شكرًا لزيارتكم موقع Nature.com. إصدار المتصفح الذي تستخدمونه يدعم CSS بشكل محدود. للحصول على أفضل تجربة، نوصي باستخدام متصفح مُحدّث (أو تعطيل وضع التوافق في Internet Explorer). في هذه الأثناء، ولضمان استمرار الدعم، سنُقدّم الموقع بدون أنماط أو JavaScript.
عرض دائري يعرض ثلاث شرائح في آنٍ واحد. استخدم زري "السابق" و"التالي" للتنقل بين ثلاث شرائح في آنٍ واحد، أو استخدم أزرار التمرير في النهاية للتنقل بين ثلاث شرائح في آنٍ واحد.
يُغيّر التصنيع الإضافي طريقة تصميم وتصنيع الباحثين والصناعيين للأجهزة الكيميائية لتلبية احتياجاتهم الخاصة. في هذه الورقة البحثية، نُقدّم أول مثال لمفاعل تدفق مُكوّن من تصفيح التصنيع الإضافي بالموجات فوق الصوتية (UAM) لصفائح معدنية صلبة مع أجزاء حفزية وعناصر استشعار مدمجة مباشرةً. لا تتغلب تقنية UAM على العديد من القيود المرتبطة حاليًا بالتصنيع الإضافي للمفاعلات الكيميائية فحسب، بل تُوسّع أيضًا بشكل كبير من قدرات هذه الأجهزة. تم بنجاح تصنيع وتحسين عدد من مركبات 1,4-ثنائية الاستبدال و1,2,3-ترايازول ذات الأهمية البيولوجية من خلال تفاعل إضافة حلقية هويسجين 1,3-ثنائي القطب بوساطة النحاس، وذلك باستخدام منشأة UAM الكيميائية. بفضل الخصائص الفريدة لـ UAM ومعالجة التدفق المستمر، يُمكن للجهاز تحفيز التفاعلات الجارية، بالإضافة إلى توفير تغذية راجعة آنية لرصد التفاعلات وتحسينها.
بفضل مزاياها الكبيرة مقارنةً بنظيرتها السائبة، تُعد كيمياء التدفق مجالًا هامًا ومتناميًا في الأوساط الأكاديمية والصناعية نظرًا لقدرتها على زيادة انتقائية وكفاءة التركيب الكيميائي. ويمتد هذا من تكوين جزيئات عضوية بسيطة1 إلى المركبات الصيدلانية2،3 والمنتجات الطبيعية4،5،6. ويمكن لأكثر من 50% من التفاعلات في الصناعات الكيميائية والصيدلانية الدقيقة الاستفادة من التدفق المستمر7.
في السنوات الأخيرة، كان هناك اتجاه متزايد للمجموعات التي تسعى إلى استبدال الأدوات الزجاجية التقليدية أو معدات الكيمياء التدفقية بـ "مفاعلات" كيميائية قابلة للتكيف8. يُعد التصميم التكراري والتصنيع السريع وقدرات الأبعاد الثلاثية (3D) لهذه الطرق مفيدة لأولئك الذين يرغبون في تخصيص أجهزتهم لمجموعة معينة من التفاعلات أو الأجهزة أو الظروف. حتى الآن، ركز هذا العمل بشكل حصري تقريبًا على استخدام تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد القائمة على البوليمر مثل الطباعة المجسمة (SL)9،10،11، ونمذجة الترسيب المندمج (FDM)8،12،13،14، والطباعة النافثة للحبر7،15. 16. يُعد نقص موثوقية هذه الأجهزة وقدرتها على إجراء مجموعة واسعة من التفاعلات/التحليلات الكيميائية17،18،19،20 عاملاً مقيدًا رئيسيًا لتطبيق الطباعة المضافة على نطاق أوسع في هذا المجال17،18،19،20.
نظراً للاستخدام المتزايد لكيمياء التدفق والخصائص الإيجابية المرتبطة بالتصنيع الإضافي، يلزم استكشاف تقنيات أفضل تُمكّن المستخدمين من تصنيع أوعية تفاعل تدفقي ذات قدرات كيميائية وتحليلية مُحسّنة. ينبغي أن تُمكّن هذه الطرق المستخدمين من الاختيار من بين مجموعة واسعة من المواد عالية القوة أو الوظيفية القادرة على العمل في ظل ظروف تفاعل متنوعة، بالإضافة إلى تسهيل الحصول على نتائج تحليلية متنوعة من الجهاز لتمكين مراقبة التفاعل والتحكم فيه.
إحدى عمليات التصنيع الإضافي التي يمكن استخدامها لتطوير مفاعلات كيميائية مخصصة هي التصنيع الإضافي بالموجات فوق الصوتية (UAM). تعتمد هذه الطريقة في تصفيح الصفائح في الحالة الصلبة على اهتزازات فوق صوتية على رقائق معدنية رقيقة لربطها طبقة تلو الأخرى مع أدنى حد من التسخين الحجمي ودرجة عالية من التدفق البلاستيكي 21، 22، 23. وخلافًا لمعظم تقنيات التصنيع الإضافي الأخرى، يمكن دمج UAM مباشرةً مع الإنتاج الطرحي، المعروف باسم عملية التصنيع الهجينة، حيث يُحدد الطحن الدوري في الموقع بالتحكم الرقمي (CNC) أو المعالجة بالليزر الشكل النهائي لطبقة المادة الملتصقة 24، 25. هذا يعني أن المستخدم لا يقتصر على المشاكل المرتبطة بإزالة مواد البناء الأصلية المتبقية من قنوات السوائل الصغيرة، وهو ما يحدث غالبًا في أنظمة المساحيق والسوائل AM26، 27، 28. تمتد حرية التصميم هذه أيضًا إلى اختيار المواد المتاحة - حيث يمكن لـ UAM ربط توليفات من المواد المتشابهة وغير المتشابهة حراريًا في خطوة عملية واحدة. إن اختيار تركيبات المواد بعد عملية الصهر يُمكّن من تلبية المتطلبات الميكانيكية والكيميائية لتطبيقات محددة بشكل أفضل. بالإضافة إلى الترابط الصلب، هناك ظاهرة أخرى تحدث مع الترابط بالموجات فوق الصوتية، وهي السيولة العالية للمواد البلاستيكية عند درجات حرارة منخفضة نسبيًا29،30،31،32،33. تتيح هذه الميزة الفريدة لـ UAM وضع العناصر الميكانيكية/الحرارية بين طبقات المعدن دون أي ضرر. كما تُسهّل مستشعرات UAM المُدمجة توصيل المعلومات في الوقت الفعلي من الجهاز إلى المستخدم من خلال تحليلات مُتكاملة.
أظهرت أعمال سابقة للمؤلفين32 قدرة عملية UAM على إنشاء هياكل ميكروفلويدية معدنية ثلاثية الأبعاد مزودة بقدرات استشعار مدمجة. هذا الجهاز مخصص لأغراض المراقبة فقط. تقدم هذه المقالة أول مثال لمفاعل كيميائي ميكروفلويدي من إنتاج UAM، وهو جهاز فعال لا يتحكم فحسب، بل يحفز أيضًا التخليق الكيميائي باستخدام مواد حفزية متكاملة هيكليًا. يجمع الجهاز بين العديد من المزايا المرتبطة بتقنية UAM في تصنيع الأجهزة الكيميائية ثلاثية الأبعاد، مثل: القدرة على تحويل تصميم ثلاثي الأبعاد كامل مباشرةً من نموذج تصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) إلى منتج؛ تصنيع متعدد المواد لمزيج من الموصلية الحرارية العالية والمواد الحفزية، بالإضافة إلى أجهزة استشعار حرارية مدمجة مباشرةً بين تيارات المواد المتفاعلة للتحكم الدقيق في درجة حرارة التفاعل وإدارتها. ولإثبات وظائف المفاعل، تم تصنيع مجموعة من مركبات 1,2,3-ترايازول ثنائية الاستبدال ذات الأهمية الصيدلانية، وذلك عن طريق إضافة هويسجن الحلقية ثنائية القطب 1,3 المحفزة بالنحاس. يسلط هذا العمل الضوء على كيفية استخدام علم المواد والتصميم بمساعدة الكمبيوتر لفتح إمكانيات وفرص جديدة للكيمياء من خلال البحث متعدد التخصصات.
تم شراء جميع المذيبات والكواشف من سيجما-ألدريتش، ألفا إيسار، تي سي آي، أو فيشر ساينتيفيك، واستُخدمت دون تنقية مسبقة. تم الحصول على أطياف الرنين المغناطيسي النووي للهيدروجين 1H والكربون 13C، المسجلة عند تردد 400 و100 ميجاهرتز، على التوالي، باستخدام مطياف JEOL ECS-400 بتردد 400 ميجاهرتز أو مطياف Bruker Avance II بتردد 400 ميجاهرتز، باستخدام CDCl3 أو (CD3)2SO4 كمذيب. أُجريت جميع التفاعلات باستخدام منصة كيمياء التدفق Uniqsis FlowSyn.
استُخدمت تقنية UAM لتصنيع جميع الأجهزة في هذه الدراسة. ابتُكرت هذه التقنية عام ١٩٩٩، ويمكن دراسة تفاصيلها التقنية ومعايير تشغيلها وتطوراتها منذ اختراعها باستخدام المواد المنشورة التالية ٣٤، ٣٥، ٣٦، ٣٧. نُفذ الجهاز (الشكل ١) باستخدام نظام SonicLayer 4000® UAM عالي التحمل بقدرة ٩ كيلوواط (فابريسونيك، أوهايو، الولايات المتحدة الأمريكية). المواد المختارة لجهاز التدفق هي Cu-110 وAl-6061. يتميز Cu-110 بمحتوى عالٍ من النحاس (99.9% نحاس كحد أدنى)، مما يجعله مرشحًا جيدًا للتفاعلات المحفزة بالنحاس، ولذلك يُستخدم كطبقة نشطة داخل المفاعل الدقيق. يُستخدم Al-6061O كمادة "سائبة". بالإضافة إلى طبقة التداخل المستخدمة للتحليل؛ تداخل مكونات السبائك المساعدة والحالة الملدنة مع طبقة Cu-110. وقد وُجد أنه مستقر كيميائيًا مع الكواشف المستخدمة في هذا العمل. كما يُعتبر Al-6061O مع Cu-110 مزيجًا متوافقًا مع UAM، وبالتالي فهو مادة مناسبة لهذه الدراسة38،42. هذه الأجهزة مُدرجة في الجدول 1 أدناه.
خطوات تصنيع المفاعل (1) ركيزة من سبيكة الألومنيوم 6061 (2) تصنيع القناة السفلية من رقائق النحاس (3) إدخال ترموكبلات بين الطبقات (4) القناة العلوية (5) المدخل والمخرج (6) مفاعل متجانس.
تتمثل فلسفة تصميم قناة السوائل في استخدام مسار متعرج لزيادة المسافة التي يقطعها السائل داخل الشريحة مع الحفاظ على حجم شريحة مناسب. تُعدّ هذه الزيادة في المسافة مرغوبة لزيادة زمن تلامس المحفز مع المتفاعل، وتوفير إنتاجية ممتازة للمنتج. تستخدم الشرائح انحناءات بزاوية 90 درجة في نهايات مسار مستقيم لتحفيز اختلاط مضطرب داخل الجهاز44، وزيادة زمن تلامس السائل مع السطح (المحفز). ولتعزيز عملية الخلط بشكل أكبر، يتضمن تصميم المفاعل مدخلين للمتفاعل متصلين في وصلة على شكل حرف Y قبل دخول قسم ملف الخلط. أما المدخل الثالث، الذي يعبر التدفق في منتصف فترة بقائه، فهو مُدرج في خطة تفاعلات التخليق متعددة المراحل المستقبلية.
جميع القنوات لها شكل مربع (بدون زوايا مدببة)، وهو نتيجة لعملية الطحن الدورية باستخدام الحاسب الآلي لإنشاء هندسة القناة. تم اختيار أبعاد القناة لتوفير إنتاج حجمي مرتفع (للمفاعل الدقيق)، ولكنه صغير بما يكفي لتسهيل التفاعل مع السطح (المحفزات) لمعظم السوائل التي يحتويها. يعتمد الحجم المناسب على خبرة المؤلفين السابقة في أجهزة تفاعل المعدن والسائل. كانت الأبعاد الداخلية للقناة النهائية 750 ميكرومتر × 750 ميكرومتر وكان الحجم الإجمالي للمفاعل 1 مل. تم تضمين موصل مدمج (1/4″-28 UNF) في التصميم للسماح بسهولة ربط الجهاز بمعدات الكيمياء التدفقية التجارية. يقتصر حجم القناة على سمك مادة الرقاقة وخصائصها الميكانيكية ومعايير الترابط المستخدمة في الموجات فوق الصوتية. عند عرض معين لمادة معينة، سوف "تترهل" المادة في القناة التي تم إنشاؤها. لا يوجد حاليًا نموذج محدد لهذا الحساب، لذا يتم تحديد أقصى عرض للقناة لمادة وتصميم معينين تجريبيًا، وفي هذه الحالة لن يتسبب عرض 750 ميكرومتر في حدوث ترهل.
يُحدَّد شكل القناة (المربع) باستخدام قاطع مربع. يمكن تغيير شكل وحجم القنوات على ماكينات CNC باستخدام أدوات قطع مختلفة للحصول على معدلات تدفق وخصائص مختلفة. يُمكِن الاطلاع على مثال لإنشاء قناة منحنية باستخدام أداة 125 ميكرومتر في Monaghan45. عند وضع طبقة الرقاقة المعدنية بشكل مسطح، سيكون سطحها على القنوات (المربع) مسطحًا. في هذا العمل، استُخدِم محيط مربع للحفاظ على تناسق القناة.
أثناء توقف الإنتاج المُبرمج، تُدمج مُستشعرات الحرارة الحرارية (النوع K) مباشرةً في الجهاز بين مجموعتي القنوات العلوية والسفلية (الشكل 1 - المرحلة 3). يُمكن لهذه المُستشعرات الحرارية التحكم في تغيرات درجات الحرارة من -200 إلى 1350 درجة مئوية.
تتم عملية ترسيب المعدن بواسطة قرن UAM باستخدام رقاقة معدنية بعرض 25.4 مم وسمك 150 ميكرون. ترتبط طبقات الرقاقة هذه في سلسلة من الشرائط المتجاورة لتغطية منطقة البناء بالكامل؛ يكون حجم المادة المترسبة أكبر من المنتج النهائي حيث تخلق عملية الطرح الشكل النهائي النظيف. تُستخدم الآلات ذات التحكم الرقمي (CNC) لتصنيع الخطوط الخارجية والداخلية للمعدات، مما ينتج عنه تشطيب سطحي للمعدات والقنوات يتوافق مع الأداة المحددة ومعلمات عملية CNC (في هذا المثال، حوالي 1.6 ميكرومتر Ra). تُستخدم دورات رش المواد بالموجات فوق الصوتية والتصنيع المستمرة طوال عملية تصنيع الجهاز لضمان الحفاظ على دقة الأبعاد وتلبية الجزء النهائي لمستويات دقة الطحن الدقيق CNC. عرض القناة المستخدمة لهذا الجهاز صغير بما يكفي لضمان عدم "ترهل" مادة الرقاقة في قناة السوائل، وبالتالي يكون للقناة مقطع عرضي مربع. تم تحديد الفجوات المحتملة في مادة الرقائق ومعلمات عملية UAM تجريبياً بواسطة شريك التصنيع (Fabrisonic LLC، الولايات المتحدة الأمريكية).
أظهرت الدراسات أنه عند الواجهة 46، 47 من مركب UAM يوجد انتشار ضئيل للعناصر بدون معالجة حرارية إضافية، لذلك بالنسبة للأجهزة في هذا العمل تظل طبقة Cu-110 مختلفة عن طبقة Al 6061 وتتغير بشكل كبير.
رُكّب مُنظّم ضغط خلفي مُعاير مُسبقًا (BPR) عند ضغط 250 رطل/بوصة مربعة (1724 كيلو باسكال) أسفل المفاعل، وضخّ الماء عبره بمعدل 0.1 إلى 1 مل/دقيقة. رُصد ضغط المفاعل باستخدام مُحوّل ضغط FlowSyn المُدمج في النظام لضمان قدرته على الحفاظ على ضغط ثابت. اختُبرت تدرجات الحرارة المُحتملة في مفاعل التدفق من خلال البحث عن أيّ اختلافات بين المُزدوجات الحرارية المُدمجة في المفاعل والمُزدوجات الحرارية المُدمجة في صفيحة التسخين لشريحة FlowSyn. يتحقق ذلك بتغيير درجة حرارة الصفيحة الساخنة المُبرمجة بين 100 و150 درجة مئوية بزيادات قدرها 25 درجة مئوية، ومراقبة أيّ اختلافات بين درجات الحرارة المُبرمجة والمُسجلة. تم تحقيق ذلك باستخدام مُسجّل البيانات tc-08 (PicoTech، كامبريدج، المملكة المتحدة) وبرنامج PicoLog المُصاحب.
تم تحسين ظروف تفاعل الإضافة الحلقية للفينيل أسيتيلين ويودو إيثان (الشكل 1- الإضافة الحلقية للفينيل أسيتيلين ويودو إيثان). أُجري هذا التحسين باستخدام أسلوب التصميم العاملي الكامل للتجارب (DOE)، باستخدام درجة الحرارة وزمن الإقامة كمتغيرات، مع تثبيت نسبة الألكاين إلى الأزيد عند 1:2.
تم تحضير محاليل منفصلة من أزيد الصوديوم (0.25 مولار، 4:1 DMF:H2O)، ويودو إيثان (0.25 مولار، DMF)، وفينيل أسيتيلين (0.125 مولار، DMF). خُلطت حصة 1.5 مل من كل محلول، ثم ضُخّت عبر المفاعل بمعدل التدفق ودرجة الحرارة المطلوبين. حُسبت استجابة النموذج كنسبة مساحة ذروة ناتج التريازول إلى المادة الأولية للفينيل أسيتيلين، وحُددت باستخدام كروماتوغرافيا السائل عالية الأداء (HPLC). لضمان اتساق التحليل، أُجريت جميع التفاعلات فور خروج خليط التفاعل من المفاعل. يوضح الجدول 2 نطاقات المعلمات المختارة للتحسين.
حُللت جميع العينات باستخدام نظام كروماستر HPLC (معهد فيرجينيا الغربية، بنسلفانيا، الولايات المتحدة الأمريكية)، والذي يتكون من مضخة رباعية، وفرن عمودي، وكاشف للأشعة فوق البنفسجية متغيرة الطول الموجي، وجهاز أخذ عينات تلقائي. كان العمود من نوع Equivalence 5 C18 (معهد فيرجينيا الغربية، بنسلفانيا، الولايات المتحدة الأمريكية)، بأبعاد 4.6 × 100 مم، وحجم جسيمات 5 ميكرومتر، وحافظ على درجة حرارة 40 درجة مئوية. كان المذيب ميثانول متساوي الكثافة: ماء بنسبة 50:50 بمعدل تدفق 1.5 مل/دقيقة. كان حجم الحقن 5 ميكرولتر، وطول موجة الكاشف 254 نانومتر. حُسبت نسبة مساحة الذروة لعينة DOE من مساحات ذروة نواتج الألكاين والتريازول المتبقية فقط. يُمكّن إدخال المادة الأولية من تحديد الذرات المقابلة.
أتاح دمج نتائج تحليل المفاعل مع برنامج MODDE DOE (Umetrics، مالمو، السويد) إجراء تحليل شامل لاتجاهات النتائج وتحديد ظروف التفاعل المثلى لهذه الإضافة الحلقية. يؤدي تشغيل المُحسِّن المدمج واختيار جميع شروط النموذج المهمة إلى إنشاء مجموعة من ظروف التفاعل المصممة لزيادة مساحة ذروة المنتج إلى أقصى حد مع تقليل مساحة ذروة مادة تغذية الأسيتيلين.
تم تحقيق أكسدة سطح النحاس في غرفة التفاعل الحفزي باستخدام محلول بيروكسيد الهيدروجين (36٪) المتدفق عبر غرفة التفاعل (معدل التدفق = 0.4 مل دقيقة -1، زمن الإقامة = 2.5 دقيقة) قبل تخليق كل مركب ثلاثي الأزول. المكتبة.
بمجرد تحديد مجموعة الظروف المثلى، تم تطبيقها على مجموعة من مشتقات الأسيتيلين والهالوألكان للسماح بتجميع مكتبة تركيب صغيرة، وبالتالي إرساء إمكانية تطبيق هذه الظروف على مجموعة أوسع من الكواشف المحتملة (الشكل 1). 2).
حضّر محاليل منفصلة من أزيد الصوديوم (0.25 مولار، 4:1 DMF:H2O)، وهالوألكانات (0.25 مولار، DMF)، وألكاينات (0.125 مولار، DMF). خُلطت أجزاء صغيرة (3 مل) من كل محلول، ورُشِّحت عبر المفاعل بمعدل 75 ميكرولتر/دقيقة ودرجة حرارة 150 درجة مئوية. جُمِع الحجم الكامل في قارورة وخُفِّف بـ 10 مل من أسيتات الإيثيل. غُسِل محلول العينة بثلاثة أضعاف حجم 10 مل من الماء. دُمِجت الطبقات المائية واستُخرِجت بـ 10 مل من أسيتات الإيثيل، ثم دُمِجت الطبقات العضوية، وغُسِلت بـ 3 أضعاف حجم 10 مل من محلول ملحي، وجُفِّفت فوق كبريتات المغنيسيوم (MgSO4)، ورُشِّحت، ثم أُزيل المذيب في تفريغ. تم تنقية العينات بواسطة كروماتوغرافيا عمود هلام السيليكا باستخدام أسيتات الإيثيل قبل التحليل بواسطة مزيج من HPLC و 1H NMR و 13C NMR ومطيافية الكتلة عالية الدقة (HR-MS).
تم الحصول على جميع الأطياف باستخدام مطياف الكتلة Thermofischer Precision Orbitrap، مع استخدام ESI كمصدر تأين. حُضِّرت جميع العينات باستخدام الأسيتونتريل كمذيب.
أُجري تحليل TLC على ألواح سيليكا مُغطاة بطبقة من الألومنيوم. وُضِعَت الألواح تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية (254 نانومتر) أو صبغة الفانيلين والتسخين.
تم تحليل جميع العينات باستخدام نظام VWR Chromaster (شركة VWR International المحدودة، لايتون بوزارد، المملكة المتحدة) المجهز بجهاز أخذ عينات تلقائي، ومضخة ثنائية مع فرن عمودي، وكاشف طول موجي واحد. واستُخدم عمود ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4.6 مم، شركة Advanced Chromatography Technologies المحدودة، أبردين، اسكتلندا).
تم حقن (٥ ميكرولتر) مباشرةً من خليط التفاعل الخام المخفف (تخفيف ١:١٠) وحُللت باستخدام الماء: الميثانول (٥٠:٥٠ أو ٧٠:٣٠)، باستثناء بعض العينات التي استخدمت نظام مذيب ٧٠:٣٠ (يُشار إليه برقم النجمة) بمعدل تدفق ١.٥ مل/دقيقة. حُفظ العمود عند ٤٠ درجة مئوية. الطول الموجي للكاشف ٢٥٤ نانومتر.
تم حساب نسبة مساحة الذروة للعينة من مساحة ذروة الألكاين المتبقي، منتج التريازول فقط، وإدخال المادة الأولية جعل من الممكن تحديد القمم المقابلة.
حُللت جميع العينات باستخدام جهاز Thermo iCAP 6000 ICP-OES. حُضِّرت جميع معايير المعايرة باستخدام محلول معياري من النحاس بتركيز 1000 جزء في المليون في حمض النيتريك بتركيز 2% (SPEX Certi Prep). حُضِّرت جميع المعايير في محلول من 5% DMF و2% HNO3، وخُفِّفت جميع العينات 20 مرة بمحلول عينة من DMF-HNO3.
تستخدم شركة UAM لحام المعادن بالموجات فوق الصوتية كطريقة لربط الرقاقة المعدنية المستخدمة في التجميع النهائي. يستخدم لحام المعادن بالموجات فوق الصوتية أداة معدنية مهتزة (تُسمى القرن أو القرن فوق الصوتي) للضغط على الرقاقة/الطبقة المُجمّعة مسبقًا المراد ربطها/دمجها عن طريق اهتزاز المادة. للتشغيل المستمر، يكون جهاز السونوترويد أسطواني الشكل ويتدحرج على سطح المادة، مُلصقًا المنطقة بأكملها. عند تطبيق الضغط والاهتزاز، قد تتشقق الأكاسيد الموجودة على سطح المادة. قد يؤدي الضغط والاهتزاز المستمران إلى تدمير خشونة المادة 36. يؤدي التلامس الوثيق مع الحرارة والضغط الموضعيين إلى تكوين رابطة طورية صلبة عند واجهات المادة؛ كما يُمكن أن يُعزز التماسك عن طريق تغيير طاقة السطح 48. تتغلب طبيعة آلية الترابط على العديد من المشكلات المرتبطة بتغير درجة حرارة الانصهار وتأثيرات درجات الحرارة المرتفعة المذكورة في تقنيات التصنيع الإضافي الأخرى. وهذا يسمح بالاتصال المباشر (أي بدون تعديل السطح أو الحشو أو المواد اللاصقة) لعدة طبقات من مواد مختلفة في بنية موحدة واحدة.
العامل الثاني الملائم لتقنية CAM هو ارتفاع درجة التدفق اللدن الملحوظة في المواد المعدنية حتى في درجات الحرارة المنخفضة، أي أقل بكثير من درجة انصهار المواد المعدنية. يُسبب الجمع بين الاهتزازات فوق الصوتية والضغط مستوى مرتفعًا من هجرة حدود الحبيبات المحلية وإعادة التبلور دون الارتفاع الكبير في درجة الحرارة المرتبط تقليديًا بالمواد السائبة. أثناء إنشاء التجميع النهائي، يمكن استخدام هذه الظاهرة لتضمين المكونات النشطة والسلبية بين طبقات الرقائق المعدنية، طبقة تلو الأخرى. وقد تم دمج عناصر مثل الألياف الضوئية 49، والتعزيزات 46، والإلكترونيات 50، والمزدوجات الحرارية (هذا العمل) بنجاح في هياكل UAM لإنشاء تجميعات مركبة نشطة وسلبية.
في هذا العمل، تم استخدام كل من قدرات ربط المواد المختلفة وقدرات التداخل UAM لإنشاء مفاعل دقيق مثالي للتحكم في درجة الحرارة الحفزية.
بالمقارنة مع البلاديوم (Pd) وغيره من المحفزات المعدنية الشائعة الاستخدام، فإن تحفيز النحاس له العديد من المزايا: (i) اقتصاديًا، يعد النحاس أرخص من العديد من المعادن الأخرى المستخدمة في التحفيز وبالتالي فهو خيار جذاب للصناعة الكيميائية (ii) يتوسع نطاق تفاعلات الاقتران المتقاطع المحفز بالنحاس ويبدو أنه مكمل إلى حد ما للمنهجيات القائمة على Pd51 و52 و53 (iii) تعمل التفاعلات المحفزة بالنحاس بشكل جيد في غياب ربيطات أخرى. غالبًا ما تكون هذه الربيطات بسيطة هيكليًا وغير مكلفة. إذا رغبت في ذلك، في حين أن تلك المستخدمة في كيمياء البالاديوم غالبًا ما تكون معقدة ومكلفة وحساسة للهواء (iv) النحاس، والمعروف بشكل خاص بقدرته على ربط الألكاينات في التخليق، مثل اقتران سونوجاشيرا المحفز ثنائي المعدن والإضافة الحلقية مع الأزيدات (كيمياء النقر) (v) يمكن للنحاس أيضًا تعزيز أريلة بعض النيوكليوفيلات في تفاعلات نوع أولمان.
مؤخرًا، ثبتت أمثلة على تجانس جميع هذه التفاعلات بوجود Cu(0). ويعود ذلك بشكل رئيسي إلى صناعة الأدوية والتركيز المتزايد على استعادة وإعادة استخدام المحفزات المعدنية55،56.
يُعتبر تفاعل الإضافة الحلقية ثنائي القطب 1,3 بين الأسيتيلين والأزيد لإنتاج 1,2,3-ترايازول، والذي اقترحه هويسجن لأول مرة في ستينيات القرن العشرين، تفاعلًا تجريبيًا تآزريًا. وتُعد شظايا 1,2,3-ترايازول الناتجة ذات أهمية خاصة كمركب دوائي في اكتشاف الأدوية، نظرًا لتطبيقاتها البيولوجية واستخداماتها في مختلف العوامل العلاجية.
حظي هذا التفاعل باهتمام متجدد عندما طرح شاربلس وآخرون مفهوم "كيمياء النقر"59. يُستخدم مصطلح "كيمياء النقر" لوصف مجموعة قوية وانتقائية من التفاعلات التي تُستخدم لتخليق مركبات جديدة ومكتبات تركيبية بسرعة باستخدام الرابطة غير المتجانسة (CXC)60. وتعود جاذبية هذه التفاعلات التركيبية إلى عوائدها العالية. وتتميز ببساطتها في الظروف، ومقاومتها للأكسجين والماء، وسهولة فصل النواتج61.
لا تندرج إضافة هويسجن الحلقية التقليدية ثنائية القطب 1،3 ضمن فئة "كيمياء النقر". ومع ذلك، أثبت ميدال وشاربلس أن عملية اقتران الأزيد-الألكاين هذه تخضع لـ 107-108 في وجود Cu(I) مقارنةً بتسارع ملحوظ في معدل إضافة 1،3 الحلقية غير التحفيزية ثنائية القطب 62،63. لا تتطلب آلية التفاعل المتقدمة هذه مجموعات حماية أو ظروف تفاعل قاسية، وتوفر تحويلًا وانتقائية شبه كاملين لمركبات 1،2،3-ترايازول ثنائية الاستبدال 1،4 (مضادات 1،2،3-ترايازول) مع مرور الوقت (الشكل 3).
نتائج متساوية القياس لإضافات هويسجين الحلقية التقليدية والمحفزة بالنحاس. تُنتج إضافات هويسجين الحلقية المحفزة بالنحاس (Cu(I)) فقط مركبات 1,2,3-ترايازول ثنائية الاستبدال من 1,4-، بينما تُنتج إضافات هويسجين الحلقية المُستحثة حرارياً عادةً مركبات 1,4- و1,5-ترايازول، خليطًا بنسبة 1:1 من متزامرات الأزول الفراغية.
تتضمن معظم البروتوكولات اختزال مصادر مستقرة من Cu(II)، مثل اختزال كبريتات النحاس (CuSO4) أو مركب Cu(II)/Cu(O) مع أملاح الصوديوم. بالمقارنة مع التفاعلات الأخرى المحفزة بالمعادن، يتميز استخدام Cu(I) بميزة رئيسية تتمثل في انخفاض تكلفته وسهولة استخدامه.
أظهرت الدراسات الحركية والنظيرية التي أجراها ووريل وآخرون 65 أنه في حالة الألكاينات الطرفية، يشارك مكافئان من النحاس في تنشيط تفاعلية كل جزيء بالنسبة للأزيد. وتتم هذه الآلية المقترحة من خلال حلقة معدنية نحاسية سداسية الأعضاء، تتشكل من خلال تنسيق الأزيد مع أسيتيليد النحاس المرتبط بـ σ مع النحاس المرتبط بـ π كربيطة مانحة مستقرة. وتتكون مشتقات تريازوليل النحاس نتيجة انكماش الحلقة، يليه تحلل البروتون، لتكوين نواتج تريازول، وإغلاق الدورة الحفزية.
في حين أن فوائد أجهزة كيمياء التدفق موثقة جيدًا، فقد كانت هناك رغبة في دمج الأدوات التحليلية في هذه الأنظمة لمراقبة العمليات في الموقع آنيًا66،67. وقد أثبتت تقنية UAM أنها طريقة مناسبة لتصميم وتصنيع مفاعلات تدفق ثلاثية الأبعاد معقدة للغاية من مواد نشطة تحفيزيًا وموصلة حراريًا مع عناصر استشعار مدمجة مباشرةً (الشكل 4).
مفاعل تدفق من الألومنيوم والنحاس، مُصنّع بتقنية التصنيع الإضافي بالموجات فوق الصوتية (UAM)، ببنية قناة داخلية معقدة، ومزدوجات حرارية مدمجة، وغرفة تفاعل تحفيزي. ولتوضيح مسارات السوائل الداخلية، يُعرض أيضًا نموذج أولي شفاف مُصنّع بتقنية التصوير الضوئي المجسم.
لضمان جاهزية المفاعلات للتفاعلات العضوية المستقبلية، يجب تسخين المذيبات بأمان فوق درجة غليانها؛ ويتم اختبارها من حيث الضغط ودرجة الحرارة. وقد أظهر اختبار الضغط أن النظام يحافظ على ضغط ثابت ومستقر حتى عند ضغط مرتفع (1.7 ميجا باسكال). وأُجريت اختبارات هيدروستاتيكية في درجة حرارة الغرفة باستخدام الماء (H2O) كسائل.
أظهر توصيل المزدوج الحراري المدمج (الشكل 1) بمسجل بيانات درجة الحرارة أن درجة حرارة المزدوج الحراري كانت أقل بمقدار 6 درجات مئوية (± 1 درجة مئوية) من درجة الحرارة المبرمجة في نظام FlowSyn. عادةً، تُضاعف زيادة درجة الحرارة بمقدار 10 درجات مئوية معدل التفاعل، لذا فإن اختلافًا بسيطًا في درجة الحرارة ببضع درجات فقط يُمكن أن يُغير معدل التفاعل بشكل كبير. يُعزى هذا الاختلاف إلى فقدان درجة الحرارة في جميع أنحاء صمام التحكم الحراري (RPV) بسبب الانتشار الحراري العالي للمواد المستخدمة في عملية التصنيع. هذا الانحراف الحراري ثابت، وبالتالي يُمكن أخذه في الاعتبار عند إعداد الجهاز لضمان الوصول إلى درجات حرارة دقيقة وقياسها أثناء التفاعل. وبالتالي، تُسهّل أداة المراقبة عبر الإنترنت هذه التحكم الدقيق في درجة حرارة التفاعل وتُساهم في تحسين العملية بدقة أكبر وتطوير الظروف المثلى. كما يُمكن استخدام هذه المستشعرات للكشف عن التفاعلات الطاردة للحرارة ومنع التفاعلات غير الطبيعية في الأنظمة واسعة النطاق.
المفاعل المقدم في هذه الورقة هو المثال الأول لتطبيق تكنولوجيا UAM في تصنيع المفاعلات الكيميائية ويتناول العديد من القيود الرئيسية المرتبطة حاليًا بطباعة AM / 3D لهذه الأجهزة، مثل: (i) التغلب على المشاكل الملحوظة المرتبطة بمعالجة سبائك النحاس أو الألومنيوم (ii) تحسين دقة القناة الداخلية مقارنة بطرق ذوبان فراش المسحوق (PBF) مثل الصهر بالليزر الانتقائي (SLM) 25،69 تدفق المواد الضعيف والملمس الخشن للسطح 26 (iii) درجة حرارة معالجة أقل، مما يسهل توصيل أجهزة الاستشعار بشكل مباشر، وهو أمر غير ممكن في تكنولوجيا فراش المسحوق، (v) التغلب على الخصائص الميكانيكية الضعيفة وحساسية المكونات القائمة على البوليمر لمختلف المذيبات العضوية الشائعة 17،19.
تم إثبات وظيفة المفاعل من خلال سلسلة من تفاعلات إضافة حلقية للألكينازيد المحفز بالنحاس في ظل ظروف تدفق مستمر (الشكل 2). تم دمج مفاعل النحاس المطبوع بالموجات فوق الصوتية الموضح في الشكل 4 مع نظام تدفق تجاري واستُخدم لتخليق مكتبة أزيد من مركبات 1،2،3-ترايازول ثنائية الاستبدال 1،4 باستخدام تفاعل مُتحكم في درجة حرارته للأسيتيلين وهاليدات مجموعة الألكيل في وجود كلوريد الصوديوم (الشكل 3). يقلل استخدام أسلوب التدفق المستمر من مشاكل السلامة التي قد تنشأ في عمليات الدفعات، حيث ينتج عن هذا التفاعل مركبات وسيطة أزيدية شديدة التفاعل وخطرة [317]، [318]. في البداية، تم تحسين التفاعل لإضافة حلقية للفينيل أسيتيلين ويودو إيثان (المخطط 1 - إضافة حلقية للفينيل أسيتيلين ويودو إيثان) (انظر الشكل 5).
(أعلى اليسار) مخطط للإعداد المستخدم لدمج مفاعل 3DP في نظام التدفق (أعلى اليمين) تم الحصول عليه من المخطط المحسن (السفلي) لمخطط إضافة الحلقة Huisgen 57 بين فينيل أسيتيلين ويودو إيثان لتحسين الأداء وإظهار معلمات معدل التحويل المحسن للتفاعل.
من خلال التحكم في زمن بقاء المواد المتفاعلة في القسم الحفزي من المفاعل ومراقبة درجة حرارة التفاعل بعناية باستخدام مستشعر حراري مدمج مباشرة، يمكن تحسين ظروف التفاعل بسرعة ودقة مع الحد الأدنى من الوقت والمواد. وقد وُجد بسرعة أن أعلى تحويل تم تحقيقه باستخدام زمن بقاء قدره 15 دقيقة ودرجة حرارة تفاعل تبلغ 150 درجة مئوية. ويمكن ملاحظة ذلك من رسم معامل برنامج MODDE أن كلاً من زمن البقاء ودرجة حرارة التفاعل يُعتبران شرطين مهمين للنموذج. يؤدي تشغيل المُحسِّن المدمج باستخدام هذه الظروف المحددة إلى إنشاء مجموعة من ظروف التفاعل المصممة لزيادة مساحات ذروة المنتج إلى أقصى حد مع تقليل مساحات ذروة المادة الأولية. وقد أسفر هذا التحسين عن تحويل بنسبة 53٪ لمنتج التريازول، والذي يطابق تمامًا تنبؤات النموذج البالغة 54٪.