Spektroskopia FTIR

Spektroskopia fourierowska w podczerwieni (FTIR) to metodologia analityczna stosowana w laboratoriach przemysłowych i akademickich do badania struktury poszczególnych cząsteczek oraz składu mieszanin cząsteczkowych. Spektroskopia FTIR wykorzystuje do badania próbek modulowaną energię w średniej podczerwieni. Światło podczerwone jest pochłaniane przy określonych częstotliwościach związanych bezpośrednio z energiami drgań wiązań pomiędzy atmomami w cząsteczce. Kiedy energia wiązania drgań i energia światła średniej podczerwieni są sobie równe, wiązanie może pochłaniać tę energię. Różne wiązania w cząsteczce drgają z różną energią i dlatego pochłaniają różne długości fal promieniowania podczerwonego. Położenie (częstotliwość) i intensywność tych poszczególnych pasm absorpcji składają się na ogólne widmo, tworząc charakterystyczny „odcisk palca” cząsteczki.

Spektroskopia FTIR ma szerokie zastosowanie w analizie cząsteczek o dużym znaczeniu w przemyśle farmaceutycznym, chemicznym i polimerowym. Analiza FTIR jest wykorzystywana w laboratoriach przemysłowych i akademickich do badania struktury cząsteczkowej materiałów, a także kinetyki, mechanizmów i ścieżek reakcji chemicznych oraz cykli katalitycznych. Spektroskopia FTIR jest wykorzystywana do zapewnienia zgodności surowców, związków pośrednich i produktów końcowych z wymaganiami specyfikacji. W dziedzinie opracowywania produktów chemicznych i farmaceutycznych spektroskopia FTIR in-situ jest wykorzystywana do wdrażania na skalę przemysłową reakcji chemicznych, optymalizacji wydajności reakcji i minimalizacji zanieczyszczeń produktami ubocznymi. W produkcji chemicznej i farmaceutycznej spektroskopia FTIR funkcjonuje jako technologia analizy procesów (PAT), zapewniając, że procesy są stabilne i pod kontrolą oraz osiągają specyfikacje produktu końcowego.

 

Zrozumienie skomplikowanych reakcji chemicznych jest dużym wyzwaniem i szansą dla chemików i inżynierów. Lepszy fundamentalny wgląd w przebieg reakcji chemicznych oraz idealne warunki do opracowywania, zwiększania skali produkcji i prowadzenie procesów są kluczem do osiągnięcia celów związanych z parametrami, czystością i kosztami produktu końcowego. Zdolność FTIR in-situ do zapewnienia śledzenia i monitorowania postępu reakcji w czasie rzeczywistym jest idealna do uzyskania wglądu w przebieg reakcji i środki do jej optymalizacji. Wgląd w reakcję wynika z identyfikacji i profilowania zmian głównych związków w reakcji, w tym reagentów, produktów pośrednich, produktów oraz produktów ubocznych w trakcie reakcji. Ujawniane są ważne zdarzenia w reakcji, w tym inicjacja, stan ustalony i punkt końcowy. Na podstawie tych informacji profilujących w czasie rzeczywistym określane są szybkości reakcji i inne kluczowe parametry kinetyczne, jak również wsparcie proponowanych mechanizmów. Dzięki dużej liczbie gromadzonych punktów danych, spektroskopia FTIR in-situ jest bardzo przydatna w eksperymentach bogatych w dane, takich jak analiza kinetyczna profilu reakcji (RPKA). Podsumowując, wszystkie powyższe cechy są łatwo osiągalne dzięki FTIR in-situ, podczas gdy tradycyjne analizy offline są często niemożliwe do wykonania (substancje pod ciśnieniem, wysoce żrące, wrażliwe na powietrze/wilgoć, toksyczne itp.) Ponadto analizy offline mogą trwać od kilku minut do kilku godzin, aby uzyskać wynik, i są podatne na brak odtwarzalności.

Pomiary chemiczne w czasie rzeczywistym wymagają przesłania modulowanego promieniowania podczerwonego do naczynia reakcyjnego lub sprzętu o przepływie ciągłym, a następnie zwrócenia niepochłoniętej energii do spektrometru. Aby to osiągnąć, technologia ReactIR wykorzystuje czujnik osłabionego całkowitego wewnętrznego odbicia (ATR) zamontowany na końcu rurkowej sondy optycznej, która może być wprowadzona do reakcji chemicznej, albo czujnik ATR, który jest integralną częścią komórki monitorującej reakcje o przepływie ciągłym.

Metoda ATR jest idealnym uzupełnieniem urządzeń FTIR do analizy i monitorowania reakcji chemicznych. Ograniczona głębokość penetracji energii podczerwieni w próbce pozwala uzyskać wysokiej jakości widma FTIR optycznie gęstych mieszanin reakcyjnych. Mierzona jest czysta faza roztworu reakcji chemicznej, a pęcherzyki powietrza, cząsteczki stałe, katalizatory, biologiczne substancje stałe, woda itp. nie zakłócają pomiaru.

Odpowiednie czujniki ATR do analizy reakcji chemicznych muszą mieć wymagany indeks refrakcji, aby umożliwić wewnętrzne odbicie, a także muszą działać bez pogorszenia stanu w trudnych środowiskach chemicznych. Doskonałymi materiałami na czujniki FTIR-ATR są zarówno diament, jak i krzem, a wybór, który z nich powinien zostać użyty, zależy od rodzaju reakcji oraz położenia pików podczerwieni, które mają być śledzone. 

Spektroskopia FTIR in-situ jest powszechnie wykorzystywana w badaniach, we wczesnych i późnych etapach rozwoju, zwiększaniu skali oraz optymalizacji reakcji. Ta technologia pozwala analizować reakcje wsadowe i przepływowe, reakcje w polarnych i niepolarnych rozpuszczalnikach oraz reakcje w szerokich zakresach pH, temperatur i ciśnień. Gromadzenie danych odbywa się automatycznie, a informacje jakościowe i ilościowe generowane są zazwyczaj co minutę. Spektroskopia FTIR in-situ dostarcza danych, które mogą być wykorzystane do badań w ramach procesu projektowania eksperymentów (DoE) oraz innych metod analizy statystycznej bez konieczności oczekiwania i sporadycznego, skomplikowanego pobierania próbek / przygotowywania do analizy offline. Oznacza to, że zamiast przeprowadzać dużą liczbę reakcji w celu zrozumienia zależności szybkości reakcji, zaledwie kilka eksperymentów może dostarczyć informacji niezbędnych do określenia sił napędowych reakcji. FTIR in-situ dostarcza parametrów kinetyki reakcji i definiuje krytyczne parametry kontrolne (CPP), które można bez problemu przenieść do produkcji. Dzięki możliwości wykrywania i identyfikacji produktów pośrednich reakcji oraz pomiaru parametrów kinetycznych, spektroskopia FTIR in-situ jest powszechnie wykorzystywana do wspierania proponowanych mechanizmów reakcji. 

Typowe zastosowania spektroskopii FTIR in-situ:

• Epoksydy
• Reakcje alkilacji
• Reakcje polimeryzacji
• Reakcje pod wysokim ciśnieniem
• Reakcje uwodornienia
• Hydroformylacja lub synteza/proces oxo
• Mechanizmy reakcji Grignarda
• Halogenowanie
• Litowanie
• Biokataliza | Kataliza enzymatyczna
• Chemia przepływowa
• Reakcje katalizowane metalami i niemetalami
• Reakcje sprzęgania krzyżowego Suzukiego i pokrewne
• Reakcje aktywacji C-H

Spektroskopia FTIR-ATR in-situ zapewnia wiele korzyści w porównaniu do alternatywnych metod analitycznych, w tym innych technik spektroskopii molekularnej. Dzięki wykorzystaniu tych zalet badacze i naukowcy usprawniają opracowywanie produktów chemicznych. Oto niektóre z zalet:

• Obszar energii średniej podczerwieni pozwala uzyskać szczegółowe widma „odcisków palców” materiałów wyjściowych, półproduktów, produktów oraz produktów ubocznych, umożliwiając ciągłe śledzenie tych głównych związków w funkcji czasu
• Pomiar w czasie rzeczywistym, wykonywany co minutę lub mniej
• In-situ, bez konieczności ekstrakcji próbek; pomiar składu chemicznego bez zakłócania reakcji
• Ma charakter nieniszczący, zachowując integralność reakcji chemicznej
• Mierzy reakcje w trybie wsadowym, półwsadowym lub przepływu ciągłego
• Mierzy reakcje przebiegające pod ciśnieniem albo w podwyższonej lub niskiej temperaturze
• Mierzy reakcje w środowiskach wodnych i niewodnych oraz w szerokim zakresie pH
• Zanurzeniowy czujnik ATR jest zwykle odporny na działanie odczynników korozyjnych
• Reakcje z substancjami korozyjnymi, toksycznymi lub niebezpiecznymi można monitorować bez konieczności pobierania próbek
• Mierzy fazę roztworu; pęcherzyki powietrza ani cząstki stałe nie zakłócają pomiaru
• Dane widmowe można przekształcać w dane stężenia w czasie rzeczywistym, co umożliwia opracowanie kluczowych parametrów kinetycznych i precyzyjne określenie punktu końcowego
• Sprawdzona metoda PAT, FTIR in-situ, wspiera wysiłki w zakresie Quality by Design (QbD) oraz zapewnia zdefiniowanie krytycznych parametrów kontrolnych (CPP) i monitorowanie ich.
• Zapewnia podstawowe środki do uzyskania ważnych danych kinetycznych oraz merytorycznych dowodów wspierających proponowane mechanizmy
• FTIR in-situ pomaga w identyfikacji i śledzeniu przejściowych produktów pośrednich, które mogą mieć wpływ na uzysk i jakość produktu, oraz jest kluczem do zrozumienia mechanizmów reakcji
• Trendy reakcji są śledzone w czasie rzeczywistym, co pozwala monitorować kluczowe zdarzenia w reakcji, takie jak inicjacja, stan ustalony, punkt końcowy i rozkład

• Reakcje z udziałem metali
• Chemo- i biokataliza
• Aktywacja C-H
• Badania mechanizmów reakcji
• Analiza kinetyki reakcji / kinetyki postępu reakcji
• Cykle katalityczne
• Kinetyka polimeryzacji

• Synteza chemiczna
• Reakcje uwodornienia
• Reakcje katalizowane metalem 
• Biokataliza / kataliza enzymatyczna
• Krystalizacja i rekrystalizacja (przesycenie)
• Reakcje chlorowcowania, litowania, fluorowania i fluorowcowania
• Reakcje sprzęgania krzyżowego Suzukiego i inne
• Reakcje metaloorganiczne
• Chemia niskotemperaturowa
• Quality by Design i technologia analizy procesów

• Produkty pośrednie
• Surfaktanty
• Dodatki smakowe i zapachowe
• Powłoki/pigmenty
• Środki agrochemiczne
• Czynniki chemiczne
• Masowe produkty chemiczne
• Reakcje z izocyjanianem
• Tlenek etylenu i tlenek propylenu (EO/PO)
• Reakcje silnie utleniające
• Hydroformylacja
• Reakcje katalityczne
• Reakcje z fosgenem
• Estryfikacja
• Halogenowanie

 ReactIR 702L to pierwszy system, który w pełni łączy zalety spektroskopii FTIR in-situ w czasie rzeczywistym z odpowiednią wygodą obsługi. ReactIR jest stworzony dla każdego chemika i do każdego eksperymentu.

ReactIR może pracować bez nadzoru przez noc!
W ReactIR 702L zastosowano półprzewodnikową technologię chłodzenia, która zapewnia najwyższe parametry w tej klasie – bez konieczności korzystania z ciekłego azotu. Eliminacja niebezpiecznych czynności przygotowawczych i konieczności regularnego uzupełniania naczynia Dewara ułatwia pracę badaczom, którzy mogą łatwo monitorować długotrwałe procesy chemiczne.

ReactIR jest stale gotowy do pracy!
Niewielkie wymiary modułów oraz możliwość ustawiania ich w stosy pozwalają zaoszczędzić cenną przestrzeń pod wyciągiem laboratoryjnym, a także swobodnie wybrać miejsce instalacji urządzenia ReactIR w laboratorium. Detektor, który jest stale gotowy do pracy, skraca czas przygotowywania pomiaru i pozwala badaczom szybko rozpocząć gromadzenie danych.

ReactIR jest gotowy do każdej reakcji!
Technologie badania z użyciem sondy i analizowania próbek z przepływu pozwalają badać reakcje faz ciekłych i gazowych w procesach wsadowych i ciągłych. Specjalnie dobrane materiały konstrukcyjne ułatwiają gromadzenie danych w środowiskach kwaśnych i żrących w szerokim zakresie temperatur i ciśnień.

Pomiary ciągłe ze spektroskopii w podczerwieni służą do uzyskiwania profili reakcji wykorzystywanych do obliczania szybkości reakcji. Lista publikacji z recenzowanych czasopism skupia się na ekscytujących i nowatorskich zastosowaniach spektroskopii FTIR in-situ. Badacze na uczelniach wyższych i w przemyśle wykorzystują spektroskopię FTIR in-situ do uzyskiwania kompleksowych informacji i bogatych danych eksperymentalnych, które umożliwiają postęp badań.

Alkilacja

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

Biokataliza

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

Kataliza chemiczna

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

Kinetyka chemiczna

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

Epoksydy

• Anderson, T. S. i 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. i Luinstra, G. A. (2019). Catalytic Chain Transfer Copolymerization of Propylene Oxide and CO2 using Zinc Glutarate Catalyst. ChemistryOpen, 8(7), 828–839. https://doi.org/10.1002/open.201900135

Fluorowcowanie

• Morgan, P. J., Hanson-Heine, M. W. D., Thomas, H. P., Saunders, G. C., Marr, A. C. i 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. i Schoenebeck, F. (2020). Facile Access to AgOCF3and Its New Applications as a Reservoir for OCF2 for 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

Chlorowcowanie

• 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. i 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. i 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

Hydroformylacja

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

Kinetyka

• Hosoya, M., Shiino, G. i 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. i 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

Litowanie

• Rao, K. S., St-Jean, F. i 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. i 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

Polimeryzacja

• Ambrose, K., Murphy, J. N. i 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. i 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

Reakcje sprzęgania krzyżowego Suzukiego i pokrewne

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

Synteza

• 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. i 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. i 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