Espectroscopia infrarroja FTIR

La espectroscopia FTIR permite a los científicos medir tendencias y perfiles de reacción en tiempo real, proporcionando información muy específica sobre la cinética, el mecanismo, las vías y la influencia de las variables de reacción en el rendimiento.  Gracias al uso de la espectroscopia FTIR in situ de ReactIR, ReactIR realiza un seguimiento directo de los reactantes, reactivos, productos intermedios, productos y subproductos a medida que cambian durante el curso de la reacción.  ReactIR proporciona información crítica a los científicos a medida que investigan, desarrollan y optimizan compuestos químicos, rutas sintéticas y procesos químicos.

Para comprender las reacciones químicas, un químico debe plantearse:

• ¿Cuándo se inicia la reacción? ¿Cuándo se detiene la reacción?
• ¿Cuáles son la cinética y el mecanismo de reacción?
• ¿Cuál es el efecto de esos productos intermedios transitorios?
• ¿Ha reaccionado conforme a lo previsto? ¿Se han formado subproductos y, en tal caso, por qué?
• ¿Qué sucede si la temperatura de reacción, las tasas de dosificación o las tasas de mezcla cambian?

Con el fin de obtener los mejores datos y analizar las reacciones rápidamente, hay cinco áreas que la espectroscopia FTIR de ReactIR aprovecha para que la comprensión de las reacciones esté disponible para todos los químicos, expertos o no.

Desde la sonda hasta el detector y el software, ReactIR está optimizado para su uso en la región de la “huella dactilar” de la mitad del espectro infrarrojo, lo que da como resultado un sistema altamente sensible para obtener información molecular rápida y precisa.

El software iC IR, diseñado específicamente para análisis de reacciones de resolución temporal, combina un algoritmo de selección de picos con inteligencia de grupo funcional para reducir drásticamente el tiempo de análisis. Los usuarios combinan el conocimiento de su química con un flujo de trabajo de análisis de datos automatizado para asegurar una recogida e interpretación correctas en cada experimento.

Los sensores, diseñados para funcionar en intervalos de baja a alta temperatura, de baja a alta presión y en condiciones ácidas, básicas, cáusticas, oxidantes y acuosas, permiten el análisis de prácticamente cualquier tipo de proceso químico.

La espectroscopia FTIR de ReactIR, que es lo suficientemente pequeña como para caber en una vitrina de gases, con clasificación ATEX para adaptarse en una planta y con tecnología de muestreo para tomar muestras de cualquier reacción o proceso, puede usarse para demostrar que lo que ocurre en la planta es lo que se observó en el laboratorio.

METTLER TOLEDO es una empresa con más de 30 años de experiencia especializada en el análisis de reacciones. Este es nuestro enfoque y nuestra pasión. Hemos incorporado esta experiencia a la espectroscopia FTIR adaptada a sus necesidades.

Normalmente, para obtener información sobre las reacciones, se toman muestras para su análisis fuera de línea mediante HPLC.  En el caso de las sustancias químicas en las que la extracción de la muestra provoca la pérdida de información clave, o son tóxicas o peligrosas, este procedimiento no es sencillo.  Además, los químicos deben estar presentes para tomar la muestra y esperar los resultados antes de poder comenzar el análisis de reacción.

Estos problemas tienen implicaciones como:

• La muestra puede no ser representativa.
• La destrucción de la sustancia intermedia conduce a una hipótesis incorrecta de la vía.
• Falta de comprensión de los sistemas sensibles al aire, tóxicos, explosivos o presurizados.
• Tiempos de desarrollo más largos debido a datos erróneos porque la reacción cambió.
• Los eventos críticos que afectan a la calidad del producto o del proceso pueden pasar desapercibidos.

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

ReactIR está preparado para ejecutarse durante la noche
ReactIR 702L emplea la tecnología de refrigeración de estado sólido para ofrecer el mejor rendimiento del segmento sin necesidad de usar nitrógeno líquido. Al eliminar la peligrosa configuración y las repetitivas recargas de Dewar, los científicos pueden controlar fácilmente los procesos químicos durante períodos prolongados.

ReactIR está preparado para empezar a usar.
Las pequeñas unidades apilables ahorran un valioso espacio en la vitrina de gases y ofrecen la flexibilidad necesaria para implantar el ReactIR en diversos lugares del laboratorio. El detector “siempre encendido” reduce el tiempo de configuración y permite a los científicos empezar a recopilar datos con seguridad y al instante.

ReactIR está listo para procesos químicos.
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.

La espectroscopia FTIR de ReactIR se puede aplicar a un gran variedad de procesos químicos en los que la molécula es activa a los infrarrojos, los procesos químicos están en una solución o gas residual y la concentración es superior a ~0,1 %. 

Las áreas de aplicación de la espectroscopia FTIR más habituales son:

Aunque la espectroscopia FTIR y la espectroscopia Raman son a menudo intercambiables y proporcionan información complementaria, existen diferencias prácticas que influyen en cuál de ellas será la óptima. La mayor parte de la simetría molecular permitirá tanto la actividad de FTIR como la de Raman. En una molécula que contiene un centro de inversión, las bandas IR y las bandas Raman son mutuamente excluyentes (es decir, el enlace será Raman activo o IR activo pero no ambos). Una regla general es que los grupos funcionales que tienen grandes cambios en los dipolos son fuertes en IR, mientras que aquellos que tienen cambios débiles en los dipolos o un alto grado de simetría y ningún cambio neto en los dipolos, se verán mejor en los espectros de Raman.

Elija la espectroscopia FTIR en estos casos:

• Reacciones en las que los reactantes, reactivos, disolventes y especies de reacción presentan fluorescencia
• Los enlaces con fuertes cambios en los dipolos son importantes, por ejemplo, C=O, O-H, N=O
• Reacciones en las que los reactivos y reactantes se encuentran con un nivel de concentración bajo
• Reacciones en las que las bandas de disolventes son fuertes en Raman y pueden inundar la señal de especies clave
• Reacciones en las que los productos intermedios de esa forma son IR activos

Elija Raman en estos casos:

• La investigación de los enlaces de carbono en anillos alifáticos y aromáticos es de interés primario
• Enlaces que son difíciles de ver en FTIR (por ejemplo, 0-0, S-H, C=S, N=N, C=C, etc.)
• El examen de las partículas en solución es importante (por ejemplo, polimorfismo)
• Los modos de frecuencia más baja son importantes (por ejemplo, metal-oxígeno)
• Se investigan las reacciones en medios acuosos
• Reacciones en las que la observación a través de una ventana de reacción es más fácil y segura (por ejemplo, reacciones catalíticas de alta presión, polimerizaciones, etc.)
• La investigación de los modos de red de frecuencia más baja es de interés
• Investigación de la iniciación de la reacción, el punto final y la estabilidad del producto de reacciones bifásicas y coloidales

En este artículo técnico, se presentan cinco ejemplos tomados de artículos recientes de revistas en los que se indica que la espectroscopia FTIR in situ realiza tareas que, si se llevasen a cabo con las técnicas tradicionales, resultarían complejas, laboriosas o imposibles:

• Revelar mecanismos de reacción: detección intermedia y transitoria en un reactivo de acoplamiento
• Control de la dificultad para tomar muestras de procesos químicos: reacción de litiación realizada a –70 °C
• Hacer un seguimiento del progreso de las reacciones para un mejor rendimiento y pureza: determinación de la reacción o punto final óptimos
• Eliminar el tiempo de espera para aumentar la calidad y el rendimiento: descomposición que conduce a la epimerización
• Determinar rápidamente la cinética: cinética de reacción de primer orden en un solo experimento

Las mediciones continuas a partir de la espectroscopia infrarroja se usan bastante para obtener perfiles de reacción con el fin de calcular velocidades de reacción. Una lista de publicaciones de revistas revisados por profesionales se centra en interesantes aplicaciones nuevas de espectroscopia FTIR in situ.  Los investigadores de los entornos académicos e industriales usan la espectroscopia infrarroja semi-FTIR in situ para proporcionar información exhaustiva y datos experimentales completos para avanzar en sus investigaciones.

Citas destacadas de la espectroscopia FTIR

• Beutner, G., Young, I., Davies, M., Hickey, M., Park, H., Stevens, J., Ye, Q., “TCFH−NMI: Direct Access to N‑Acyl Imidazoliums for Challenging Amide Bond Formations”, Org. Lett. (2018) 20, 4218-4222.
• Sheikh,N., Leonori,D., Barker,G., Firth,J., Campos,K., Meijer, A., O’Brien,P., Coldham,I., “An Experimental and in Situ IR Spectroscopic Study of the Lithiation−Substitution of N-Boc-2-phenylpyrrolidine and -piperidine: Controlling the Formation of Quaternary Stereocenters” J. Am. Chem. Soc. ( 2012) 134, 5300-5308.
• Hamilton, P., Sanganee, M., Graham, J., Hartwig, T., Ironmonger, A., Priestley, C., Senior, L., Thompson, D., Webb, M., “Using PAT To Understand, Control, and Rapidly Scale Up the Production of a Hydrogenation Reaction and Isolation of Pharmaceutical Intermediate”, Org. Process Res. Dev. (2015) 19, 236-243.
• Chanda, A., Daly, A., Foley, D., LaPack, M., Mukherjee, S., Orr, J., Reid, G., Thompson, D., Ward, H., “Industry Perspectives on Process Analytical Technology: Tools and Applications in API Development”, Org. Process Res. Dev. (2015) 19, 63-83.
• Rehbein, M., Husmann, S., Lechner, C., Kunick, C., Scholl, S., “Fast and calibration free determination of first order reaction kinetics in API synthesis using in-situ ATR-FTIR”, European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics 126 (2018) 95-100.