FTIR-Spektroskopie

Fourier-Transformations-IR-Spektroskopie (FTIR) ist eine Analysemethode, die in der Industrie und in akademischen Labors eingesetzt wird, um die Struktur einzelner Moleküle und die Zusammensetzung von Molekülmischungen zu verstehen. Bei der FTIR-Spektroskopie wird modulierte Energie im mittleren Infrarotbereich zur Untersuchung einer Probe verwendet. Das Infrarotlicht wird bei spezifischen Frequenzen absorbiert, die direkt mit der Schwingungsenergie der Bindungen, die im Molekül vorhanden sind, zusammenhängen. Wenn die Bindungsenergie der Schwingung und die Energie des mittleren Infrarotlichts gleich sind, kann die Bindung diese Energie absorbieren. Verschiedene Bindungen in einem Molekül schwingen mit unterschiedlichen Energien und absorbieren daher verschiedene Wellenlängen der IR-Strahlung. Die Position (Frequenz) und Intensität dieser einzelnen Absorptionsbanden tragen zum Gesamtspektrum bei und erzeugen einen charakteristischen Fingerabdruck des Moleküls.

Die FTIR-Spektroskopie wird in grossem Umfang für die Analyse von Molekülen eingesetzt, die in der pharmazeutischen, chemischen und Polymerindustrie von Bedeutung sind. Die FTIR-Analyse wird in der Industrie sowie in akademischen Labors verwendet, um die molekulare Struktur von Materialien sowie die Kinetik, den Mechanismus und die Wege in chemischen Reaktionen und katalytischen Zyklen besser zu verstehen. Die FTIR-Spektroskopie wird eingesetzt, um sicherzustellen, dass Rohstoffe, Zwischenprodukte und Endprodukte innerhalb der Spezifikation liegen. In der chemischen und pharmazeutischen Forschung und Entwicklung wird die In-situ-FTIR-Spektroskopie eingesetzt, um das Scale-up chemischer Reaktionen zu unterstützen, die Reaktionsausbeute zu optimieren und Verunreinigungen durch Nebenprodukte zu minimieren. In der chemischen und pharmazeutischen Produktion fungiert die FTIR-Spektroskopie als prozessanalytische Technologie (PAT) und stellt sicher, das die Prozesse stabil und kontrolliert ablaufen und die Spezifikationen des Endprodukts erreicht werden.

 

Das Verstehen komplexer chemischer Reaktionen ist eine grosse Herausforderung und Chance für Chemiker und Ingenieure. Bessere grundlegende Erkenntnisse über die Funktionsweise chemischer Reaktionen und die idealen Bedingungen für die Entwicklung, das Scale-up und den Betrieb von Prozessen sind der Schlüssel zum Erreichen der Ziele für die Ausbeute des Endprodukts, dessen Reinheit und die Kosten. Die Fähigkeit der In-situ-FTIR, den Reaktionsfortschritt in Echtzeit zu verfolgen und zu überwachen, ist ideal für die Entwicklung von Erkenntnissen über die Funktionsweise von Reaktionen und die Mittel zur Optimierung. Der Einblick in die Reaktion ergibt sich aus der Identifizierung und Profilierung der Variationen der wichtigsten Reaktionsspezies, einschliesslich Reagenzien, Zwischenprodukten, Produkten und Nebenprodukten, während die Reaktion abläuft. Wichtige Reaktionsereignisse werden aufgezeigt, einschliesslich Initiierung, stationärer Zustand und Endpunkt. Mithilfe dieser Echtzeit-Profiling-Informationen werden Reaktionsgeschwindigkeiten und andere wichtige kinetische Parameter bestimmt sowie die vorgeschlagenen Mechanismen unterstützt. Mit der erheblichen Menge an gesammelten Datenpunkten ist die In-situ-FTIR sehr nützlich bei datenreichen Experimenten, wie z. B. der Reaktionsprofil-Kinetik-Analyse (RPKA). Zusammenfassend lässt sich sagen, dass alle oben genannten Punkte mit In-situ-FTIR leicht erreicht werden können, während herkömmliche Offline-Analysen oft unmöglich durchzuführen sind (unter Druck, stark ätzend, luft- und feuchtigkeitsempfindlich, giftig usw.). Zudem können Offline-Analysen mehrere Minuten bis Stunden für ein Ergebnis benötigen und/oder sind anfällig für Nicht-Reproduzierbarkeit.

Zur Messung von Chemie in Echtzeit muss modulierte Infrarotstrahlung in ein Reaktionsgefäss oder eine Durchflussapparatur geleitet und die nicht absorbierte Energie zum Spektrometer zurückgeführt werden. Um dies zu erreichen, verwendet die ReactIR-Technologie einen Sensor mit interner Reflexion (Attenuated Total Reflectance/ATR), der am Ende einer röhrenförmigen optischen Sonde montiert ist, die in eine chemische Reaktion eingeführt werden kann, oder einen ATR-Sensor, der integraler Bestandteil einer Zelle ist, die Reaktionen mit kontinuierlichem Fluss überwacht.

Die ATR-Methode ist eine ideale Ergänzung zu FTIR-Geräten für die Analyse und Überwachung chemischer Reaktionen. Die begrenzte Eindringtiefe der Infrarotenergie in die Probe ermöglicht hochwertige FTIR-Spektren von optisch dichten Reaktionsgemischen. Die reine Lösungsphase einer chemischen Reaktion wird gemessen und Blasen, Partikel, Katalysatoren, biologische Feststoffe, Wasser usw. stören die Messung nicht.

Zur Analyse chemischer Reaktionen geeignete ATR-Sensoren müssen den erforderlichen Brechungsindex für die interne Reflexion aufweisen und auch in rauen chemischen Umgebungen ohne Leistungsverlust funktionieren. Diamant und Silizium sind hervorragende Materialien für die FTIR-ATR-Analyse. Die Auswahl des Materials ist abhängig von der Art der Reaktion sowie von den Positionen der zu erfassenden Infrarot-Peaks. 

Die In-situ-FTIR-Spektroskopie findet breite Anwendung in der Forschung, der frühen und späten Entwicklung, dem Scale-up und der Reaktionsoptimierung. Diese Technologie analysiert Chargen- und Durchflussreaktionen, Reaktionen in polaren und unpolaren Lösungsmitteln sowie Reaktionen über weite pH-, Temperatur- und Druckbereiche. Die Datenerfassung ist automatisiert, wobei qualitative oder quantitative Informationen typischerweise im Minutentakt generiert werden. Die In-situ-FTIR-Spektroskopie liefert die Daten zur Unterstützung von Design of Experiment (DoE)-Studien und anderen statistischen Analysemethoden, ohne die Wartezeit und gelegentliche komplexe Probennahme/Vorbereitung für die Offline-Analyse. Das bedeutet, dass, anstatt eine grosse Anzahl von Reaktionen durchzuführen, um Geschwindigkeitsabhängigkeiten zu verstehen, nur einige wenige Experimente die notwendigen Informationen liefern können, um die treibenden Kräfte einer Reaktion zu bestimmen. In-situ-FTIR liefert Parameter zur Reaktionskinetik und definiert kritische Kontrollparameter (CPP), die nahtlos auf die Produktion übertragen werden können. Mit ihrer Fähigkeit, Reaktionszwischenprodukte zu erfassen und zu identifizieren sowie kinetische Parameter zu messen, wird die In-situ-FTIR weithin eingesetzt, um vorgeschlagene Reaktionsmechanismen zu unterstützen. 

Häufige Anwendungsbereiche der FTIR-Spektroskopie umfassen:

• Epoxide
• Alkylierungsreaktionen und Friedel-Crafts-Alkylierungsreaktionen
• Polymerisationsreaktionen
• Hochdruckreaktionen
• Hydrierungsreaktionen
• Hydroformylierung oder Oxosynthese/-prozess
• Grignard-Reaktionsmechanismen
• Halogenierungen
• Lithiierungen
• Biokatalyse | Enzymatische Katalyse
• Strömungschemie
• Metall- und nicht-metallkatalysierte Reaktionen
• Suzuki und verwandte Kreuzkupplungsreaktionen
• C-H-Aktivierungsreaktionen

In-situ-FTIR-ATR bietet gegenüber alternativen Analysemethoden (einschliesslich anderer Molekülspektroskopietechniken) zahlreiche Vorteile. Forscher und Wissenschaftler verbessern die chemische Entwicklung durch die Nutzung dieser Vorteile, darunter:

• Der mittlere IR-Energiebereich liefert detaillierte „Fingerabdruck“-Spektren von Ausgangsmaterialien, Zwischenprodukten, Produkten und Nebenprodukten, die eine kontinuierliche Verfolgung dieser Schlüsselspezies in Abhängigkeit von der Zeit ermöglichen
• Echtzeitmessung, durchgeführt jede Minute oder weniger
• In-situ, keine extraktive Probennahme erforderlich; Messung der Chemie ohne Störung der Reaktion
• Zerstörungsfrei; Bewahrung der Integrität der chemischen Reaktion
• Misst Reaktionen im Chargen-, Halbchargen- oder kontinuierlichen Durchflussbetrieb
• Misst Reaktionen, die unter Druck oder bei erhöhter oder niedriger Temperatur ablaufen
• Misst Reaktionen in wässrigen oder nicht-wässrigen Medien und über einen breiten pH-Bereich
• Der eingetauchte ATR-Sensor wird in der Regel nicht durch korrosive Reagenzien beeinträchtigt
• Reaktionen mit korrosiven, toxischen oder gefährlichen Bedingungen können ohne Probennahme überwacht werden
• Misst die Lösungsphase; Blasen oder feste Partikel stören nicht
• Spektraldaten können in Echtzeit-Konzentrationsdaten umgewandelt werden, was die Entwicklung wichtiger kinetischer Parameter und eine präzise Endpunktbestimmung ermöglicht
• Als bewährte PAT-Methode unterstützt die In-situ-FTIR die Bemühungen um Quality by Design (QbD) und stellt sicher, dass CPPs definiert und überwacht werden
• Bietet ein primäres Mittel zur Erlangung wichtiger kinetischer Daten und faktischer Beweise zur Unterstützung vorgeschlagener Mechanismen
• Die In-situ-FTIR hilft bei der Identifizierung und Verfolgung von flüchtigen Zwischenprodukten, die die Produktausbeute und -qualität beeinträchtigen können, und ist der Schlüssel zum mechanistischen Verständnis
• Reaktionstrends werden in Echtzeit verfolgt, was die Überwachung wichtiger Reaktionsereignisse wie Initiierung, Steady-State, Endpunkt und Zersetzung ermöglicht

• Organokatalyse
• Chemie unter Beteiligung von Metallen
• Chemo- und Biokatalyse
• C-H-Aktivierung
• Mechanistische Studien
• Reaktionskinetik/Reaktionsverlaufskinetik-Analyse
• Katalysatorzyklen
• Polymerisationskinetik

• Chemische Synthese
• Hydrierungsreaktionen
• Metallkatalysierte Reaktionen 
• Biokatalyse/Enzymatische Katalyse
• Kristallisation und Rekristallisation (Übersättigung)
• Halogenierungen/Lithierungen/Fluor- und Fluorierungschemie
• Suzuki und andere Kreuzkupplungsreaktionen
• Metallorganische Chemie
• Niedertemperaturchemie
• Quality by Design und Process Analytical Technology

• Zwischenprodukte
• Tenside
• Aromen und Duftstoffe
• Beschichtungen/Pigmente
• Agrochemikalien
• Initiatoren
• Massenchemikalien
• Isocyanat-Reaktionen
• Ethylenoxid und Propylenoxid (EO/PO)
• Stark oxidierende Reaktionen
• Hydroformylierung
• Katalytische Reaktionen
• Phosgenierungen
• Veresterungen
• Halogenierungen

Das ReactIR 702L ist das erste System, das die Leistung der Echtzeit-In-situ-FTIR-Spektroskopie mit dem entsprechenden Bedienkomfort vereint. ReactIR eignet sich für jeden Chemiker und jeden Versuch.

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Kontinuierliche Messungen aus der Infrarotspektroskopie werden für die Erstellung von Reaktionsprofilen zur Berechnung von Reaktionsgeschwindigkeiten verwendet. Eine Liste von in Fachzeitschriften veröffentlichten Beiträgen zu neuartigen und aussichtsreichen Anwendungen der In-Situ-FTIR-Spektroskopie. Sowohl in der akademischen als auch in der industriellen Forschung wird die In-situ-FTIR-Spektroskopie zur Gewinnung umfangreicher und aussagekräftiger experimenteller Informationen genutzt, die die Forschung vorantreiben.

Alkylierungen

• 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 Kinetik

• 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

Epoxide

• 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

Fluorination

• 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

Halogenierung

• 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

Hydroformylierung

• 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

Kinetik

• 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

Lithiierung

• 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

Polymerisation

• 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 and Related Cross Coupling Reactions

• 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