FTIR-spektroskopi

FTIR-spektroskopi är en teknik som använder mellaninfraröd energi för att analysera den molekylära strukturen och sammansättningen av ämnen genom att mäta absorptionen av specifika frekvenser av infrarött ljus, vilket ger ett unikt fingeravtryck för identifiering och analys. 

Hur fungerar FTIR-spektroskopi?

FTIR, förkortning för "Fourier transform infrared", fungerar genom att detektera specifika frekvenser av ljus som motsvarar vibrationsbindningsenergierna i molekyler. När vibrationens energi matchar det mellaninfraröda ljuset, absorberar bindningen den energin. Eftersom olika bindningar vibrerar vid olika energier absorberar de olika våglängder av IR-strålning. Det resulterande spektrumet, med sina individuella absorptionsband när det gäller position och intensitet, bildar ett unikt molekylärt fingeravtryck.

FTIR-spektroskopi har bred användning och tillämpbarhet vid analys av molekyler som är viktiga inom läkemedels-, kemi- och polymerindustrin. FTIR-analys används i både industri och akademiska laboratorier för att bättre förstå materialens molekylära struktur samt kinetiken, mekanismen och vägarna i kemiska reaktioner och katalytiska cykler. FTIR-spektroskopi används för att säkerställa att råvaror, mellanliggande föreningar och slutprodukter ligger inom specifikationen. 

Inom kemisk och farmaceutisk FoU används in-situ FTIR-spektroskopi för att hjälpa till att skala upp kemiska reaktioner, optimera reaktionsutbytet och minimera föroreningar från biprodukter. Inom kemisk och farmaceutisk produktion fungerar FTIR-spektroskopi som en processanalytisk teknik (PAT), vilket säkerställer att processerna är stabila och kontrollerade och uppnår slutliga produktspecifikationer.

Att förstå komplexa kemiska reaktioner är en stor utmaning och möjlighet för kemister och ingenjörer. Bättre grundläggande insikt i hur kemiska reaktioner fungerar och de idealiska förhållandena för att utveckla, skala upp och driva processer är nyckeln till att uppnå mål för slutproduktens avkastning, renhet och kostnad. Förmågan hos in-situ FTIR att tillhandahålla spårning och övervakning i realtid av reaktionsförlopp är idealisk för att utveckla insikt i hur reaktioner fungerar och metoderna för optimering.

Reaktionsinsikt kommer från att identifiera och profilera variationerna av viktiga reaktionsarter inklusive reagenser, intermediärer, produkter och biprodukter när reaktionen fortskrider. Viktiga reaktionshändelser avslöjas, inklusive initiering, steady-state-tillstånd och slutpunkt. Reaktionshastigheter och andra viktiga kinetiska parametrar bestäms utifrån denna profileringsinformation i realtid, liksom stöd för föreslagna mekanismer. Med den betydande mängden insamlade datapunkter är in-situ FTIR-spektroskopi mycket användbar i datarika experiment, såsom Reaction Profile Kinetic Analysis (RPKA).

För att sammanfatta kan allt ovanstående lätt uppnås med in-situ FTIR-spektroskopi, medan traditionella offlineanalyser ofta är omöjliga att utföra (under tryck, mycket frätande, luft-/fuktkänsliga, giftiga, etc.). Dessutom kan offlineanalyser ta flera minuter till timmar för ett resultat och/eller vara känsliga för icke-reproducerbarhet.

In-situ FTIR-spektroskopi används i stor utsträckning inom forskning, tidig och sen utveckling, uppskalning och reaktionsoptimering. Denna teknik analyserar batch- och flödesreaktioner, reaktioner i polära och opolära lösningsmedel och reaktioner över breda pH-, temperatur- och tryckområden. Datainsamlingen är automatiserad, med kvalitativ eller kvantitativ information som vanligtvis genereras varje minut.

FTIR-spektroskopi utförd på plats tillhandahåller data för att stödja Design of Experiment-studier (DoE) och andra statistiska analysmetoder utan väntan och ibland komplex provtagning/förberedelse för offlineanalys. Detta innebär att i stället för att köra ett stort antal reaktioner för att förstå frekvensberoenden, kan bara några få experiment ge den nödvändiga informationen för att bestämma drivkrafterna för en reaktion. In-situ FTIR ger reaktionskinetiska parametrar och definierar kritiska kontrollparametrar (CPP) som sömlöst kan överföras till produktion. Med sin förmåga att detektera och identifiera reaktionsintermediärer och mäta kinetiska parametrar används in-situ FTIR i stor utsträckning för att ge stöd för föreslagna reaktionsmekanismer.

Reaktionsanalys i realtid kräver överföring av modulerad infraröd strålning till ett reaktionskärl eller en kontinuerlig flödesapparat och sedan återföring av den oabsorberade energin till spektrometern. För att uppnå detta använder ATR-FTIR-spektroskopiinstrument , såsom ReactIR, en intern reflektionssensor monterad i änden av en rörformig optisk sond som kan sättas in i en kemisk reaktion, eller en ATR-sensor som är en integrerad del av en cell som övervakar kontinuerliga flödesreaktioner.

ATR-metoden är ett idealiskt komplement till FTIR-instrumentering för in-situ analys och övervakning av kemiska reaktioner. Det begränsade djupet för penetration av den infraröda energin i provet tillåter högkvalitativa FTIR-spektra av optiskt täta reaktionsblandningar. Den snygga lösningsfasen för en kemisk reaktion mäts och bubblor, partiklar, katalysatorer, biologiska fasta ämnen, vatten etc. stör inte mätningen.

Lämpliga ATR-sensorer för analys av kemiska reaktioner måste ha det brytningsindex som krävs för att möjliggöra intern reflektion och måste även fungera i tuffa kemiska miljöer utan att brytas ned. Både diamant och kisel är utmärkta sensormaterial för ATR-FTIR-spektroskopi, och valet av vilket som ska användas beror på vilken typ av kemi och de infraröda topppositionerna som behöver spåras. 

 ReactIR 702L är den första FTIR-spektrometern som verkligen kombinerar kraften i realtid, in-situ FTIR med motsvarande driftsbekvämlighet. ReactIR är redo för varje kemist och för varje experiment.

ReactIR är redo att köras över natten!
ReactIR 702L använder solid state-kylningsteknik för att leverera klassens bästa prestanda - utan behov av flytande kväve. Genom att eliminera farliga installationer och repetitiva Dewar-påfyllningar kan forskare enkelt övervaka kemin under längre perioder.

ReactIR är redo att ta tag i och gå!
Små, stapelbara enheter sparar värdefullt utrymme i dragskåpet och erbjuder flexibilitet att distribuera ReactIR på olika platser i labbet. En detektor som alltid är på minskar installationstiden och gör det möjligt för forskare att börja samla in data med tillförsikt på ett ögonblick.

ReactIR är redo för din kemi!
Sond- och flödesbaserad provtagningsteknik gör det möjligt för forskare att studera kemi i vätske- och gasfas i batch- eller kontinuerliga uppställningar. Ändamålsenliga byggmaterial gör det enkelt att samla in data i sura och korrosiva miljöer över ett brett spektrum av temperaturer och tryck.

Vanliga tillämpningar för FTIR-spektroskopi in situ är bland annat:

• Epoxider
• Alkyleringsreaktioner och Friedel-Crafts alkyleringsreaktioner
• Polymerisationsreaktioner
• Reaktioner under högt tryck
• Hydrogenerande reaktioner
• Hydroformylering eller Oxo-syntes/process
• Grignards reaktionsmekanismer
• Halogeneringar
• Rättsliga frågor
• Biokatalys | Enzymatisk katalys
• Flödeskemi
• Metall och icke-metalliska katalyserade reaktioner
• Suzuki och relaterade korskopplingsreaktioner
• C-H Aktivering Reaktioner

• Organokatalys
• Metallmedierad kemi
• Kemo- och biokatalys
• C-H Aktivering
• Mekanistiska studier
• Reaktionskinetik/Analys av reaktionsförlopp
• Katalysator cykler
• Kinetik för polymerisation

• Kemisk syntes
• Hydrogenerande reaktioner
• Katalyserade reaktioner av metall
• Biokatalys/Enzymatisk Katalys
• Kristallisation och omkristallisation (övermättnad)
• Halogeneringar/Vätskor/Fluor och fluoreringskemi
• Suzuki och andra korskopplingsreaktioner
• Metallorganisk kemi
• Lågtemperaturkemi
• Kvalitet genom design och processanalytisk teknik

• Intermediärer
• Ytaktiva ämnen
• Smaker och dofter
• Beläggningar/pigment
• Kemikalier för jordbruket
• Initierare
• Kemikalier i bulk
• Isocyanatreaktioner
• Etylenoxid och propylenoxid (EO/PO)
• Mycket oxiderande reaktioner
• Hydroformylering
• Katalytiska reaktioner
• Fosgnationer
• Förestringar
• Halogeneringar

Kontinuerliga mätningar från infraröd spektroskopi används för att erhålla reaktionsprofiler för att beräkna reaktionshastigheter. En lista över publikationer från peer-reviewed tidskrifter fokuserar på spännande och nya tillämpningar av in-situ FTIR-spektroskopi. Forskare inom både akademi och industri använder in-situ FTIR-spektroskopi för att ge omfattande information och rika experimentella data som kan främja deras forskning.

Alkyleringar

• Athavale, S. V., Simon, A., Houk, K. N., & Denmark, S. E. (2020). Avmystifiera det asymmetriförstärkande, autokatalytiska beteendet hos Soai-reaktionen genom strukturella, mekanistiska och beräkningsstudier. 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/fotoredox-katalyserad metylering av (hetero)arylklorider med användning av trimetylortoformiat som källa till metylradikaler. Tidskrift för American Chemical Society, 142(16), 7683-7689. https://doi.org/10.1021/jacs.0c02805

Biokatalys

• Allsop, G. L., Carey, J. S., Joshi, S., Leong, P., & Mirata, M. A. (2020). Processutveckling mot en prodrug av R-Baklofen. Organisk processforskning och utveckling, 25(1), 136–147. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.0c00491
• Pesci, L., Gurikov, P., Liese, A., & Kara, S. (2017). Aminmedierad enzymatisk karboxylering av fenoler med CO2 som substrat ökar jämviktsomvandlingar och reaktionshastigheter. Biotechnology Journal, 12(12), 1700332. https://doi.org/10.1002/biot.201700332

Kemisk katalys

• Ren, R., Huang, P., Zhao, W., Li, T., Liu, M., & Wu, Y. (2021). Ett nytt ternärt organometalliskt Pd(ii)/Fe(iii)/Ru(iii) självorganiserande monolager: den väsentliga ensemblesynergisten för att förbättra den katalytiska aktiviteten. RSC:s framsteg, 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). Nickelkatalyserad hydrosilylering av terminala alkener med primära silaner via aktivering av elektrofil kisel-vätebindning. Organiska brev, 23(4), 1434–1439. https://doi.org/10.1021/acs.orglett.1c00111

Kemisk kinetik

• Foth, P. J., Malig, T. C., Yu, H., Bolduc, T. G., Hein, J. E., & Sammis, G. M. (2020). Halogenidaccelererad acylfluoridbildning med användning av sulfurylfluorid. Organiska brev, 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 kinetiska studier av Rh(II)-katalyserad asymmetrisk cyklopropanation med låga katalysatorbelastningar. ACS-katalys, 10(2), 1161–1170. https://doi.org/10.1021/acscatal.9b04595

Epoxider

• Anderson, T. S., & Kozak, C. M. (2019). Ringöppnande polymerisation av epoxider och ringöppnande sampolymerisation av CO2 med epoxider med hjälp av en zinkamino-bis(fenolat) katalysator. European Polymer Journal, 120, 109237. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2019.109237
• Marbach, J., Höfer, T., Bornholdt, N., & Luinstra, G. A. (2019). Katalytisk kedjeöverföring Sampolymerisation av propylenoxid och CO 2 med användning av zinkglutaratkatalysator. KemiÖppen, 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-bindningsaktivering av en perfluorerad ligand som leder till nukleofil fluorering av en organisk elektrofil. Organometalliska, 39(11), 2116–2124. https://doi.org/10.1021/acs.organomet.0c00176
• Turksoy, A., Scattolin, T., Bouayad-Gervais, S., & Schönebeck, F. (2020). Underlätta tillgången till AgOCF3 och dess nya tillämpningar som reservoar för OCF2 för direkt syntes av N-CF3, aryl- eller alkylkarbamoylfluorider. Chemistry – En europeisk tidskrift, 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). Selektiv jodering med kontinuerligt flöde vägledd av direkt spektroskopisk observation av ekviliberande aryllitiumregioisomerer. Organometalliska, 38(1), 129–137. https://doi.org/10.1021/acs.organomet.8b00538
• Sugiyama, M., Akiyama, M., Nishiyama, K., Okazoe, T., & Nozaki, K. (2020). Syntes av fluorerade dialkylkarbonater från koldioxid som en karbonylkälla. 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). Mycket aktiva katjoniska kobolt(II) hydroformyleringskatalysatorer. Vetenskap, 367(6477), 542–548. https://doi.org/10.1126/science.aaw7742
• Yu, S. M., Snavely, W. K., Chaudhari, R. V., & Subramaniam, B. (2020). Butadienhydroformylering till adipaldehyd med Rh-baserade katalysatorer: Insikter om ligandeffekter. Molekylär katalys, 484, 110721. https://doi.org/10.1016/j.mcat.2019.110721

Kinetik

• Hosoya, M., Shiino, G., & Tsuno, N. (2021). En praktisk överföringsmetod från batch till flödessyntes av dipeptider via syraklorid med hjälp av simulering av reaktionshastigheten. Chemistry Letters, 50(6), 1254-1258. https://doi.org/10.1246/cl.210103
• Yang, C., Feng, H., & Stone, K. (2021). Karakterisering av propionylfosfathydrolyskinetik genom datarika experiment och in-line processanalytisk teknik. Organisk processforskning och utveckling, 25(3), 507–515. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.0c00451

Litation

• Rao, K. S., St-Jean, F., & Kumar, A. (2019). Kvantifiering av en ketonenolisering och en vinylsulfonatstereoisomerbildning med hjälp av inline IR-spektroskopi och modellering. Organisk processforskning och utveckling, 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). Studie av en konkurrerande hydrodefluoreringsreaktion under riktad orto-litation/borylering av 2-fluorbensaldehyd. Organometallics, 38(1), 119–128. https://doi.org/10.1021/acs.organomet.8b00730

Polymerisation

• Ambrose, K., Murphy, J. N., & Kozak, C. M. (2019). Kromaminobis(fenolat)komplex som katalysatorer för ringöppnande polymerisation av cyklohexenoxid. Makromolekyler, 52(19), 7403–7412. https://doi.org/10.1021/acs.macromol.9b01381
• Zhang, D., Zhang, Y.,, Y., Rager, M. N., Guérineau, V., Bouteiller, L., Li, M. H., & Thomas, C. M. (2019). Polymerisation av cykliska karbamater: En praktisk väg till alifatiska polyuretaner. Makromolekyler, 52(7), 2719–2724. https://doi.org/10.1021/acs.macromol.9b00436

Suzuki och relaterade korskopplingsreaktioner

• Matelienė née Dauksaîtė, L., Knaup, J., von Horsten, F., Gu, X., & Brunner, H. (2020). Godartade aryleringar av dimetyletakonat via Heck-Matsuda-reaktion med användning av in-situ genererat palladium på aluminiumoxid. 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-spektroskopisk övervakning av bildningen av Arene diazoniumsalter och dess tillämpningar på Heck-Matsuda-reaktionen. Molekyler, 25(9), 2199. https://doi.org/10.3390/molecules25092199

Syntes

• 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, CA, 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). Utveckling av en omlagring av nitren-typ för den kommersiella vägen för JAK1-hämmaren Abrocitinib. Organisk processforskning och utveckling, 25(3), 608–615. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.0c00366
• Millward, M. J., Ellis, E., Ward, J. W., & Clayden, J. (2021). Hydantoin-överbryggade medelstora ringställningar genom migrerande insättning av urea-bundna nitrilanjoner i aromatiska C-N-bindningar. Kemisk vetenskap, 12(6), 2091–2096. https://doi.org/10.1039/d0sc06188c