FTIR-spektroskopi

FTIR-spektroskopi er en teknikk som bruker midt-infrarød energi til å analysere den molekylære strukturen og sammensetningen av stoffer ved å måle absorpsjonen av spesifikke frekvenser av infrarødt lys, noe som gir et unikt fingeravtrykk for identifikasjon og analyse. 

Hvordan fungerer FTIR-spektroskopi?

FTIR, forkortelse for "Fourier transform infrared", fungerer ved å oppdage spesifikke lysfrekvenser som tilsvarer vibrasjonsbindingsenergiene i molekyler. Når energien til vibrasjonen matcher det midt-infrarøde lyset, absorberer bindingen den energien. Siden forskjellige bindinger vibrerer ved forskjellige energier, absorberer de forskjellige bølgelengder av IR-stråling. Det resulterende spekteret, med sine individuelle absorpsjonsbånd når det gjelder posisjon og intensitet, danner et unikt molekylært fingeravtrykk.

FTIR-spektroskopi har bred bruk og anvendelighet i analysen av molekyler som er viktige i farmasøytisk, kjemisk og polymerindustri. FTIR-analyse brukes i både industri og akademiske laboratorier for bedre å forstå den molekylære strukturen til materialer så vel som kinetikken, mekanismen og veiene i kjemiske reaksjoner og katalytiske sykluser. FTIR-spektroskopi brukes for å sikre at råvarer, mellomforbindelser og sluttprodukter er innenfor spesifikasjonene. 

I kjemisk og farmasøytisk FoU brukes in-situ FTIR-spektroskopi for å hjelpe til med å skalere opp kjemiske reaksjoner, optimalisere reaksjonsutbyttet og minimere urenheter i biprodukter. I kjemisk og farmasøytisk produksjon fungerer FTIR-spektroskopi som en prosessanalytisk teknologi (PAT), som sikrer at prosessene er stabile og under kontroll og oppnår sluttproduktspesifikasjoner.

Å forstå komplekse kjemiske reaksjoner er en stor utfordring og mulighet for kjemikere og ingeniører. Bedre grunnleggende innsikt i hvordan kjemiske reaksjoner fungerer og de ideelle forholdene for å utvikle, skalere opp og drive prosesser er nøkkelen til å oppnå mål for sluttproduktutbytte, renhet og kostnad. Evnen til in-situ FTIR for å gi sanntidssporing og overvåking av reaksjonsfremgang er ideell for å utvikle innsikt i hvordan reaksjoner fungerer og midlene til optimalisering.

Reaksjonsinnsikt kommer fra å identifisere og profilere variasjonene av viktige reaksjonsarter, inkludert reagenser, mellomprodukter, produkter og biprodukter etter hvert som reaksjonen fortsetter. Viktige reaksjonshendelser er avslørt, inkludert initiering, steady-state tilstand og endepunkt. Reaksjonshastigheter og andre viktige kinetiske parametere bestemmes fra denne sanntidsprofileringsinformasjonen, samt støtte for foreslåtte mekanismer. Med den betydelige mengden datapunkter som samles inn, er in-situ FTIR-spektroskopi svært nyttig i datarik eksperimentering, for eksempel Reaction Profile Kinetic Analysis (RPKA).

For å oppsummere, oppnås alt det ovennevnte lett ved in-situ FTIR-spektroskopi, mens tradisjonelle offline-analyser ofte er umulige å utføre (under trykk, svært etsende, luft-/fuktighetsfølsomme, giftige, etc.). I tillegg kan offline-analyser ta flere minutter til timer for et resultat, og/eller utsatt for ikke-reproduserbarhet.

In-situ FTIR-spektroskopi er mye brukt i forskning, tidlig og sen utvikling, oppskalering og reaksjonsoptimalisering. Denne teknologien analyserer batch- og strømningsreaksjoner, reaksjoner i polare og ikke-polare løsningsmidler, og reaksjoner over brede pH-, temperatur- og trykkområder. Datainnsamlingen er automatisert, med kvalitativ eller kvantitativ informasjon som vanligvis genereres hvert minutt.

FTIR-spektroskopi utført in situ gir dataene for å støtte Design of Experiment (DoE) Studies og andre statistiske analysemetoder uten ventetid og sporadisk kompleks prøvetaking/forberedelse for offline analyse. Dette betyr at i stedet for å kjøre et stort antall reaksjoner for å forstå hastighetsavhengigheter, kan bare noen få eksperimenter gi den nødvendige informasjonen for å bestemme drivkreftene til en reaksjon. In-situ FTIR gir reaksjonskinetiske parametere og definerer kritiske kontrollparametere (CPP) som sømløst kan overføres til produksjon. Med sin evne til å oppdage og identifisere reaksjonsmellomprodukter og måle kinetiske parametere, er in-situ FTIR mye brukt for å gi støtte for foreslåtte reaksjonsmekanismer.

Sanntids reaksjonsanalyse krever overføring av modulert infrarød stråling til et reaksjonskar eller kontinuerlig strømningsapparat , og deretter retur av den uabsorberte energien til spektrometeret. For å oppnå dette bruker ATR-FTIR-spektroskopiinstrumenter , som ReactIR, en intern refleksjonssensor montert på enden av en rørformet optisk sonde som kan settes inn i en kjemisk reaksjon, eller en ATR-sensor som er en integrert del av en celle som overvåker kontinuerlige strømningsreaksjoner.

ATR-metoden er et ideelt supplement til FTIR-instrumentering for in-situ analyse og overvåking av kjemiske reaksjoner. Den begrensede penetrasjonsdybden av den infrarøde energien inn i prøven tillater høykvalitets FTIR-spektra av optisk tette reaksjonsblandinger. Den pene løsningsfasen til en kjemisk reaksjon måles og bobler, partikler, katalysatorer, biologiske faste stoffer, vann, etc., forstyrrer ikke målingen.

Egnede ATR-sensorer for analyse av kjemiske reaksjoner må ha den nødvendige brytningsindeksen for å muliggjøre intern refleksjon og må også fungere i tøffe kjemiske miljøer uten å forringes. Både diamant og silisium er utmerkede sensormaterialer for ATR-FTIR-spektroskopi, og valget av hvilken som skal brukes er avhengig av typen kjemi og de infrarøde toppposisjonene som må spores. 

 ReactIR 702L er det første FTIR-spektrometeret som virkelig kombinerer kraften til sanntids, in-situ FTIR med tilsvarende driftsbekvemmelighet. ReactIR er klar for enhver kjemiker og for ethvert eksperiment.

ReactIR er klar til å kjøre over natten!
ReactIR 702L bruker solid-state kjøleteknologi for å levere klassens beste ytelse – uten behov for flytende nitrogen. Ved å eliminere farlig oppsett og repeterende Dewar-påfyll, kan forskere enkelt overvåke kjemi over lengre perioder.

ReactIR er klar til å gripe og gå!
Små, stablebare enheter sparer verdifull plass i avtrekksskapet og gir fleksibilitet til å distribuere ReactIR på forskjellige steder i laboratoriet. En «alltid på»-detektor reduserer oppsettstiden og gjør det mulig for forskere å begynne å samle inn data med tillit på et øyeblikks varsel.

ReactIR er klar for kjemien din!
Probe- og strømningsbaserte prøvetakingsteknologier gjør det mulig for forskere å studere væske- og gassfasekjemi i batch- eller kontinuerlige oppsett. Egnede byggematerialer gjør datainnsamling enkel i sure og korrosive miljøer på tvers av et bredt spekter av temperaturer og trykk.

Vanlige in-situ FTIR-spektroskopiapplikasjoner inkluderer:

• Epokoksider
• Alkyleringsreaksjoner og Friedel-Crafts alkyleringsreaksjoner
• Polymerisasjonsreaksjoner
• Reaksjoner med høyt trykk
• Hydrogeneringsreaksjoner
• Hydroformylering eller oksosyntese/prosess
• Grignard-reaksjonsmekanismer
• Halogeneringer
• Litiasjoner
• Biokatalyse | Enzymatisk katalyse
• Strømningskjemi
• Metall- og ikke-metallkatalyserte reaksjoner
• Suzuki og relaterte krysskoblingsreaksjoner
• C-H aktiveringsreaksjoner

• Organokatalyse
• Metallmediert kjemi
• Kjemo- og biokatalyse
• C-H Aktivering
• Mekanistiske studier
• Reaksjonskinetikk / Reaksjonsfremgang Kinetikkanalyse
• Katalysator sykluser
• Polymerisasjon kinetikk

• Kjemisk syntese
• Hydrogeneringsreaksjoner
• Metallkatalyserte reaksjoner
• Biokatalyse/enzymatisk katalyse
• Krystallisering og rekrystallisering (overmetning)
• Halogeneringer/litiasjoner/fluor og fluoreringskjemi
• Suzuki og andre krysskoblingsreaksjoner
• Organometallisk kjemi
• Kjemi ved lav temperatur
• Kvalitet gjennom design og prosessanalytisk teknologi

• Mellomprodukter
• Overflateaktive stoffer
• Smaker og dufter
• Belegg/pigmenter
• Landbrukskjemikalier
• Initiativtakerne
• Bulk kjemikalier
• Isocyanat-reaksjoner
• Etylenoksid og propylenoksid (EO/PO)
• Svært oksiderende reaksjoner
• Hydroformylering
• Katalytiske reaksjoner
• Fosgenasjoner
• Esterifiseringer
• Halogeneringer

Kontinuerlige målinger fra infrarød spektroskopi brukes for å oppnå reaksjonsprofiler for å beregne reaksjonshastigheter. En liste over publikasjoner fra fagfellevurderte tidsskrifter fokuserer på spennende og nye anvendelser av in-situ FTIR-spektroskopi. Forskere i både akademia og industri bruker in-situ FTIR-spektroskopi for å gi omfattende informasjon og rike eksperimentelle data for å fremme forskningen deres.

Alkyleringer

• Athavale, S. V., Simon, A., Houk, K. N., & Danmark, SE (2020). Avmystifisering av den asymmetriforsterkende, autokatalytiske oppførselen til Soai-reaksjonen gjennom strukturelle, mekanistiske og beregningsstudier. Natur kjemi, 12(4), 412–423. https://doi.org/10.1038/s41557-020-0421-8
• Kariofillis, SK, Shields, BJ, Tekle-Smith, MA, Zacuto, MJ, & Doyle, AG (2020). Nikkel/fotoredoks-katalysert metylering av (hetero)arylklorider ved bruk av trimetylortoformiat som metylradikalkilde. Tidsskrift for American Chemical Society, 142(16), 7683–7689. https://doi.org/10.1021/jacs.0c02805

Biokatalyse

• Allsop, G. L., Carey, JS, Joshi, S., Leong, P., & Mirata, MA (2020). Prosessutvikling mot et pro-medikament av R-baclofen. Organisk prosessforskning og utvikling, 25(1), 136–147. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.0c00491
• Pesci, L., Gurikov, P., Liese, A., & Kara, S. (2017). Aminmediert enzymatisk karboksylering av fenoler ved bruk av CO2 som substrat øker likevektskonverteringer og reaksjonshastigheter. Bioteknologisk tidsskrift, 12(12), 1700332. https://doi.org/10.1002/biot.201700332

Kjemisk katalyse

• Ren, R., Huang, P., Zhao, W., Li, T., Liu, M., & Wu, Y. (2021). Et nytt ternært organometallisk Pd(ii)/Fe(iii)/Ru(iii) selvmonterende monolag: det essensielle ensemblesynergistiske for å forbedre katalytisk aktivitet. RSC-fremskritt, 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). Nikkelkatalysert hydrosilylering av terminale alkener med primære silaner via elektrofil silisium-hydrogenbindingsaktivering. Organiske brev, 23(4), 1434–1439. https://doi.org/10.1021/acs.orglett.1c00111

Kjemisk kinetikk

• Foth, P. J., Malig, TC, Yu, H., Bolduc, TG, Hein, JE, & Sammis, GM (2020). Halid-akselerert acylfluoriddannelse ved bruk av sulfurylfluorid. Organiske brev, 22(16), 6682–6686. https://doi.org/10.1021/acs.orglett.0c02566
• Wei, B., Sharland, JC, Lin, P., Wilkerson-Hill, SM, Fullilove, FA, McKinnon, S., Blackmond, D. G., & Davies, H. M. L. (2019). In situ kinetiske studier av Rh(II)-katalysert asymmetrisk syklopropanering med lave katalysatorbelastninger. ACS-katalyse, 10(2), 1161–1170. https://doi.org/10.1021/acscatal.9b04595

Epokoksider

• Anderson, TS, & Kozak, CM (2019). Ringåpningspolymerisasjon av epoksyder og ringåpningskopolymerisasjon av CO2 med epoksyder ved hjelp av en sinkaminobis(fenolat) katalysator. Europeisk polymertidsskrift, 120, 109237. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2019.109237
• Marbach, J., Höfer, T., Bornholdt, N., & Luinstra, G. A. (2019). Katalytisk kjedeoverføringskopolymerisering av propylenoksid og CO 2 ved bruk av sinkglutaratkatalysator. KjemiÅpen, 8(7), 828–839. https://doi.org/10.1002/open.201900135

Fluorering

• Morgan, P. J., Hanson-Heine, M. W. D., Thomas, H. P., Saunders, G. C., Marr, A. C., & Licence, P. (2020). C-F-bindingsaktivering av en perfluorert ligand som fører til nukleofil fluorering av en organisk elektrofil. Organometallikk, 39(11), 2116–2124. https://doi.org/10.1021/acs.organomet.0c00176
• Turksoy, A., Scattolin, T., Bouayad-Gervais, S., & Schoenebeck, F. (2020). Enkel tilgang til AgOCF3 og dets nye applikasjoner som reservoar for OCF2 for direkte syntese av N-CF3-, aryl- eller alkylkarbamoylfluorider. Kjemi – Et europeisk tidsskrift, 26(10), 2183–2186. https://doi.org/10.1002/chem.202000116

Halogenering

• 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). Selektiv kontinuerlig strømningsjodering veiledet av direkte spektroskopisk observasjon av likevektige aryllitiumregioisomerer. Organometallikk, 38(1), 129–137. https://doi.org/10.1021/acs.organomet.8b00538
• Sugiyama, M., Akiyama, M., Nishiyama, K., Okazoe, T., & Nozaki, K. (2020). Syntese av fluorerte dialkylkarbonater fra karbondioksid som karbonylkilde. ChemSusChem, 13(7), 1775–1784. https://doi.org/10.1002/cssc.202000090

Hydroformylering

• Hood, D. M., Johnson, R. A., Carpenter, A. E., Younker, J. M., Vinyard, D. J., & Stanley, G. G. (2020). Høyaktive kationiske kobolt(II) hydroformyleringskatalysatorer. Vitenskap, 367(6477), 542–548. https://doi.org/10.1126/science.aaw7742
• Yu, SM, Snavely, WK, Chaudhari, RV, & Subramaniam, B. (2020). Butadienhydroformylering til adipaldehyd med Rh-baserte katalysatorer: Innsikt i ligandeffekter. Molekylær katalyse, 484, 110721. https://doi.org/10.1016/j.mcat.2019.110721

Kinetics

• Hosoya, M., Shiino, G., & Tsuno, N. (2021). En praktisk overføringsmetode fra batch til flow syntese av dipeptider via syreklorid assistert av simulering av reaksjonshastigheten. Kjemi brev,50(6), 1254–1258. https://doi.org/10.1246/cl.210103
• Yang, C., Feng, H., & Stone, K. (2021). Karakterisering av propionylfosfathydrolysekinetikk ved datarike eksperimenter og in-line prosessanalytisk teknologi. Organisk prosessforskning og utvikling, 25(3), 507–515. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.0c00451

Litiasjon

• Rao, K. S., St-Jean, F., & Kumar, A. (2019). Kvantifisering av en ketonenolisering og en vinylsulfonatstereoisomerdannelse ved bruk av inline IR-spektroskopi og modellering. Organisk prosessforskning og utvikling, 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). Studie av en konkurrerende hydrodefluoreringsreaksjon under rettet orto-litiering/borylering av 2-fluorbenzaldehyd. Organometallikk, 38(1), 119–128. https://doi.org/10.1021/acs.organomet.8b00730

Polymerisering

• Ambrose, K., Murphy, JN, & Kozak, CM (2019). Kromamino-bis(fenolat)-komplekser som katalysatorer for ringåpningspolymerisasjon av cykloheksenoksid. Makromolekyler, 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, MH, & Thomas, CM (2019). Polymerisering av sykliske karbamater: En praktisk vei til alifatiske polyuretaner. Makromolekyler, 52(7), 2719–2724. https://doi.org/10.1021/acs.macromol.9b00436

Suzuki og relaterte krysskoblingsreaksjoner

• Matelienė née Dauksaîtė, L., Knaup, J., von Horsten, F., Gu, X., & Brunner, H. (2020). Godartede aryleringer av dimetylitakonat via Heck-Matsuda-reaksjon ved bruk av in-situ generert palladium på aluminiumoksid. Europeisk tidsskrift for organisk kjemi, 2020(1), 127–135. https://doi.org/10.1002/ejoc.201901708
• Reddy, K. S., Siva, B., Reddy, SD, Naresh, N. R., Pratap, T. V., Rao, BV, Hong, YA, Kumar, BV, Raju, AK, Reddy, PM, & Hu, A. (2020). In situ FTIR spektroskopisk overvåking av dannelsen av arenediazoniumsaltene og dens anvendelser på Heck-Matsuda-reaksjonen. Molekyler, 25(9), 2199. https://doi.org/10.3390/molecules25092199

Syntese

• 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, ME (2020). Utvikling av en omorganisering av nitrentype for den kommersielle ruten til JAK1-hemmeren abrocitinib. Organisk prosessforskning og utvikling, 25(3), 608–615. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.0c00366
• Millward, M. J., Ellis, E., Ward, JW, & Clayden, J. (2021). Hydantoin-broede middels ringstillaser ved migrerende innsetting av urea-bundne nitrilanioner i aromatiske C-N-bindinger. Kjemisk vitenskap, 12(6), 2091–2096. https://doi.org/10.1039/d0sc06188c