Spectroscopie FTIR

La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) est une méthodologie d'analyse largement utilisée dans les laboratoires de recherche publique et industrielle, dont le but est de comprendre la structure de molécules individuelles et la composition des mélanges moléculaires. La spectroscopie FTIR utilise l'énergie des infrarouges moyens modulés pour analyser les échantillons. La lumière infrarouge est absorbée à des fréquences spécifiques directement liées aux énergies vibratoires de liaison d'atome à atome au sein de la molécule. Lorsque l'énergie vibratoire de liaison et l'énergie de la lumière infrarouge moyenne sont équivalentes, la liaison peut absorber cette énergie. Différentes liaisons vibrent à différentes énergies dans une molécule et elles absorbent donc différentes longueurs d'onde du rayonnement IR. La position (fréquence) et l'intensité de ces bandes d'absorption individuelles contribuent au spectre global, en créant une empreinte caractéristique de la molécule.

La spectroscopie FTIR offre un champ d'application très large pour analyser les molécules utilisées dans l'industrie pharmaceutique, la chimie et la production de polymères. Les analyses FTIR sont utilisées dans les laboratoires de recherche publique et industrielle, dans le but de mieux comprendre la structure moléculaire des matériaux ainsi que la cinétique, le mécanisme et le déroulement des réactions chimiques et des cycles de catalyse. La spectroscopie FTIR permet de vérifier que les matières premières, les produits intermédiaires et les produits finis sont conformes aux exigences définies par les spécifications. Dans le secteur de la R&D de produits chimiques et de composés pharmaceutiques, la spectroscopie FTIR permet d'extrapoler les réactions chimiques, d'optimiser le rendement des réactions et de réduire les impuretés sous-produites. Dans la production de produits chimiques et de composés pharmaceutiques, la spectroscopie FTIR est utilisée parmi les technologies de mesures industrielles, afin de garantir que les processus sont stables, sous contrôle et conformes aux spécifications du produit final.

 

La compréhension des réactions chimiques complexes constitue un enjeu majeur pour les chimistes et les ingénieurs. Une meilleure connaissance fondamentale des mécanismes des réactions chimiques et des conditions idéales pour développer, extrapoler et exploiter les procédés sont la clé pour atteindre les objectifs fixés en matière de rendement, de pureté et de coût du produit final. Les possibilités offertes par la spectroscopie FTIR in situ en matière de suivi et de surveillance en temps réel de la progression des réactions permettent d'étudier les mécanismes des réactions et de développer des méthodes d'optimisation. La compréhension des mécanismes d'une réaction est liée à l'identification et à l'analyse du profil des variations des principales espèces réactionnelles, notamment des réactifs, des produits, des produits intermédiaires et des sous-produits au cours du déroulement de la réaction. Des étapes importantes de la réaction sont révélées : le déclenchement, l'état stationnaire et le point final. Les vitesses de réaction et d'autres paramètres cinétiques clés sont déterminés à partir de ces informations de profilage en temps réel, ainsi que la prise en charge des mécanismes proposés. En autorisant l'acquisition d'une quantité élevée de points de données, la spectroscopie FTIR in situ s'avère particulièrement utile dans les expériences produisant des volumes de données importants, telles que l'analyse cinétique de l'évolution de la réaction (RPKA). En résumé, la spectroscopie FTIR in situ permet d'effectuer les tâches décrites ci-dessus en toute simplicité, tandis que les analyses traditionnelles hors ligne sont souvent impossibles à réaliser (environnement sous pression, milieu caustique, zone sensible à l'air/à l'humidité, atmosphère toxique, etc.). De plus, les analyses hors ligne peuvent nécessiter de plusieurs minutes à plusieurs heures pour l'obtention d'un résultat et/ou sont susceptibles de ne pas être reproductibles.

Mesurer les réactions chimiques en temps réel exige que le rayonnement infrarouge modulé soit transféré dans un réacteur ou un instrument d'analyse des réactions en flux continu, puis que l'énergie non absorbée soit renvoyée au spectromètre. Pour ce faire, la technologie ReactIR utilise un capteur de réflexion interne (réflectance totale atténuée/ATR) monté à l'extrémité d'une sonde optique tubulaire qui peut être insérée dans une réaction chimique, ou un capteur ATR intégré à une cellule de surveillance des réactions en flux continu.

La méthode ATR est le complément idéal de la spectroscopie FTIR pour l'analyse et le suivi des réactions chimiques. La profondeur de pénétration restreinte de l'énergie infrarouge dans l'échantillon permet d'obtenir des spectres FTIR de mélanges réactionnels optiquement denses de haute qualité. La phase de solution pure d'une réaction chimique est mesurée et les bulles, les particules, les catalyseurs, les substances biologiques solides, l'eau, etc., n'interfèrent pas avec la mesure.

Les sondes ATR doivent présenter l'indice de réfraction requis pour produire une réflexion interne. Elles doivent également résister aux environnements chimiques les plus difficiles. Le diamant et le silicone constituent tous deux d'excellents matériaux pour l'analyse ATR-FTIR. Le choix d'utiliser l'un ou l'autre dépend du type de la réaction et de la position des pics infrarouges devant faire l'objet d'un suivi. 

La spectroscopie FTIR in situ est largement utilisée dans le secteur de la recherche, pour le développement précoce et tardif, l'extrapolation et l'optimisation des réactions. Cette technologie analyse les réactions en flux continu et discontinu, les réactions dans les solvants polaires et apolaires et les réactions sur de larges plages de pH, de températures et de pressions. L'acquisition des données est automatisée, avec des informations qualitatives ou quantitatives généralement générées chaque minute. La spectroscopie FTIR in situ fournit les données nécessaires pour prendre en charge les plans d'expérimentation et d'autres méthodes d'analyse statistique sans les opérations d'échantillonnage/les préparations complexes occasionnelles et les délais requis pour l'analyse hors ligne. Ainsi, plutôt que de déclencher de nombreuses réactions pour comprendre les relations de débit, seules quelques expériences suffisent pour déterminer les forces motrices d'une réaction. La spectroscopie FTIR in situ fournit des paramètres de cinétique de réaction et définit des points de contrôle critiques (CPP) qui peuvent être transférés de manière transparente à la production. Grâce à la possibilité de détecter et d'identifier les produits intermédiaires et de mesurer les paramètres cinétiques des réactions, la spectroscopie FTIR in situ est largement utilisée pour prendre en charge des mécanismes de réaction proposés. 

Applications courantes de la spectroscopie FTIR in situ :

• Époxydes
• Réactions d'alkylation et réactions d'alkylation de Friedel-Crafts
• Réactions de polymérisation
• Réactions à haute pression
• Réactions d'hydrogénation
• Hydroformylation ou procédé oxo
• Mécanismes d'une réaction de grignard
• Halogénations
• Lithiations
• Biocatalyses | Catalyses enzymatiques
• Chimie en flux
• Réactions catalysées par des métaux et des non-métaux
• Réactions à couplage croisé de Suzuki et réactions assimilées
• Réactions d'activation C-H

La spectroscopie FTIR in situ avec réflectance totale atténuée (ATR) offre de nombreux avantages par rapport aux méthodes d'analyse alternatives, notamment d'autres techniques de spectroscopie moléculaire. Les chercheurs et les scientifiques s'appuient sur ces avantages pour améliorer la phase de développement des réactions chimiques :

• La région énergétique de l'IR moyen fournit des spectres « d'empreinte » détaillés des matières premières, des produits, des produits intermédiaires et des sous-produits, en permettant un suivi continu de ces espèces réactionnelles clés en fonction du temps.
• Les mesures en temps réel sont réalisées toutes les minutes ou plus fréquemment.
• Aucun échantillonnage extractif n'est requis afin de mesurer les paramètres sans perturber la réaction.
• L'analyse est non destructive, afin de préserver l'intégrité de la réaction chimique.
• Les réactions sont mesurées en mode discontinu, semi-discontinu ou en flux continu.
• Les réactions sont mesurées sous pression ou à des températures élevées ou basses.
• Les réactions sont mesurées en milieu aqueux ou non aqueux et sur une large plage de pH.
• La sonde ATR immergée n'est généralement pas affectée par les réactifs corrosifs.
• Les réactions avec des réactifs corrosifs, toxiques ou dangereux peuvent être surveillées sans échantillonnage.
• Les phases de la solution sont mesurées sans que les bulles ou les particules solides n'interfèrent.
• Les données spectrales peuvent être converties en données de concentration en temps réel, en permettant ainsi le développement de paramètres cinétiques clés et une détermination précise du point final.
• Comptant parmi les technologies de mesures industrielles éprouvées, la spectroscopie FTIR in situ permet de soutenir les efforts dans le domaine de la qualité par la conception et garantit que les points de contrôle critiques (CPP) sont définis et surveillés.
• La spectroscopie FTIR offre la possibilité d'obtenir des données cinétiques importantes et des preuves factuelles à l'appui des mécanismes proposés.
• La spectroscopie ftir in situ permet d'identifier et de suivre les produits intermédiaires transitoires susceptibles d'affecter le rendement et la qualité du produit et elle s'avère essentielle à la compréhension des mécanismes de la réaction.
• Les tendances de la réaction sont suivies en temps réel, ce qui permet de surveiller les étapes clés de la réaction telles que le déclenchement, l'état stationnaire, le point final et la décomposition

• Organocatalyse
• Chimie par liaison métallique
• Catalyses chimiques et biocatalyses
• Réactions d'activation C-H
• Études mécaniques
• Cinétique des réactions/analyse cinétique de l'évolution de la réaction
• Cycles de catalyse
• Cinétique des réactions de polymérisation

• Synthèse chimique
• Réactions d'hydrogénation
• Réactions catalysées par des métaux 
• Biocatalyses/catalyses enzymatiques
• Cristallisation et recristallisation (sursaturation)
• Halogénations/lithiations/chimie du fluor et de la fluoration
• Réactions à couplage croisé de Suzuki et réactions assimilées
• Chimie organométallique
• Réactions à basse température
• Qualité par la conception et technologies de mesures industrielles

• Produits intermédiaires
• Tensioactifs
• Arômes et parfums
• Revêtement/pigments
• Produits agrochimiques
• Initiateurs
• Produits chimiques en vrac
• Réactions des isocyanates
• Oxyde d'éthylène et oxyde de propylène (OE/OP)
• Réactions fortement oxydantes
• Hydroformylation
• Réactions catalytiques
• Phosgénations
• Estérifications
• Halogénations

Le ReactIR 702L est le premier système qui propose une spectroscopie FTIR in situ en temps réel avec la même simplicité d'utilisation que les solutions hors ligne. Le ReactIR s'adapte à tous les chimistes et à toutes les expériences.

Le ReactIR est prêt pour les expériences pendant la nuit.
Le ReactIR 702L utilise une technologie de refroidissement par semi-conducteur pour des performances inégalées, sans nécessiter l'utilisation d'azote liquide. Au travers de l'élimination des conditions dangereuses et des remplissages répétitifs du vase Dewar, les scientifiques peuvent facilement contrôler le cycle chimique sur de longues périodes.

Le ReactIR est prêt à être utilisé n'importe où.
Les petites unités superposables offrent un gain de place dans les hottes aspirantes et permettent d'installer le ReactIR en différents endroits du laboratoire. Le détecteur est toujours prêt, sans délai de configuration. Les chercheurs peuvent ainsi commencer à collecter les données en toute confiance, à tout moment.

Le ReactIR est adapté à votre procédé chimique.
Les prélèvements par sonde et par flux permettent aux chercheurs d'étudier les procédés chimiques liquides et gazeux en flux continu et discontinu. Les matériaux de construction adaptés facilitent l'acquisition des données dans des environnements acides et corrosifs et pour une large plage de températures et de pressions.

Les mesures continues par spectroscopie infrarouge sont utilisées pour obtenir des profils de réaction et calculer ainsi les vitesses de réaction. Une liste de publications issues de revues à comité de lecture porte sur les applications innovantes et prometteuses de la spectroscopie FTIR in situ. Les chercheurs des laboratoires de recherche publique et industrielle emploient la spectrométrie FTIR in situ pour obtenir des informations exhaustives et des données expérimentales enrichissantes pour leurs recherches.

Alkylations

• 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

Biocatalyses

• 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

Catalyses chimiques

• 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

Cinétique chimique

• 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

Époxydes

• 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

Fluorations

• 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

Halogénations

• 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

Hydroformylation

• 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

Cinétique

• 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

Lithiations

• 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

Polymérisation

• 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

Réactions à couplage croisé de Suzuki et réactions assimilées

• 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

Synthèses

• 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