ИК-Фурье спектроскопия

ИК-Фурье спектроскопия позволяет составлять тенденции и профили реакций в режиме реального времени, предоставляя очень точную информацию о кинетике, механизме, путях реакции и влиянии ее параметров на конечный продукт.  ReactIR — система ИК-Фурье спектроскопии для измеренийin situ — напрямую отслеживает изменения в реактантах, реагентах, побочных и конечных продуктах в ходе реакции.  Система ReactIR позволяет получить информацию, чрезвычайно важную для исследований, разработки и оптимизации химических соединений, путей синтеза и химических процессов.

Для полного понимания химических реакций ученым-химикам необходимо знать следующее:

• Когда начинается реакция? Когда она прекращается?
• Каковы кинетика и механизм реакции?
• Какое влияние оказывают промежуточные соединения?
• Прошла ли реакция так, как ожидалось? Какие побочные продукты образовались и почему?
• Что произойдет, если изменится температура реакции, скорость дозирования или перемешивания?

У FTIR-спектрометров ReactIR есть пять отличительных особенностей, позволяющих получить данные наилучшего качества и быстро провести анализ реакции. С их помощью любой химик — даже если он не специалист в спектроскопии — сможет заниматься изучением реакций.

Конструкция всех компонентов ReactIR, от зонда до датчика и программного обеспечения, рассчитана на получение спектров в среднем ИК-диапазоне. Высокочувствительная система ReactIR идеально подходит для быстрого и точного получения информации о строении молекул.

Программное обеспечение iC IR разработано специально для методов анализа с временным разрешением. Алгоритм выбора пиков и интеллектуальный анализ функциональных групп значительно сокращают время исследования. Знания исследователя и автоматизированный процесс анализа обеспечивает правильный сбор и интерпретацию данных в любых экспериментах.

Зонды способны работать в условиях низких и высоких температур, низкого и высокого давления, в кислотных, щелочных, едких, коррозионных и водных средах. С их помощью возможен анализ практически любых химических процессов.

FTIR-спектрометр ReactIR достаточно компактен, чтобы поместиться в вытяжном шкафу, сертифицирован по стандарту ATEX для работы на заводе и снабжен средствами отбора проб для любых реакций или процессов. ReactIR позволит убедиться в том, что производственный процесс на заводе полностью соответствует процессу, разработанному в лаборатории.

Уже более 30 лет компания МЕТТЛЕР ТОЛЕДО разрабатывает инструменты для анализа реакций. Это наша цель и наше призвание. Специалисты компании воплотили этот опыт в приборах для FTIR-спектроскопии.

Обычно для получения информации о реакции отбираются пробы для анализа в автономном режиме с использованием высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ).  Но иногда взятие образца может привести к потере важной информации или связано с риском из-за опасных свойств вещества. В таких случаях прямой отбор проб невозможен.  Кроме того, химику нужно прибыть на место, чтобы взять образец, затем дождаться результатов и только потом приступить к анализу реакции.

Возможные последствия:

• взятая проба может не полностью отражать характер реакции;
• разрушение промежуточных продуктов приводит к построению неверных гипотез о пути реакции;
• ограниченные возможности для изучения систем, которые чувствительны к воздуху, токсичны, взрывоопасны или находятся под давлением;
• увеличение сроков разработки из-за того, что данные оказались неточными вследствие изменения условий реакции;
• могут остаться незамеченными важные события, которые влияют на качество продукта или процесса.

ReactIR 702L — это первая система, в которой сочетаются широкие возможности FTIR-спектроскопии in-situ в реальном времени и удобство в эксплуатации. ReactIR пригодится любому специалисту-химику в любом эксперименте.

ReactIR может работать без остановки!
В ReactIR 702L применена технология охлаждения твердотельными элементами, что обеспечивает лучшую в своем классе производительность, при этом жидкий азот не требуется. Отказавшись от охлаждения жидким азотом, ученые могут без помех наблюдать за течением длительных реакций.

ReactIR включается в работу мгновенно!
Компактные приборы не занимают много места в вытяжном шкафу и имеют удобную для хранения форму, поэтому систему ReactIR можно разместить в любой точке лаборатории. Детектор постоянно готов к работе, за счет чего сокращается время настройки. Это позволяет ученым уверенно приступать к сбору данных в любой момент.

ReactIR готов к работе в любых условиях!
Отбор проб может производиться как с помощью зондов, так и в потоке, что позволяет организовать изучение жидких и газовых фаз на периодической или непрерывной основе. Благодаря специально подобранным материалам возможен прямой сбор данных в кислых и агрессивных средах при различных значениях температуры и давления.

FTIR-спектрометры ReactIR применяют для изучения многих химических веществ, в которых молекулы активны в инфракрасном диапазоне, вещество может находиться в растворе или выделяющихся газах, а его концентрация превышает 0,1 %. 

Типичные области применения FTIR-спектроскопии:

Хотя методы FTIR и рамановской спектроскопии во многих случаях взаимозаменяемы и хорошо дополняют друг друга, существуют различия, которые следует учитывать при выборе того или иного метода на практике. Большинство молекул, обладающих симметрией, проявляют себя и в инфракрасном, и в рамановском спектрах. Если молекула обладает центром инверсии, то полосы рамановского рассеяния и ИК-полосы будут взаимоисключающими, то есть связь будет активна либо в рамановском, либо в ИК-спектре. Существует общее правило: функциональные группы с сильными изменениями дипольного момента хорошо заметны в ИК-спектре, тогда как функциональные группы со слабыми изменениями или с высокой степенью симметрии и без изменений дипольного момента лучше видны в рамановских спектрах.

FTIR-спектроскопию рекомендуется выбирать в следующих случаях:

• если реактанты, реагенты, растворители и прочие компоненты, участвующие в реакции, флуоресцируют;
• если важны связи с сильным изменением дипольного момента (например, C=O, O–H, N=O);
• если реагенты и реактанты имеют низкую концентрацию;
• если полосы растворителя сильно проявляются в рамановском спектре и могут заглушить сигнал основных компонентов;
• если промежуточные продукты реакции активны в ИК-спектре.

Рамановская спектроскопия лучше подойдет в следующих случаях:

• если требуется исследовать углеродные связи в алифатических и ароматических кольцах;
• если необходимо выявить связи, которые трудно увидеть в спектрах FTIR (например, 0–0, S–H, C=S, N=N, C=C и т. д.);
• если проводится исследование частиц в растворе, например при изучении полиморфизма;
• если изучаются низкочастотные моды (например, в соединениях металлов с кислородом);
• для изучения реакций в водных средах;
• если наблюдение за ходом реакции проще и безопаснее осуществлять через смотровое окно (например, каталитические реакции при высоком давлении, полимеризация);
• для исследования низкочастотных колебаний кристаллической решетки;
• для определения точек начала и конца реакции, исследования стабильности продукта в двухфазных и коллоидных реакциях.

В этом информационном документе собрано пять примеров из недавних статей в научных журналах, показывающих, как FTIR-спектроскопия in situ позволяет решать задачи, которые были бы слишком трудными, длительными или даже невыполнимыми при использовании обычных методов с отбором проб:

• Выявление механизмов реакции: обнаружение нестойких промежуточных соединений в связующем реагенте.
• Мониторинг процессов, представляющих сложности при отборе проб: реакция литирования, идущая при –70 °C.
• Отслеживание степени превращения для повышения выхода и чистоты продукта: определение оптимальной конечной точки реакции.
• Сокращение задержек для повышения качества и производительности: разложение, ведущее к эпимеризации.
• Быстрое определение кинетики: кинетика реакции первого порядка определяется за один эксперимент.

Непрерывные измерения при помощи инфракрасной спектроскопии используются для получения профилей реакции и расчета ее скорости. Ряд публикаций в рецензируемых журналах посвящен изучению новых областей применения FTIR-спектроскопии in situ.  В научных учреждениях и на производстве исследователи регулярно применяют инфракрасную спектроскопию в среднем диапазоне с преобразованием Фурье (FTIR) in situ для получения более полных и информативных результатов.

Избранные статьи по FTIR-спектроскопии:

• 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.