Hvala vam što ste posjetili Nature.com.Verzija pretraživača koju koristite ima ograničenu podršku za CSS.Za najbolje iskustvo, preporučujemo da koristite ažurirani pretraživač (ili onemogućite način kompatibilnosti u Internet Exploreru).U međuvremenu, kako bismo osigurali kontinuiranu podršku, prikazat ćemo stranicu bez stilova i JavaScripta.
Vrteška koja prikazuje tri slajda istovremeno.Koristite dugmad Prethodno i Sljedeće da se krećete kroz tri slajda odjednom ili koristite dugmad klizača na kraju da se krećete kroz tri slajda odjednom.
Aditivna proizvodnja mijenja način na koji istraživači i industrijalci dizajniraju i proizvode kemijske uređaje kako bi zadovoljili svoje specifične potrebe.U ovom radu izvještavamo o prvom primjeru protočnog reaktora formiranog ultrazvučnom aditivnom proizvodnjom (UAM) laminacije čvrstog metalnog lima s direktno integriranim katalitičkim dijelovima i senzorskim elementima.UAM tehnologija ne samo da prevazilazi mnoga ograničenja koja su trenutno povezana sa aditivnom proizvodnjom hemijskih reaktora, već i značajno proširuje mogućnosti takvih uređaja.Brojni biološki važni 1,4-disupstituirani 1,2,3-triazolni spojevi uspješno su sintetizirani i optimizirani Cu-posredovanom reakcijom 1,3-dipolarne Huisgenove cikloadicije koristeći UAM hemijsko postrojenje.Koristeći jedinstvena svojstva UAM-a i kontinuiranu obradu protoka, uređaj je u stanju katalizirati tekuće reakcije, kao i pružiti povratne informacije u realnom vremenu za praćenje i optimizaciju reakcija.
Zbog svojih značajnih prednosti u odnosu na svoj bulk pandan, hemija protoka je važno i rastuće polje i u akademskim i u industrijskim okruženjima zbog svoje sposobnosti da poveća selektivnost i efikasnost hemijske sinteze.To se proteže od formiranja jednostavnih organskih molekula1 do farmaceutskih spojeva2,3 i prirodnih proizvoda4,5,6.Više od 50% reakcija u finoj hemijskoj i farmaceutskoj industriji može imati koristi od kontinuiranog protoka7.
Posljednjih godina postoji rastući trend grupa koje žele zamijeniti tradicionalno stakleno posuđe ili opremu za protočnu hemiju prilagodljivim hemijskim „reaktorima“8.Iterativni dizajn, brza proizvodnja i trodimenzionalne (3D) mogućnosti ovih metoda su korisne za one koji žele da prilagode svoje uređaje za određeni skup reakcija, uređaja ili uslova.Do danas, ovaj rad je bio fokusiran gotovo isključivo na upotrebu tehnika 3D štampanja na bazi polimera, kao što su stereolitografija (SL)9,10,11, modeliranje fuzije taloženja (FDM)8,12,13,14 i inkjet štampa7,15., 16. Nedostatak pouzdanosti i sposobnosti ovakvih uređaja za izvođenje širokog spektra hemijskih reakcija/analiza17, 18, 19, 20 je glavni ograničavajući faktor za širu primjenu AM u ovoj oblasti17, 18, 19, 20.
Zbog sve veće upotrebe protočne hemije i povoljnih svojstava povezanih sa AM, potrebno je istražiti bolje tehnike koje će omogućiti korisnicima da proizvedu protočne reakcijske posude s poboljšanom hemijom i analitičkim sposobnostima.Ove metode bi trebale omogućiti korisnicima da izaberu iz niza materijala visoke čvrstoće ili funkcionalnih materijala koji su sposobni za rad u širokom rasponu uvjeta reakcije, kao i olakšati različite oblike analitičkog izlaza iz uređaja kako bi se omogućilo praćenje i kontrola reakcije.
Jedan proces aditivne proizvodnje koji se može koristiti za razvoj prilagođenih hemijskih reaktora je Ultrazvučna proizvodnja aditiva (UAM).Ova metoda laminiranja ploča u čvrstom stanju primjenjuje ultrazvučne vibracije na tanke metalne folije kako bi ih spojila sloj po sloj uz minimalno volumetrijsko zagrijavanje i visok stupanj plastičnog protoka 21, 22, 23. Za razliku od većine drugih AM tehnologija, UAM se može direktno integrirati sa subtraktivnom proizvodnjom, poznatom kao hibridni proizvodni proces, u kojem se periodičnom kontrolom in-situ sloja određuje periodična in-situ obrada sloja. materijal 24, 25. To znači da korisnik nije ograničen na probleme vezane za uklanjanje zaostalog originalnog građevinskog materijala iz malih tekućih kanala, što je čest slučaj u praškastim i tekućim sistemima AM26,27,28.Ova sloboda dizajna također se proteže na izbor dostupnih materijala – UAM može povezati kombinacije termički sličnih i različitih materijala u jednom koraku procesa.Izbor kombinacija materijala izvan procesa topljenja znači da se mehanički i hemijski zahtjevi specifičnih aplikacija mogu bolje zadovoljiti.Pored čvrstog vezivanja, još jedan fenomen koji se javlja kod ultrazvučnog vezivanja je visoka fluidnost plastičnih materijala na relativno niskim temperaturama29,30,31,32,33.Ova jedinstvena karakteristika UAM-a omogućava postavljanje mehaničkih/termičkih elemenata između metalnih slojeva bez oštećenja.Ugrađeni UAM senzori mogu olakšati isporuku informacija u realnom vremenu od uređaja do korisnika kroz integriranu analitiku.
Prethodni rad autora32 pokazao je sposobnost UAM procesa da stvori metalne 3D mikrofluidne strukture sa ugrađenim senzorskim sposobnostima.Ovaj uređaj služi samo u svrhu praćenja.Ovaj članak predstavlja prvi primjer mikrofluidnog kemijskog reaktora proizvedenog od strane UAM-a, aktivnog uređaja koji ne samo da kontrolira već i inducira kemijsku sintezu sa strukturno integriranim katalitičkim materijalima.Uređaj kombinuje nekoliko prednosti povezanih sa UAM tehnologijom u proizvodnji 3D hemijskih uređaja, kao što su: mogućnost pretvaranja kompletnog 3D dizajna direktno iz modela kompjuterski potpomognutog dizajna (CAD) u proizvod;Izrada od više materijala za kombinaciju visoke toplotne provodljivosti i katalitičkih materijala, kao i termičkih senzora ugrađenih direktno između tokova reaktanata za preciznu kontrolu i upravljanje temperaturom reakcije.Kako bi se demonstrirala funkcionalnost reaktora, biblioteka farmaceutski važnih 1,4-disupstituiranih 1,2,3-triazolnih spojeva sintetizirana je bakrom kataliziranom 1,3-dipolarnom Huisgen cikloadicijom.Ovaj rad naglašava kako upotreba nauke o materijalima i kompjuterski potpomognutog dizajna može otvoriti nove mogućnosti i mogućnosti za hemiju kroz interdisciplinarna istraživanja.
Svi rastvarači i reagensi su kupljeni od Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI ili Fischer Scientific i korišteni su bez prethodnog pročišćavanja.1H i 13C NMR spektri snimljeni na 400 i 100 MHz, respektivno, dobijeni su na spektrometru JEOL ECS-400 400 MHz ili spektrometru Bruker Avance II 400 MHz sa CDCl3 ili (CD3)2SO kao rastvaračem.Sve reakcije su izvedene korištenjem Uniqsis FlowSyn platforme za protočnu kemiju.
UAM je korišten za proizvodnju svih uređaja u ovoj studiji.Tehnologija je izumljena 1999. godine, a njeni tehnički detalji, radni parametri i razvoj od njenog pronalaska mogu se proučavati koristeći sljedeće objavljene materijale34,35,36,37.Uređaj (Sl. 1) je implementiran korišćenjem teškog 9 kW SonicLayer 4000® UAM sistema (Fabrisonic, Ohajo, SAD).Materijali odabrani za protočni uređaj su Cu-110 i Al 6061. Cu-110 ima visok sadržaj bakra (minimalno 99,9% bakra), što ga čini dobrim kandidatom za reakcije katalizirane bakrom i stoga se koristi kao „aktivni sloj unutar mikroreaktora.Al 6061 O se koristi kao "rasuti" materijal., kao i interkalacioni sloj koji se koristi za analizu;interkalacija pomoćnih komponenti legure i žarenog stanja u kombinaciji sa slojem Cu-110.za koje je utvrđeno da je hemijski stabilan sa reagensima korišćenim u ovom radu.Al 6061 O u kombinaciji sa Cu-110 također se smatra kompatibilnom kombinacijom materijala za UAM i stoga je prikladan materijal za ovu studiju38,42.Ovi uređaji su navedeni u tabeli 1 ispod.
Koraci izrade reaktora (1) Podloga od legure aluminijuma 6061 (2) Izrada donjeg kanala od bakarne folije (3) Umetanje termoparova između slojeva (4) Gornji kanal (5) Ulaz i izlaz (6) Monolitni reaktor.
Filozofija dizajna kanala fluida je korištenje krivudave staze kako bi se povećala udaljenost koju pređe tekućina unutar čipa uz održavanje veličine čipa kojom se može upravljati.Ovo povećanje udaljenosti je poželjno kako bi se povećalo vrijeme kontakta katalizatora i reaktanta i osigurao odličan prinos proizvoda.Čipovi koriste zavoje od 90° na krajevima ravne staze kako bi izazvali turbulentno miješanje unutar uređaja44 i povećali vrijeme kontakta tekućine s površinom (katalizatorom).Da bi se dodatno poboljšalo miješanje koje se može postići, dizajn reaktora uključuje dva ulaza za reaktante spojena u Y-vezu prije ulaska u sekciju zavojnice za miješanje.Treći ulaz, koji prelazi tok na pola puta kroz rezidenciju, uključen je u plan budućih višestepenih reakcija sinteze.
Svi kanali imaju kvadratni profil (bez uglova suženja), što je rezultat periodičnog CNC glodanja koji se koristi za kreiranje geometrije kanala.Dimenzije kanala su odabrane da obezbede visok (za mikroreaktor) zapreminski prinos, ali dovoljno mali da olakša interakciju sa površinom (katalizatorima) za većinu tečnosti koje sadrži.Odgovarajuća veličina je zasnovana na prethodnom iskustvu autora sa uređajima za reakciju metal-tečnost.Unutrašnje dimenzije završnog kanala bile su 750 µm x 750 µm, a ukupna zapremina reaktora je bila 1 ml.Ugrađeni konektor (1/4″-28 UNF navoj) je uključen u dizajn kako bi se omogućilo jednostavno povezivanje uređaja sa komercijalnom opremom za hemiju protoka.Veličina kanala je ograničena debljinom materijala folije, njegovim mehaničkim svojstvima i parametrima vezivanja koji se koriste kod ultrazvuka.Na određenoj širini za dati materijal, materijal će se „spustiti“ u stvoreni kanal.Trenutno ne postoji poseban model za ovaj proračun, tako da se maksimalna širina kanala za dati materijal i dizajn određuje eksperimentalno, u kom slučaju širina od 750 µm neće uzrokovati progib.
Oblik (kvadrat) kanala se određuje pomoću kvadratnog rezača.Oblik i veličina kanala mogu se mijenjati na CNC mašinama koristeći različite alate za sečenje kako bi se dobile različite brzine protoka i karakteristike.Primjer kreiranja zakrivljenog kanala sa alatom od 125 µm može se naći u Monaghan45.Kada se sloj folije nanosi ravno, nanošenje folijskog materijala na kanale će imati ravnu (kvadratnu) površinu.U ovom radu korištena je kvadratna kontura kako bi se očuvala simetrija kanala.
Tokom programirane pauze u proizvodnji, termoparski temperaturni senzori (tip K) se ugrađuju direktno u uređaj između gornje i donje grupe kanala (slika 1 – faza 3).Ovi termoparovi mogu kontrolirati promjene temperature od -200 do 1350 °C.
Proces taloženja metala izvodi se UAM rogom koristeći metalnu foliju širine 25,4 mm i debljine 150 mikrona.Ovi slojevi folije su povezani u niz susjednih traka kako bi pokrili cijelo područje izgradnje;veličina nanesenog materijala je veća od konačnog proizvoda jer proces oduzimanja stvara konačni čisti oblik.CNC obrada se koristi za obradu vanjskih i unutrašnjih kontura opreme, što rezultira završnom obradom površine opreme i kanala koji odgovaraju odabranom alatu i parametrima CNC procesa (u ovom primjeru, oko 1,6 µm Ra).Kontinuirano, kontinuirano ultrazvučno prskanje materijala i ciklusi obrade se koriste u toku proizvodnog procesa uređaja kako bi se osigurala tačnost dimenzija i da gotovi dio zadovoljava nivoe preciznosti CNC finog glodanja.Širina kanala koji se koristi za ovaj uređaj je dovoljno mala da se osigura da materijal folije ne „ulegne“ u kanal za tekućinu, tako da kanal ima kvadratni poprečni presjek.Moguće praznine u materijalu folije i parametre procesa UAM eksperimentalno je odredio proizvodni partner (Fabrisonic LLC, SAD).
Istraživanja su pokazala da na interfejsu 46, 47 UAM spoja postoji mala difuzija elemenata bez dodatne termičke obrade, tako da za uređaje u ovom radu sloj Cu-110 ostaje različit od sloja Al 6061 i dramatično se mijenja.
Instalirajte prethodno kalibrirani regulator povratnog pritiska (BPR) na 250 psi (1724 kPa) nizvodno od reaktora i pumpajte vodu kroz reaktor brzinom od 0,1 do 1 ml min-1.Pritisak u reaktoru je praćen pomoću FlowSyn pretvarača pritiska ugrađenog u sistem kako bi se osiguralo da sistem može održavati konstantan stabilan pritisak.Potencijalni temperaturni gradijenti u protočnom reaktoru su testirani tražeći bilo kakve razlike između termoparova ugrađenih u reaktor i termoparova ugrađenih u grijaću ploču FlowSyn čipa.To se postiže promjenom programirane temperature ploče za kuhanje između 100 i 150 °C u koracima od 25 °C i praćenjem bilo kakve razlike između programirane i zabilježene temperature.Ovo je postignuto korišćenjem tc-08 data logera (PicoTech, Cambridge, UK) i pratećeg softvera PicoLog.
Optimizirani su uslovi za reakciju cikloadicije fenilacetilena i jodoetana (Shema 1-Cikloadicija fenilacetilena i jodoetana, Shema 1-Cikloadicija fenilacetilena i jodoetana).Ova optimizacija je izvedena korištenjem pristupa potpunog faktorskog dizajna eksperimenata (DOE), koristeći temperaturu i vrijeme zadržavanja kao varijable uz fiksiranje omjera alkin:azid na 1:2.
Pripremljeni su odvojeni rastvori natrijum azida (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), jodoetana (0,25 M, DMF) i fenilacetilena (0,125 M, DMF).Alikvot od 1,5 ml svake otopine je pomiješan i pumpan kroz reaktor pri željenoj brzini protoka i temperaturi.Odziv modela je uzet kao omjer površine pika triazolnog produkta prema polaznom materijalu fenilacetilena i određen je tečnom hromatografijom visokih performansi (HPLC).Za konzistentnost analize, sve reakcije su uzete odmah nakon što je reakciona smjesa napustila reaktor.Opsezi parametara odabrani za optimizaciju prikazani su u tabeli 2.
Svi uzorci su analizirani korišćenjem Chromaster HPLC sistema (VWR, PA, USA) koji se sastoji od kvaternarne pumpe, peći na koloni, UV detektora promenljive talasne dužine i autosamplera.Kolona je bila Equivalence 5 C18 (VWR, PA, SAD), 4,6 x 100 mm, veličina čestica 5 µm, održavana na 40°C.Rastvarač je bio izokratični metanol:voda 50:50 pri brzini protoka od 1,5 ml·min-1.Zapremina ubrizgavanja bila je 5 μl, a talasna dužina detektora 254 nm.% površine pika za DOE uzorak izračunat je samo iz površina pikova zaostalih alkinskih i triazolnih proizvoda.Uvođenje početnog materijala omogućava identifikaciju odgovarajućih pikova.
Kombinacija rezultata analize reaktora sa softverom MODDE DOE (Umetrics, Malmö, Švedska) omogućila je detaljnu analizu trenda rezultata i određivanje optimalnih uslova reakcije za ovu cikloadiciju.Pokretanje ugrađenog optimizatora i odabir svih važnih termina modela stvara skup reakcionih uvjeta dizajniranih da maksimiziraju površinu vrha proizvoda dok smanjuju površinu vrha za sirovinu acetilena.
Oksidacija površine bakra u katalitičkoj reakcionoj komori je postignuta korišćenjem rastvora vodonik peroksida (36%) koji protiče kroz reakcionu komoru (brzina protoka = 0,4 ml min-1, vreme zadržavanja = 2,5 min) pre sinteze svakog jedinjenja triazola.biblioteka.
Kada je određen optimalni skup uslova, oni su primenjeni na niz derivata acetilena i haloalkana kako bi se omogućila kompilacija male biblioteke sinteze, čime je uspostavljena mogućnost primene ovih uslova na širi spektar potencijalnih reagenasa (slika 1).2).
Pripremite odvojene rastvore natrijum azida (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), haloalkana (0,25 M, DMF) i alkina (0,125 M, DMF).Alikvoti od 3 ml svakog rastvora su pomešani i pumpani kroz reaktor brzinom od 75 µl/min i temperaturom od 150°C.Cijeli volumen je sakupljen u bočicu i razrijeđen sa 10 ml etil acetata.Rastvor uzorka je ispran sa 3 x 10 ml vode.Vodeni slojevi su kombinovani i ekstrahovani sa 10 ml etil acetata, zatim su organski slojevi kombinovani, isprani sa 3×10 ml slanog rastvora, osušeni preko MgSO 4 i filtrirani, zatim je rastvarač uklonjen u vakuumu.Uzorci su prečišćeni hromatografijom na koloni silika gela korišćenjem etil acetata pre analize kombinacijom HPLC, 1H NMR, 13C NMR i masene spektrometrije visoke rezolucije (HR-MS).
Svi spektri su dobijeni korišćenjem Thermofischer Precision Orbitrap masenog spektrometra sa ESI kao izvorom jonizacije.Svi uzorci su pripremljeni korišćenjem acetonitrila kao rastvarača.
TLC analiza je izvedena na pločama od silicijum dioksida sa aluminijumskom podlogom.Ploče su vizualizirane UV svjetlom (254 nm) ili vanilin bojenjem i zagrijavanjem.
Svi uzorci su analizirani pomoću VWR Chromaster sistema (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) opremljenog autosamplerom, binarnom pumpom sa peći na koloni i jednim detektorom talasne dužine.Korištena je ACE Equivalence 5 C18 kolona (150 x 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Škotska).
Injekcije (5 µl) su napravljene direktno iz razrijeđene sirove reakcione smjese (razrijeđenje 1:10) i analizirane s vodom:metanolom (50:50 ili 70:30), osim za neke uzorke koristeći sistem rastvarača 70:30 (označen kao zvijezda) pri brzini protoka od 1,5 ml/min.Kolona je držana na 40°C.Talasna dužina detektora je 254 nm.
% površine pika uzorka izračunato je iz površine pika zaostalog alkina, samo triazolnog proizvoda, a uvođenje početnog materijala omogućilo je identifikaciju odgovarajućih pikova.
Svi uzorci su analizirani pomoću Thermo iCAP 6000 ICP-OES.Svi standardi za kalibraciju pripremljeni su upotrebom standardnog rastvora Cu od 1000 ppm u 2% azotnoj kiselini (SPEX Certi Prep).Svi standardi su pripremljeni u rastvoru 5% DMF i 2% HNO3, a svi uzorci su razblaženi 20 puta sa rastvorom uzorka DMF-HNO3.
UAM koristi ultrazvučno zavarivanje metala kao metodu spajanja metalne folije koja se koristi za izradu konačnog sklopa.Ultrazvučno zavarivanje metala koristi vibrirajući metalni alat (koji se naziva rog ili ultrazvučni rog) da izvrši pritisak na foliju/prethodno konsolidovani sloj koji treba da se zalepi/prethodno konsoliduje vibriranjem materijala.Za kontinuirani rad, sonotroda ima cilindrični oblik i kotrlja se po površini materijala, lijepeći cijelo područje.Kada se primjenjuju pritisak i vibracije, oksidi na površini materijala mogu pucati.Stalni pritisak i vibracije mogu dovesti do uništenja hrapavosti materijala 36 .Bliski kontakt sa lokalizovanom toplotom i pritiskom tada dovodi do čvrste fazne veze na sučeljima materijala;također može promovirati koheziju promjenom površinske energije48.Priroda mehanizma vezivanja prevazilazi mnoge probleme povezane sa varijabilnom temperaturom topljenja i efektima visoke temperature koji se spominju u drugim tehnologijama proizvodnje aditiva.Ovo omogućava direktno povezivanje (tj. bez modifikacije površine, punila ili lepkova) više slojeva različitih materijala u jednu konsolidovanu strukturu.
Drugi povoljan faktor za CAM je visok stepen plastičnog tečenja uočen u metalnim materijalima čak i na niskim temperaturama, tj. znatno ispod tačke topljenja metalnih materijala.Kombinacija ultrazvučnih vibracija i pritiska uzrokuje visok nivo lokalne migracije granica zrna i rekristalizacije bez značajnog povećanja temperature koje je tradicionalno povezano sa rasutim materijalima.Tokom izrade završnog sklopa, ovaj fenomen se može koristiti za ugradnju aktivnih i pasivnih komponenti između slojeva metalne folije, sloj po sloj.Elementi kao što su optičko vlakno 49, armatura 46, elektronika 50 i termoparovi (ovaj rad) uspješno su integrirani u UAM strukture za stvaranje aktivnih i pasivnih kompozitnih sklopova.
U ovom radu korištene su i različite sposobnosti vezivanja materijala i mogućnosti interkalacije UAM-a za stvaranje idealnog mikroreaktora za katalitičku kontrolu temperature.
U poređenju sa paladijumom (Pd) i drugim često korišćenim metalnim katalizatorima, Cu kataliza ima nekoliko prednosti: (i) Ekonomski, Cu je jeftiniji od mnogih drugih metala koji se koriste u katalizi i stoga je atraktivna opcija za hemijsku industriju (ii) opseg reakcija unakrsnog spajanja katalizovanih Cu širi se i čini se da je 53-255 55 5 5 5 5 5 5 (iii) Cu-katalizovane reakcije dobro rade u odsustvu drugih liganada.Ovi ligandi su često strukturno jednostavni i jeftini.ako se želi, dok su oni koji se koriste u hemiji Pd često složeni, skupi i osjetljivi na zrak (iv) Cu, posebno poznat po svojoj sposobnosti da veže alkine u sintezi, kao što je Sonogashirino bimetalno katalizirano spajanje i cikloadicija sa azidima (kemija klika) (v) Kufijanska reakcija u nekim U-tipovima također može promovirati
Nedavno su prikazani primjeri heterogenizacije svih ovih reakcija u prisustvu Cu(0).To je uglavnom zbog farmaceutske industrije i sve većeg fokusa na obnavljanje i ponovnu upotrebu metalnih katalizatora55,56.
1,3-dipolarna cikloadicijska reakcija između acetilena i azida na 1,2,3-triazol, koju je prvi predložio Huisgen 1960-ih57, smatra se sinergističkom pokaznom reakcijom.Rezultirajući 1,2,3 triazolni fragmenti su od posebnog interesa kao farmakofor u otkrivanju lijekova zbog njihove biološke primjene i upotrebe u različitim terapeutskim agensima 58 .
Ova reakcija je ponovo privukla pažnju kada su Sharpless i drugi uveli koncept „kemije klika“59.Termin „klik hemija“ koristi se za opisivanje robusnog i selektivnog skupa reakcija za brzu sintezu novih jedinjenja i kombinatornih biblioteka koristeći heteroatomsko povezivanje (CXC)60.Sintetička privlačnost ovih reakcija je zbog visokih prinosa povezanih s njima.uvjeti su jednostavni, otpornost na kisik i vodu, a odvajanje proizvoda je jednostavno61.
Klasična 1,3-dipolna Huisgenova cikloadicija ne spada u kategoriju "kemije klika".Međutim, Medal i Sharpless su pokazali da ovaj događaj spajanja azida i alkina prolazi kroz 107–108 u prisustvu Cu(I) u poređenju sa značajnim ubrzanjem u stopi nekatalitičke 1,3-dipolarne cikloadicije 62,63.Ovaj napredni reakcioni mehanizam ne zahteva zaštitne grupe ili teške uslove reakcije i obezbeđuje skoro potpunu konverziju i selektivnost na 1,4-disupstituisane 1,2,3-triazole (anti-1,2,3-triazole) tokom vremena (slika 3).
Izometrijski rezultati konvencionalnih Huisgenovih cikloadicija kataliziranih bakrom.Huisgenove cikloadicije katalizirane Cu(I) daju samo 1,4-disupstituirane 1,2,3-triazole, dok termički inducirane Huisgenove cikloadicije tipično daju 1,4- i 1,5-triazolima mješavinu 1:1 azolnih stereoizomera.
Većina protokola uključuje redukciju stabilnih izvora Cu(II), kao što je redukcija CuSO4 ili jedinjenja Cu(II)/Cu(0) u kombinaciji sa natrijumovim solima.U poređenju sa drugim reakcijama kataliziranim metalom, upotreba Cu(I) ima glavne prednosti u tome što je jeftina i laka za rukovanje.
Kinetičke i izotopske studije Worrell et al.65 su pokazali da su u slučaju terminalnih alkina dva ekvivalenta bakra uključena u aktiviranje reaktivnosti svakog molekula u odnosu na azid.Predloženi mehanizam se odvija kroz šestočlani bakarni metalni prsten formiran koordinacijom azida sa σ-vezanim bakrenim acetilidom sa π-vezanim bakrom kao stabilnim donorskim ligandom.Derivati ​​bakrenog triazolila nastaju kao rezultat kontrakcije prstena praćenog razgradnjom protona kako bi se formirali triazolni produkti i zatvorio katalitički ciklus.
Dok su prednosti uređaja za hemiju protoka dobro dokumentovane, postojala je želja da se integrišu analitički alati u ove sisteme za praćenje procesa u realnom vremenu na licu mesta66,67.UAM se pokazao kao pogodna metoda za projektovanje i proizvodnju veoma složenih 3D protočnih reaktora od katalitički aktivnih, toplotno provodljivih materijala sa direktno ugrađenim senzorskim elementima (slika 4).
Aluminij-bakar protočni reaktor proizveden od strane ultrazvučne aditivne proizvodnje (UAM) sa složenom unutrašnjom strukturom kanala, ugrađenim termoparovima i komorom za katalitičku reakciju.Za vizualizaciju unutrašnjih puteva fluida, prikazan je i transparentni prototip napravljen stereolitografijom.
Da bi se osiguralo da su reaktori napravljeni za buduće organske reakcije, rastvarači moraju biti bezbedno zagrejani iznad tačke ključanja;testirani su na pritisak i temperaturu.Ispitivanje pritiska pokazalo je da sistem održava stabilan i konstantan pritisak čak i pri povišenom pritisku u sistemu (1,7 MPa).Hidrostatički testovi su izvedeni na sobnoj temperaturi koristeći H2O kao tečnost.
Povezivanje ugrađenog (Slika 1) termoelementa na registrator podataka o temperaturi pokazalo je da je temperatura termoelementa 6 °C (± 1 °C) ispod programirane temperature u sistemu FlowSyn.Tipično, povećanje temperature od 10°C udvostručuje brzinu reakcije, tako da temperaturna razlika od samo nekoliko stupnjeva može značajno promijeniti brzinu reakcije.Ova razlika je zbog gubitka temperature kroz RPV zbog visoke toplotne difuzije materijala koji se koriste u procesu proizvodnje.Ovaj termalni pomak je konstantan i stoga se može uzeti u obzir pri postavljanju opreme kako bi se osiguralo postizanje i mjerenje tačnih temperatura tokom reakcije.Dakle, ovaj online alat za praćenje olakšava strogu kontrolu temperature reakcije i doprinosi preciznijoj optimizaciji procesa i razvoju optimalnih uslova.Ovi senzori se također mogu koristiti za otkrivanje egzotermnih reakcija i sprječavanje odbjeglih reakcija u sistemima velikih razmjera.
Reaktor predstavljen u ovom radu je prvi primjer primjene UAM tehnologije u proizvodnji kemijskih reaktora i rješava nekoliko glavnih ograničenja koja su trenutno povezana s AM/3D printanjem ovih uređaja, kao što su: (i) Prevazilaženje uočenih problema povezanih s obradom bakra ili legure aluminija (ii) poboljšana rezolucija unutarnjeg kanala u odnosu na rezoluciju unutarnjeg kanala u usporedbi s praškastim slojem topljenja materijala (PBLM2) ugh površinske teksture26 (iii) niža temperatura obrade, što olakšava direktno povezivanje senzora, što nije moguće u tehnologiji praškastog sloja, (v) prevazilaženje loših mehaničkih svojstava i osjetljivosti komponenata na bazi polimera na različite uobičajene organske rastvarače17,19.
Funkcionalnost reaktora je demonstrirana nizom reakcija cikloadicije alkinazida kataliziranih bakrom u uvjetima kontinuiranog protoka (slika 2).Ultrazvučni štampani bakarni reaktor prikazan na sl.4 je integrisan sa komercijalnim protočnim sistemom i korišćen za sintetizaciju biblioteke azida različitih 1,4-disupstituisanih 1,2,3-triazola korišćenjem temperaturno kontrolisane reakcije acetilena i halogenida alkilne grupe u prisustvu natrijum hlorida (slika 3).Upotreba pristupa kontinuiranog protoka smanjuje sigurnosne probleme koji se mogu pojaviti u šaržnim procesima, budući da ova reakcija proizvodi visoko reaktivne i opasne azidne intermedijere [317], [318].U početku je reakcija optimizirana za cikloadiciju fenilacetilena i jodoetana (Shema 1 – Cikloadicija fenilacetilena i jodoetana) (vidi sliku 5).
(Gornje lijevo) Šema podešavanja koja se koristi za ugradnju 3DP reaktora u sistem protoka (gore desno) dobijena iz optimizirane (donje) sheme Huisgen 57 cikloadicione šeme između fenilacetilena i jodoetana za optimizaciju i prikazivanje optimiziranih parametara stope konverzije reakcije.
Kontrolom vremena zadržavanja reaktanata u katalitičkom dijelu reaktora i pažljivim praćenjem temperature reakcije direktno integriranim senzorom termoelementa, uvjeti reakcije mogu se brzo i precizno optimizirati uz minimalno vrijeme i materijale.Brzo je utvrđeno da je najveća konverzija postignuta korištenjem vremena zadržavanja od 15 minuta i temperature reakcije od 150°C.Iz dijagrama koeficijenta MODDE softvera može se vidjeti da se i vrijeme zadržavanja i temperatura reakcije smatraju važnim uvjetima modela.Pokretanje ugrađenog optimizatora koristeći ove odabrane uslove stvara skup reakcionih uslova dizajniranih da maksimiziraju vršne površine proizvoda uz smanjenje vršnih površina početnog materijala.Ova optimizacija je dala konverziju od 53% triazolnog proizvoda, što je tačno odgovaralo predviđanju modela od 54%.