Spektroskopia FTIR

Spektroskopia FTIR umożliwia badaczom pomiar trendów i profili reakcji w czasie rzeczywistym, dostarczając wysoce szczegółowych danych na temat kinetyki, mechanizmu, ścieżek i wpływu zmiennych reakcji na wydajność.  Spektroskopia FTIR in situ ReactIR pozwala bezpośrednio śledzić reagenty, odczynniki, półprodukty, produkty i produkty uboczne w miarę ich zmiany w trakcie reakcji.  ReactIR dostarcza ważnych informacji naukowcom, którzy prowadzą badania, opracowują i optymalizują związki chemiczne, ścieżki syntezy i procesy chemiczne.

Aby zrozumieć reakcje chemiczne, chemicy muszą odpowiedzieć na następujące pytania:

• Kiedy zaczyna się reakcja? Kiedy kończy się reakcja?
• Jaka jest kinetyka i mechanizm reakcji?
• Jaki jest wpływ tych produktów pośrednich o charakterze przejściowym?
• Czy reakcja przebiegała zgodnie z oczekiwaniami? Czy powstały jakieś produkty uboczne i dlaczego?
• Co się stanie, jeśli zmieni się temperatura reakcji, szybkość dozowania lub szybkość mieszania?

W celu uzyskania najlepszych danych i szybkiej analizy reakcji, jest pięć obszarów stosowania spektroskopii FTIR ReactIR umożliwiających zrozumienie reakcji każdemu chemikowi – wykwalifikowanemu lub nie.

Od sondy, poprzez detektor, aż po oprogramowanie, ReactIR jest zoptymalizowany pod kątem użytkowania w obszarze charakterystycznego widma w średniej podczerwieni – w rezultacie jest to bardzo czuły system dostarczający szybkich i dokładnych informacji o cząsteczkach.

Oprogramowanie iC IR, zaprojektowane specjalnie z myślą o czasowo-rozdzielczej analizie reakcji, łączy w sobie algorytm gromadzenia wartości szczytowych z oceną grup funkcjonalnych, co radykalnie skraca czas analizy. Użytkownicy łączą swoją wiedzę chemiczną z automatyczną analizą danych w celu zapewnienia prawidłowego gromadzenia i interpretacji danych każdego eksperymentu.

Sondy przeznaczone do pracy w niskich i wysokich temperaturach, przy niskim i wysokim ciśnieniu, w warunkach kwaśnych, zasadowych, żrących, utleniających i wodnych, umożliwiają analizę praktycznie każdego rodzaju reakcji.

Spektroskopy FTIR ReactIR – na tyle małe, że mieszczą się pod wyciągiem laboratoryjnym, z zatwierdzeniem ATEX umożliwiającym stosowanie w zakładzie oraz z technologią próbkowania przystosowaną do każdej reakcji lub procesu – mogą być wykorzystane do udowodnienia, że procesy w zakładzie są takie same, jak zaobserwowane w laboratorium.

METTLER TOLEDO ma ponad 30-letnie doświadczenie w analizie reakcji.To jest nasze centrum uwagi i nasza pasja. Wykorzystaliśmy tę wiedzę specjalistyczną w dostosowanej do potrzeb spektroskopii FTIR.

W celu uzyskania informacji o reakcji, próbki są zazwyczaj pobierane do analizy offline z użyciem technologii HPLC.  W przypadku procesów, w których usunięcie próbki powoduje utratę kluczowych danych, próbki są toksyczne lub w inny sposób niebezpieczne, nie jest to prosta procedura.  Ponadto muszą być obecni chemicy, aby pobrać próbkę, a następnie poczekać na wyniki, zanim będzie można rozpocząć analizę reakcji.

Problemy te mają swoje konsekwencje, takie jak:

• Próbka może nie być reprezentatywna
• Zniszczenie produktów pośrednich prowadzi do błędnej hipotezy o ścieżce reakcji
• Słabe zrozumienie układów wrażliwych na powietrze, toksycznych, wybuchowych lub pod ciśnieniem
• Dłuższe czasy opracowywania z powodu błędnych danych, ponieważ reakcja ulega zmianie
• Zdarzenia krytyczne, które mają wpływ na jakość produktu lub procesu, mogą zostać pominięte

ReactIR 702L to pierwszy system, który w pełni łączy zalety spektroskopii FTIR in situ w czasie rzeczywistym z odpowiednią wygodą obsługi. ReactIR jest gotowy 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 rozmiary 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.

Spektrometr FTIR ReactIR działa w szerokim zakresie reakcji, w których cząsteczka jest aktywna w podczerwieni, reakcja przebiega w roztworze lub w gazie odlotowym, a stężenie jest wyższe niż ok. 0,1%. 

Typowe zastosowania spektroskopii FTIR:

Chociaż spektroskopia FTIR i spektroskopia ramanowska są często zamienne i dostarczają informacji uzupełniających, istnieją praktyczne różnice wpływające na to, która z nich będzie optymalna. Większość symetrii cząsteczkowych umożliwia stosowanie zarówno spektroskopii FTIR, jak i ramanowskiej. W cząsteczce zawierającej środek inwersji, pasma podczerwone i ramanowskie wzajemnie się wykluczają (tj. wiązanie będzie aktywne w widmie Ramana albo w widmie podczerwieni, ale nigdy w obu). Ogólna zasada jest taka, że grupy funkcjonalne, które mają duże zmiany w dipolach, są mocne w podczerwieni, natomiast grupy funkcjonalne, które mają słabe zmiany dipolowe lub mają wysoki stopień symetrii i żadnych zmian netto w dipolach, będą lepiej widoczne w widmach Ramana.

Wybierz spektroskopię FTIR w przypadku:

• Reakcji, w których substancje reagujące, odczynniki, rozpuszczalniki i reagenty fluoryzują
• Gdy ważne są wiązania z dużymi zmianami dipolowymi, np. C=O, O-H, N=O
• Reakcji, w których odczynniki i substancje reagujące są w niskim stężeniu
• Reakcji, w których pasma rozpuszczalników są mocne w widmie Ramana i mogą pochłaniać sygnał głównych reagentów
• Reakcji, w których powstające produkty pośrednie są aktywne w widmie podczerwieni

Wybierz spektroskopię ramanowską, gdy:

• Badanie wiązań węglowych w pierścieniach alifatycznych i aromatycznych ma pierwszorzędne znaczenie
• Wiązania trudno dostrzec w FTIR (np. 0-0, S-H, C=S, N=N, C=C itd.)
• Ważne jest zbadanie cząsteczek w roztworze (np. polimorfizmu)
• Ważne są tryby niższej częstotliwości (np. metal-tlen)
• Badane są reakcje w roztworach wodnych
• Obserwacja przez okno reakcji jest łatwiejsza i bezpieczniejsza (np. reakcje katalityczne pod wysokim ciśnieniem, polimeryzacje)
• Istotne jest zbadanie trybów sieci o niższej częstotliwości
• Wykonywane jest badanie początku reakcji, punktu końcowego i stabilności produktu w reakcjach dwufazowych i koloidalnych

W niniejszym opracowaniu przedstawiono pięć przykładów zaczerpniętych z ostatnich artykułów prasowych, w których spektroskopia FTIR in situ wykonuje zadania, które byłyby trudne, niemożliwe lub nadmiernie czasochłonne, gdyby były wykonywane tradycyjnymi technikami offline:

• Ujawnienie mechanizmów reakcji – wykrywanie produktów pośrednich o charakterze przejściowym w odczynniku wiążącym
• Monitorowanie reakcji trudnych do próbkowania – reakcja litowania wykonywana w temperaturze -70°C
• Śledzenie postępu reakcji w celu zwiększenia wydajności i czystości – określenie optymalnego punktu końcowego reakcji
• Eliminacja czasu oczekiwania na zwiększenie jakości i wydajności produkcyjnej – rozkład prowadzący do epimeryzacji
• Szybkie wyznaczanie kinetyki – kinetyka reakcji pierwszego rzędu w jednym eksperymencie

Pomiary ciągłe ze spektroskopii w podczerwieni służą do uzyskiwania profili reakcji służących 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 mid-FTIR in situ do uzyskiwania kompleksowych informacji i bogatych danych eksperymentalnych, które umożliwiają postęp badań.

Wybrane publikacje ze wzmiankami na temat spektroskopii 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., 62, 3152–3155 (2008.
• 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.