Spettroscopia FTIR

La spettroscopia ad infrarossi a trasformata di Fourier (FTIR) è un metodo di analisi usato in ambito industriale e nei laboratori accademici per comprendere la struttura delle singole molecole e la composizione delle miscele molecolari. La spettroscopia FTIR utilizza energia modulata nella banda dell'infrarosso per studiare un campione. La luce infrarossa viene assorbita a frequenze specifiche che corrispondono direttamente ai livelli energetici vibrazionali dei legami tra atomi presenti nella molecola. Quando l'energia di legame della vibrazione e l'energia dell'infrarosso sono equivalenti, il legame può assorbire tale energia. I diversi legami in una molecola vibrano a diversi livelli energetici e quindi assorbono lunghezze d'onda diverse delle radiazioni infrarosse. La posizione (frequenza) e l'intensità delle singole bande di assorbimento contribuiscono allo spettro complessivo, creando l'impronta digitale caratteristica della molecola.

La spettroscopia FTIR è molto utilizzata nell'ambito dell'analisi delle molecole, fondamentale nei settori chimico, farmaceutico e dei polimeri. La spettroscopia FTIR è utilizzata sia in ambito industriale sia nei laboratori accademici per comprendere meglio la struttura molecolare dei materiali, nonché cinetica, meccanismo e cammini nelle reazioni chimiche e nei cicli catalitici. La spettroscopia FTIR viene utilizzata per garantire che le materie prime, i composti intermedi e i prodotti finali soddisfino le specifiche previste. Nelle attività di ricerca e sviluppo dei prodotti chimici e farmaceutici, la spettroscopia FTIR in situ è usata per facilitare lo scale-up delle reazioni chimiche, ottimizzare il rendimento delle reazioni e ridurre al minimo le impurezze. Nella produzione chimica e farmaceutica, la spettroscopia FTIR serve da tecnologia analitica di processo (PAT), assicurando che i processi siano stabili e sotto controllo e per ottenere le specifiche del prodotto finale previste.

 

Per i chimici e i tecnici la comprensione delle reazioni chimiche complesse è al contempo una notevole sfida e una grande opportunità. Per raggiungere gli obiettivi di rendimento, purezza e costo del prodotto finale è fondamentale acquisire informazioni migliori sul funzionamento delle reazioni chimiche e sulle condizioni ideali per sviluppare i processi, effettuarne lo scale-up e gestirne le operazioni. Consentendo di monitorare in tempo reale l'avanzamento delle reazioni, la spettroscopia FTIR in situ è l'ideale per sviluppare una profonda comprensione del funzionamento delle reazioni e dei mezzi per ottimizzarle. La comprensione approfondita delle reazioni deriva dalla possibilità di identificare e profilare, all'avanzamento della reazione, le variazioni delle specie reattive principali, come reagenti, intermedi, prodotti e sottoprodotti. Vengono rivelati gli eventi importanti, tra cui l'inizio, la condizione di stato stazionario e il punto finale. Queste informazioni di profilazione in tempo reale consentono di determinare velocità di reazione e altri parametri cinetici fondamentali, oltre a supportare i meccanismi proposti. Grazie alla notevole quantità di punti dati raccolti, la spettroscopia FTIR in situ è estremamente utile nelle sperimentazioni caratterizzate dalla raccolta di grandi quantità di dati, come l'analisi cinetica del profilo delle reazioni (RPKA). In breve, la spettroscopia FTIR in situ consente di ottenere tutto questo in modo rapido ed efficace, laddove le analisi offline tradizionali sono spesso impossibili da eseguire (ad esempio in condizioni di pressione, sostanze altamente caustiche, sensibilità all'aria/umidità, tossicità e così via). In più, i risultati delle analisi offline spesso richiedono da diversi minuti a diverse ore e/o non sono ripetibili.

La determinazione delle reazioni chimiche in tempo reale richiede la trasmissione di raggi infrarossi modulati in un reattore o in un apparato per la chimica a flusso continuo e, quindi, il ritorno dell'energia non assorbita allo spettrofotometro. A tal fine, la tecnologia ReactIR impiega un sensore a riflessione interna (riflettanza totale attenuata/ATR) montato all'estremità di una sonda ottica tubolare che può essere inserita nella reazione chimica, oppure un sensore ATR integrato in una cella che monitora le reazioni in continuo.

Il metodo ATR è il complemento ideale degli strumenti FTIR per l'analisi e il monitoraggio delle reazioni chimiche. La ridotta profondità di penetrazione dell'energia infrarossa all'interno del campione consente di ottenere spettri FTIR di alta qualità in miscele di reazione a elevata assorbanza. Viene determinata chiaramente la fase della soluzione delle reazioni chimiche senza che l'eventuale presenza di bolle, particelle, catalizzatori, solidi biologici o acqua interferisca con la misurazione.

I sensori ATR adatti all'analisi delle reazioni chimiche devono avere un indice di rifrazione adeguato a consentire la riflessione interna; in più, devono essere in grado di funzionare in ambienti chimici difficili senza deteriorarsi. Sia il diamante sia il silicio sono materiali eccellenti per le analisi ATR-FTIR e, nello scegliere quale utilizzare, occorre tenere conto del tipo di chimica e delle posizioni dei picchi infrarossi che si desidera monitorare. 

La spettroscopia FTIR in situ è ampiamente utilizzata nelle attività di ricerca, sviluppo iniziale e finale, scale-up e ottimizzazione delle reazioni. Questa tecnologia consente l'analisi di reazioni in continuo e discontinue, reazioni in solventi polari e non polari e reazioni in intervalli molto ampi di pH, temperature e pressioni. La raccolta dei dati è automatica, con informazioni qualitative e quantitative generate tipicamente una volta al minuto. La spettroscopia FTIR in situ fornisce i dati a supporto degli studi di progettazione degli esperimenti (DoE) e altri metodi di analisi statistica, senza le attese e le possibili complicazioni legate alla preparazione dei campioni delle analisi offline. Ciò significa che non è necessario eseguire un numero elevato di reazioni per comprenderne le dipendenze dalle velocità; invece, sono sufficienti pochi esperimenti per ottenere tutte le informazioni utili a determinare le forze motrici della reazione. La spettroscopia FTIR in situ fornisce i parametri cinetici della reazione e definisce i parametri critici di controllo (CPP), che poi possono essere trasferiti senza difficoltà alla produzione. Grazie alla capacità di individuare e identificare gli intermedi e misurare i parametri cinetici, la spettroscopia FTIR in situ è ampiamente usata per fornire supporto ai meccanismi di reazione proposti. 

Le più comuni applicazioni della spettroscopia FTIR in situ comprendono:

• Epossidi
• Reazioni di alchilazione
• Reazioni di polimerizzazione
• Reazioni in alta pressione
• Reazioni di idrogenazione
• Idroformilazione o oxosintesi/processo oxo
• Meccanismi delle reazioni di Grignard
• Alogenazioni
• Litiazioni
• Biocatalisi | Catalisi enzimatica
• Chimica a flusso continuo
• Reazioni catalizzate da metalli e non metalli
• Reazioni di Suzuki e relative reazioni di accoppiamento incrociato
• Reazioni di attivazione C-H

La tecnologia FTIR-ATR in situ offre numerosi vantaggi rispetto ai metodi di analisi alternativi, incluse le altre tecniche di spettroscopia molecolare. I ricercatori e gli scienziati possono compiere passi avanti nello sviluppo di prodotti chimici approfittando di questi vantaggi, tra i quali:

• La regione dell'infrarosso fornisce spettri dettagliati caratteristici dei materiali di partenza, degli intermedi, dei prodotti e dei sottoprodotti, consentendo il costante monitoraggio delle specie reattive principali in funzione del tempo
• Determinazioni in tempo reale, eseguite almeno una volta al minuto
• Esecuzione in situ, senza necessità di prelievo dei campioni; determinazioni delle reazioni chimiche senza interferire con le stesse
• Nessun aspetto distruttivo; conservazione dell'integrità della reazione chimica
• Determinazioni di reazioni in attività discontinue, semidiscontinue e in continuo
• Determinazioni di reazioni in condizioni di pressione elevata e temperature molto alte o molto basse
• Determinazioni di reazioni in mezzi acquosi o non acquosi in un ampio intervallo di pH
• Tipicamente, il sensore ATR immerso non è influenzato o danneggiato dai reagenti corrosivi
• È possibile monitorare le reazioni con sostanze corrosive e tossiche o pericolose senza necessità di campionamento
• Determinazione della fase della soluzione; nessuna interferenza dovuta a eventuali bolle e particelle solide
• I dati spettrali possono essere convertiti in dati di concentrazione in tempo reale, consentendo lo sviluppo di parametri cinetici chiave e l'accurata determinazione dei punti finali
• La spettroscopia FTIR in situ è un metodo PAT di efficacia comprovata, che contribuisce a supportare l'approccio Quality by Design (QbD) e ad assicurare la definizione e il monitoraggio dei CPP.
• Costituisce un mezzo primario per acquisire importanti dati cinetici e validi elementi di prova a supporto dei meccanismi proposti
• La spettroscopia FTIR in situ contribuisce a identificare e monitorare gli intermedi transienti che possono influenzare il rendimento e la qualità del prodotto, ed è fondamentale per la comprensione meccanica
• I trend della reazione sono seguiti in tempo reale, consentendo il monitoraggio degli eventi principali della reazione, quali l'inizio, lo stato stazionario, il punto finale e la decomposizione

• Chimica mediata da metalli
• Catalisi chimica e biocatalisi
• Attivazione C-H
• Studi meccanicistici
• Cinetica della reazione/Analisi della cinetica dello sviluppo della reazione (RPKA)
• Cicli dei catalizzatori
• Cinetica della polimerizzazione

• Sintesi chimica
• Reazioni di idrogenazione
• Reazioni catalizzate da metalli 
• Biocatalisi e catalisi enzimatica
• Cristallizzazione e ricristallizzazione (Supersaturazione)
• Alogenazioni/Litiazioni/Chimica del fluoruro e della fluorurazione
• Reazioni di Suzuki e altre reazioni di accoppiamento incrociato
• Chimica metallorganica
• Reazioni chimiche a bassa temperatura
• Approccio Quality by Design e tecnologie analitiche di processo

• Intermedi
• Tensioattivi
• Aromi e fragranze
• Rivestimenti/pigmenti
• Prodotti chimici per l'agricoltura
• Iniziatori
• Prodotti chimici fabbricati su larga scala
• Reazioni degli isocianati
• Ossido di etilene e ossido di propilene (EO/PO)
• Reazioni altamente ossidanti
• Idroformilazione
• Reazioni catalitiche
• Fosgenazioni
• Esterificazioni
• Alogenazioni

ReactIR 702L è il primo sistema che riesce davvero a combinare la potenza della spettroscopia FTIR in situ in tempo reale con un'equivalente praticità operativa. ReactIR è pronto per aiutare ogni chimico e semplificare ogni esperimento.

ReactIR può rimanere in funzione nelle ore notturne
ReactIR 702L utilizza una tecnologia di raffreddamento a stato solido per garantire le migliori prestazioni della categoria, senza l'utilizzo di azoto liquido. Eliminando le pericolose operazioni necessarie per la preparazione e i molteplici riempimenti dei dewar, consente agli scienziati di monitorare facilmente i processi chimici per periodi di tempo prolungati.

ReactIR è sempre pronto per il trasporto
Le unità di dimensioni ridotte e impilabili consentono di risparmiare spazio prezioso all'interno della cappa aspirante e garantiscono la flessibilità necessaria per utilizzare ReactIR in diversi punti del laboratorio. Un rilevatore "sempre acceso" riduce i tempi di configurazione e consente agli scienziati di iniziare a raccogliere dati con un preavviso minimo.

ReactIR è pronto per qualunque reazione
Le tecnologie di campionamento basate su flussi e sonde permettono agli scienziati di studiare la chimica in fase liquida e gassosa in lotti o in configurazioni continue. I materiali di costruzione idonei allo scopo semplificano la raccolta dati in ambienti acidi e corrosivi in un ampio intervallo di temperature e pressioni.

Le misure continue provenienti dalla spettroscopia a infrarossi vengono utilizzate per ottenere i profili delle reazioni per il calcolo delle relative velocità. Una serie di pubblicazioni tratte da riviste specialistiche si concentra sulle nuove ed entusiasmanti applicazioni della spettroscopia FTIR in situ. Tanto in ambito accademico quanto nell'industria, i ricercatori impiegano regolarmente la spettroscopia FTIR in situ per ottenere informazioni complete e dati sperimentali approfonditi che fanno progredire le loro ricerche.

Alchilazioni

• 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

Biocatalisi

• 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

Catalisi chimica

• 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

Cinetica chimica

• 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

Epossidi

• 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

Fluorurazione

• 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

Alogenazione

• 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

Idroformilazione

• 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

Cinetica

• 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

Litiazione

• 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

Polimerizzazione

• 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

Reazioni di Suzuki e relative reazioni di accoppiamento incrociato

• 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

Sintesi

• 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