Дзякуй за наведванне сайта Nature.com. Версія браўзера, якой вы карыстаецеся, мае абмежаваную падтрымку CSS. Для найлепшага карыстання рэкамендуем выкарыстоўваць абноўлены браўзер (або адключыць рэжым сумяшчальнасці ў Internet Explorer). Тым часам, каб забяспечыць бесперапынную падтрымку, мы будзем адлюстроўваць сайт без стыляў і JavaScript.
Карусель, якая паказвае тры слайды адначасова. Выкарыстоўвайце кнопкі «Папярэдні» і «Наступны», каб перамяшчацца паміж трыма слайдамі адначасова, або выкарыстоўвайце кнопкі-паўзункі ў канцы, каб перамяшчацца паміж трыма слайдамі адначасова.
Адытыўная вытворчасць змяняе спосаб, якім даследчыкі і прамыслоўцы распрацоўваюць і вырабляюць хімічныя прылады ў адпаведнасці са сваімі канкрэтнымі патрэбамі. У гэтай працы мы паведамляем пра першы прыклад праточнага рэактара, створанага шляхам ультрагукавога адытыўнага вытворчасці (UAM) ламінавання цвёрдага металічнага ліста з непасрэдна інтэграванымі каталітычнымі дэталямі і адчувальнымі элементамі. Тэхналогія UAM не толькі пераадольвае многія абмежаванні, якія ў цяперашні час звязаны з адытыўнай вытворчасцю хімічных рэактараў, але і значна пашырае магчымасці такіх прылад. Шэраг біялагічна важных 1,4-дызамешчаных 1,2,3-трыазольных злучэнняў быў паспяхова сінтэзаваны і аптымізаваны з дапамогай рэакцыі 1,3-дыпалярнага цыклапрылучэння Хюйсгена, апасродкаванай меддзю, з выкарыстаннем хімічнай устаноўкі UAM. Выкарыстоўваючы унікальныя ўласцівасці UAM і бесперапыннай паточнай апрацоўкі, прылада здольная каталізаваць бягучыя рэакцыі, а таксама забяспечваць зваротную сувязь у рэжыме рэальнага часу для маніторынгу і аптымізацыі рэакцый.
Дзякуючы значным перавагам у параўнанні з аб'ёмнымі аналагамі, праточная хімія з'яўляецца важнай і развіваецца галіной як у акадэмічных, так і ў прамысловых умовах дзякуючы сваёй здольнасці павышаць селектыўнасць і эфектыўнасць хімічнага сінтэзу. Гэта распаўсюджваецца ад утварэння простых арганічных малекул1 да фармацэўтычных злучэнняў2,3 і натуральных прадуктаў4,5,6. Больш за 50% рэакцый у тонкай хімічнай і фармацэўтычнай прамысловасці могуць атрымаць карысць ад бесперапыннага патоку7.
У апошнія гады назіраецца ўсё большая тэндэнцыя груп, якія імкнуцца замяніць традыцыйны шкляны посуд або абсталяванне для праточнай хіміі адаптыўнымі хімічнымі «рэактарамі»8. Ітэрацыйнае праектаванне, хуткае вырабленне і трохмерныя (3D) магчымасці гэтых метадаў карысныя для тых, хто хоча наладзіць свае прылады для пэўнага набору рэакцый, прылад або ўмоў. Да сённяшняга дня гэтая праца была сканцэнтравана амаль выключна на выкарыстанні метадаў 3D-друку на палімернай аснове, такіх як стэрэалітаграфія (SL)9,10,11, мадэляванне плаўленым нанясеннем (FDM)8,12,13,14 і струменевы друк7,15, 16. Адсутнасць надзейнасці і здольнасці такіх прылад выконваць шырокі спектр хімічных рэакцый/аналізаў17, 18, 19, 20 з'яўляецца асноўным абмежавальным фактарам для больш шырокага прымянення адытыўнага мадыфікавання ў гэтай галіне17, 18, 19, 20.
З-за ўсё больш шырокага выкарыстання праточнай хіміі і спрыяльных уласцівасцей, звязаных з адытыўна-арыентаваным метадам, неабходна вывучыць больш дасканалыя метады, якія дазволяць карыстальнікам ствараць рэакцыйныя пасудзіны для праточных рэакцый з палепшанымі хімічнымі і аналітычнымі магчымасцямі. Гэтыя метады павінны дазваляць карыстальнікам выбіраць з шэрагу высокатрывалых або функцыянальных матэрыялаў, здольных працаваць у шырокім дыяпазоне рэакцыйных умоў, а таксама спрашчаць розныя формы аналітычных вынікаў з прылады для маніторынгу і кіравання рэакцыяй.
Адным з працэсаў адытыўнай вытворчасці, які можна выкарыстоўваць для распрацоўкі хімічных рэактараў на заказ, з'яўляецца ультрагукавая адытыўная вытворчасць (UAM). Гэты метад ламінавання цвёрдацельных лістоў ужывае ультрагукавыя ваганні да тонкіх металічных фальг, каб злучыць іх пласт за пластом з мінімальным аб'ёмным награваннем і высокай ступенню пластычнага патоку 21, 22, 23. У адрозненне ад большасці іншых тэхналогій адытыўнай вытворчасці, UAM можа быць непасрэдна інтэграваны з субтрактыўнай вытворчасцю, вядомай як гібрыдны вытворчы працэс, у якім перыядычнае фрэзераванне на лічбавым праграмным кіраванні (ЧПК) або лазерная апрацоўка на месцы вызначаюць чыстую форму пласта злучанага матэрыялу 24, 25. Гэта азначае, што карыстальнік не абмежаваны праблемамі, звязанымі з выдаленнем рэшткавага зыходнага будаўнічага матэрыялу з невялікіх вадкасных каналаў, што часта здараецца ў парашковых і вадкіх сістэмах AM26,27,28. Гэтая свабода праектавання таксама распаўсюджваецца на выбар даступных матэрыялаў - UAM можа злучаць камбінацыі тэрмічна падобных і непадобных матэрыялаў за адзін этап працэсу. Выбар камбінацый матэрыялаў пасля працэсу плаўлення азначае, што механічныя і хімічныя патрабаванні канкрэтных ужыванняў могуць быць лепш задаволены. Акрамя цвёрдага злучэння, пры ультрагукавым злучэнні ўзнікае яшчэ адна з'ява — высокая цякучасць пластыкавых матэрыялаў пры адносна нізкіх тэмпературах29,30,31,32,33. Гэтая ўнікальная асаблівасць UAM дазваляе размяшчаць механічныя/тэрмічныя элементы паміж металічнымі пластамі без пашкоджанняў. Убудаваныя датчыкі UAM могуць спрыяць перадачы інфармацыі ў рэжыме рэальнага часу ад прылады да карыстальніка праз інтэграваную аналітыку.
Папярэдняя праца аўтараў32 прадэманстравала здольнасць працэсу UAM ствараць металічныя трохмерныя мікрафлюідныя структуры з убудаванымі сэнсарнымі магчымасцямі. Гэта прылада прызначана толькі для маніторынгу. У гэтым артыкуле прадстаўлены першы прыклад мікрафлюіднага хімічнага рэактара, вырабленага UAM, актыўнай прылады, якая не толькі кантралюе, але і індукуе хімічны сінтэз з дапамогай структурна інтэграваных каталітычных матэрыялаў. Прылада спалучае ў сабе некалькі пераваг, звязаных з тэхналогіяй UAM пры вытворчасці трохмерных хімічных прылад, такіх як: магчымасць пераўтварэння поўнай трохмернай канструкцыі непасрэдна з мадэлі аўтаматызаванага праектавання (CAD) у прадукт; шматматэрыяльнае вырабленне для спалучэння высокай цеплаправоднасці і каталітычных матэрыялаў, а таксама цеплавыя датчыкі, убудаваныя непасрэдна паміж патокамі рэагентаў для дакладнага кантролю і кіравання тэмпературай рэакцыі. Для дэманстрацыі функцыянальнасці рэактара была сінтэзавана бібліятэка фармацэўтычна важных 1,4-дызамешчаных 1,2,3-трыазольных злучэнняў шляхам каталізаванага медзью 1,3-дыпалярнага цыклапрылучэння Хюйсгена. У гэтай працы падкрэсліваецца, як выкарыстанне матэрыялазнаўства і сістэм аўтаматызаванага праектавання можа адкрыць новыя магчымасці і патэнцыял для хіміі праз міждысцыплінарныя даследаванні.
Усе растваральнікі і рэагенты былі набыты ў Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI або Fischer Scientific і выкарыстоўваліся без папярэдняй ачысткі. Спектры ЯМР 1H і 13C, запісаныя пры 400 і 100 МГц адпаведна, былі атрыманы на спектрометры JEOL ECS-400 400 МГц або спектрометры Bruker Avance II 400 МГц з CDCl3 або (CD3)2SO4 у якасці растваральніка. Усе рэакцыі былі праведзены з выкарыстаннем платформы праточнай хіміі Uniqsis FlowSyn.
Для вырабу ўсіх прылад у гэтым даследаванні выкарыстоўвалася тэхналогія UAM. Тэхналогія была вынайдзена ў 1999 годзе, і яе тэхнічныя дэталі, рабочыя параметры і распрацоўкі з моманту вынаходніцтва можна вывучыць з выкарыстаннем наступных апублікаваных матэрыялаў34,35,36,37. Прылада (мал. 1) была рэалізавана з выкарыстаннем магутнай сістэмы SonicLayer 4000® UAM магутнасцю 9 кВт (Fabrisonic, Агаё, ЗША). Матэрыяламі для праточнай прылады былі абраныя Cu-110 і Al 6061. Cu-110 мае высокае ўтрыманне медзі (мінімум 99,9% медзі), што робіць яго добрым кандыдатам для рэакцый, каталізаваных меддзю, і таму выкарыстоўваецца ў якасці «актыўнага слоя» ўнутры мікрарэактара. Al 6061 O выкарыстоўваецца ў якасці «аб'ёмнага» матэрыялу. , а таксама інтэркаляцыйны слой, які выкарыстоўваецца для аналізу; інтэркаляцыя дапаможных кампанентаў сплаву і адпаленага стану ў спалучэнні са слоем Cu-110. прызнаны хімічна стабільнымі з рэагентамі, якія выкарыстоўваліся ў гэтай працы. Al 6061 O ў спалучэнні з Cu-110 таксама лічыцца сумяшчальнай камбінацыяй матэрыялаў для UAM і таму з'яўляецца прыдатным матэрыялам для гэтага даследавання38,42. Гэтыя прылады пералічаны ў Табліцы 1 ніжэй.
Этапы вырабу рэактара (1) Падкладка з алюмініевага сплаву 6061 (2) Выраб ніжняга канала з меднай фальгі (3) Устаўка тэрмапар паміж пластамі (4) Верхні канал (5) Уваход і выхад (6) Маналітны рэактар.
Філасофія праектавання вадкаснага канала заключаецца ў выкарыстанні звілістага шляху для павелічэння адлегласці, якую праходзіць вадкасць унутры чыпа, захоўваючы пры гэтым кіраваны памер чыпа. Гэта павелічэнне адлегласці пажадана для павелічэння часу кантакту каталізатара і рэагента і забеспячэння выдатнага выхаду прадукту. У чыпах выкарыстоўваюцца выгібы на 90° на канцах прамога шляху, каб выклікаць турбулентнае змешванне ўнутры прылады44 і павялічыць час кантакту вадкасці з паверхняй (каталізатарам). Для далейшага паляпшэння змешвання, якога можна дасягнуць, канструкцыя рэактара ўключае два ўваходы для рэагентаў, аб'яднаныя ў Y-вобразнае злучэнне перад уваходам у секцыю змешвальнай спіралі. Трэці ўваход, які перасякае паток на паўдарозе да яго знаходжання, уключаны ў план будучых шматступенчатых сінтэтычных рэакцый.
Усе каналы маюць квадратны профіль (без кутоў канічнасці), што з'яўляецца вынікам перыядычнага фрэзеравання на станках з ЧПУ, якое выкарыстоўваецца для стварэння геаметрыі канала. Памеры канала выбраны такім чынам, каб забяспечыць высокі (для мікрарэактара) аб'ёмны выхад, але дастаткова малы, каб палегчыць узаемадзеянне з паверхняй (каталізатарамі) для большасці вадкасцей, якія ён утрымлівае. Адпаведны памер заснаваны на папярэднім вопыце аўтараў з прыладамі для рэакцый метал-вадкасць. Унутраныя памеры канчатковага канала склалі 750 мкм x 750 мкм, а агульны аб'ём рэактара — 1 мл. У канструкцыю ўключаны ўбудаваны раз'ём (разьба 1/4″-28 UNF), які дазваляе лёгка падключаць прыладу да камерцыйнага абсталявання для праточнай хіміі. Памер канала абмежаваны таўшчынёй фальгі, яго механічнымі ўласцівасцямі і параметрамі злучэння, якія выкарыстоўваюцца з ультрагукам. Пры пэўнай шырыні для дадзенага матэрыялу матэрыял будзе «правівацца» ў створаны канал. У цяперашні час няма канкрэтнай мадэлі для гэтага разліку, таму максімальная шырыня канала для дадзенага матэрыялу і канструкцыі вызначаецца эксперыментальна, і ў гэтым выпадку шырыня 750 мкм не выкліча прагіну.
Форма (квадрат) канала вызначаецца з дапамогай квадратнага разца. Форму і памер каналаў можна змяняць на станках з ЧПУ з выкарыстаннем розных рэжучых інструментаў для атрымання розных хуткасцей патоку і характарыстык. Прыклад стварэння выгнутага канала з дапамогай інструмента 125 мкм можна знайсці ў Monaghan45. Калі пласт фальгі наносіцца плоска, нанясенне фальгі на каналы будзе мець плоскую (квадратную) паверхню. У гэтай працы для захавання сіметрыі канала выкарыстоўваўся квадратны контур.
Падчас запраграмаванай паўзы ў вытворчасці тэрмапарныя датчыкі тэмпературы (тыпу K) убудаваны непасрэдна ў прыладу паміж верхняй і ніжняй групамі каналаў (мал. 1 – этап 3). Гэтыя тэрмапары могуць кантраляваць змены тэмпературы ад -200 да 1350 °C.
Працэс нанясення металу ажыццяўляецца з дапамогай рупару UAM з выкарыстаннем металічнай фальгі шырынёй 25,4 мм і таўшчынёй 150 мікрон. Гэтыя пласты фальгі злучаны ў серыю сумежных палос, каб пакрыць усю плошчу зборкі; памер напылянага матэрыялу большы за канчатковы прадукт, бо працэс аднімання стварае канчатковую чыстую форму. Апрацоўка на станках з ЧПУ выкарыстоўваецца для апрацоўкі знешніх і ўнутраных контураў абсталявання, што прыводзіць да апрацоўкі паверхні абсталявання і каналаў, якая адпавядае абраным параметрам інструмента і працэсу ЧПУ (у гэтым прыкладзе каля 1,6 мкм Ra). Бесперапыннае ультрагукавое распыленне матэрыялу і цыклы апрацоўкі выкарыстоўваюцца на працягу ўсяго працэсу вытворчасці прылады, каб забяспечыць дакладнасць памераў і адпаведнасць гатовай дэталі ўзроўню дакладнага фрэзеравання з ЧПУ. Шырыня канала, які выкарыстоўваецца для гэтай прылады, дастаткова малая, каб гарантаваць, што матэрыял фальгі не «правіваецца» ў канале для вадкасці, таму канал мае квадратнае папярочнае сячэнне. Магчымыя зазоры ў матэрыяле фальгі і параметры працэсу UAM былі эксперыментальна вызначаны вытворчым партнёрам (Fabrisonic LLC, ЗША).
Даследаванні паказалі, што на мяжы падзелу 46, 47 злучэння UAM без дадатковай тэрмічнай апрацоўкі адбываецца нязначная дыфузія элементаў, таму для прылад у гэтай працы пласт Cu-110 адрозніваецца ад пласта Al 6061 і кардынальна змяняецца.
Усталюйце папярэдне адкалібраваны рэгулятар зваротнага ціску (BPR) на 250 фунтаў на квадратны дюйм (1724 кПа) ніжэй па плыні ад рэактара і прапампоўвайце ваду праз рэактар ​​з хуткасцю ад 0,1 да 1 мл/мін. Ціск у рэактары кантраляваўся з дапамогай убудаванага ў сістэму датчыка ціску FlowSyn, каб гарантаваць, што сістэма можа падтрымліваць пастаянны стабільны ціск. Патэнцыйныя градыенты тэмпературы ў праточным рэактары правяраліся шляхам пошуку любых адрозненняў паміж тэрмапарамі, убудаванымі ў рэактар, і тэрмапарамі, убудаванымі ў награвальную пласціну чыпа FlowSyn. Гэта дасягаецца шляхам змены запраграмаванай тэмпературы награвальнай пласціны ў межах ад 100 да 150 °C з крокам 25 °C і маніторынгу любых адрозненняў паміж запраграмаванай і зарэгістраванай тэмпературамі. Гэта было дасягнута з дапамогай рэгістратара дадзеных tc-08 (PicoTech, Кембрыдж, Вялікабрытанія) і суправаджальнага праграмнага забеспячэння PicoLog.
Аптымізаваны ўмовы для рэакцыі цыклапрылучэння фенілацэтылену і ёдаэтану (Схема 1 - Цыклапрылучэнне фенілацэтылену і ёдаэтану, Схема 1 - Цыклапрылучэнне фенілацэтылену і ёдаэтану). Гэтая аптымізацыя была выканана з выкарыстаннем падыходу поўнага фактарыяльнага планавання эксперыментаў (DOE), выкарыстоўваючы тэмпературу і час знаходжання ў якасці зменных пры фіксацыі суадносін алкін:азід на ўзроўні 1:2.
Былі падрыхтаваны асобныя растворы азіду натрыю (0,25 М, 4:1 ДМФ:H2O), ёдаэтану (0,25 М, ДМФ) і фенілацэтылену (0,125 М, ДМФ). Аліквоту кожнага раствора аб'ёмам 1,5 мл змяшалі і прапампавалі праз рэактар ​​з патрэбнай хуткасцю патоку і тэмпературай. Рэакцыя мадэлі была прынята як суадносіны плошчы піка трыазольнага прадукту да зыходнага рэчыва фенілацэтылену і вызначалася з дапамогай высокаэфектыўнай вадкаснай храматаграфіі (ВЭЖХ). Для адпаведнасці аналізу ўсе рэакцыі праводзіліся адразу пасля таго, як рэакцыйная сумесь пакінула рэактар. Дыяпазоны параметраў, выбраныя для аптымізацыі, паказаны ў табліцы 2.
Усе ўзоры былі прааналізаваны з выкарыстаннем сістэмы ВЭЖХ Chromaster (VWR, PA, ЗША), якая складаецца з чацвярцічнага помпы, калоннай печы, УФ-дэтэктара са зменнай даўжынёй хвалі і аўтаматычнага самаадборніка. Калонка была Equivalence 5 C18 (VWR, PA, ЗША), 4,6 x 100 мм, памер часціц 5 мкм, падтрымлівалася пры тэмпературы 40°C. Растваральнікам была ізакратычная сумесь метанол:вада 50:50 з хуткасцю патоку 1,5 мл·мін-1. Аб'ём уводу складаў 5 мкл, а даўжыня хвалі дэтэктара — 254 нм. % плошчы піка для ўзору DOE быў разлічаны толькі па плошчах пікаў рэшткавых алкінавых і трыазольных прадуктаў. Увядзенне зыходнага рэчыва дазваляе ідэнтыфікаваць адпаведныя пікі.
Спалучэнне вынікаў аналізу рэактара з праграмным забеспячэннем MODDE DOE (Umetrics, Мальмё, Швецыя) дазволіла правесці дбайны аналіз тэндэнцый вынікаў і вызначыць аптымальныя ўмовы рэакцыі для гэтага цыклапрылучэння. Запуск убудаванага аптымізатара і выбар усіх важных членаў мадэлі стварае набор умоў рэакцыі, прызначаных для максімізацыі плошчы піка прадукту пры адначасовым памяншэнні плошчы піка для ацэтыленавай сыравіны.
Акісленне паверхні медзі ў каталітычнай рэакцыйнай камеры дасягалася з выкарыстаннем раствора перакісу вадароду (36%), які праходзіў праз рэакцыйную камеру (хуткасць патоку = 0,4 мл/мін, час знаходжання = 2,5 хвіліны) перад сінтэзам кожнага трыазольнага злучэння. бібліятэка.
Пасля вызначэння аптымальнага набору ўмоў яны былі ўжытыя да шэрагу вытворных ацэтылену і галагеналканаў, каб дазволіць скласці невялікую бібліятэку сінтэзу, тым самым усталяваўшы магчымасць ужывання гэтых умоў да больш шырокага дыяпазону патэнцыйных рэагентаў (мал. 1). 2).
Падрыхтавалі асобныя растворы азіду натрыю (0,25 М, 4:1 ДМФ:H2O), галагеналканаў (0,25 М, ДМФ) і алкінаў (0,125 М, ДМФ). Аліквоты па 3 мл кожнага раствора змяшалі і прапампавалі праз рэактар ​​з хуткасцю 75 мкл/мін і тэмпературай 150°C. Увесь аб'ём сабралі ў прабірку і развялі 10 мл этылацэтату. Раствор узору прамылі 3 х 10 мл вады. Водныя пласты аб'ядналі і экстрагавалі 10 мл этылацэтату, затым арганічныя пласты аб'ядналі, прамылі 3×10 мл расолу, высушылі над MgSO4 і адфільтравалі, пасля чаго растваральнік выдалілі ў вакууме. Узоры ачысцілі калоннай храматаграфіяй на сілікагелі з выкарыстаннем этылацэтату перад аналізам з дапамогай камбінацыі ВЭЖХ, 1H ЯМР, 13C ЯМР і мас-спектрометрыі высокага разрознення (HR-MS).
Усе спектры былі атрыманы з дапамогай мас-спектрометра Thermofischer Precision Orbitrap з ESI ў якасці крыніцы іанізацыі. Усе ўзоры былі падрыхтаваны з выкарыстаннем ацэтонітрылу ў якасці растваральніка.
Аналіз метадам тонкаслаёвай хроматографіі (ТСХ) праводзілі на дыяксідных пласцінах з алюмініевай падкладкай. Пласціны візуалізавалі з дапамогай УФ-святла (254 нм) або афарбоўвання ванілінам і награвання.
Усе ўзоры былі прааналізаваны з выкарыстаннем сістэмы VWR Chromaster (VWR International Ltd., Лейтан-Баззард, Вялікабрытанія), абсталяванай аўтасамплерам, бінарным помпай з калоннай печчу і аднахвалевым дэтэктарам. Выкарыстоўвалася калона ACE Equivalence 5 C18 (150 x 4,6 мм, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Абердзін, Шатландыя).
Ін'екцыі (5 мкл) рабіліся непасрэдна з разведзенай неачышчанай рэакцыйнай сумесі (развядзенне 1:10) і аналізаваліся з дапамогай вады:метанолу (50:50 або 70:30), за выключэннем некаторых узораў з выкарыстаннем сістэмы растваральнікаў 70:30 (пазначана нумарам зоркі) пры хуткасці патоку 1,5 мл/мін. Калонка падтрымлівалася пры тэмпературы 40°C. Даўжыня хвалі дэтэктара складала 254 нм.
% Плошча піка ўзору была разлічана з плошчы піка рэшткавага алкіну, толькі трыазольнага прадукту, і ўвядзенне зыходнага рэчыва дазволіла ідэнтыфікаваць адпаведныя пікі.
Усе ўзоры былі прааналізаваны з дапамогай Thermo iCAP 6000 ICP-OES. Усе калібровачныя стандарты былі падрыхтаваны з выкарыстаннем стандартнага раствора Cu з канцэнтрацыяй 1000 ppm у 2% азотнай кіслаце (SPEX Certi Prep). Усе стандарты былі падрыхтаваны ў растворы 5% DMF і 2% HNO3, і ўсе ўзоры былі разведзены ў 20 разоў растворам DMF-HNO3.
Ультрагукавая зварка металу выкарыстоўвае ультрагукавую зварку металу як метад злучэння металічнай фальгі, якая выкарыстоўваецца для стварэння канчатковай зборкі. Ультрагукавая зварка металу выкарыстоўвае вібруючы металічны інструмент (які называецца рупар або ультрагукавы рупар) для прымянення ціску да фальгі/раней кансалідаванага пласта, які трэба злучыць/раней кансалідаваць, шляхам вібрацыі матэрыялу. Для бесперапыннай працы санотрод мае цыліндрычную форму і коціцца па паверхні матэрыялу, склейваючы ўсю плошчу. Пры прымяненні ціску і вібрацыі аксіды на паверхні матэрыялу могуць трэскацца. Пастаянны ціск і вібрацыя могуць прывесці да разбурэння шурпатасці матэрыялу 36. Цесны кантакт з лакалізаваным цяплом і ціскам прыводзіць да цвёрдафазнай сувязі на мяжах падзелу матэрыялаў; ён таксама можа спрыяць згуртаванню, змяняючы павярхоўную энергію 48. Характар ​​механізму злучэння пераадольвае многія праблемы, звязаныя са зменнай тэмпературай плаўлення і ўздзеяннем высокай тэмпературы, згаданыя ў іншых тэхналогіях адытыўнага вытворчасці. Гэта дазваляе непасрэдна злучаць (г.зн. без мадыфікацыі паверхні, напаўняльнікаў або клеяў) некалькі слаёў розных матэрыялаў у адзіную кансалідаваную структуру.
Другім спрыяльным фактарам для CAM з'яўляецца высокая ступень пластычнага цячэння, якая назіраецца ў металічных матэрыялах нават пры нізкіх тэмпературах, г.зн. значна ніжэй за тэмпературу плаўлення металічных матэрыялаў. Спалучэнне ультрагукавых ваганняў і ціску выклікае высокі ўзровень лакальнай міграцыі межаў зерняў і перакрышталізацыі без значнага павышэння тэмпературы, традыцыйна звязанага з аб'ёмнымі матэрыяламі. Падчас стварэння канчатковай зборкі гэтая з'ява можа быць выкарыстана для ўбудавання актыўных і пасіўных кампанентаў паміж пластамі металічнай фальгі, пласт за пластом. Такія элементы, як аптычнае валакно 49, арматура 46, электроніка 50 і тэрмапары (гэтая праца), былі паспяхова інтэграваны ў структуры UAM для стварэння актыўных і пасіўных кампазітных зборак.
У гэтай працы для стварэння ідэальнага мікрарэактара для каталітычнага кантролю тэмпературы былі выкарыстаны як розныя здольнасці звязвання матэрыялаў, так і магчымасці інтэркаляцыі UAM.
У параўнанні з паладыем (Pd) і іншымі распаўсюджанымі металічнымі каталізатарамі, медны каталіз мае некалькі пераваг: (i) Эканамічна медь таннейшая за многія іншыя металы, якія выкарыстоўваюцца ў каталізе, і таму з'яўляецца прывабным варыянтам для хімічнай прамысловасці; (ii) Дыяпазон рэакцый крос-спалучэння, каталізаваных медью, пашыраецца і, відаць, у пэўнай ступені дапаўняе метадалогіі на аснове Pd51, 52, 53; (iii) Рэакцыі, каталізаваныя медью, добра працуюць пры адсутнасці іншых лігандаў. Гэтыя ліганды часта структурна простыя і недарагія, калі гэта неабходна, у той час як тыя, што выкарыстоўваюцца ў хіміі Pd, часта складаныя, дарагія і адчувальныя да паветра; (iv) медь, асабліва вядомая сваёй здольнасцю звязваць алкіны ў сінтэзе, напрыклад, біметалічнае каталізаванае спалучэнне і цыклапрылучэнне з азідамі Сонагашыры (клік-хімія); (v) медь таксама можа спрыяць арыліраванню некаторых нуклеафілаў у рэакцыях тыпу Ульмана.
Нядаўна былі прадэманстраваны прыклады гетэрагенізацыі ўсіх гэтых рэакцый у прысутнасці Cu(0). Гэта ў значнай ступені звязана з фармацэўтычнай прамысловасцю і ўсё большай увагай да здабывання і паўторнага выкарыстання металічных каталізатараў55,56.
Рэакцыя 1,3-дыпалярнага цыклапрылучэння паміж ацэтыленам і азідам да 1,2,3-трыазолу, упершыню прапанаваная Хюйсгенам у 1960-х гадах57, лічыцца сінергічнай дэманстрацыйнай рэакцыяй. Атрыманыя 1,2,3-трыазольныя фрагменты ўяўляюць асаблівую цікавасць у якасці фармакафора ў распрацоўцы лекаў з-за іх біялагічнага прымянення і выкарыстання ў розных тэрапеўтычных сродках58.
Гэтая рэакцыя зноў прыцягнула ўвагу, калі Шарплес і іншыя ўвялі паняцце «клік-хіміі»59. Тэрмін «клік-хімія» выкарыстоўваецца для апісання надзейнага і селектыўнага набору рэакцый для хуткага сінтэзу новых злучэнняў і камбінаторных бібліятэк з выкарыстаннем гетэраатамных сувязяў (CXC)60. Сінтэтычная прывабнасць гэтых рэакцый абумоўлена высокімі выхадамі, звязанымі з імі. Умовы простыя, устойлівыя да кіслароду і вады, а падзел прадуктаў просты61.
Класічнае 1,3-дыпольнае цыклапрылучэнне Хюйсгена не падпадае пад катэгорыю «клік-хіміі». Аднак Медал і Шарплес паказалі, што гэтая падзея азід-алкінавага спалучэння праходзіць са хуткасцю 107–108 у прысутнасці Cu(I) у параўнанні са значным паскарэннем хуткасці некаталітычнага 1,3-дыпольнага цыклапрылучэння 62,63. Гэты перадавы механізм рэакцыі не патрабуе ахоўных груп або жорсткіх умоў рэакцыі і забяспечвае амаль поўнае пераўтварэнне і селектыўнасць да 1,4-дызамешчаных 1,2,3-трыазолаў (анты-1,2,3-трыазолаў) з цягам часу (мал. 3).
Ізаметрычныя вынікі традыцыйных і медзь-каталізаваных цыклапрылучэнняў Хюсгена. Cu(I)-каталізаваныя цыклапрылучэнні Хюсгена даюць толькі 1,4-дызамешчаныя 1,2,3-трыазолы, у той час як тэрмічна індукаваныя цыклапрылучэнні Хюсгена звычайна даюць 1,4- і 1,5-трыазолы ў выглядзе сумесі азольных стэрэаізамераў у суадносінах 1:1.
Большасць пратаколаў прадугледжваюць аднаўленне стабільных крыніц Cu(II), такіх як аднаўленне CuSO4 або злучэння Cu(II)/Cu(0) у спалучэнні з солямі натрыю. У параўнанні з іншымі рэакцыямі, каталізаванымі металамі, выкарыстанне Cu(I) мае асноўныя перавагі: ён недарагі і просты ў выкарыстанні.
Кінетычныя і ізатопныя даследаванні, праведзеныя Уорэлам і інш.65, паказалі, што ў выпадку канцавых алкінаў два эквіваленты медзі ўдзельнічаюць у актывацыі рэакцыйнай здольнасці кожнай малекулы ў адносінах да азіду. Прапанаваны механізм рэалізуецца праз шасцічленнае металічнае кольца медзі, якое ўтвараецца шляхам каардынацыі азіду з σ-сувяззю ацэтыліду медзі з π-сувяззю медзі ў якасці стабільнага донарнага ліганда. Трыазолільныя вытворныя медзі ўтвараюцца ў выніку скарачэння кольца з наступным раскладаннем пратона з утварэннем прадуктаў трыазолу і замыканнем каталітычнага цыклу.
Нягледзячы на ​​тое, што перавагі прылад для праточнай хіміі добра дакументаваны, існуе жаданне інтэграваць аналітычныя інструменты ў гэтыя сістэмы для маніторынгу працэсаў у рэжыме рэальнага часу in situ66,67. UAM аказаўся прыдатным метадам для праектавання і вырабу вельмі складаных трохмерных праточных рэактараў з каталітычна актыўных цеплаправодных матэрыялаў з непасрэдна ўбудаванымі датчыкамі (мал. 4).
Алюмініева-медны праточны рэактар, выраблены метадам ультрагукавой адытыўнай вытворчасці (UAM), са складанай унутранай структурай каналаў, убудаванымі тэрмапарамі і каталітычнай рэакцыйнай камерай. Для візуалізацыі ўнутраных шляхоў руху вадкасці таксама паказаны празрысты прататып, выраблены з дапамогай стэрэалітаграфіі.
Каб рэактары былі гатовыя да правядзення арганічных рэакцый у будучыні, растваральнікі неабходна бяспечна награваць вышэй за тэмпературу кіпення; яны праходзяць выпрабаванні пад ціскам і тэмпературай. Выпрабаванні пад ціскам паказалі, што сістэма падтрымлівае стабільны і пастаянны ціск нават пры падвышаным ціску ў сістэме (1,7 МПа). Гідрастатычныя выпрабаванні праводзіліся пры пакаёвай тэмпературы з выкарыстаннем H2O ў якасці вадкасці.
Падключэнне ўбудаванай (малюнак 1) тэрмапары да рэгістратара дадзеных тэмпературы паказала, што тэмпература тэрмапары была на 6 °C (± 1 °C) ніжэйшай за запраграмаваную тэмпературу ў сістэме FlowSyn. Як правіла, павышэнне тэмпературы на 10 °C падвойвае хуткасць рэакцыі, таму розніца тэмператур усяго ў некалькі градусаў можа значна змяніць хуткасць рэакцыі. Гэтая розніца звязана са стратай тэмпературы па ўсім корпусе рэактара з-за высокай цеплаправоднасці матэрыялаў, якія выкарыстоўваюцца ў вытворчым працэсе. Гэты цеплавы дрэйф пастаянны і таму можа ўлічвацца пры наладзе абсталявання, каб забяспечыць дасягненне і вымярэнне дакладных тэмператур падчас рэакцыі. Такім чынам, гэты інструмент анлайн-маніторынгу спрыяе жорсткаму кантролю тэмпературы рэакцыі і спрыяе больш дакладнай аптымізацыі працэсу і распрацоўцы аптымальных умоў. Гэтыя датчыкі таксама могуць выкарыстоўвацца для выяўлення экзатэрмічных рэакцый і прадухілення некантралюемых рэакцый у буйных сістэмах.
Рэактар, прадстаўлены ў гэтай працы, з'яўляецца першым прыкладам прымянення тэхналогіі UAM для вырабу хімічных рэактараў і вырашае некалькі асноўных абмежаванняў, якія ў цяперашні час звязаны з AM/3D-друкам гэтых прылад, такіх як: (i) пераадоленне адзначаных праблем, звязаных з апрацоўкай медзі або алюмініевых сплаваў, (ii) паляпшэнне ўнутранага разрознення канала ў параўнанні з метадамі плаўлення ў парашковым ложку (PBF), такімі як селектыўнае лазернае плаўленне (SLM)25,69, дрэнны паток матэрыялу і шурпатая тэкстура паверхні26, (iii) больш нізкая тэмпература апрацоўкі, што палягчае непасрэднае падключэнне датчыкаў, што немагчыма ў тэхналогіі парашковага ложка, (v) пераадоленне дрэнных механічных уласцівасцей і адчувальнасці кампанентаў на аснове палімераў да розных распаўсюджаных арганічных растваральнікаў17,19.
Функцыянальнасць рэактара была прадэманстравана серыяй рэакцый цыклапрылучэння алкіназіду з каталізатарам медзі ў бесперапынным патоку (мал. 2). Ультрагукавы друкаваны медны рэактар, паказаны на мал. 4, быў інтэграваны з камерцыйнай праточнай сістэмай і выкарыстаны для сінтэзу азідавай бібліятэкі розных 1,4-дызамешчаных 1,2,3-трыазолаў з выкарыстаннем рэакцыі ацэтылену і галагенідаў алкільных груп з кантраляванай тэмпературай у прысутнасці хларыду натрыю (мал. 3). Выкарыстанне падыходу бесперапыннага патоку памяншае праблемы бяспекі, якія могуць узнікнуць у перыядычных працэсах, паколькі гэтая рэакцыя ўтварае высокарэактыўныя і небяспечныя прамежкавыя прадукты азіду [317], [318]. Першапачаткова рэакцыя была аптымізавана для цыклапрылучэння фенілацэтылену і ёдаэтану (схема 1 - Цыклапрылучэнне фенілацэтылену і ёдаэтану) (гл. мал. 5).
(Уверсе злева) Схема ўстаноўкі, якая выкарыстоўваецца для ўключэння рэактара 3DP у праточную сістэму (уверсе справа), атрыманая з аптымізаванай (унізе) схемы цыклапрылучэння Huisgen 57 паміж фенілацэтыленам і ёдаэтанам для аптымізацыі і паказвае аптымізаваныя параметры хуткасці канверсіі рэакцыі.
Кантралюючы час знаходжання рэагентаў у каталітычнай секцыі рэактара і старанна кантралюючы тэмпературу рэакцыі з дапамогай непасрэдна інтэграванага тэрмапарнага датчыка, умовы рэакцыі можна хутка і дакладна аптымізаваць з мінімальнымі выдаткамі часу і матэрыялаў. Хутка было выяўлена, што найвышэйшая канверсія была дасягнута пры часе знаходжання 15 хвілін і тэмпературы рэакцыі 150°C. З графіка каэфіцыентаў праграмнага забеспячэння MODDE відаць, што як час знаходжання, так і тэмпература рэакцыі лічацца важнымі ўмовамі мадэлі. Запуск убудаванага аптымізатара з выкарыстаннем гэтых выбраных умоў стварае набор умоў рэакцыі, прызначаных для максімізацыі плошчаў пікаў прадукту пры адначасовым памяншэнні плошчаў пікаў зыходнага рэчыва. Гэтая аптымізацыя дазволіла дасягнуць 53% канверсіі трыазольнага прадукту, што дакладна адпавядала прагнозу мадэлі ў 54%.