紅外光譜

傅立葉轉換紅外線 (FTIR) 光譜是一種分析方法論，用於工業和學術實驗室、以瞭解個別分子的結構和分子混合物的組成。FTIR 光譜使用調變的中紅外線能量，從樣品中獲取資料。紅外光係以特定的頻率吸收，此頻率和分子中的原子-原子振動鍵能具有直接關聯。當振動的鍵能和中紅外光的能量相等，鍵可吸收該能量。分子中不同鍵會在不同能量下振動，因此會吸收不同的 IR 輻射波長。這些個別吸收帶的位置 (頻率) 和強度有助於整體光譜，進而產生分子的特徵指紋。

FTIR 光譜在分析製藥、化學和聚合物產業的重要分子方面，具有廣泛的用途及適用性。工業和學術實驗室利用 FTIR 分析，更加瞭解材料的分子結構，以及化學反應和催化循環的動力、機制和途徑。FTIR 光譜用於確保原料、中間化合物和最終產物符合規格。在化學和製藥研發方面，原位 FTIR 光譜用於提高化學反應、達到最佳反應產率和徹底減少雜質副產物。在化學和製藥生產中，FTIR 光譜作為一種流程分析技術 (PAT)，確保流程穩定、受控制並達到最終產物規格。

 

瞭解複雜的化學反應，是化學家和工程師的一大挑戰與契機。對化學反應的運作原理，和流程理想的開發、擴充和操作條件，取得更深的基本洞見，是實現最終產物良率、純度及成本目標的關鍵所在。原位 FTIR 能即時追蹤和監控反應進展，這項能力非常適合助您洞悉反應方式和如何達到最佳化。要對反應產生洞見，靠的是在反應的過程中找出和剖析關鍵反應種類的變化，包括試劑、中間體、產物和副產物。許多重要的反應事件會被揭露出來，包括起始、穩態條件和端點。這項即時的剖析資訊，和對所提出機制的支援，能讓人從中判定反應率和其他關鍵的動力參數。隨著收集到大量資料點，原位 FTIR 在資料豐富的實驗裡非常有用，例如反應概況動力分析 (RPKA)。總括來說，原位 FTIR 迅速實現了上述這一切，傳統的離線分析通常辦不到 (承受壓力、高腐蝕性、對空氣/濕氣敏感、有毒等等)。此外，離線分析可能要數分鐘到數小時才有結果，且/或易缺乏再現性。

要即時測量化學，需要將調變的紅外線輻射轉移到反應容器或連續流動裝置裡，然後讓未吸收的能量回到分光光度計。為達到這點，ReactIR 技術使用一個位於管狀光學探針末端的內部反射 (衰減式全反射/ATR) 感測器，此探針則能插入化學反應或 ATR 感測器中，是細胞監視連續流動反應的必要部分。

ATR 方法為 FTIR 儀器提供完美的補強，以進行化學反應的分析與監測。紅外線能量滲入樣品中的深度受到侷限，使得光密反應混合物具有優質的 FTIR 光譜。會測量化學反應的無溶劑液相，而氣泡、微粒、催化劑、生物固體和水等物不會妨礙測量。

適用於化學反應分析的 ATR 感測器，必須具有所需的折射率以產生內部反射，在嚴苛的化學環境中執行時也絕不能降低品質。鑽石和矽都是 FTIR-ATR 的優秀感測器材料，選用何者取決於化學類型和需追蹤的紅外線峰位置。 

原位 FTIR 光譜廣泛用於研究、早期和後期開發、擴充與反應最佳化。這項技術會分析批次和流動反應、極性和非極性溶劑的反應，以及廣大酸鹼值、溫度和壓力範圍下的反應。資料會自動收集，通常每分鐘就會產生定性或定量資訊。原位 FTIR 光譜提供資料來支援實驗設計 (DoE) 研究及其他統計分析方法，讓人無需等待，偶爾也能針對離線分析進行複雜的取樣/準備。這意味著我們無需執行大量反應來瞭解速率依賴關係，只要進行幾個實驗即可獲得必要資訊來確定反應驅動力。原位 FTIR 會產生反應動力參數，並定義能順暢傳輸至生產的關鍵控制參數 (CPP)。原位 FTIR 能偵測和識別反應中間體，也能測量動能參數，因此廣泛用於支援提出的反應機制。 

常見的原位 FTIR 光譜應用包括：

• 環氧衍生物
• 鹼性反應和傅-克 (Friedel-Crafts) 烷基化反應
• 聚合反應
• 高壓反應
• 氫化反應
• 加氫醛化或羰基合成/羰基化
• 格氏反應機制
• 鹵化
• 鋰化
• 生物催化 | 酵素催化
• 流動化學
• 金屬和非金屬催化反應
• 鈴木和相關交叉耦合反應
• C-H 鍵活化反應

比起其他替代性分析方法，原位 FTIR-ATR 提供眾多優勢，包括其他分子光譜技術。研究人員和科學家利用這些優勢來改進化學開發，包括：

• 中紅外線能量區會產生出起始材料、中間體、產物和副產物的詳細「指紋」光譜，讓人能根據時間持續追蹤這些重要的種類
• 每分鐘 (或更短時間) 即時測量
• 原位式，不需進行抽取式採樣；化學測量不會對反應造成干擾
• 非破壞性；保持化學反應的完整性
• 在批次、半批次或連續流動作業中測量反應
• 測量壓力下或高溫或低溫下的反應
• 測量水性或非水性介質中的反應，和廣大酸鹼值範圍下的反應
• 浸沒式 ATR 感測器通常不會受腐蝕性試劑影響
• 可在不採樣的情況下，監控和「腐蝕性、有毒或危險情況」的反應
• 測量液相；氣泡或固體顆粒不會造成干擾
• 光譜資料能轉換成即時濃度資料，讓人能開發關鍵動力參數並進行精準端點判定
• 原位 FTIR 是一種經過充分驗證的 PAT 方法，支援「品質源於設計」(QbD) 工作，並確保定義和監控關鍵製程參數 (CPP)
• 為重要的動力資料和所提出機制的實際證據，提供了主要的取得方式
• 原位 FTIR 有助於識別和追蹤可能會影響產物良率和品質的瞬時中間體，是瞭解機械面的關鍵所在
• 會即時追蹤反應趨勢，讓人能監控關鍵的反應事件，例如起始、穩態、端點及分解

• 有機催化
• 金屬參與的化學反應
• 化學催化和生物催化
• C-H 活化
• 機械學研究
• 反應動力/反應進程動力學分析
• 催化劑循環
• 聚合動力學

• 化學合成
• 氫化反應
• 金屬催化反應 
• 生物催化/酵素催化
• 結晶和重結晶 (過飽和)
• 鹵化/鋰化/氟化物和氟化作用化學
• 鈴木和其他交叉耦合反應
• 有機金屬化學
• 低溫化學
• 品質源於設計和製程分析技術

• 中間物
• 表面活性劑
• 香精與香料
• 塗層/顏料
• 農業化學品
• 引發劑
• 散裝化學品
• 異氰酸鹽反應
• 環氧乙烷和環氧丙烷 (EO/PO)
• 高度氧化反應
• 加氫醛化
• 催化反應
• 光氣化
• 酯化
• 鹵化

ReactIR 702L 系統誕生前，從來沒有一個系統既具備即時原位 FTIR 的威力，並擁有同等的運作便利性。ReactIR 可供每位化學家用於各種實驗。

ReactIR 能運作一整夜！
ReactIR 702L 採用固態冷卻技術，提供一流效能表現，且無需使用液態氮。不用進行危險的設定和重複為杜瓦瓶填注，科學家能輕鬆長時間進行化學監測。

ReactIR，拿了就走！
裝置小巧、可摺疊，節省寶貴的通風櫃空間，並能將 ReactIR 靈活部署於實驗室各個位置。「始終開啟」的偵測器能縮短設定時間，而且，即使時間緊迫，科學家也能安然地收集資料。

ReactIR 已準備好在化學領域一展長才！
以探針和流量為主的採樣技術，讓科學家能在批次或連續設定裡研究液相與氣相化學。適合用途的結構材料，讓人能輕易在廣大的溫度和壓力範圍下，在酸性和腐蝕性環境中收集資料。

紅外光譜進行的連續測量用於獲得反應剖面圖，以計算反應速率。許多經同行審閱的期刊中，有一系列刊物著重於原位 FTIR 光譜激動人心的新應用。學術界與工業領域的研究人員，利用原位 FTIR 光譜提供全面的資訊與豐富的實驗資料，以促進其研究。

烷化

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

生物催化

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

化學催化

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

化學動力學

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

環氧衍生物

• Anderson, T. S., & 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., & 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

氟化

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

鹵化

• 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). 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., & 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

加氫醛化

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

動力

• Hosoya, M., Shiino, G., & 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., & 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

鋰化

• Rao, K. S., St-Jean, F., & 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., & 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

聚合

• Ambrose, K., Murphy, J. N., & 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., & 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

鈴木和相關交叉耦合反應

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

合成

• 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, 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., & 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