742
• Yu, S. M., Snavely, W. K., Chaudhari, R. V., & Subramaniam, B. (2020). Hydroformylace butadienu na adipaldehyd s katalyzátory na bázi Rh: Poznatky o efektech ligandu. Molekulární katalýza, 484, 110721. https://doi.org/10.1016/j.mcat.2019.110721

Kinetika

• Hosoya, M., Shiino, G., & Tsuno, N. (2021). Praktická metoda přenosu z vsázky do průtokové syntézy dipeptidů pomocí chloridu kyseliny za pomoci simulace reakční rychlosti. Chemické dopisy, 50(6), 1254–1258. https://doi.org/10.1246/cl.210103
• Yang, C., Feng, H., & Stone, K. (2021). Charakterizace kinetiky hydrolýzy propionylfosfátu pomocí experimentů bohatých na data a in-line procesní analytické technologie. Výzkum a vývoj organických procesů, 25(3), 507–515. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.0c00451

Litiace

• Rao, K. S., St-Jean, F., & Kumar, A. (2019). Kvantifikace enolizace ketonů a tvorba stereoizomeru vinylsulfonátu pomocí inline IR spektroskopie a modelování. Výzkum a vývoj organických procesů, 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). Studium konkurenční hydrodefluorační reakce během řízené ortho-lithiace/borylace 2-fluorbenzaldehydu. Organometalika, 38(1), 119–128. https://doi.org/10.1021/acs.organomet.8b00730

Polymerizace

• Ambrose, K., Murphy, J. N., & Kozák, C. M. (2019). Chromité amino-bis(fenolátové) komplexy jako katalyzátory pro polymeraci oxidu cyklohexenu s otevřením kruhu. Makromolekuly, 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). Polymerace cyklických karbamátů: Praktická cesta k alifatickým polyuretanům. Makromolekuly, 52(7), 2719–2724. https://doi.org/10.1021/acs.macromol.9b00436

Suzuki a související crosscouplingové reakce

• Matelienė rozená Dauksaîtė, L., Knaup, J., von Horsten, F., Gu, X., & Brunner, H. (2020). Benigní arylace dimethylitakonátu prostřednictvím Heck-Matsudovy reakce s využitím palladia generovaného in-situ na oxidu hlinitém. Evropský žurnál organické chemie, 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 spektroskopické sledování tvorby arenových diazoniových solí a jeho aplikace na Heckovu–Matsudovu reakci. Molekuly, 25(9), 2199. https://doi.org/10.3390/molecules25092199

Syntéza

• 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). Vývoj přestavby typu dusičnanu pro komerční cestu inhibitoru JAK1 abrocitinibu. Výzkum a vývoj organických procesů, 25(3), 608–615. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.0c00366
• Millward, M. J., Ellis, E., Ward, J. W., & Clayden, J. (2021). Střední prstencové nosiče přemostěné hydantoinem migračním vložením nitrilových aniontů vázaných na močovinu do aromatických vazeb C–N. Chemická věda, 12(6), 2091–2096. https://doi.org/10.1039/d0sc06188c