Espectroscopia FTIR

La espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) es una metodología que se emplea en la industria y en los laboratorios académicos para comprender la estructura de las moléculas individuales y la composición de las mezclas moleculares. La espectroscopia FTIR usa energía del infrarrojo medio modulada para analizar una muestra. La luz infrarroja se absorbe a frecuencias específicas directamente relacionadas con las energías de enlace vibratorio interatómico de la molécula. Cuando la energía de enlace vibratorio y la luz infrarroja media son equivalentes, el enlace puede absorber dicha energía. Los diversos enlaces de una molécula vibran con energías diferentes y, por lo tanto, absorben longitudes de onda distintas de la radiación por infrarrojos (IR). La posición (frecuencia) e intensidad de cada una de estas bandas de absorción contribuye al espectro total, lo que crea una identificación característica de la molécula.

La espectroscopia FTIR tiene un amplio uso y aplicabilidad en el análisis de moléculas importantes en las industrias farmacéutica, química y de polímeros. El análisis FTIR se emplea tanto en la industria como en laboratorios académicos para comprender mejor la estructura molecular de los materiales, así como la cinética, el mecanismo y las vías de las reacciones químicas y los ciclos catalíticos. La espectroscopia FTIR se usa para asegurar que las materias primas, los compuestos intermedios y los productos finales se hallen dentro de las especificaciones. En el ámbito de la I+D química y farmacéutica, la espectroscopia FTIR in situ sirve para contribuir al escalado las reacciones químicas, optimizar el rendimiento de la reacción y minimizar las impurezas de los productos secundarios. En la producción química y farmacéutica, la espectroscopia FTIR funciona como tecnología analítica de procesos (PAT), y asegura que los procesos sean estables, estén bajo control y logren las especificaciones de los productos finales.

 

Comprender las reacciones químicas complejas plantea un reto y una oportunidad considerables para químicos e ingenieros. Mejorar la información fundamental sobre el funcionamiento de las reacciones químicas y de las condiciones ideales para desarrollar, escalar y manejar los procesos es la clave para lograr los objetivos de rendimiento, pureza y coste del producto final. La capacidad de la FTIR in situ para ofrecer un rastreo y un control en tiempo real del progreso de la reacción resulta ideal para desarrollar información sobre el funcionamiento de las reacciones y los medios para optimizarlas. La información sobre las reacciones procede de identificar y perfilar las variaciones de las especies reactivas fundamentales, entre las que se incluyen los reactivos, los productos intermedios, los productos y los productos secundarios a medida que avanza la reacción. Se revelan los eventos importantes de las reacciones, entre los que se incluyen la iniciación, la condición de estado constante y el punto final. Las velocidades de la reacción y el resto de los parámetros cinéticos se determinan a partir de esta información de perfilado en tiempo real, así como la compatibilidad con los mecanismos propuestos. Con la considerable cantidad de puntos de datos recopilada, la FTIR in situ resulta muy útil en los experimentos con una gran cantidad de datos, como es el caso del análisis cinético del perfil de la reacción (RPKA). En resumen, todo lo anterior se consigue fácilmente mediante la FTIR in situ, mientras que los análisis fuera de línea tradicionales suelen ser imposibles de llevar a cabo (presión excesiva, gran causticidad, sensibilidad al aire o a la humedad, toxicidad, etc.). Además, los análisis fuera de línea pueden tardar entre varios minutos y horas en conseguir un resultado, y/o tienen propensión a no ser reproducibles.

Medir los procesos químicos en tiempo real obliga a transferir la radiación infrarrojos modulada a un recipiente de reacción o a un aparato de flujo continuo, y luego a devolver la energía no absorbida al espectrómetro. Para conseguirlo, la tecnología ReactIR emplea un sensor de reflejo interno (reflectancia total atenuada/ATR) montado en el extremo de una sonda óptica tubular que se puede insertar en una reacción química, o un sensor de ATR que constituye un componente esencial de una célula que controla las reacciones de flujo continuo.

El método de ATR constituye un complemento ideal del instrumental de FTIR para el análisis y el control de las reacciones químicas. La limitada profundidad de penetración de la energía de infrarrojos en la muestra permite generar espectros de FTIR de gran calidad de mezclas de reacción ópticamente densas. Se mide la fase de disolución limpia de una reacción química y las burbujas, las partículas, los catalizadores, los cuerpos sólidos biológicos, el agua, etc., no interfieren en la medición.

Los sensores de ATR adecuados para analizar las reacciones químicas deben tener el índice de refracción necesario para permitir el reflejo interno, y también deben funcionar en entornos químicos difíciles sin degradarse. Tanto el diamante como el silicio son excelentes materiales de sensores para la FTIR con ATR, y la elección de cuál usar depende del tipo de proceso químico y de las posiciones de los picos de infrarrojos que haya que rastrear. 

La espectroscopia FTIR in situ se emplea de forma generalizada en la investigación, en el desarrollo temprano y tardío, y en la optimización del escalado y las reacciones. Esta tecnología analiza las reacciones de flujo y por lotes en disolventes polares y no polares, así como las reacciones a lo largo de amplios intervalos de pH, temperatura y presión. La recogida de datos se automatiza, y se suele generar información cualitativa o cuantitativa a cada minuto. La espectroscopia FTIR in situ aporta los datos necesarios para respaldar estudios de diseño de experimentos (DoE) y otros métodos de análisis estadísticos sin las esperas ni los complejos muestreos/preparaciones ocasionales que requiere el análisis fuera de línea. Esto significa que, en lugar de ejecutar un gran número de reacciones para comprender las dependencias de la velocidad, solo unos pocos experimentos pueden proporcionar la información necesaria para determinar las fuerzas motrices de una reacción. La FTIR in situ genera parámetros de la cinética de reacción y define los parámetros de control críticos (PCC) que se pueden transferir fluidamente a la producción. Gracias a esta capacidad para detectar e identificar los productos intermedios de las reacciones y medir los parámetros cinéticos, la FTIR in situ se emplea de forma generalizada para respaldar los mecanismos de reacción propuestos. 

Entre las aplicaciones de la espectroscopia FTIR más habituales se incluyen:

• Epóxidos
• Reacciones de alquilación y reacciones de alquilación de Friedel-Crafts
• Reacciones de polimerización
• Reacciones a alta presión
• Reacciones de hidrogenación
• Hidroformación o síntesis/proceso oxo
• Mecanismos de la reacción de Grignard
• Halogenaciones
• Litiaciones
• Biocatálisis | Catálisis enzimática
• Química de flujo
• Reacciones de catalización de metales y no metales
• Reacciones de Suzuki y reacciones de acoplamiento cruzado relacionadas
• Reacciones de activación de C-H

La FTIR con ATR in situ ofrece numerosas ventajas con respecto a los métodos analíticos alternativos, entre los que se incluyen otras técnicas de espectroscopia molecular. Los investigadores y los científicos mejoran el desarrollo químico aprovechando, entre otras, estas ventajas:

• La región de energía de IR media genera espectros de “identificación” detallados de las materias primas, los productos intermedios, los productos y los productos secundarios, lo cual posibilita un rastreo continuo de estas especies clave como función temporal.
• Una medición en tiempo real, efectuada cada minuto o menos.
• In situ, sin necesidad de muestreo extractivo; mida los procesos químicos sin perturbar la reacción.
• No es destructiva; por lo que preserva la integridad de la reacción química.
• Mide las reacciones con un funcionamiento por lotes, de forma semidiscontinua o en flujo continuo.
• Mide la ejecución de las reacciones bajo presión o a temperaturas elevadas o bajas.
• Mide las reacciones en medios acuosos o no acuosos y a lo largo de un amplio intervalo de pH.
• El sensor de ATR no suele verse afectado por los reactivos corrosivos.
• Las reacciones en condiciones corrosivas, tóxicas o peligrosas se pueden controlar sin muestreo.
• Mide la fase de disolución limpia; sin interferencia de burbujas ni partículas sólidas.
• Los datos espectrales se pueden convertir en datos de concentración en tiempo real, lo cual permite el desarrollo de parámetros cinéticos clave y la determinación precisa del punto final.
• Al ser un método de PAT sobradamente demostrado, la FTIR in situ respalda los esfuerzos de calidad por diseño (QbD) y asegura la definición y el control de los PCC.
• Proporciona un mecanismo primario de obtener datos cinéticos importantes y pruebas objetivas que respaldan los mecanismos propuestos.
• La FTIR in situ ayuda a identificar y rastrear los productos intermedios transitorios que pudieran afectar al rendimiento y la calidad del producto, y es clave para la comprensión mecanicista.
• Las tendencias de la reacción se siguen en tiempo real, lo cual permite controlar eventos importantes de las reacciones tales como la iniciación, el estado constante, el punto final y la descomposición.

• Organocatálisis
• Química mediada por metales
• Quimio y biocatálisis
• Activación de C-H
• Estudios mecánicos
• Análisis de la cinética de la reacción y de la cinética del progreso de la reacción
• Ciclos catalíticos
• Cinética de polimerización

• Síntesis química
• Reacciones de hidrogenación
• Reacciones de catalización de metales 
• Biocatálisis y catálisis enzimática
• Cristalización y recristalización (supersaturación)
• Halogenaciones/litiaciones/fluoruro y química de fluoración
• Reacciones de Suzuki y otras reacciones de acoplamiento cruzado
• Química organometálica
• Procesos químicos a temperaturas bajas
• Calidad por diseño y tecnología analítica de procesos

• Productos intermedios
• Tensoactivos
• Aromas y fragancias
• Recubrimientos/pigmentos
• Agroquímicos
• Iniciadores
• Productos químicos a granel
• Reacciones de isocianatos
• Óxido de etileno y óxido de propileno (OE/OP)
• Reacciones altamente oxidantes
• Hidroformación
• Reacciones catalíticas
• Fosgenaciones
• Esterificaciones
• Halogenaciones

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.

El ReactIR está preparado para ejecutarse durante la noche.
El 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 periodos prolongados.

El ReactIR está listo para 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 sensores 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 fabricación adecuados facilitan la recogida de datos en entornos ácidos y corrosivos en una amplia gama de temperaturas y presiones.

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 con revisión científica se centra en interesantes aplicaciones novedosas de la espectroscopiaFTIR in situ. Los investigadores de los entornos académicos e industriales usan la espectroscopia FTIR in situ para proporcionar información exhaustiva y datos experimentales completos que les permitan avanzar en sus investigaciones.

Alquilaciones

• Athavale, S. V., Simon, A., Houk, K. N. y 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. y 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

Biocatálisis

• Allsop, G. L., Carey, J. S., Joshi, S., Leong, P. y 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. y 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

Catálisis química

• Ren, R., Huang, P., Zhao, W., Li, T., Liu, M. y 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. y 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

Chemical Kinetics

• Foth, P. J., Malig, T. C., Yu, H., Bolduc, T. G., Hein, J. E. y 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. y 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

Epóxidos

• Anderson, T. S. y 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. y 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

Fluoración

• Morgan, P. J., Hanson-Heine, M. W. D., Thomas, H. P., Saunders, G. C., Marr, A. C. y 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. y 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

Halogenación

• 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. y 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. y 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

Hidroformación

• Hood, D. M., Johnson, R. A., Carpenter, A. E., Younker, J. M., Vinyard, D. J. y 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. y 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

Cinética

• Hosoya, M., Shiino, G. y 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. y 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

Litiación

• Rao, K. S., St-Jean, F. y 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. y 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

Polimerización

• Ambrose, K., Murphy, J. N. y 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. y 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

Reacciones de Suzuki y reacciones de acoplamiento cruzado relacionadas

• Matelienė née Dauksaîtė, L., Knaup, J., von Horsten, F., Gu, X. y 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. y 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

Síntesis

• 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. y 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. y 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