Espectroscopia Raman vs IR

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Quais São as Diferenças Entre a Espectroscopia Raman e IR?

Tanto a espectroscopia Raman quanto a no Infravermelho por Transformada de Fourier oferecem informações moleculares sobre a estrutura e composição de amostras químicas e biológicas. Devido aos princípios fundamentais que regem cada tecnologia, ambas podem gerar informações complementares. No entanto, frequentemente uma tecnologia constitui a melhor escolha, dependendo da natureza da aplicação.

a. A espectroscopia Raman fornece informações sobre as vibrações intra e intermoleculares. A primeira fornece um espectro característico das vibrações específicas dos átomos em uma molécula e é valiosa para identificar uma substância, forma e configuração do esqueleto molecular, para dar alguns exemplos. A segunda fornece informações sobre modos de frequência mais baixa, que refletem a estrutura da rede cristalina e a forma polimórfica.

b. O maior valor da espectroscopia de infravermelho está na sua capacidade de sondar a “região da impressão digital” do espectro onde as vibrações intramoleculares são bem definidas e altamente características da ligação dos átomos.

Um exemplo prático de diferenciação dessas duas tecnologias é a investigação de um processo de cristalização, no qual Raman analisa as formas de cristal sólido e a IR mede, simultaneamente, as características da solução, como a supersaturação.

Que Tipos de Energia São Medidos por Raman e IR?

Raman. O efeito Raman é fraco (muitas vezes referido como um evento de um em dez milhões), resultante de um evento de energia quando fótons de luz monocromática (laser) interagem com uma molécula que leva à liberação de fótons inelásticos.

Quando fótons interagem com uma molécula, um elétron pode ser excitado para um nível de energia mais alto (ou seja, um estado virtual excitado), mas sem passar por uma transição eletrônica completa. O elétron pode então repousar em um nível de energia vibracional diferente daquele da energia incidente. A diferença entre a energia do fóton incidente e a energia do fóton propagado é chamada de deslocamento Raman. A interação da molécula com a luz pode induzir um deslocamento da nuvem eletrônica da molécula que resulta em uma mudança na polarizabilidade. Uma molécula tem transições de energia específicas relacionadas às ligações intramoleculares, nas quais ocorre uma mudança na polarizabilidade, dando origem aos modos ativos em Raman. A frequência do deslocamento Raman está relacionada ao tipo de ligação que está sendo excitada e a intensidade desse pico Raman é proporcional ao número dessas ligações.

IR. A espectroscopia de infravermelho (IR) é uma técnica mais forte que depende da absorção da luz pelas moléculas em frequências correspondentes às suas próprias vibrações fundamentais. Moléculas com grupos funcionais que possuem dipolos fortes exibem picos fortes na IR, enquanto os grupos funcionais que possuem dipolos fracos e facilmente sofrem uma mudança na polarizabilidade exibem picos fortes na Raman.

O movimento dos átomos em uma molécula tem uma frequência natural de vibração relacionada à força de suas ligações. Quando a frequência da vibração de uma ligação é igual àquela da radiação de IR direcionada a ela, a ligação absorve a radiação. As frequências de IR específicas que as ligações de uma molécula absorvem dão origem a um espectro IR da molécula.

Considerações para a Escolha entre a Espectroscopia Raman ou Infravermelho

Descreveremos abaixo as vantagens e limitações de cada tecnologia, juntamente com as reações apropriadas para cada uma. Em seguida, exploraremos como a instrumentação pode agregar valor às principais áreas de aplicação e artigos de periódicos recentes para leitura adicional.

Quais São as Vantagens e Limitações da Espectroscopia Raman?

Vantagens. Como os instrumentos Raman normalmente usam um laser na região visível/NIR, cabos flexíveis de fibra óptica de sílica podem ser utilizados para transmitir energia, excitar a molécula e coletar a radiação dispersa. As medições de Raman podem ser feitas pela inserção direta de um sensor de imersão em um reator, através de uma janela de quartzo ou sílica por meio de um sensor sem contato, ou até mesmo em uma célula de fluxo para uso na química do fluxo. A Raman é muito útil para medições em condições extremas de reação, como aquelas frequentemente necessárias no estudo de catalisadores e reações catalíticas. O fato de as ligações de hidroxila não serem particularmente ativas em Raman simplifica o uso dessa espectroscopia em meio aquoso.

Com relação à análise de reação, a espectroscopia Raman é sensível a certos grupos funcionais, bem como a ligações C-C e, portanto, capaz de fornecer uma impressão digital molecular única. A medição dos deslocamentos Raman de frequência mais baixa permite que a técnica seja sensível à estrutura da rede cristalina, o que pode auxiliar no estudo do polimorfismo. A estrutura cristalina pode ser analisada à medida que os cristais sólidos se desenvolvem a partir da solução, em estudos do processo de cristalização, qualitativa ou quantitativamente.

Limitações. Muitos compostos não reagem à Raman ou, como no caso de alguns entre os quais reagem, podem apresentar fluorescência na presença de NIR e/ou frequências de laser visíveis. A fluorescência é especialmente um problema com Raman porque constitui ordens de magnitude mais intensas no sinal de que as do espalhamento Raman, o que, muitas vezes, resulta em sobrecarga do sinal Raman.

Em geral, Raman é uma técnica não destrutiva e funciona em uma variedade de formas de amostra (por exemplo, solução, sólidas, gel e película). A espectroscopia Raman fornece informações químicas extremamente específicas e não requer preparação de amostra para fazer uma medição.

Escolha Raman para monitorar reações contendo:

Moléculas/ligações simétricas
Ligações de carbono em anéis alifáticos e aromáticos
Ligações com dipolos fracos ou simetria são importantes, ou seja, O–O, S–H, C=S, N=N, C=N, Si–O–Si etc.
Siloxanos, silicones, Si–O–Si, S–S, R–S–H, R–X etc.
Partículas em solução (cristalinidade, polimorfismo)
Modos de baixa frequência (metal-oxigênio, modos de rede)
Reações em meio aquoso
Observação de reação através de uma janela devido à alta pressão ou temperatura, toxicidade, restrição de espaço etc.
Reações nas quais as bandas de solvente são fortes em IR e podem sobrecarregar os principais tipos de medição de IR

Quais São as Vantagens e Limitações da Espectroscopia IR?

Vantagens. Sendo um método de espectroscopia de absorção, os sinais infravermelhos geralmente são fortes e podem ser calibrados para medições quantitativas usando métodos quimiométricos univariados ou multivariados. As atribuições de bandas IR na região da impressão digital são bem compreendidas, o que torna a espectroscopia FTIR muito útil para entender a estrutura molecular. Há extensos bancos de dados de IR disponíveis que permitem a busca e identificação de compostos. O método ATR (Refletância Total Atenuada)-IR é muito útil para o monitoramento de reações, pois partículas, bolhas e outros potenciais interferentes não afetam a medição da solução de reação. O infravermelho não é afetado pela fluorescência, nem é capaz de aquecer ou decompor termicamente a amostra, o que potencialmente pode ocorrer com Raman. Tanto as células de fluxo baseadas em ATR quanto sensores de inserção estão disponíveis para medições em linha e on-line, respectivamente, proporcionando conhecimento da progressão da reação, como início, fim da reação, intermediários reativos, cinética etc. Como a IR opera na região de impressão digital do espectro, é muito útil para determinar a identidade dos tipos de reação, incluindo intermediários transitórios.

Limitações. Como a água absorve fortemente a radiação do infravermelho médio, a medição de soluções aquosas pode ser problemática para a transmissão tradicional de infravermelho, porém, o uso da técnica ATR-IR atenua esse problema. A técnica ATR-IR permite o monitoramento da solução sem partículas em soluções heterogêneas que afetem as medições. Como a imersão de ATR e células de fluxo têm extensões muito curtas (aprox. 14 mícrons), tipos de amostra com forte absorção de IR (como DMSO, NCO etc.) podem ser facilmente monitorados, enquanto a espectroscopia de transmissão IR tradicional não é prática, devido à saturação do sinal (medições de não linearidade).

Em geral, o infravermelho funciona bem em amostras líquidas (ATR-IR), fornece informações químicas extremamente específicas e não requer preparação de amostra para fazer uma medição.

Opte por IR para monitorar reações onde:

Reactantes, reagentes, solventes e espécies da reação fluorescem
Ligações com dipolos fortes são importantes, por exemplo, C=O, O–H, N=O, C≡N etc.
Reagentes e reactantes estão em concentrações baixas
As bandas dos solventes são fortes em Raman e podem sobrecarregar as principais espécies de Raman
Intermediários reagem com IR
Partículas e bolhas interferem na análise da solução
A interferência de absorção da água possa causar desafios (já que isso pode ser facilmente resolvido com a tecnologia ATR-FTIR)

Quais São as Aplicações da Espectroscopia Raman e IR?

Síntese Orgânica

Tanto a espectroscopia Raman quanto IR fornecem perfis em tempo real das espécies de reação e rastreiam o início, o progresso, intermediários transitórios e ponto final das reações. Elas também permitem o desenvolvimento rápido de dados cinéticos e auxiliam os mecanismos de reação propostos.

Desenvolvimento e Monitoramento de Catalisadores

Desenvolvimento de Catalisador e Monitoramento de Reação Catalítica

Ambos os métodos de espectrometria podem investigar o volume catalítico e a estrutura da superfície, estudar espécies adsorvidas em superfícies catalíticas, examinar a ligação metal-ligante, desenvolver relações de estrutura-atividade e otimizar processos catalíticos medindo o efeito das variáveis de reação no rendimento do produto, qualidade e atividade do catalisador. Tudo isso pode ser feito por meio de espectroscopia IR e Raman in situ sob pressão/temperatura real, assim como por meio da análise de reações catalíticas homogêneas em fluxo.

Química do Fluxo

Para uma ampla gama de classes de reação, use células de fluxo quimicamente inertes em linha (Raman) e células de fluxo ATR (IR) para monitorar continuamente e garantir a estabilidade das reações de fluxo. As tecnologias IR e Raman oferecem suporte a estudos rápidos de otimização de processo em fluxo, rastreando as principais espécies de reação em função das condições variáveis de fluxo.

Cristalização

IR in situ mede solutos na solução para o desenvolvimento da cristalização; a espectroscopia in situ Raman, o crescimento de cristais e polimorfismo em função de variáveis como solventes, semeadura, perfil de resfriamento, temperatura e pH.

Processo Biológico

A análise IR e Raman in situ pode ser utilizada para dar suporte a várias etapas do processo de cristalização, incluindo a captura primária, troca de buffer, purificação, bioconjugação e formulação. Nessas aplicações e em outras, a análise em tempo real elimina os gargalos e atrasos tradicionalmente associados à análise off-line convencional de amostragem por coleta.

Polimerizações

A espectroscopia Raman é potente na análise da estrutura fundamental de polímero, comprimento de cadeia, abertura do anel e conformação. Use a espectroscopia IR para analisar cadeias laterais, grupos de terminais de moléculas de cadeia longa e grupos funcionais. Adquira dados sobre a cinética da reação, taxas de conversão do monômero, proporção de reatividade, energias de ativação, função dos iniciadores, intermediários e formação de subproduto, tudo em tempo real sem a necessidade de amostragem extrativa ou análise off-line. A análise in situ elimina a irreprodutibilidade da amostragem off-line causada pelo aumento da viscosidade da reação e a perda de pontos de dados de análise durante polimerizações rápidas, fornecendo assim dados cinéticos mais precisos.

Quais São as Diferenças entre os Instrumentos Raman e FTIR?

Há semelhança na abordagem de instrumentação e interface com a amostra dessas duas técnicas, mas há algumas diferenças nos detalhes.

Os espectrômetros Raman utilizam um laser como fonte (tipicamente laser visível ou infravermelho-próximo), enquanto os espectrômetros IR normalmente empregam um radiador de corpo negro (como uma barra de luz) para fornecer energia na região do infravermelho médio.

Além disso, os sistemas optomecânicos são diferentes, já que os espectrômetros Raman usam uma grade holográfica com um detector CCD altamente sensível e os FTIR usam um interferômetro para fornecer a radiação modulada que é detectada por detectores piroelétricos (DTGS) ou os fotônicos (MCT), que são mais sensíveis.

Ambas as técnicas usam sensores de fibra óptica para o monitoramento de reação in situ. No caso da Raman, a fibra óptica é composta de sílica e alterna entre alguns metros (2 m) a vários metros (> 50 m) ou quilômetros. Os sensores de fibra da IR são construídos com material que transmite radiação do IR médio, como vidros calcogenetos ou haleto de prata (AgX) e têm limitação de comprimento (<4 m) devido à atenuação natural da energia de IR pelo material de fibra óptica. A interface entre a amostra e o sensor na espectroscopia FTIR é um sensor ATR de reflexão interna feito de diamante ou cristal de silício, enquanto a interface com a amostra nas medições Raman in situ usa uma lente de safira para focalizar o laser em um ponto próximo à lente de safira/interface de amostra.

Tecnologia para Espectroscopia IR e Raman

Tecnologia para Espectroscopia Raman e IR

O ReactIR e ReactRaman fazem parte de uma família integrada de produtos que são combinados em toda a plataforma de software iC para fornecer entendimento conjunto da cinética, mecanismo e informações dos caminhos da reação para a sua caracterização aprimorada.

O ReactRaman é um sensor extremamente compacto e intercambiável ou um sistema Raman de célula de fluxo otimizado para o monitoramento in situ de reações químicas e processos de cristalização. O sistema usa um laser de estado sólido de 785 nm para reduzir a fluorescência da amostra, mantendo uma excelente seção transversal de espalhamento para maximizar o sinal Raman. A energia do laser é transmitida e coletada da amostra por cabos de fibra óptica, e um sensor de inserção endurecido quimicamente equipado com uma lente de safira faz interface com a amostra. A energia propagada é passada para uma grade holográfica de alto desempenho e, por fim, um detector CCD captura essa energia para produzir o espectro Raman.

O ReactIR é um sistema FTIR compacto dedicado ao monitoramento de reações químicas através de um sensor de inserção intercambiável ou célula de fluxo que faz interface com sínteses de fluxo contínuo ou em lote, respectivamente. Os espectrômetros FTIR em geral consistem em vários componentes principais – uma fonte de luz (normalmente, uma barra de luz infravermelha), um interferômetro com espelhos fixos e móveis e um detector térmico ou fotônico. A energia de infravermelho de banda larga da fonte é dirigida ao divisor de feixe, que repassa a energia ao longo de dois caminhos diferentes. Um caminho tem um espelho fixo no final; o outro, um móvel. A energia infravermelha desses dois caminhos retorna e se recombina no divisor de feixes, causando um padrão de interferência construtivo e destrutivo, o interferograma. Esse feixe infravermelho modulado é repassado à amostra, onde é absorvido como função da estrutura molecular da amostra e, assim, gera o espectro IR para análise.

5 Maneiras em que Raman e IR Simplificam a Espectroscopia

ReactIR e ReactRaman combinam o poder da espectroscopia em tempo real com facilidade de uso equivalente. O resultado: amplo entendimento da reação para usuários especializados e não especializados.

1. Compacto e portátil. Unidades pequenas e que podem ser empilhadas poupam espaço valioso na capela de fluxo laminar ou no glove box e proporcionam a flexibilidade de implementar espectroscopia in situ onde for mais necessária.

2. Pronto para uso, basta conectar. Uma combinação de excelente desempenho do sistema e integração otimizada do sensor fornece estabilidade e sensibilidade, sem quaisquer requisitos especiais, como o nitrogênio líquido.

3. Análise em um clique. Obtenha informações de alta qualidade rapidamente, com perfil de reação automatizado e capacidades de tendências. O software avançado, mas intuitivo, identifica e rastreia espécies de reações importantes, incluindo intermediários transientes que afetem a pureza do produto.

4. Plataforma de síntese integrada. O Software iC padrão do setor permite automação completa do fluxo de trabalho e integração de dados analíticos e de processos para síntese, cristalização e outras operações da unidade.

5. Estude todos os tipos de produtos químicos. Uma variedade de opções baseadas em lotes e fluxos viabilizam o estudo de produtos químicos em uma vasta gama de condições, mesmo com reagentes agressivos.

Artigo em Destaque: Synthesis of Ni-Fe Electrocatalyst

Raman Elucidou Locais de Ligação para Íons Metálicos

Ya Wang, Jun Yu, Yanding Wang, Zhuwen Chen, Lei Dong, Rongming Cai, Mei Hong, Xia Long and Shihe Yang, “in situ templating synthesis of mesoporous Ni–Fe electrocatalyst for oxygen evolution reaction”, RSC Adv., (2020), 10, 23321.

Os autores relatam o uso de sílica pirogênica mesoporosa amorfa (MFS) como uma estrutura para difundir íons Ni²⁺e Fe³⁺para criar um eletrocatalisador para a reação de evolução de oxigênio. Em conjunto com as medições de espectroscopia de fotoelétrons de raios X, as medições de espectroscopia Raman indicam que os íons Ni²⁺ estão covalentemente ligados a grupos Si-OH de superfície, enquanto as ligações Fe-Si-O são formadas pela infusão de íons Fe³⁺ na estrutura de MFS.

Na MFS, as bandas Raman em 345–450, 575, 750, 973 e 1070 cm^-1 estão associadas a várias vibrações de Si-O-Si e estiramento de Si-OH. Quando o teor de Fe é alto, bandas Raman em 332, 495 e 1163 cm^-1 aparecem e são atribuídas a espécies de Fe-O-Si. Na MFS com alto teor de Ni, a banda de estiramento de Si-OH em 973 cm^-1 é diminuída e nenhuma outra banda nova está presente. Isso indica que Ni está ligado na superfície de Si-OH e não faz parte da estrutura da sílica MFS. A capacidade da espectroscopia Raman de medir vibrações de baixa frequência foi importante para obter essas informações sobre as ligações.

Artigo em Destaque: Quantitative Measurements of Enolization Reaction, Stereoisomer Formation

Dados do ReactIR Rastreiam Espécies-Chave de Analito no Andamento da Reação

Kallakuri Suparna Rao, Fredéric St-Jean, Archana Kumar, “Quantitation of a Ketone Enolization and a Vinyl Sulfonate Stereoisomer Formation Using Inline IR Spectroscopy and Modeling”, Org. Process Res. Dev. 2019, 23, 945−951.

Os autores usaram o ReactIR para investigar a formação de uma olefina acíclica tetrassubstituída via enolização e tosilação de cetona em uma reação de duas etapas em um único reator. Eles rastrearam com sucesso a conversão da cetona em um enolato por modelagem univariada com base na banda do grupo carbonila da cetona em 1685 cm^-1. O modelo foi então usado para acompanhar a taxa de consumo do material de partida e, em seguida, para definir a conclusão em função das condições variáveis da reação.

Para determinar a proporção de produtos isoméricos de tosilato de vinil tetrasubstituído E versus Z para a segunda etapa, os pesquisadores construíram modelos multivariados de PCA e PLS usando os dados de IR in situ de espectro completo e HPLC off-line. Esses modelos permitiram que a quantidade relativa dos dois isômeros fosse determinada em reações subsequentes, e os modelos foram validados com os dados de reações obtidas em condições variadas.

Artigo em Destaque: Raman and IR Data Provide Structural Information about New API Salt and Eutectics

Espectroscopia Vibracional Confirma Formação de Sal Iônico

Wanya Li, Peng Shi, Lina Jia, Yanxiao Zhao, Binqiao Sun, Mingtao Zhang, Junbo Gong, Weiwei Tang, “Eutectics and Salt of Dapsone With Hydroxybenzoic Acids: Binary Phase Diagrams, Characterization and Evaluation”, J. Pharm. Sci., (2020), 109(7), 2224-2236.

Os autores relatam a síntese do antibiótico dapsona com coformadores de ácido hidroxibenzoico para formar novos sólidos de componentes múltiplos. A estrutura e caracterização desses sólidos foram determinadas por difração de raios X, DSC, RI e Raman, indicando que um novo sal de DAP com ácido 2,6-diidroxibenzoico (26DHBA) e 4 eutéticos com outros ácidos hidroxibenzoicos foram formados. As medições de IR e Raman indicaram que ocorrem interações iônicas no novo sal.

O espectro IR de uma mistura física 1:1 de DAP e 26DHBA é um espectro aditivo, composto pelo espectro dos dois compostos individuais. O espectro IR do novo produto DAP-26DHBA (1:1) apresenta mudanças significativas. Como exemplos, a frequência de carbonila para 26DHBA em 1677 cm^-1 desaparece, e uma nova banda em 1386 cm^-1 aparece no espectro do produto, indicando a formação de um sal iônico. As alterações espectrais nas medições Raman do produto DAP-26DHBA (1:1) são consistentes com os resultados de IR. Além disso, os espectros Raman dos eutéticos DAP-SAL, DAP-3HBA, DAP-4HBA e DAP25DHBA [ácido salicílico (SAL), ácido 3-hidroxibenzoico (3HBA), ácido 4-hidroxibenzoico (4HBA), ácido 2,5-diidroxibenzoico (25DHBA) e ácido 2,6-diidroxibenzoico (26DHBA)] são consistentes com os espectros dos respectivos componentes individuais, indicando que os eutéticos não têm a nova fase cristalina presente.

Espectroscopia IR e Raman em Publicações Relacionadas à Indústria

Espectroscopia IR

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Cameron J. Brown, Thomas McGlone, Stephanie Yerdelen, Vijay Srirambhatla, Fraser Mabbott, Rajesh Gurung, Maria L. Briuglia, Bilal Ahmed, Hector Polyzois, John McGinty, Francesca Perciballi, Dimitris Fysikopoulos, Pól MacFhionnghaile, Humera Siddique, Vishal Raval, Tomás S. Harrington, Antony D. Vassileiou, Murray Robertson, Elke Prasad, Andrea Johnston, Blair Johnston, Alison Nordon, Jagjit S. Srai, Gavin Halbert, Joop H. ter Horst, Chris J. Price, Chris D. Rielly, Jan Sefcika, Alastair J. Florence, “Enabling precision manufacturing of active pharmaceutical ingredients: workflow for seeded cooling continuous crystallisations”, Mol. Syst. Des. Eng., (2018), 3, 518–549.

Espectroscopia Raman

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Espectroscopia Raman e IR

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Chuntian Hu, Christopher J. Testa, Wei Wu, Khrystyna Shvedova, Dongying Erin Shen, Ridade Sayin, Bhakti S. Halkude, Federica Casati, Paul Hermant, Anjana Ramnath, Stephen C. Born, Bayan Takizawa, Thomas F. O’Connor, Xiaochuan Yang, Sukumar Ramanujam, Salvatore Mascia, “An automated modular assembly line for drugs in a miniaturized plant”, Chem. Commun., (2020), 56, 1026-1029.
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Cameron T. Armstrong, Cailean Q. Pritchard, Daniel W. Cook, Mariam Ibrahim, Bimbisar K. Desai, Patrick J. Whitham, Brian J. Marquardt, Yizheng Chen, Jeremie T. Zoueu, Michael J. Bortner, Thomas D. Roper, “Continuous flow synthesis of a pharmaceutical intermediate: a computational fluid dynamics approach”, React. Chem. Eng., (2019), 4, 634.
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