ИК-Фурье спектроскопия

Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (ИКФС, FTIR) — это метод анализа, который широко применяется в производственных и научных лабораториях для изучения структуры отдельных молекул и состава молекулярных смесей. Для изучения образца в ИК-Фурье спектроскопии используется модулированное излучение среднего инфракрасного диапазона. Инфракрасное излучение поглощается на определенных частотах, напрямую связанных с энергией колебаний межатомных связей в молекуле. Если энергия колебания связи эквивалентна энергии в средней ИК-области, связь может поглощать эту энергию. Различные связи в молекуле колеблются с разной энергией и поэтому поглощают разные длины волн ИК-излучения. Положение (частота) и интенсивность этих отдельных полос поглощения влияют на общий спектр, делая его уникальным для молекулы конкретного вещества.

ИК-Фурье спектроскопия широко применяется для анализа молекул, имеющих значение в фармацевтической, химической и полимерной промышленности. Система ИК-Фурье спектроскопии применяется как в промышленных, так и в научных лабораториях для лучшего понимания молекулярной структуры материалов, а также кинетики, механизма и путей протекания химических реакций и каталитических циклов. ИК-Фурье спектроскопия применяется для проверки соответствия сырья, интермедиатов и конечных продуктов техническим требованиям. В химических и фармацевтических исследованиях и разработках ИК-Фурье спектроскопия in situ применяется для поиска путей масштабирования химических реакций, оптимизации выхода реакции и снижения содержания примесей в побочных продуктах. В химическом и фармацевтическом производстве ИК-Фурье спектроскопия выполняет функции технологии анализа процессов (PAT), которая обеспечивает стабильность и управляемость процессов, а также соответствие требованиям к конечной продукции.

 

Понимание сложных химических реакций — это основная задача и источник возможностей для химиков и инженеров. Более полное понимание процессов протекания химических реакций и идеальные условия для разработки, масштабирования и эксплуатации процессов являются ключом к обеспечению целей по выходу, чистоте и себестоимости конечной продукции. Возможность ИК-Фурье спектроскопии in situ обеспечивать отслеживание и мониторинг процесса реакции в режиме реального времени помогает понять механизм реакций и способы оптимизации. Понимание механизма реакции достигается благодаря идентификации и профилированию изменений интенсивности ИК-спектров ключевых компонентов, участвующих в реакции, включая реагенты, промежуточные продукты, продукты и побочные продукты, по мере протекания реакции. Выявляются важные этапы реакции, включая инициирование, равновесное состояние и конечную точку. Скорость реакции и другие ключевые кинетические параметры определяются на основе этой информации профилирования в режиме реального времени, а также поддержки предполагаемых механизмов. Благодаря значительному количеству собираемых данных, ИК-Фурье спектроскопию in situ можно использовать в экспериментах с интенсивной обработкой данных, таких как кинетический анализ профиля реакции (RPKA). Подводя итог, можно сказать, что все вышеперечисленное легко достигается благодаря ИК-Фурье спектроскопии in situ, тогда как традиционные автономные анализы зачастую выполнить невозможно (среда под давлением, с высокой едкостью, с чувствительностью к воздуху/влаге, токсичная и т. д.). Кроме того, выполнение автономных анализов может занимать от нескольких минут до нескольких часов и (или) полученные результаты могут быть не воспроизводимыми.

Для определения химического состава в режиме реального времени требуется передача модулированного инфракрасного излучения в реакционный сосуд или устройство непрерывного потока, а затем возврат непоглощенной энергии в спектрометр. Для этого в технологии ReactIR используется датчик внутреннего отражения (нарушенное полное внутреннее отражение / НПВО), установленный на конце трубчатого оптического зонда, который можно ввести в химическую реакционную среду, или датчик НПВО, который является неотъемлемой частью ячейки, контролирующей реакции в непрерывном потоке.

Метод НПВО отлично дополняет приборы ИК-Фурье спектроскопии для анализа и мониторинга химических реакций. Ограниченная глубина проникновения энергии ИК-излучения в образец позволяет получать высококачественные ИКФС-спектры оптически плотных реакционных смесей. Измеряется фаза чистого раствора химической реакции, при этом пузыри, частицы, катализаторы, биологические твердые вещества, вода и т. д. не мешают данному измерению.

Датчики НПВО для анализа химических реакций должны не только иметь соответствующий коэффициент преломления для обеспечения внутреннего отражения, но и выдерживать воздействие агрессивных химических сред без снижения качества. Как алмаз, так и кремний являются отличными материалами для датчиков НПВО ИКФС. Выбор зависит от типа реакции и положений пиков в инфракрасном спектре, которые необходимо отслеживать. 

ИК-Фурье спектроскопия in situ широко применяется в исследованиях, разработке ранней и поздней стадий, масштабировании и оптимизации реакций. Данная технология позволяет анализировать периодические и непрерывные реакции, реакции в полярных и неполярных растворителях, а также реакции в широком диапазоне значений pH, температуры и давления. Сбор данных осуществляется автоматически. Как правило, данные о качестве или количестве регистрируются один раз в минуту. ИК-Фурье спектроскопия in situ позволяет получать данные для проведения исследований с использованием моделирования экспериментов (DoE) и других методов статистического анализа без необходимости ожидания и периодического сложного процесса отбора проб / пробоподготовки. Это означает, что для выявления основных факторов, определяющих скорость протекания реакции, достаточно поставить всего несколько экспериментов. ИКФС in situ предоставляет кинетические параметры реакции и определяет важнейшие контрольные параметры (CPP), которые могут легко применяться в производстве. Благодаря функции обнаружения и определения интермедиатов, а также функции измерения кинетических параметров ИК-Фурье спектроскопия in situ широко применяется для поддержки предполагаемых механизмов реакции. 

Типичные области применения ИК-Фурье спектроскопии in situ:

• Эпоксиды
• Реакции алкилирования
• Реакции полимеризации
• Химические реакции при высоком давлении
• Реакции гидрирования
• Гидроформилирование или оксосинтез
• Механизмы реакции Гриньяра
• Галогенирование
• Реакции литирования
• Биокатализ | ферментативный катализ
• Химические реакции непрерывного потока
• Реакции, катализируемые металлами и неметаллами
• Реакции Сузуки и связанные реакции кросс-сочетания
• Реакции активации связи C-H

ИК-спектроскопия нарушенного полного внутреннего отражения с Фурье-преобразованием in situ обладает целым рядом преимуществ по сравнению с другими аналитическими методами (в том числе с другими методами молекулярной спектроскопии). Следующие особенности этого метода делают разработку химических процессов более эффективной:

• спектроскопия в среднем ИК-диапазоне обеспечивает подробную идентификацию исходных реагентов, промежуточных продуктов, продуктов и побочных продуктов, позволяя непрерывно отслеживать эти основные компоненты в зависимости от времени;
• ИК-спектр в режиме реального времени регистрируется каждую минуту или реже;
• нет необходимости в пробоотборе из реакционной среды (in situ); измерение химического состава без нарушения течения реакции;
• неразрушающий метод; не мешает протеканию реакции;
• измерение реакции в периодическом, полупериодическом или непрерывном режиме;
• измерение реакций, протекающих под давлением, а также при высокой или низкой температуре;
• измерение реакции в водной или неводной среде и в широком диапазоне pH;
• погружной датчик НПВО обычно не подвержен воздействию коррозионных реагентов;
• реакции в коррозионной, токсичной или опасной средах можно отслеживать без отбора проб;
• измерения в жидкой фазе; пузыри или твердые частицы не мешают проведению измерений;
• спектральные данные могут быть преобразованы в данные о концентрации в режиме реального времени, что позволяет разрабатывать ключевые кинетические параметры и точно определять конечную точку;
• проверенный метод PAT; ИК-Фурье спектроскопия in situ поддерживает концепцию Quality by Design (Качество через проектирование, QbD) и обеспечивает определение и мониторинг CPP;
• предоставление первичного средства получения важных кинетических данных и фактических данных для поддержки предполагаемых механизмов;
• ИК-Фурье спектроскопия in situ помогает идентифицировать и отслеживать интермедиаты, которые могут повлиять на выход и качество продукта, что является ключом к пониманию механизмов реакции;
• тенденции реакции отслеживаются в режиме реального времени, что позволяет определять важные этапы реакции, такие как инициирование, равновесное состояние, конечная точка и разложение.

• Металлоопосредованные химические процессы
• Хемокатализ и биокатализ
• Активация связей C–H
• Механика реакций
• Кинетика реакций / кинетический анализ протекания реакции
• Каталитические циклы
• Кинетика полимеризации

• Химический синтез
• Изучение реакций гидрирования
• Реакции, катализируемые металлами 
• Биокатализ / ферментативный катализ
• Кристаллизация и перекристаллизация (пересыщение)
• Галогенирование / литирование / Химия фтора и фторирования
• Реакции Сузуки и другие реакции кросс-сочетания
• Металлоорганическая химия
• Низкотемпературные химические процессы
• Качество через проектирование (Quality by Design, QbD) и технология анализа процессов (Process Analytical Technology, PAT)

• Промежуточные соединения
• Поверхностно-активные вещества
• Отдушки и ароматизаторы
• Покрытия/пигменты
• Агрохимикаты
• Инициаторы
• Сыпучие реагенты
• Реакции изоцианатов
• Окись этилена и окись пропилена (ОЭ/ОП)
• Сильные окислительные реакции
• Гидроформилирование
• Каталитические реакции
• Фосгенирование
• Этерификация
• Галогенирование

ReactIR 702L — это первая система, в которой сочетаются широкие возможности ИК-Фурье спектроскопии in situ в режиме реального времени и удобство эксплуатации.. ReactIR будет полезен специалисту-химику в любом эксперименте.

ReactIR может работать без остановки!
В ReactIR 702L источник ИК излучения охлаждается элементом Пельтье, что обеспечивает наилучшую в своем классе производительность, при этом жидкий азот не требуется. Отказавшись от небезопасных установок и сосудов Дьюара, ученые могут без помех наблюдать за протеканием длительных реакций.

ReactIR включается в работу мгновенно!
Компактные приборы не занимают много места в вытяжном шкафу и имеют удобную для хранения конструкцию, поэтому систему ReactIR можно разместить в любой точке лаборатории. Детектор постоянно готов к работе, что сокращает 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 исследование жидких и газовых фаз на периодической или непрерывной основе. Благодаря специально подобранным материалам конструкции возможен прямой сбор данных в кислотных и агрессивных средах при разных значениях температуры и давления.

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 ИК-Фурье спектроскопии in situ. В исследовательских институтах и на производстве специалисты регулярно применяют ИК-Фурье спектроскопию in situ для получения более полных и информативных результатов экспериментов.

Алкилирование

• 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

Биокатализ

• 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

Химический катализ

• 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

Кинетика химической реакции

• 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

Эпоксиды

• 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

Фторирование

• 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

Галогенирование

• 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

Гидроформилирование

• 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

Кинетика

• 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

Литирование

• 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

Полимеризация

• 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

Реакции Сузуки и связанные реакции кросс-сочетания

• 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

Синтез

• 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