FTIR-spectroscopie

FTIR-spectroscopie is een techniek die gebruik maakt van mid-infrared energy om de moleculaire structuur en samenstelling van stoffen te analyseren door de absorptie van specifieke frequenties van infrarood licht te meten. Dit levert een unieke vingerafdruk op voor identificatie en analyse.

Hoe werkt FTIR-spectroscopie?

FTIR, een afkorting van "Fourier-Transform-Infrarood", werkt via de detectie van specifieke lichtfrequenties die overeenkomen met de vibratietoestand van bindingen in moleculen. Wanneer de energie van de vibratie overeenkomt met het midden-infrarood licht, absorbeert de binding die energie. Omdat verschillende bindingen met verschillende energieën vibreren, absorberen ze verschillende golflengten van infraroodstraling. Het resulterende spectrum, met zijn individuele absorptiebanden in termen van positie en intensiteit, vormt een unieke moleculaire vingerafdruk.

FTIR-spectroscopie wordt breed gebruikt en toegepast bij de analyse van moleculen die belangrijk zijn in de farmaceutische, chemische en polymeerindustrie. FTIR-analyse wordt zowel industrieel als in academische laboratoria gebruikt om de moleculaire structuur van materialen beter te begrijpen, evenals de kinetiek, het mechanisme en de routes in chemische reacties en katalytische cycli. FTIR-spectroscopie helpt ervoor te zorgen dat grondstoffen, tussenliggende verbindingen en eindproducten binnen de specificatie vallen.

In chemische en farmaceutische R&D wordt in-situ FTIR-spectroscopie gebruikt om chemische reacties op te schalen, een geoptimaliseerde reactieopbrengst en minimale onzuiverheden in bijproducten. In de chemische en farmaceutische productie functioneert FTIR-spectroscopie als een procesanalytische technologie (PAT), die ervoor zorgt dat processen stabiel en onder controle zijn en voldoen aan de specificaties van het eindproduct.

Het begrijpen van complexe chemische reacties is een grote uitdaging, maar ook een kans voor chemici en technici. Een beter inzicht in de fundamentele werking van chemische reacties en de ideale omstandigheden om processen te ontwikkelen, op te schalen en uit te voeren, zijn de sleutel tot het bereiken van de optimale opbrengst, zuiverheid en kosten van het eindproduct. Het real-time volgen en monitoren van reacties met in-situ FTIR is ideaal voor het ontwikkelen van inzicht in hoe reacties werken en het optimaliseren ervan.

Inzicht in reacties komt voort uit het identificeren en profileren van de variaties van belangrijke reactiesoorten, waaronder reagentia, tussen-, bij- en eindproducten naarmate de reactie vordert. Belangrijke reactiegebeurtenissen, waaronder initiatie, steady-state toestand en eindpunt worden onthuld. Zowel reactiesnelheden en andere belangrijke kinetische parameters als ondersteuning voor voorgestelde mechanismen worden bepaald op basis van deze real-time profileringsinformatie. Met de aanzienlijke hoeveelheid verzamelde datapunten is in-situ FTIR-spectroscopie uitermate nuttig bij gegevensrijke experimenten, zoals Reaction Profile Kinetic Analysis (RPKA).

Samengevat kan worden gesteld dat al het bovenstaande eenvoudig kan worden uitgevoerd via in-situ FTIR-spectroscopie, terwijl traditionele offline analyses vaak onmogelijk uit te voeren zijn (onder druk, zeer bijtend, lucht-/vochtgevoelig, giftig, etc.). Bovendien kunnen offline analyses enkele minuten tot uren duren voor een resultaat en/of vatbaar zijn voor niet-reproduceerbaarheid.

In-situ FTIR-spectroscopie wordt veel gebruikt in onderzoek, vroege en late fase van ontwikkeling, opschaling en reactie-optimalisatie. Deze technologie analyseert batch- en flowreacties, reacties in polaire en niet-polaire oplosmiddelen en reacties over brede pH-, temperatuur- en drukbereiken. De dataverzameling is geautomatiseerd, waarbij doorgaans elke minuut kwalitatieve of kwantitatieve informatie wordt gegenereerd.

FTIR-spectroscopie die in-situ wordt uitgevoerd, levert de gegevens ter ondersteuning van Design of Experiment (DoE)-studies en andere statistische analysemethoden zonder het wachten en af en toe complexe bemonstering/voorbereiding voor offline analyse. Dit betekent dat in plaats van een groot aantal reacties uit te voeren om reactiemechanismen en -snelheden te begrijpen, slechts een paar experimenten de nodige informatie opleveren om de drijvende krachten van een reactie te bepalen. In-situ FTIR levert reactie-kinetische parameters op en definieert kritische controleparameters (CPP) die naadloos kunnen worden overgedragen naar productie. Met zijn vermogen om reactie-tussenproducten te detecteren en te identificeren en kinetische parameters te meten, wordt in-situ FTIR veel gebruikt om ondersteuning te bieden voor voorgestelde reactiemechanismen.

Real-time reactieanalyse vereist de overdracht van gemoduleerde infraroodstraling naar een reactievat of inline (flow)situatie  om vervolgens de terugkeer van de niet-geabsorbeerde energie te analyseren met de spectrometer. Om dit te bereiken, maken ATR-FTIR-spectrofotometers, zoals ReactIR, gebruik van een interne reflectie

sensor aan het uiteinde van een buisvormige optische probe die in een chemische reactie kan worden ingebracht, of een ATR-sensor die een integraal onderdeel is van een cel die continue stroomreacties bewaakt.

De ATR-methode is een ideale aanvulling op FTIR-instrumentatie voor de in-situ analyse en monitoring van chemische reacties. De beperkte penetratiediepte van de infrarode energie in het monster maakt hoogwaardige FTIR-spectra van optisch dichte reactiemengsels mogelijk. De zuivere oplossingsfase van een chemische reactie wordt gemeten waarbij bellen, deeltjes, katalysatoren, biologische vaste stoffen, water, etc.. niet interfereren met de meting.

Geschikte ATR-sensoren voor het analyseren van chemische reacties moeten de vereiste brekingsindex hebben om interne reflectie mogelijk te maken en moeten ook presteren in ruwe chemische omgevingen zonder te degraderen. Zowel diamant als silicium zijn uitstekende sensormaterialen voor ATR-FTIR-spectroscopie, en de keuze welke te gebruiken is afhankelijk van het type chemie en de infrarode piekposities die moeten worden gevolgd.

De ReactIR 702L is de eerste FTIR-spectrofotometer die de kracht van real-time, in-situ FTIR combineert met operationeel gemak. ReactIR is geschikt voor elke chemicus en elk experiment.

ReactIR is klaar om 's nachts te draaien!
De ReactIR 702L maakt gebruik van solid-state koeltechnologie om de beste prestaties in zijn klasse te leveren — zonder dat er vloeibare stikstof nodig is. Door gevaarlijke opstellingen en repetitieve Dewar-navullingen te elimineren, kunnen wetenschappers de chemie gemakkelijk gedurende langere perioden volgen.

ReactIR is meteen gebruiksklaar!
Kleine, stapelbare units besparen kostbare ruimte in de zuurkast en bieden flexibiliteit om ReactIR op verschillende locaties in het lab in te zetten. Een "always on"-detector verkort de insteltijd en stelt wetenschappers in staat om in een oogwenk met vertrouwen te beginnen met het verzamelen van gegevens.

ReactIR is gereed voor uw chemische toepassing!
Op probes en flow-gebaseerde technologieën voor bemonsteringstellen wetenschappers in staat om de chemie van de vloeistof- en gasfase te bestuderen in batch- of continue opstellingen. Geschikte bouwmaterialen maken het verzamelen van gegevens eenvoudig in zure en corrosieve omgevingen bij een breed scala aan temperaturen en drukken.

Continue metingen van infraroodspectroscopie worden gebruikt voor het verkrijgen van reactieprofielen om reactiesnelheden te berekenen. Een lijst met publicaties uit peer-reviewed tijdschriften richt zich op interessante en nieuwe toepassingen van in-situ FTIR-spectroscopie. Onderzoekers in zowel de academische als industriële wereld gebruiken in-situ FTIR-spectroscopie om uitgebreide informatie en waardevolle experimentele gegevens te verstrekken die hun onderzoek vooruit helpen.

Alkylaties

• 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

Biokatalyse

• 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

Chemische katalyse

• 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

Chemische kinetiek

• 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

Epoxides

• 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

Fluorering

• 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

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). 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

Hydroformylering

• 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

Kinetiek

• 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

Lithiatie

• 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

Polymerisatie

• 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

Suzuki en verwante kruiskoppelingsreacties

• 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

Synthese

• 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