Благодарим ви, че посетихте Nature.com.Версията на браузъра, която използвате, има ограничена поддръжка на CSS.За най-добро изживяване ви препоръчваме да използвате актуализиран браузър (или да деактивирате режима на съвместимост в Internet Explorer).Междувременно, за да осигурим постоянна поддръжка, ние ще визуализираме сайта без стилове и JavaScript.
Въртележка, показваща три слайда едновременно.Използвайте бутоните Предишен и Следващ, за да преминете през три слайда наведнъж, или използвайте бутоните на плъзгача в края, за да преминете през три слайда наведнъж.
Адитивното производство променя начина, по който изследователите и индустриалците проектират и произвеждат химически устройства, за да отговорят на техните специфични нужди.В тази статия ние докладваме първия пример на поточен реактор, образуван чрез ламиниране с ултразвуково адитивно производство (UAM) на твърд метален лист с директно интегрирани каталитични части и сензорни елементи.Технологията UAM не само преодолява много от ограниченията, свързани в момента с адитивното производство на химически реактори, но също така значително разширява възможностите на такива устройства.Редица биологично важни 1,4-дизаместени 1,2,3-триазолови съединения са успешно синтезирани и оптимизирани чрез Cu-медиирана 1,3-диполярна реакция на циклоприсъединяване на Huisgen с помощта на UAM химичното съоръжение.Използвайки уникалните свойства на UAM и непрекъсната обработка на потока, устройството е в състояние да катализира текущи реакции, както и да предоставя обратна връзка в реално време за наблюдение и оптимизиране на реакциите.
Поради значителните си предимства пред насипния си двойник, химията на потока е важна и разрастваща се област както в академичните, така и в индустриалните условия поради способността си да повишава селективността и ефективността на химическия синтез.Това се простира от образуването на прости органични молекули1 до фармацевтични съединения2,3 и природни продукти4,5,6.Над 50% от реакциите в фината химическа и фармацевтична промишленост могат да се възползват от непрекъснатия поток7.
През последните години се наблюдава нарастваща тенденция на групи, които се стремят да заменят традиционните стъклени изделия или оборудване за поточна химия с адаптивни химически „реактори“8.Итеративният дизайн, бързото производство и триизмерните (3D) възможности на тези методи са полезни за тези, които искат да персонализират своите устройства за определен набор от реакции, устройства или условия.Към днешна дата тази работа се фокусира почти изключително върху използването на базирани на полимер техники за 3D печат като стереолитография (SL)9,10,11, моделиране на разтопено отлагане (FDM)8,12,13,14 и мастиленоструен печат7,15., 16. Липсата на надеждност и способност на такива устройства да извършват широк спектър от химични реакции/анализи17, 18, 19, 20 е основен ограничаващ фактор за по-широкото приложение на АМ в тази област17, 18, 19, 20.
Поради нарастващото използване на химията на потока и благоприятните свойства, свързани с АМ, трябва да се проучат по-добри техники, които ще позволят на потребителите да произвеждат съдове за реакция на потока с подобрена химия и аналитични възможности.Тези методи трябва да позволят на потребителите да избират от набор от високоякостни или функционални материали, способни да работят при широк диапазон от реакционни условия, както и да улеснят различни форми на аналитичен изход от устройството, за да позволят наблюдение и контрол на реакцията.
Един процес на производство на добавки, който може да се използва за разработване на персонализирани химически реактори, е ултразвуковото производство на добавки (UAM).Този метод за ламиниране на листове в твърдо състояние прилага ултразвукови вибрации към тънки метални фолиа, за да ги свърже заедно слой по слой с минимално обемно нагряване и висока степен на пластичен поток 21, 22, 23. За разлика от повечето други AM технологии, UAM може да бъде директно интегриран с субтрактивно производство, известно като хибриден производствен процес, при който периодично фрезоване на място с цифрово управление (CNC) или лазерна обработка определя нетната форма на слоя от свързване ed материал 24, 25. Това означава, че потребителят не е ограничен до проблемите, свързани с отстраняването на остатъчен оригинален строителен материал от малки течни канали, което често се случва в прахообразни и течни системи AM26,27,28.Тази свобода на проектиране се простира и до избора на налични материали – UAM може да свързва комбинации от топлинно сходни и различни материали в една стъпка на процеса.Изборът на комбинации от материали извън процеса на топене означава, че механичните и химичните изисквания на специфични приложения могат да бъдат по-добре изпълнени.В допълнение към твърдото свързване, друг феномен, който възниква при ултразвуковото свързване, е високата течливост на пластмасовите материали при относително ниски температури29,30,31,32,33.Тази уникална характеристика на UAM позволява механични/термични елементи да бъдат поставени между метални слоеве без повреда.Вградените UAM сензори могат да улеснят доставката на информация в реално време от устройството до потребителя чрез интегриран анализ.
Предишна работа на авторите32 демонстрира способността на UAM процеса да създава метални 3D микрофлуидни структури с вградени сензорни възможности.Това устройство е само за наблюдение.Тази статия представя първия пример за микрофлуиден химически реактор, произведен от UAM, активно устройство, което не само контролира, но също така предизвиква химичен синтез със структурно интегрирани каталитични материали.Устройството съчетава няколко предимства, свързани с UAM технологията при производството на 3D химически устройства, като например: способността за конвертиране на цялостен 3D дизайн директно от модел за компютърно проектиране (CAD) в продукт;многоматериална изработка за комбинация от висока топлопроводимост и каталитични материали, както и термични сензори, вградени директно между потоците реагенти за прецизен контрол и управление на реакционната температура.За да се демонстрира функционалността на реактора, библиотека от фармацевтично важни 1,4-дизаместени 1,2,3-триазолови съединения беше синтезирана чрез катализирано от мед 1,3-диполярно Huisgen циклодобавяне.Тази работа подчертава как използването на материалознанието и компютърно-подпомогнатия дизайн може да отвори нови възможности и възможности за химията чрез интердисциплинарни изследвания.
Всички разтворители и реагенти са закупени от Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI или Fischer Scientific и са използвани без предварително пречистване.1Н и 13С ЯМР спектри, записани съответно при 400 и 100 MHz, бяха получени на JEOL ECS-400 400 MHz спектрометър или Bruker Avance II 400 MHz спектрометър с CDCI3 или (CD3)2SO като разтворител.Всички реакции бяха извършени с помощта на платформата за потокова химия Uniqsis FlowSyn.
UAM беше използван за производството на всички устройства в това проучване.Технологията е изобретена през 1999 г. и нейните технически подробности, работни параметри и разработки след изобретяването й могат да бъдат проучени с помощта на следните публикувани материали34,35,36,37.Устройството (Фиг. 1) е реализирано с помощта на тежкотоварна 9 kW SonicLayer 4000® UAM система (Fabrisonic, Охайо, САЩ).Материалите, избрани за поточното устройство, са Cu-110 и Al 6061. Cu-110 има високо съдържание на мед (минимум 99,9% мед), което го прави добър кандидат за реакции, катализирани с мед, и следователно се използва като „активен слой вътре в микрореактора.Al 6061 O се използва като "насипен" материал., както и интеркалационния слой, използван за анализ;интеркалиране на спомагателни компоненти на сплавта и отгрято състояние в комбинация със слой Cu-110.е установено, че е химически стабилен с реагентите, използвани в тази работа.Al 6061 O в комбинация с Cu-110 също се счита за съвместима комбинация от материали за UAM и следователно е подходящ материал за това изследване 38, 42.Тези устройства са изброени в таблица 1 по-долу.
Стъпки на производство на реактора (1) Субстрат от алуминиева сплав 6061 (2) Производство на долен канал от медно фолио (3) Вмъкване на термодвойки между слоевете (4) Горен канал (5) Вход и изход (6) Монолитен реактор.
Философията на дизайна на флуидния канал е да се използва криволичещ път за увеличаване на разстоянието, изминато от течността вътре в чипа, като същевременно се поддържа управляем размер на чипа.Това увеличение на разстоянието е желателно, за да се увеличи времето за контакт катализатор-реагент и да се осигурят отлични добиви на продукта.Чиповете използват 90° завои в краищата на прав път, за да предизвикат турбулентно смесване в устройството44 и да увеличат времето за контакт на течността с повърхността (катализатор).За по-нататъшно подобряване на смесването, което може да бъде постигнато, конструкцията на реактора включва два входа за реагент, комбинирани в Y-образна връзка, преди да влезе в секцията на смесителната намотка.Третият вход, който пресича потока по средата на неговата резиденция, е включен в плана за бъдещи многоетапни реакции на синтез.
Всички канали имат квадратен профил (без ъгли на конус), което е резултат от периодичното CNC фрезоване, използвано за създаване на геометрията на канала.Размерите на канала са избрани така, че да осигурят висок (за микрореактор) обемен добив, но достатъчно малък, за да улесни взаимодействието с повърхността (катализатори) за повечето течности, които съдържа.Подходящият размер се основава на миналия опит на авторите с устройства за реакция метал-течност.Вътрешните размери на крайния канал бяха 750 цт х 750 цт и общият обем на реактора беше 1 ml.В дизайна е включен вграден конектор (резба 1/4″-28 UNF), за да позволи лесно свързване на устройството с търговско оборудване за химичен поток.Размерът на канала е ограничен от дебелината на фолиото, неговите механични свойства и параметрите на свързване, използвани с ултразвук.При определена ширина за даден материал, материалът ще „провисне“ в създадения канал.Понастоящем няма конкретен модел за това изчисление, така че максималната ширина на канала за даден материал и дизайн се определя експериментално, в който случай ширина от 750 µm няма да причини провисване.
Формата (квадрат) на канала се определя с помощта на квадратен нож.Формата и размерът на каналите могат да се променят на CNC машини, като се използват различни режещи инструменти, за да се получат различни скорости на потока и характеристики.Пример за създаване на извит канал с инструмент от 125 µm може да се намери в Monaghan45.Когато слоят фолио е нанесен плосък, нанасянето на фолийния материал върху каналите ще има равна (квадратна) повърхност.В тази работа е използван квадратен контур за запазване на симетрията на канала.
По време на програмирана пауза в производството, термодвойки температурни сензори (тип K) са вградени директно в устройството между горната и долната група канали (фиг. 1 – етап 3).Тези термодвойки могат да контролират температурни промени от -200 до 1350 °C.
Процесът на отлагане на метал се извършва от UAM хорн с помощта на метално фолио с ширина 25,4 mm и дебелина 150 микрона.Тези слоеве фолио са свързани в поредица от съседни ленти, за да покрият цялата строителна площ;размерът на депозирания материал е по-голям от крайния продукт, тъй като процесът на изваждане създава крайната чиста форма.Обработката с ЦПУ се използва за обработка на външните и вътрешните контури на оборудването, което води до повърхностна обработка на оборудването и каналите, съответстващи на избрания инструмент и параметрите на процеса на ЦПУ (в този пример около 1,6 µm Ra).Непрекъснато, непрекъснато ултразвуково пръскане на материали и цикли на машинна обработка се използват през целия производствен процес на устройството, за да се гарантира, че се поддържа точност на размерите и завършената част отговаря на нивата на прецизност на CNC фино фрезоване.Широчината на канала, използван за това устройство, е достатъчно малка, за да гарантира, че фолийният материал няма да „увисне“ в канала за течност, така че каналът има квадратно напречно сечение.Възможните пропуски в материала на фолиото и параметрите на UAM процеса бяха определени експериментално от производствения партньор (Fabrisonic LLC, САЩ).
Проучванията показват, че на интерфейса 46, 47 на съединението UAM има малка дифузия на елементи без допълнителна топлинна обработка, така че за устройствата в тази работа слоят Cu-110 остава различен от слоя Al 6061 и се променя драматично.
Инсталирайте предварително калибриран регулатор на обратното налягане (BPR) при 250 psi (1724 kPa) след реактора и изпомпвайте вода през реактора със скорост от 0,1 до 1 ml min-1.Налягането в реактора се наблюдава с помощта на датчика за налягане FlowSyn, вграден в системата, за да се гарантира, че системата може да поддържа постоянно стабилно налягане.Потенциалните температурни градиенти в проточния реактор бяха тествани чрез търсене на разлики между термодвойките, вградени в реактора, и термодвойките, вградени в нагревателната плоча на чипа FlowSyn.Това се постига чрез промяна на програмираната температура на котлона между 100 и 150 °C на стъпки от 25 °C и следене на разликите между програмираните и записаните температури.Това беше постигнато с помощта на регистратора на данни tc-08 (PicoTech, Cambridge, UK) и придружаващия софтуер PicoLog.
Оптимизирани са условията за реакцията на циклоприсъединяване на фенилацетилен и йодоетан (Схема 1-Циклоприсъединяване на фенилацетилен и йодоетан, Схема 1-Циклоприсъединяване на фенилацетилен и йодоетан).Тази оптимизация беше извършена с помощта на подхода на пълен факторен дизайн на експериментите (DOE), като се използва температурата и времето на престой като променливи, докато съотношението алкин:азид се фиксира на 1:2.
Приготвят се отделни разтвори на натриев азид (0.25 М, 4:1 DMF:H2O), йодоетан (0.25 М, DMF) и фенилацетилен (0.125 М, DMF).Аликвотна част от 1,5 ml от всеки разтвор се смесва и се изпомпва през реактора при желаната скорост на потока и температура.Отговорът на модела се приема като съотношение на площта на пика на триазоловия продукт към изходния материал фенилацетилен и се определя с помощта на високоефективна течна хроматография (HPLC).За последователност на анализа, всички реакции се вземат веднага след като реакционната смес напусне реактора.Диапазоните на параметрите, избрани за оптимизиране, са показани в таблица 2.
Всички проби бяха анализирани с помощта на система Chromaster HPLC (VWR, PA, САЩ), състояща се от кватернерна помпа, колонна пещ, UV детектор с променлива дължина на вълната и автосамплер.Колоната беше Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA), 4.6 х 100 mm, размер на частиците 5 µm, поддържана при 40°C.Разтворителят е изократен метанол:вода 50:50 при скорост на потока 1.5 ml·min-1.Обемът на инжектиране беше 5 μl и дължината на вълната на детектора беше 254 nm.% пиковата площ за DOE пробата се изчислява от пиковите площи само на остатъчните алкинови и триазолови продукти.Въвеждането на изходния материал прави възможно идентифицирането на съответните пикове.
Комбинирането на резултатите от анализа на реактора със софтуера MODDE DOE (Umetrics, Malmö, Швеция) позволи задълбочен анализ на тенденциите на резултатите и определяне на оптималните реакционни условия за това циклодобавяне.Пускането на вградения оптимизатор и избирането на всички важни термини на модела създава набор от реакционни условия, предназначени да увеличат максимално площта на пика на продукта, като същевременно намаляват площта на пика за ацетиленовата суровина.
Окисляването на медната повърхност в каталитичната реакционна камера се постига с помощта на разтвор на водороден пероксид (36%), протичащ през реакционната камера (скорост на потока = 0,4 ml min-1, време на престой = 2,5 минути) преди синтеза на всяко триазолово съединение.библиотека.
След като беше определен оптималният набор от условия, те бяха приложени към набор от производни на ацетилен и халоалкан, за да се позволи съставянето на малка синтезна библиотека, като по този начин се установи възможността за прилагане на тези условия към по-широк диапазон от потенциални реагенти (фиг. 1).2).
Пригответе отделни разтвори на натриев азид (0,25 М, 4:1 DMF:H2O), халоалкани (0,25 М, DMF) и алкини (0,125 M, DMF).Аликвотни части от 3 ml от всеки разтвор се смесват и се изпомпват през реактора при скорост от 75 ul/min и температура от 150°С.Целият обем се събира във флакон и се разрежда с 10 ml етилацетат.Разтворът на пробата се промива с 3 х 10 ml вода.Водните слоеве се комбинират и екстрахират с 10 ml етил ацетат, след това органичните слоеве се комбинират, промиват се с 3 х 10 ml солев разтвор, сушат се над MgS04 и се филтруват, след което разтворителят се отстранява във вакуум.Пробите се пречистват чрез колонна хроматография със силикагел, като се използва етилацетат преди анализ чрез комбинация от HPLC, 1Н NMR, 13C NMR и масспектрометрия с висока разделителна способност (HR-MS).
Всички спектри са получени с помощта на масспектрометър Thermofischer Precision Orbitrap с ESI като източник на йонизация.Всички проби бяха приготвени с помощта на ацетонитрил като разтворител.
TLC анализът се извършва върху силициеви плочи с алуминиев субстрат.Плаките се визуализират с UV светлина (254 nm) или оцветяване с ванилин и нагряване.
Всички проби бяха анализирани с помощта на система VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK), оборудвана с автосамплер, бинарна помпа с колонна пещ и детектор с една дължина на вълната.Използва се колона ACE Equivalence 5 C18 (150 х 4.6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Шотландия).
Инжекциите (5 µl) се правят директно от разредената сурова реакционна смес (разреждане 1:10) и се анализират с вода:метанол (50:50 или 70:30), с изключение на някои проби, използвайки система от разтворители 70:30 (означена като номер на звезда) при скорост на потока от 1,5 ml/min.Колоната се поддържа при 40°С.Дължината на вълната на детектора е 254 nm.
% площта на пика на пробата се изчислява от площта на пика на остатъчния алкин, само триазоловия продукт и въвеждането на изходния материал направи възможно идентифицирането на съответните пикове.
Всички проби бяха анализирани с помощта на Thermo iCAP 6000 ICP-OES.Всички стандарти за калибриране бяха приготвени с помощта на 1000 ppm Cu стандартен разтвор в 2% азотна киселина (SPEX Certi Prep).Всички стандарти бяха приготвени в разтвор от 5% DMF и 2% HNO3 и всички проби бяха разредени 20 пъти с разтвор на проба от DMF-HNO3.
UAM използва ултразвуково заваряване на метал като метод за свързване на металното фолио, използвано за създаване на крайния монтаж.Ултразвуковото заваряване на метал използва вибриращ метален инструмент (наречен клаксон или ултразвуков клаксон), за да приложи натиск върху фолиото/предварително консолидирания слой, който трябва да бъде залепен/предварително консолидиран чрез вибриране на материала.За продължителна работа сонотродът има цилиндрична форма и се търкаля по повърхността на материала, залепвайки цялата площ.При прилагане на натиск и вибрации оксидите на повърхността на материала могат да се напукат.Постоянният натиск и вибрации могат да доведат до разрушаване на грапавостта на материала 36 .Близкият контакт с локализирана топлина и налягане след това води до твърда фазова връзка на повърхностите на материала;може също така да насърчи кохезията чрез промяна на повърхностната енергия48.Естеството на свързващия механизъм преодолява много от проблемите, свързани с променливата температура на топене и високотемпературните ефекти, споменати в други технологии за адитивно производство.Това позволява директно свързване (т.е. без модификация на повърхността, пълнители или лепила) на няколко слоя от различни материали в една консолидирана структура.
Вторият благоприятен фактор за CAM е високата степен на пластичен поток, наблюдаван в металните материали дори при ниски температури, т.е. доста под точката на топене на металните материали.Комбинацията от ултразвукови вибрации и налягане предизвиква високо ниво на локална миграция на границата на зърното и рекристализация без значителното повишаване на температурата, традиционно свързано с насипните материали.По време на създаването на крайния монтаж, този феномен може да се използва за вграждане на активни и пасивни компоненти между слоевете метално фолио, слой по слой.Елементи като оптично влакно 49, армировка 46, електроника 50 и термодвойки (тази работа) са успешно интегрирани в UAM структури за създаване на активни и пасивни композитни възли.
В тази работа бяха използвани както различни възможности за свързване на материала, така и възможности за интеркалиране на UAM, за да се създаде идеален микрореактор за каталитичен контрол на температурата.
В сравнение с паладий (Pd) и други често използвани метални катализатори, Cu катализата има няколко предимства: (i) От икономическа гледна точка Cu е по-евтин от много други метали, използвани в катализата и следователно е привлекателна опция за химическата промишленост (ii) обхватът на реакциите на кръстосано свързване, катализирани с Cu, се разширява и изглежда донякъде допълващи методологиите, базирани на Pd51, 52, 53 ( iii) Cu-катализираните реакции работят добре в отсъствието на други лиганди.Тези лиганди често са структурно прости и евтини.при желание, докато тези, използвани в Pd химията, често са сложни, скъпи и чувствителни към въздуха (iv) Cu, особено известен със способността си да свързва алкини в синтеза, като биметалното катализирано свързване на Sonogashira и циклоприсъединяването с азиди (химия с щракване) (v) Cu може също да насърчи арилирането на някои нуклеофили в реакции от типа на Ullmann.
Наскоро бяха демонстрирани примери за хетерогенизация на всички тези реакции в присъствието на Cu(0).Това до голяма степен се дължи на фармацевтичната индустрия и нарастващия фокус върху възстановяването и повторното използване на метални катализатори55,56.
Реакцията на 1,3-диполярно циклоприсъединяване между ацетилен и азид до 1,2,3-триазол, предложена за първи път от Huisgen през 1960-те години57, се счита за синергична демонстрационна реакция.Получените 1,2,3 триазолови фрагменти са от особен интерес като фармакофор при откриването на лекарства поради техните биологични приложения и използване в различни терапевтични агенти 58 .
Тази реакция получи ново внимание, когато Шарплес и други въведоха концепцията за „химия на щракването“59.Терминът „химия на кликване“ се използва за описване на стабилен и селективен набор от реакции за бърз синтез на нови съединения и комбинаторни библиотеки, използващи хетероатомно свързване (CXC)60.Синтетичната привлекателност на тези реакции се дължи на високите добиви, свързани с тях.условията са прости, устойчивостта на кислород и вода и разделянето на продукта е просто61.
Класическото 1,3-диполно циклодобавяне на Huisgen не попада в категорията „химия на щракване“.Въпреки това, Medal и Sharpless демонстрират, че това събитие на свързване на азид-алкин претърпява 107–108 в присъствието на Cu(I) в сравнение със значително ускорение в скоростта на некаталитично 1,3-диполярно циклоприсъединяване 62,63.Този усъвършенстван реакционен механизъм не изисква защитни групи или сурови реакционни условия и осигурява почти пълно превръщане и селективност към 1,4-дизаместени 1,2,3-триазоли (анти-1,2,3-триазоли) с течение на времето (фиг. 3).
Изометрични резултати от конвенционални и медно-катализирани Huisgen циклодобавки.Cu(I)-катализирани Huisgen циклоприсъединявания дават само 1,4-дизаместени 1,2,3-триазоли, докато термично индуцираните Huisgen циклоприсъединявания обикновено дават 1,4- и 1,5-триазоли 1:1 смес от азолови стереоизомери.
Повечето протоколи включват редукция на стабилни източници на Cu(II), като редукция на CuSO4 или съединението Cu(II)/Cu(0) в комбинация с натриеви соли.В сравнение с други метални катализирани реакции, използването на Cu(I) има основните предимства, че е евтин и лесен за работа.
Кинетични и изотопни изследвания от Worrell et al.65 показват, че в случай на крайни алкини, два еквивалента мед участват в активирането на реактивността на всяка молекула по отношение на азид.Предложеният механизъм протича през шестчленен меден метален пръстен, образуван от координирането на азид към σ-свързан меден ацетилид с π-свързана мед като стабилен донорен лиганд.Медните триазолилни производни се образуват в резултат на свиване на пръстена, последвано от разлагане на протони до образуване на триазолови продукти и затваряне на каталитичния цикъл.
Въпреки че предимствата на устройствата за химия на потока са добре документирани, има желание да се интегрират аналитични инструменти в тези системи за мониторинг на процеса в реално време на място66,67.UAM се оказа подходящ метод за проектиране и производство на много сложни 3D поточни реактори от каталитично активни, топлопроводими материали с директно вградени сензорни елементи (фиг. 4).
Алуминиево-меден проточен реактор, произведен чрез ултразвуково адитивно производство (UAM) със сложна вътрешна канална структура, вградени термодвойки и каталитична реакционна камера.За визуализиране на вътрешните пътища на течността е показан и прозрачен прототип, направен с помощта на стереолитография.
За да се гарантира, че реакторите са направени за бъдещи органични реакции, разтворителите трябва да бъдат безопасно нагрети над тяхната точка на кипене;те са тествани под налягане и температура.Изпитването под налягане показа, че системата поддържа стабилно и постоянно налягане дори при повишено налягане в системата (1,7 MPa).Хидростатичните тестове бяха проведени при стайна температура, като се използва H2O като течност.
Свързването на вградената (Фигура 1) термодвойка към регистратора на температурни данни показа, че температурата на термодвойката е 6 °C (± 1 °C) под програмираната температура в системата FlowSyn.Обикновено повишаването на температурата с 10°C удвоява скоростта на реакцията, така че температурна разлика от само няколко градуса може значително да промени скоростта на реакцията.Тази разлика се дължи на загубата на температура в RPV поради високата топлопроводимост на материалите, използвани в производствения процес.Този термичен дрейф е постоянен и следователно може да се вземе предвид при настройването на оборудването, за да се гарантира достигането и измерването на точни температури по време на реакцията.По този начин този онлайн инструмент за наблюдение улеснява строг контрол на реакционната температура и допринася за по-прецизно оптимизиране на процеса и разработване на оптимални условия.Тези сензори могат също да се използват за откриване на екзотермични реакции и предотвратяване на реакции на бягане в широкомащабни системи.
Реакторът, представен в тази статия, е първият пример за прилагане на технологията UAM за производството на химически реактори и адресира няколко основни ограничения, свързани понастоящем с AM/3D отпечатване на тези устройства, като: (i) Преодоляване на отбелязаните проблеми, свързани с обработката на медна или алуминиева сплав (ii) подобрена разделителна способност на вътрешния канал в сравнение с методите на топене на прахов слой (PBF), като селективно лазерно топене (SLM)25,69 Лош материален поток и ro ugh текстура на повърхността26 (iii) по-ниска температура на обработка, която улеснява директното свързване на сензори, което не е възможно в технологията на праховия слой, (v) преодоляване на лошите механични свойства и чувствителността на компонентите на полимерна основа към различни общи органични разтворители17,19.
Функционалността на реактора беше демонстрирана чрез серия от катализирани от мед реакции на циклоприсъединяване на алкиназид при условия на непрекъснат поток (фиг. 2).Ултразвуковият отпечатан меден реактор, показан на фиг.4 беше интегриран с търговска поточна система и използван за синтезиране на азидна библиотека от различни 1,4-дизаместени 1,2,3-триазоли, използвайки контролирана от температурата реакция на ацетилен и халиди на алкилова група в присъствието на натриев хлорид (фиг. 3).Използването на подхода на непрекъснат поток намалява проблемите с безопасността, които могат да възникнат при периодични процеси, тъй като тази реакция произвежда силно реактивни и опасни азидни междинни продукти [317], [318].Първоначално реакцията е оптимизирана за циклоприсъединяване на фенилацетилен и йодоетан (Схема 1 – Циклоприсъединяване на фенилацетилен и йодоетан) (виж Фиг. 5).
(Горе вляво) Схема на настройката, използвана за включване на 3DP реактор в поточна система (горе вдясно), получена от оптимизираната (долна) схема на схемата за циклоприсъединяване на Huisgen 57 между фенилацетилен и йодоетан за оптимизиране и показване на оптимизираните параметри на скоростта на преобразуване на реакцията.
Чрез контролиране на времето на престой на реагентите в каталитичната секция на реактора и внимателно следене на реакционната температура с директно интегриран сензор за термодвойка, реакционните условия могат да бъдат бързо и точно оптимизирани с минимално време и материали.Бързо беше установено, че най-високото превръщане се постига при използване на време на престой от 15 минути и реакционна температура от 150°C.Може да се види от графиката на коефициента на софтуера MODDE, че както времето на престой, така и реакционната температура се считат за важни условия на модела.Пускането на вградения оптимизатор при използване на тези избрани условия създава набор от реакционни условия, предназначени да максимизират пиковите площи на продукта, като същевременно намаляват пиковите площи на изходния материал.Тази оптимизация доведе до 53% превръщане на триазоловия продукт, което точно съвпадна с прогнозата на модела от 54%.