Дзякуй за наведванне Nature.com. Версія браўзера, якой вы карыстаецеся, мае абмежаваную падтрымку CSS. Для найлепшага вопыту мы рэкамендуем вам выкарыстоўваць абноўлены браўзер (або выключыць рэжым сумяшчальнасці ў Internet Explorer). Тым часам, каб забяспечыць пастаянную падтрымку, мы будзем адлюстроўваць сайт без стыляў і JavaScript.
Адытыўная вытворчасць змяняе тое, як даследчыкі і прамыслоўцы распрацоўваюць і вырабляюць хімічныя прылады для задавальнення іх канкрэтных патрэб. У гэтай працы мы паведамляем пра першы прыклад праточнага рэактара, створанага метадам ламінавання цвёрдацельнага металічнага ліста Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM) з непасрэдна інтэграванымі каталітычнымі дэталямі і адчувальнымі элементамі. Тэхналогія UAM не толькі пераадольвае многія абмежаванні, звязаныя ў цяперашні час з адытыўнай вытворчасцю хімічных рэактараў, але і гэта таксама значна павялічвае магчымасці такіх прылад. Шэраг біялагічна важных 1,4-дызамешчаных 1,2,3-трыязолавых злучэнняў быў паспяхова сінтэзаваны і аптымізаваны рэакцыяй 1,3-дыпалярнага цыкладалучэння Гюйсгена, апасродкаванай Cu, з выкарыстаннем хімічнай налады UAM. Выкарыстоўваючы унікальныя ўласцівасці UAM і апрацоўку бесперапыннага патоку, прылада здольна каталізаваць бягучыя рэакцыі, адначасова забяспечваючы рэальныя зваротная сувязь па часе для кантролю і аптымізацыі рэакцыі.
Дзякуючы сваім значным перавагам перад масавым аналагам, паточная хімія з'яўляецца важнай сферай, якая развіваецца як у акадэмічных, так і ў прамысловых умовах дзякуючы сваёй здольнасці павышаць селектыўнасць і эфектыўнасць хімічнага сінтэзу. Гэта распаўсюджваецца ад простага фарміравання арганічных малекул1 да фармацэўтычных злучэнняў2,3 і натуральных прадуктаў4,5,6.Больш за 50% рэакцый у тонкай хімічнай і фармацэўтычнай прамысловасці могуць прынесці карысць ад выкарыстання апрацоўкі бесперапыннага патоку7.
У апошнія гады назіраецца расце тэндэнцыя груп, якія жадаюць замяніць традыцыйны шкляны посуд або абсталяванне для паточнай хіміі наладжвальнымі хімічнымі «рэакцыйнымі сасудамі» адытыўнай вытворчасці (AM)8. Ітэрацыйная канструкцыя, хуткая вытворчасць і 3-мерныя (3D) магчымасці гэтых метадаў карысныя для тых, хто жадае наладзіць свае прылады пад пэўны набор рэакцый, прылад або ўмоў. На сённяшні дзень гэтая праца сканцэнтравана амаль выключна на выкарыстанне метадаў 3D-друку на палімернай аснове, такіх як стэрэалітаграфія (SL) 9, 10, 11, мадэляванне плаўленага нанясення (FDM) 8, 12, 13, 14 і струйная друк 7, 15, 16. Адсутнасць трываласці і здольнасці такіх прылад выконваць шырокі спектр хімічных рэакцый/аналізаў 17, 18, 19, 20 з'яўляецца асноўным фактарам, які абмяжоўвае больш шырокае ўкараненне АМ у гэтай галіне. 17, 18, 19, 20.
З-за ўсё больш шырокага выкарыстання хімічнага складу патоку і спрыяльных уласцівасцей, звязаных з АМ, існуе неабходнасць вывучыць больш дасканалыя метады, якія дазваляюць карыстальнікам вырабляць праточныя рэакцыйныя ёмістасці з палепшанымі хімічнымі і аналітычнымі магчымасцямі. Гэтыя метады павінны дазволіць карыстальнікам выбіраць з шэрагу вельмі надзейных або функцыянальных матэрыялаў, здольных апрацоўваць шырокі спектр умоў рэакцыі, а таксама палягчаючы розныя формы аналітычнага вываду з прылады для кантролю і кантролю рэакцыі.
Адным з працэсаў адытыўнай вытворчасці, які мае патэнцыял для распрацоўкі нестандартных хімічных рэактараў, з'яўляецца ультрагукавая адытыўная вытворчасць (UAM). Гэтая тэхніка цвёрдацельнага ламінавання лістоў прымяняе ультрагукавыя ваганні да тонкай металічнай фальгі, каб злучыць іх пласт за пластом з мінімальным аб'ёмным нагрэвам і высокай ступенню пластычнай плыні 21, 22, 23. У адрозненне ад большасці іншых тэхналогій AM, UAM можа быць непасрэдна інтэграваны ў субтрактыўную вытворчасць. uring, вядомы як гібрыдны вытворчы працэс, у якім фрэзераванне на месцы з перыядычным камп'ютэрным лікавым кіраваннем (ЧПУ) або лазерная апрацоўка вызначае рэзультатную форму пласта злучанага матэрыялу 24, 25. Гэта азначае, што карыстальнік не абмежаваны праблемамі, звязанымі з выдаленнем рэшткавага сыравіны будаўнічага матэрыялу з невялікіх каналаў вадкасці, што часта бывае ў парашковых і вадкасных сістэмах AM 26, 27, 28. Гэтая свабода дызайну распаўсюджваецца і на выбар матэрыялу. даступныя – UAM можа злучаць тэрмічна падобныя і розныя камбінацыі матэрыялаў за адзін этап працэсу. Выбар камбінацый матэрыялаў па-за працэсам расплаўлення азначае, што механічныя і хімічныя патрабаванні канкрэтных прыкладанняў могуць быць лепш задаволены. У дадатак да цвёрдацельнага злучэння яшчэ адна з'ява, якая сустракаецца падчас ультрагукавога злучэння, - гэта высокая цякучасць пластыкавых матэрыялаў пры адносна нізкіх тэмпературах29,30,31,32,33.Гэта унікальная механічная асаблівасць UAM можа палегчыць убудаванне /цеплавыя элементы паміж пластамі металу без пашкоджанняў. Убудаваныя датчыкі UAM могуць садзейнічаць дастаўцы інфармацыі ў рэжыме рэальнага часу ад прылады да карыстальніка з дапамогай інтэграванай аналітыкі.
Мінулая праца аўтараў32 прадэманстравала здольнасць працэсу UAM ствараць металічныя 3D мікрафлюідныя структуры з інтэграванымі магчымасцямі зандзіравання. Гэта прылада толькі для маніторынгу. У гэтым артыкуле прадстаўлены першы прыклад мікрафлюіднага хімічнага рэактара, вырабленага UAM;актыўная прылада, якая не толькі кантралюе, але і індукуе хімічны сінтэз праз структурна інтэграваныя каталітычныя матэрыялы. Прылада спалучае ў сабе некалькі пераваг, звязаных з тэхналогіяй UAM у вытворчасці хімічных 3D-прылад, такіх як: магчымасць пераўтварэння поўных 3D-дызайнаў непасрэдна з мадэляў аўтаматызаванага праектавання (CAD) у прадукты;выраб з некалькіх матэрыялаў для спалучэння высокай цеплаправоднасці і каталітычных матэрыялаў;і ўбудаванне цеплавых датчыкаў непасрэдна паміж патокамі рэагентаў для дакладнага кантролю і кантролю тэмпературы рэакцыі. Каб прадэманстраваць функцыянальнасць рэактара, бібліятэка важных для фармацэўтыкі 1,4-двузамешчаных злучэнняў 1,2,3-трыазолу была сінтэзавана каталізаваным меддзю 1,3-дыпалярным цыкладалучэннем Гюйсгена. Гэтая праца паказвае, як выкарыстанне матэрыялазнаўства і аўтаматызаванага праектавання можа адкрыць новыя магчымасці і магчымасці 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 1Н і 13С, запісаныя пры 400 МГц і 100 МГц адпаведна, былі атрыманы з выкарыстаннем спектрометра JEOL ECS-400 400 МГц або спектрометра Bruker Avance II 400 МГц і CDCl3 або (CD3) 2SO у якасці растваральніка. Усе рэакцыі праводзіліся з выкарыстаннем хімічнай платформы Uniqsis FlowSyn.
UAM выкарыстоўваўся для вырабу ўсіх прылад у гэтым даследаванні. Тэхналогія была вынайдзена ў 1999 годзе, і яе тэхнічныя падрабязнасці, працоўныя параметры і распрацоўкі з моманту вынаходкі можна вывучыць з дапамогай наступных апублікаваных матэрыялаў34,35,36,37. Прылада (малюнак 1) была рэалізавана з выкарыстаннем звышмагутнай сістэмы SonicLayer 4000® UAM магутнасцю 9 кВт (Fabrisonic, штат Агаё, ЗША). Матэрыялы, абраныя для вырабу праточнай прылады: Cu-110 і Al 6061.Cu-110 мае высокае ўтрыманне медзі (мінімум 99,9% медзі), што робіць яго добрым кандыдатам для рэакцый, якія каталізуюцца меддзю, і таму выкарыстоўваецца ў якасці «актыўнага пласта ў мікрарэактары.Al 6061 O выкарыстоўваецца ў якасці «аб'ёмнага» матэрыялу, а таксама пласт убудавання, які выкарыстоўваецца для аналізу;Убудаванне дапаможных кампанентаў сплаву і стан адпалу ў спалучэнні са слоем Cu-110.Al 6061 O - гэта матэрыял, які, як было паказана, вельмі сумяшчальны з працэсамі UAM38, 39, 40, 41 і быў пратэставаны і прызнаны хімічна стабільным з рэагентамі, якія выкарыстоўваюцца ў гэтай працы.Камбінацыя Al 6061 O з Cu-110 таксама лічыцца сумяшчальнай камбінацыяй матэрыялаў для UAM і таму з'яўляецца прыдатным матэрыялам для гэтага даследавання.38,42 Гэтыя прылады пералічаны ў табліцы 1 ніжэй.
Этапы вырабу рэактара (1) Падкладка Al 6061 (2) Выраб ніжняга канала, усталяванага ў медную фальгу (3) Убудаванне тэрмапар паміж пластамі (4) Верхні канал (5) Уваход і выхад (6) Маналітны рэактар.
Філасофія распрацоўкі вадкага шляху заключаецца ў выкарыстанні звілістага шляху для павелічэння адлегласці, якую вадкасць праходзіць у чыпе, у той час як чып захоўвае кіраваны памер. Такое павелічэнне адлегласці пажадана для павелічэння часу ўзаемадзеяння каталізатара і рэагента і забеспячэння выдатных выхадаў прадукту. У чыпах выкарыстоўваюцца выгібы на 90° на канцах прамога шляху, каб выклікаць турбулентнае змешванне ў прыладзе44 і павялічыць час кантакту вадкасці з паверхняй (кат. lyst).Для далейшага павелічэння змешвання, якога можна дасягнуць, канструкцыя рэактара мае два ўваходныя адтуліны для рэагентаў, аб'яднаныя ў Y-злучэнні перад уваходам у секцыю змяінага змешвання. Трэцяе ўваходнае адтуліну, якое перасякае паток на паўдарозе праз яго рэзідэнцыю, уключана ў праект будучых шматступеністых рэакцый сінтэзу.
Усе каналы маюць квадратны профіль (без вуглоў цягі), вынік перыядычнага фрэзеравання з ЧПУ, які выкарыстоўваецца для стварэння геаметрыі канала. Памеры канала выбраны так, каб забяспечыць вялікую (для мікрарэактара) аб'ёмную прадукцыю, і ў той жа час яны досыць малыя, каб палегчыць узаемадзеянне паверхні (каталізатараў) для большасці вадкасцей, якія змяшчаюцца. Адпаведны памер заснаваны на мінулым вопыце аўтараў з метала-вадкаснымі прыладамі для рэакцыі. Унутраныя памеры канчатковага канала складалі 750 мкм. x 750 мкм, а агульны аб'ём рэактара складаў 1 ​​мл. У канструкцыю ўключаны інтэграваны раз'ём (разьба 1/4″—28 UNF), які забяспечвае простае ўзаемадзеянне прылады з камерцыйным абсталяваннем для праточнай хіміі.Памер канала абмежаваны таўшчынёй матэрыялу фальгі, яго механічнымі ўласцівасцямі і параметрамі злучэння, якія выкарыстоўваюцца з ультрагукам.Пры пэўнай шырыні для дадзенага матэрыялу матэрыял «прасядае» ў створаны канал.У цяперашні час няма канкрэтнай мадэлі для гэтага разліку, таму максімальная шырыня канала для дадзенага матэрыялу і канструкцыі вызначаецца эксперыментальна;у гэтым выпадку шырыня 750 мкм не выкліча правісання.
Форма (квадрат) канала вызначаецца з дапамогай квадратнага разца. Форма і памер каналаў могуць быць зменены станкамі з ЧПУ з выкарыстаннем розных рэжучых інструментаў, каб атрымаць розныя хуткасці патоку і характарыстыкі. Прыклад стварэння канала выгнутай формы з выкарыстаннем інструмента 125 мкм можна знайсці ў працы Monaghan45. Калі пласт фальгі нанесены плоскасным спосабам, накладанне фальгі на каналы будзе мець плоскую (квадратную) аздабленне. У дадзенай працы з мэтай захавання сіметрычнасці рэчышча выкарыстоўваўся квадратны контур.
Падчас папярэдне запраграмаванай паўзы ў вытворчасці датчыкі тэмпературы тэрмапар (тып K) убудоўваюцца непасрэдна ў прыладу паміж верхняй і ніжняй групамі каналаў (малюнак 1 – этап 3). Гэтыя тэрмапары могуць кантраляваць змены тэмпературы ад −200 да 1350 °C.
Працэс нанясення металу выконваецца з дапамогай ражка UAM з выкарыстаннем металічнай фальгі шырынёй 25,4 мм і таўшчынёй 150 мікрон. Гэтыя пласты фальгі злучаюцца ў шэраг сумежных палос, каб пакрыць усю плошчу зборкі;памер нанесенага матэрыялу больш, чым канчатковы прадукт, так як працэс аднімання стварае канчатковую чыстую форму. Апрацоўка з ЧПУ выкарыстоўваецца для апрацоўкі знешніх і ўнутраных контураў абсталявання, у выніку чаго аздабленне паверхні абсталявання і каналаў роўная абранаму інструменту і параметрам працэсу з ЧПУ (прыкладна 1,6 мкм Ra у гэтым прыкладзе). Бесперапыннае, бесперапыннае ультрагукавое нанясенне матэрыялу і цыклы апрацоўкі выкарыстоўваюцца на працягу ўсяго працэсу вытворчасці прылады каб забяспечыць захаванне дакладнасці памераў і гатовая дэталь будзе адпавядаць узроўням дакладнасці фрэзеравання з ЧПУ. Шырыня канала, якая выкарыстоўваецца для гэтай прылады, дастаткова малая, каб гарантаваць, што матэрыял фальгі не «прасядае» ў канал вадкасці, таму канал падтрымлівае квадратнае папярочнае сячэнне. Магчымыя зазоры ў матэрыяле фальгі і параметры працэсу UAM былі вызначаны эксперыментальна партнёрам-вытворцам (Fabrisonic LLC, ЗША).
Даследаванні паказалі, што невялікая элементарная дыфузія адбываецца на мяжы злучэння UAM 46, 47 без дадатковай тэрмічнай апрацоўкі, таму для прылад у гэтай працы пласт Cu-110 застаецца адрозным ад пласта Al 6061 і рэзка змяняецца.
Усталюйце папярэдне адкалібраваны рэгулятар супрацьціску (BPR) 250 фунтаў на квадратны дюйм (1724 кПа) на выхадзе з рэактара і прапампоўвайце ваду праз рэактар ​​з хуткасцю ад 0,1 да 1 мл мін-1. Ціск у рэактары кантраляваўся з дапамогай убудаванага ў сістэму датчыка ціску FlowSyn, каб пераканацца, што сістэма можа падтрымліваць пастаянны ўстойлівы ціск. Патэнцыйныя градыенты тэмпературы ў праточным рэактары былі правераны шляхам выяўлення любых адрозненняў паміж тэрмапары, убудаваныя ў рэактар, і тэрмапары, убудаваныя ў награвальную пласціну мікрасхемы FlowSyn. Гэта дасягаецца змяненнем праграмуемай тэмпературы нагрэву ад 100 да 150 °C з крокам 25 °C і запісам любых адрозненняў паміж запраграмаванай і запісанай тэмпературамі. Гэта было дасягнута з дапамогай рэгістратара даных tc-08 (PicoTech, Кембрыдж, Вялікабрытанія) і спадарожнага праграмнага забеспячэння PicoLog.
Умовы рэакцыі цыкладалучэння фенілацэтылену і ёдаэтану былі аптымізаваны (схема 1 - цыкладалучэнне фенілацэтылену і ёдаэтану, схема 1 - цыкладалучэнне фенілацэтылену і ёдаэтану). Гэтая аптымізацыя была выканана з дапамогай падыходу поўнага фактарнага плана эксперыментаў (DOE), з выкарыстаннем тэмпературы і часу знаходжання ў якасці зменных параметраў, адначасова фіксуючы ал. суадносіны кін:азід 1:2.
Рыхтавалі асобныя растворы азіду натрыю (0,25 М, 4:1 ДМФА:Н2О), ёдаэтану (0,25 М, ДМФА) і фенілацэтылену (0,125 М, ДМФА). 1,5 мл аліквоты кожнага раствора змешвалі і прапампоўвалі праз рэактар ​​пры жаданай хуткасці патоку і тэмпературы. Адказ мадэлі быў прыняты як суадносіны плошчы піку прадукту трыазолу да фенілацу. зыходнага матэрыялу тылену і вызначана метадам высокаэфектыўнай вадкаснай храматаграфіі (ВЭЖХ). Для ўзгодненасці аналізу ўзоры ўсіх рэакцый адбіраліся адразу пасля выхаду рэакцыйнай сумесі з рэактара. Дыяпазоны параметраў, выбраныя для аптымізацыі, паказаны ў табліцы 2.
Усе ўзоры былі прааналізаваны з выкарыстаннем сістэмы ВЭЖХ Chromaster (VWR, Пенсільванія, ЗША), якая складаецца з чацвярцічнай помпы, печы-калонкі, ультрафіялетавага дэтэктара з пераменнай даўжынёй хвалі і аўтасамплера. Калонка ўяўляла сабой Equivalence 5 C18 (VWR, Пенсільванія, ЗША), памерам 4,6 × 100 мм, памерам часціц 5 мкм, падтрымлівалася пры 40 °C. Растваральнік быў ізакратычным 50:50. метанол:вада пры хуткасці патоку 1,5 мл.мін-1. Аб'ём ін'екцыі складаў 5 мкл, а даўжыня хвалі дэтэктара - 254 нм. Плошча пікаў у % для ўзору DOE была разлічана з плошчаў пікаў толькі рэшткавых прадуктаў алкина і трыазолу. Увядзенне зыходнага матэрыялу 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 цыкладапаўнення. Запуск убудаванага аптымізатара і выбар усіх важных умоў мадэлі дае набор умоў рэакцыі, прызначаных для максімальнага павелічэння плошчы піка прадукту пры зніжэнні плошчы піка для зыходнага матэрыялу ацэтылену.
Акісленне паверхні медзі ў каталітычнай рэакцыйнай камеры было дасягнута з дапамогай раствора перакісу вадароду (36%), які працякае праз рэакцыйную камеру (хуткасць патоку = 0,4 мл мін-1, час знаходжання = 2,5 мін) перад сінтэзам кожнай бібліятэкі злучэння трыазолу.
Пасля таго, як быў вызначаны аптымальны набор умоў, яны былі прыменены да шэрагу вытворных ацэтылену і галаалканаў, каб скласці невялікую бібліятэку сінтэзу, тым самым усталяваўшы магчымасць прымяняць гэтыя ўмовы да больш шырокага дыяпазону патэнцыйных рэагентаў (малюнак 1).2).
Прыгатуйце асобныя растворы азіду натрыю (0,25 М, 4:1 ДМФА:H2O), галогеналканов (0,25 М, ДМФА) і алкінаў (0,125 М, ДМФА). 3 мл аліквоты кожнага раствора змешваюць і прапампоўваюць праз рэактар ​​пры 75 мкл.мін-1 і 150 °C. Агульны аб'ём збіраюць у флакон і разводзяць 10 мл этылацэтату. Раствор пробы прамывалі 3 × 10 мл вады. Водныя пласты аб'ядноўвалі і экстрагавалі 10 мл этылацэтату;арганічныя пласты затым аб'ядноўвалі, прамывалі 3 х 10 мл расола, сушылі над MgSO4 і фільтравалі, затым растваральнік выдалялі ў вакууме. Узоры ачышчалі калонкавай храматаграфіяй на силикагеле з выкарыстаннем этилацетата перад аналізам з дапамогай камбінацыі ВЭЖХ, 1Н ЯМР, 13С ЯМР і мас-спектраметрыі высокага дазволу (HR-MS).
Усе спектры былі атрыманы з дапамогай дакладнага мас-спектрометра раздзялення Orbitrap Thermofischer з ESI у якасці крыніцы іянізацыі. Усе ўзоры былі падрыхтаваны з выкарыстаннем ацэтанітрылу ў якасці растваральніка.
Аналіз ТСХ праводзілі на пласцінах з дыяксіду крэмнія з алюмініевай падкладкай. Пласціны візуалізавалі ў УФ-святле (254 нм) або афарбоўвалі ванілінам і награвалі.
Усе ўзоры былі прааналізаваны з дапамогай сістэмы VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, Вялікабрытанія), абсталяванай аўтасамплерам, бінарнай помпай у калоннай печы і дэтэктарам з адной даўжынёй хвалі.
Ін'екцыі (5 мкл) вырабляліся непасрэдна з разведзенай сырой рэакцыйнай сумесі (развядзенне 1:10) і прааналізавалі вадой: метанол (50:50 або 70:30), за выключэннем некаторых узораў, выкарыстоўваючы сістэму растваральніка 70:30 (абазначаецца ў выглядзе нумара зоркі) пры хуткасці патоку 1,5 мл/мін. Калонка была пры дапамозе 40 ° С. Штат -хвалі хвалі падмацавання 254 NM.
Плошча піка ўзору ў % была разлічана з плошчы піка рэшткавага алкина, толькі прадукту трыазолу, а ўвядзенне зыходнага матэрыялу дазволіла ідэнтыфікаваць адпаведныя пікі.
Усе ўзоры былі прааналізаваны з дапамогай Thermo iCAP 6000 ICP-OES. Усе стандарты для каліброўкі былі падрыхтаваны з выкарыстаннем стандартнага раствора 1000 частак на мільён Cu ў 2% азотнай кіслаце (SPEX Certi Prep). Усе стандарты былі падрыхтаваны ў 5% ДМФА і 2% растворы HNO3, і ўсе ўзоры былі разбаўлены ў 20 разоў растворам DMF-HNO3.
UAM выкарыстоўвае ультрагукавую зварку металу ў якасці метаду склейвання матэрыялу з металічнай фальгі, які выкарыстоўваецца для стварэння канчатковай зборкі. Пры ультрагукавой зварцы металу выкарыстоўваецца вібрацыйны металічны інструмент (званы ражком або ультрагукавым ражком) для аказання ціску на пласт фальгі/раней кансалідаваны пласт, які трэба злучыць, падчас вібрацыі матэрыялу. Для бесперапыннай працы сонотрод мае цыліндрычную форму і катаецца па паверхні матэрыялу, склейваючы уся плошча. Калі прымяняюцца ціск і вібрацыя, аксіды на паверхні матэрыялу могуць трэснуць. Працяглы ціск і вібрацыя могуць прывесці да разбурэння няроўнасцей матэрыялу 36. Цесны кантакт з лакальна выкліканым цяплом і ціскам прыводзіць да цвёрдацельнай сувязі на падзеле матэрыялу;ён таксама можа спрыяць адгезіі за кошт змены павярхоўнай энергіі48. Прырода механізму злучэння пераадольвае многія праблемы, звязаныя са зменлівай тэмпературай расплаву і высокай тэмпературай пасля ўздзеяння, згаданыя ў іншых метадах вытворчасці дадаткаў. Гэта дазваляе прамое злучэнне (г.зн. без мадыфікацыі паверхні, напаўняльнікаў або клеяў) некалькіх слаёў розных матэрыялаў у адзіную кансалідаваную структуру.
Другім спрыяльным фактарам для UAM з'яўляецца высокая ступень пластычнай цякучасці, якая назіраецца ў металічных матэрыялах, нават пры нізкіх тэмпературах, гэта значыць значна ніжэй за тэмпературу плаўлення металічных матэрыялаў. Камбінацыя ультрагукавых ваганняў і ціску выклікае высокія ўзроўні лакальнай міграцыі межаў збожжа і рэкрышталізацыі без вялікага павышэння тэмпературы, традыцыйна звязанага з сыпкімі матэрыяламі. Падчас будаўніцтва канчатковай зборкі гэта з'ява можа быць выкарыстана для ўбудавання актыўных і пасіўных кампанентаў паміж пластамі металу фальга, пласт за пластом. Такія элементы, як аптычныя валакна 49, узмацняльнікі 46, электроніка 50 і тэрмапары (гэта праца), усе былі паспяхова ўбудаваны ў структуры UAM для стварэння актыўных і пасіўных кампазітных вузлоў.
У гэтай працы розныя магчымасці злучэння матэрыялаў і інтэркаляцыі UAM былі выкарыстаны для стварэння найлепшага мікрарэактара каталітычнага кантролю тэмпературы.
У параўнанні з паладыем (Pd) і іншымі шырока выкарыстоўванымі металічнымі каталізатарамі медны каталіз мае некалькі пераваг: (i) эканамічна Cu менш дарагая, чым многія іншыя металы, якія выкарыстоўваюцца ў каталізе, і таму з'яўляецца прывабным варыянтам для хімічнай перапрацоўчай прамысловасці (ii) Дыяпазон рэакцый перакрыжаванага спалучэння, якія каталізуюцца Cu, павялічваецца і, здаецца, у пэўнай ступені дапаўняе метадалогіі на аснове Pd51,52,53 (ii) i) Рэакцыі, якія каталізуюцца меддзю, добра працуюць у адсутнасць іншых лігандаў. Гэтыя ліганды часта структурна простыя і пры жаданні недарагія, у той час як тыя, што выкарыстоўваюцца ў хіміі Pd, часта складаныя, дарагія і адчувальныя да паветра (iv) Cu, асабліва вядомая сваёй здольнасцю звязваць алкіны ў сінтэзе, напрыклад, спалучэнне Сонагашыры і цыкладалучэнне з азідамі з біметалічным каталізам ry) (v)Cu таксама здольна спрыяць арыліраванню некалькіх 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 аднаўлення і паўторнага выкарыстання металічнага каталізатара55,56.
Рэакцыя 1,3-дыпалярнага цыкладалучэння паміж ацэтыленам і азідам да 1,2,3-трыазолу, упершыню запушчаная Гюйсгенам у 1960-я гады57, лічыцца сінэргічнай дэманстрацыйнай рэакцыяй. Атрыманыя фрагменты 1,2,3 трыазолу ўяўляюць асаблівую цікавасць як фармакафоры ў галіне адкрыцця лекаў з-за іх біялагічнага прымянення і выкарыстання ў розных тэрапеўтычных агентах 58.
Гэтая рэакцыя зноў апынулася ў цэнтры ўвагі, калі Шарплес і іншыя прадставілі канцэпцыю «клікавай хіміі»59. Тэрмін «клікавая хімія» выкарыстоўваецца для апісання трывалага, надзейнага і селектыўнага набору рэакцый для хуткага сінтэзу новых злучэнняў і камбінаторных бібліятэк з дапамогай гетэраатамнай сувязі (CXC)60. раздзяленне прадуктаў простае61.
Класічнае 1,3-дыпольнае цыкладалучэнне Гюйсгена не адносіцца да катэгорыі «клікавай хіміі». Аднак Медаль і Шарплес прадэманстравалі, што гэта падзея азід-алкінавага спалучэння падвяргаецца ад 107 да 108 у прысутнасці Cu(I) у параўнанні са значным паскарэннем хуткасці некаталізаванага 1,3-дыпалярнага цыкладалучэння 62,63. Гэты палепшаны механізм рэакцыі не патрабуе абароны. ing груп або жорсткіх умоў рэакцыі і дае амаль поўнае пераўтварэнне і селектыўнасць да 1,4-дызамешчаных 1,2,3-трыазолаў (анты-1,2,3-трыазол) у шкале часу (малюнак 3).
Ізаметрычныя вынікі звычайных і каталізаваных меддзю цыкладалучэнняў Гюйсгена. Цыкладалучэнні Гюйсгена, каталізаваныя Cu(I), даюць толькі 1,4-дызамешчаныя 1,2,3-трыазолы, у той час як тэрмічна індукаваныя цыкладалучэнні Гюйсгена звычайна даюць 1,4- і 1,5-трыазолы, сумесь стэрэаізамераў 1:1 азолы.
Большасць пратаколаў прадугледжвае памяншэнне колькасці стабільных крыніц Cu(II), такіх як памяншэнне колькасці CuSO4 або сумеснай камбінацыі відаў Cu(II)/Cu(0) з солямі натрыю. У параўнанні з іншымі рэакцыямі, якія каталізуюцца металамі, выкарыстанне Cu(I) мае асноўныя перавагі: недарагі і просты ў звароце.
Даследаванні кінетычнай і ізатопнай маркіроўкі Уорэла і інш.65 паказалі, што ў выпадку канцавых алкинов два эквіваленты медзі ўдзельнічаюць у актывацыі рэакцыйнай здольнасці кожнай малекулы ў адносінах да азіду. Прапанаваны механізм праходзіць праз шасцічленнае меднае металічнае кольца, утворанае каардынацыяй азіду з σ-звязаным ацэтылідам медзі з π-звязанай меддзю ў якасці стабільнага донарнага ліганда. Вытворныя трыазолілавай медзі ўтвараюцца шляхам усаджвання кольцы, а затым пра раскладанне тоны для атрымання прадуктаў трыазолу і замыкання каталітычнага цыклу.
У той час як перавагі хімічных прылад патоку добра дакументаваны, было жаданне інтэграваць аналітычныя інструменты ў гэтыя сістэмы для маніторынгу працэсаў на месцы66,67. UAM апынуўся прыдатным метадам для распрацоўкі і вытворчасці вельмі складаных 3D-праточных рэактараў з каталітычна актыўных, цеплаправодных матэрыялаў з непасрэдна ўбудаванымі сэнсарнымі элементамі (малюнак 4).
Алюмініева-медны праточны рэактар, выраблены метадам ультрагукавой адытыўнай вытворчасці (UAM), са складанай унутранай структурай канала, убудаванымі тэрмапарамі і каталітычнай рэакцыйнай камерай. Для візуалізацыі ўнутраных шляхоў вадкасці таксама паказаны празрысты прататып, выраблены з дапамогай стэрэалітаграфіі.
Каб пераканацца, што рэактары выраблены для будучых арганічных рэакцый, растваральнікі неабходна бяспечна награваць вышэй за тэмпературу кіпення;яны выпрабоўваюцца пад ціскам і тэмпературай. Выпрабаванне пад ціскам паказала, што сістэма падтрымлівае стабільны і пастаянны ціск нават пры павышаным ціску ў сістэме (1,7 МПа). Гідрастатычнае выпрабаванне праводзілася пры пакаёвай тэмпературы з выкарыстаннем H2O у якасці вадкасці.
Падключэнне ўбудаванай (малюнак 1) тэрмапары да рэгістратара тэмпературных даных паказала, што тэрмапара была на 6 °C (± 1 °C) ніжэй, чым запраграмаваная тэмпература ў сістэме FlowSyn. Як правіла, павышэнне тэмпературы на 10 °C прыводзіць да падваення хуткасці рэакцыі, таму розніца тэмператур усяго ў некалькі градусаў можа значна змяніць хуткасць рэакцыі. Гэтая розніца звязана са стратай тэмпературы ва ўсім корпусе рэактара з-за высокая тэмператураправоднасць матэрыялаў, якія выкарыстоўваюцца ў працэсе вытворчасці. Гэты цеплавы дрэйф з'яўляецца паслядоўным і, такім чынам, можа быць улічаны ў наладах абсталявання, каб забяспечыць дасягненне і вымярэнне дакладных тэмператур падчас рэакцыі. Такім чынам, гэты онлайн-інструмент маніторынгу палягчае жорсткі кантроль тэмпературы рэакцыі і спрыяе больш дакладнай аптымізацыі працэсу і распрацоўцы аптымальных умоў. Гэтыя датчыкі таксама могуць быць выкарыстаны для ідэнтыфікацыі экзатэрмаў рэакцыі і прадухілення непрыстойных рэакцый у буйнамаштабных сістэмах.
Рэактар, прадстаўлены ў гэтай працы, з'яўляецца першым прыкладам прымянення тэхналогіі UAM для вытворчасці хімічных рэактараў і ліквідуе некалькі асноўных абмежаванняў, якія ў цяперашні час звязаны з AM/3D-друкам гэтых прылад, такіх як: (i) пераадоленне зарэгістраваных праблем, звязаных з апрацоўкай медзі або алюмініевага сплаву (ii) паляпшэнне ўнутранага дазволу канала ў параўнанні з метадамі тэрмаядзернага плаўлення (PBF), такімі як селектыўнае лазернае плаўленне (SLM)25,69 Дрэнная цякучасць матэрыялу і шурпатая паверхня texture26 (iii) Паніжаная тэмпература апрацоўкі, якая палягчае прамое злучэнне датчыкаў, што немагчыма ў тэхналогіі парашковага пласта, (v) пераадольвае дрэнныя механічныя ўласцівасці і адчувальнасць кампанентаў на палімернай аснове да розных звычайных арганічных растваральнікаў17,19.
Функцыянальнасць рэактара была прадэманстравана серыяй каталізаваных меддзю рэакцый цыкладалучэння акіназідаў ва ўмовах бесперапыннага патоку (мал. 2). Медны рэактар ​​з ультрагукавой друкам, дэталёва паказаны на малюнку 4, быў інтэграваны з камерцыйнай праточнай сістэмай і выкарыстоўваўся для сінтэзу бібліятэчных азідаў розных 1,4-дызамешчаных 1,2,3-трыазолаў праз рэакцыю ацэтылену і алкільных груп з кантролем тэмпературы. галогеніды ў прысутнасці хларыду натрыю (малюнак 3). Выкарыстанне падыходу бесперапыннага патоку памяншае праблемы бяспекі, якія могуць узнікнуць у перыядычных працэсах, паколькі гэтая рэакцыя дае высокарэактыўныя і небяспечныя азідныя прамежкавыя прадукты [317], [318]. Першапачаткова рэакцыя была аптымізавана для цыкладалучэння фенілацэтылену і ёдэтану (схема 1 - Цыкладалучэнне фенілацэту тылен і ёдаэтан) (гл. малюнак 5).
(Уверсе злева) Схема ўстаноўкі, якая выкарыстоўваецца для ўключэння рэактара 3DP у праточную сістэму (уверсе справа), атрыманая ў аптымізаванай (унізе) схеме цыкладалучэння Гюісгена 57 паміж фенілацэтыленам і ёдаэтанам для аптымізацыі і паказвае аптымізаваную хуткасць пераўтварэння параметраў.
Кантралюючы час знаходжання рэагентаў у каталітычнай частцы рэактара і пільна адсочваючы тэмпературу рэакцыі з дапамогай непасрэдна інтэграванага зонда тэрмапары, можна хутка і дакладна аптымізаваць умовы рэакцыі з мінімальнымі выдаткамі часу і матэрыялаў. Хутка было ўстаноўлена, што самыя высокія канверсіі былі атрыманы, калі выкарыстоўваўся час знаходжання 15 хвілін і тэмпература рэакцыі 150 °C. З графіка каэфіцыента 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 максімальнага павелічэння плошчаў піка прадукту пры адначасовым зніжэнні плошчаў піка зыходнага матэрыялу. Гэтая аптымізацыя дала 53% канверсію прадукту трыазолу, што блізка адпавядала прагнозу мадэлі ў 54%.
На аснове літаратуры, якая паказвае, што аксід медзі (I) (Cu2O) можа дзейнічаць як эфектыўны каталітычны разнавіднасць на паверхнях нуль-валентнай медзі ў гэтых рэакцыях, была даследавана здольнасць папярэдне акісляць паверхню рэактара перад правядзеннем рэакцыі ў патоку70,71. Затым рэакцыю паміж фенілацэтыленам і ёдаэтанам правялі зноў у аптымальных умовах і параўноўвалі выхады. Было заўважана, што гэтая падрыхтоўка прывяла да значнае павелічэнне канверсіі зыходнага матэрыялу, якое было разлічана на >99%. Аднак маніторынг з дапамогай ВЭЖХ паказаў, што гэта канверсія значна скараціла празмерна працяглы час рэакцыі прыблізна да 90 хвілін, пасля чаго актыўнасць выраўноўвалася і дасягала «стабільнага стану». Гэта назіранне сведчыць аб тым, што крыніцай каталітычнай актыўнасці з'яўляецца павярхоўны аксід медзі, а не медная падкладка з нулявой валентнасцю. Метал Cu лёгка акісляецца пры пакаёвай тэмпературы з адукацыяй CuO і Cu2O, якія не з'яўляюцца самаахоўнымі пластамі. Гэта пазбаўляе ад неабходнасці дадаваць дапаможную крыніцу медзі(II) для сумеснага складу71.