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 isključite način kompatibilnosti u Internet Exploreru). U međuvremenu, kako bismo osigurali kontinuiranu podršku, prikazat ćemo stranicu bez stilova i JavaScripta.
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 tehnikom laminiranja metalnih limova u čvrstom stanju. Ultrazvučna aditivna proizvodnja (UAM) s direktno integriranim katalitičkim dijelovima i senzorskim elementima. mogućnosti takvih uređaja. Niz biološki važnih 1,4-disupstituiranih 1,2,3-triazolnih jedinjenja uspješno je sintetiziran i optimiziran reakcijom cikloadicije Huisgen 1,3-dipolarne cikloadicije koju posreduje Cu koristeći UAM kemijsku postavku. Iskorištavanjem jedinstvenih svojstava UAM-a, uređaj također omogućava praćenje stvarnog protoka reakcije u vremenu obrade, a uređaj omogućava i kontinuirani tok reakcije. i optimizacija.
Zbog svojih značajnih prednosti u odnosu na svoju masivnu kolekciju, hemija protoka je važno i rastuće polje i u akademskim i u industrijskim okruženjima zbog svoje sposobnosti da poveća selektivnost i efikasnost hemijske sinteze. Ovo se proteže od jednostavnog formiranja organskih molekula1 do farmaceutskih jedinjenja2,3 i prirodnih proizvoda4,5,6.Više od 50% reakcija u finoj hemijskoj i farmaceutskoj industriji može imati koristi od upotrebe kontinuirane protočne obrade7.
Posljednjih godina postoji rastući trend grupa koje žele zamijeniti tradicionalno stakleno posuđe ili opremu za protočnu hemiju prilagodljivim "reakcionim posudama" za hemijsku proizvodnju aditiva (AM)8. Iterativni dizajn, brza proizvodnja i 3-dimenzionalne (3D) mogućnosti ovih tehnika su korisne za one koji žele prilagoditi svoje uređaje za reagovanje, da bi se fokusirali na gotovo ekskluzivne uslove rada na određenim uređajima. Tehnike 3D štampanja na bazi polimera kao što su stereolitografija (SL)9,10,11, modeliranje fuzije taloženja (FDM)8,12,13,14 i inkjet štampa 7, 15, 16. Nedostatak robusnosti i sposobnosti ovakvih uređaja da izvode širok spektar hemijskih reakcija/analiza, šira granica implementacije 19 u ovom polju, je široko ograničenje2 faktora primene2017 u polju. 17, 18, 19, 20 .
Zbog sve veće upotrebe kemije protoka i povoljnih svojstava povezanih s AM, postoji potreba da se istraže naprednije tehnike koje omogućavaju korisnicima da proizvedu protočne reakcijske posude s poboljšanim hemijskim i analitičkim sposobnostima. Ove tehnike bi trebale omogućiti korisnicima da biraju iz niza vrlo robusnih ili funkcionalnih materijala koji mogu podnijeti širok raspon reakcijskih uvjeta, a istovremeno omogućavaju analitički i lakši nadzor nad različitim oblicima uređaja za reakciju.
Jedan proces aditivne proizvodnje koji ima potencijal za razvoj hemijskih reaktora po narudžbi je Ultrazvučna proizvodnja aditiva (UAM). Ova tehnika laminiranja ploča u čvrstom stanju primjenjuje ultrazvučne oscilacije na tanke metalne folije kako bi se spojile sloj po sloj uz minimalno zagrijavanje i visok stepen plastičnog protoka 21 , 22 . hibridni proizvodni proces, u kojem in situ periodična kompjuterska numerička kontrola (CNC) glodanje ili laserska obrada definiše neto oblik sloja vezanog materijala 24, 25. To znači da korisnik nije ograničen problemima povezanim sa uklanjanjem zaostalog sirovog materijala iz malih fluidnih kanala, što je često slučaj sa prahom i tečnim materijalom, takođe može proširiti slobodu izbora materijala u prahu,27 i AM28. termički slične i različite kombinacije materijala u jednom koraku procesa. Izbor kombinacija materijala izvan procesa topljenja znači da se mehanički i kemijski zahtjevi specifičnih primjena mogu bolje zadovoljiti. Osim čvrstog vezivanja, još jedan fenomen koji se susreće tokom ultrazvučnog spajanja je visok protok plastičnih materijala na relativno niskim temperaturama29,30,30,31,32, ovaj jedinstveni metalni sloj može olakšati mehaničko spajanje sloja U-sloja. i bez oštećenja. UAM ugrađeni 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 integrisanim senzorskim mogućnostima. Ovo je uređaj samo za praćenje. Ovaj rad predstavlja prvi primjer mikrofluidnog hemijskog reaktora koji je proizveo UAM;aktivni uređaj koji ne samo da prati, već i inducira hemijsku sintezu kroz strukturno integrisane katalizatorske materijale. Uređaj kombinuje nekoliko prednosti povezanih sa UAM tehnologijom u proizvodnji 3D hemijskih uređaja, kao što su: mogućnost pretvaranja potpunih 3D dizajna direktno iz modela kompjuterski potpomognutog dizajna (CAD) u proizvode;izrada od više materijala za kombinovanje visoke toplotne provodljivosti i katalitičkih materijala;i ugrađivanje termalnih senzora direktno između tokova reagensa za precizno praćenje i kontrolu temperature reakcije. Da bi se demonstrirala funkcionalnost reaktora, biblioteka farmaceutski važnih 1,4-disupstituiranih 1,2,3-triazolnih spojeva sintetizirana je bakrom kataliziranim Huisgenovim 1,3-dipolarnim materijalom. mogućnosti i mogućnosti za hemiju kroz multidisciplinarna istraživanja.
Svi rastvarači i reagensi su kupljeni od Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI ili Fischer Scientific i korišćeni su bez prethodnog prečišćavanja. 1H i 13C NMR spektri snimljeni na 400 MHz i 100 MHz, respektivno, dobijeni su korišćenjem JEOL ECS-400 400 400 MHz amplitrametra i 400 MHz aspectrometra CDlC1 3 ili (CD3)2SO kao rastvarač. Sve reakcije su izvedene korišćenjem Uniqsis FlowSyn platforme za protočnu hemiju.
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 se mogu proučavati kroz sljedeće objavljene materijale34,35,36,37. Uređaj (Slika 1) je implementiran korištenjem ultra-visoke snage, 9kW SonicLayer 4000, Fabrication® Cu- OH sistem je odabran od materijala od tkanine. 110 i Al 6061.Cu-110 imaju visok sadržaj bakra (minimalno 99,9% bakra), što ga čini dobrim kandidatom za reakcije katalizirane bakrom, te se stoga koristi kao „aktivni sloj unutar mikroreaktora.Al 6061 O se koristi kao "rasuti" materijal, takođe i Embedding sloj koji se koristi za analizu;Ugradnja pomoćne komponente legure i stanje žarenja u kombinaciji sa slojem Cu-110.Al 6061 O je materijal za koji se pokazalo da je visoko kompatibilan s UAM procesima38, 39, 40, 41 te je testiran i utvrđeno da je kemijski stabilan s reagensima korištenim u ovom radu.Kombinacija Al 6061 O sa Cu-110 se također smatra kompatibilnom kombinacijom materijala za UAM i stoga je prikladan materijal za ovu studiju.38,42 Ovi uređaji su navedeni u tabeli 1 ispod.
Faze izrade reaktora (1) Al 6061 supstrat (2) Izrada donjeg kanala postavljenog na bakarnu foliju (3) Ugradnja termoparova između slojeva (4) Gornji kanal (5) Ulaz i izlaz (6) Monolitni reaktor.
Filozofija dizajna putanje fluida je da se koristi zakrivljena staza za povećanje udaljenosti fluida koji putuje unutar čipa, uz zadržavanje čipa na kontrolisanoj veličini. Ovo povećanje udaljenosti je poželjno za povećanje vremena interakcije katalizatora/reagensa i pružanje odličnih prinosa proizvoda. Čipovi koriste zavoje od 90° na krajevima ravne staze s površinom4 za povećanje vremena kontakta sa turbulskom 4 uređaja za povećanje vremena kontakta 4 fluida. st). Kako bi se dodatno povećalo miješanje koje se može postići, dizajn reaktora ima dva ulaza za reagense spojena na Y-spojnici prije ulaska u serpentinasti dio za miješanje. Treći ulaz, koji siječe tok na pola puta kroz njegovu rezidenciju, uključen je u dizajn budućih višestepenih reakcijskih sinteza.
Svi kanali imaju kvadratni profil (bez uglova promaja), rezultat periodičnog CNC glodanja koji se koristi za kreiranje geometrije kanala. Dimenzije kanala su odabrane da obezbede visok (za mikroreaktor) izlaz zapremine, dok su dovoljno male da olakšaju površinske interakcije (katalizatori) za većinu sadržanih fluida. x 750 µm, a ukupna zapremina reaktora bila je 1 ml. Integrisani 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 kreirani kanal.Trenutno ne postoji poseban model za ovaj proračun, pa se maksimalna širina kanala za dati materijal i dizajn određuje eksperimentalno;u ovom slučaju, širina od 750 μm neće uzrokovati progib.
Oblik (kvadrat) kanala se određuje pomoću kvadratnog rezača. Oblik i veličinu kanala mogu se mijenjati CNC mašinama koristeći različite alate za rezanje kako bi se dobile različite brzine protoka i karakteristike. Primjer kreiranja kanala zakrivljenog oblika pomoću alata od 125 μm može se naći u radu Monaghan45. Kada se folijski sloj nanese na plosnati sloj od kvalitativnog kanala, sloj će se nanijeti preko ravnog planarnog kanala. .U ovom radu, kako bi se održala simetrija kanala, korišten je kvadratni obris.
Tokom unapred programirane pauze u proizvodnji, termoelementne temperaturne sonde (Tip K) su ugrađene direktno u uređaj između gornje i donje grupe kanala (Slika 1 – Faza 3). Ovi termoparovi mogu pratiti promene 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 spojeni u niz susjednih traka kako bi pokrili cijelo područje izgradnje;veličina nanesenog materijala je veća od konačnog proizvoda jer proces oduzimanja daje konačni oblik mreže. CNC obrada se koristi za obradu vanjskih i unutrašnjih kontura opreme, što rezultira završnom obradom površine opreme i kanala jednakom odabranom alatu i parametrima CNC procesa (približno 1,6 μm Ra u ovom primjeru). Preciznost se održava i gotovi dio će zadovoljiti nivoe tačnosti CNC završnog glodanja. Širina kanala koji se koristi za ovaj uređaj je dovoljno mala da osigura da materijal folije ne "uliježe" u kanal tekućine, tako da kanal održava kvadratni poprečni presjek. Moguće praznine u materijalu folije i parametre procesa UAM eksperimentalno je odredio proizvodni partner (Fabrisonic LLC, SAD).
Istraživanja su pokazala da se mala elementarna difuzija javlja na spoju UAM vezivanja 46, 47 bez dodatne termičke obrade, tako da za uređaje u ovom radu sloj Cu-110 ostaje različit od sloja Al 6061 i naglo se mijenja.
Instalirajte prethodno kalibrirani regulator povratnog pritiska (BPR) od 250 psi (1724 kPa) na izlaz iz reaktora i pumpajte vodu kroz reaktor brzinom od 0,1 do 1 mL min-1. Pritisak u reaktoru je praćen korištenjem FlowSyn ugrađenog senzora tlaka u sistemu kako bi se provjerilo da li sistem može održavati bilo koji nivo temperaturnog protoka putem bilo kojeg testnog gradijenta. između termoparova ugrađenih u reaktor i onih koji su ugrađeni u grijaću ploču sa čipom FlowSyn. Ovo se postiže variranjem programabilne temperature grijaće ploče između 100 i 150 °C u koracima od 25 °C i uočavanjem bilo kakvih razlika između programiranih i zabilježenih temperatura. oLog softver.
Uvjeti reakcije cikloadicije fenilacetilena i jodoetana su optimizirani (Shema 1- Cikloadicija fenilacetilena i jodoetana, shema 1- Cikloadicija fenilacetilena i jodoetana). kine:azid odnos 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 svakog rastvora je pomešan i pumpan kroz reaktor, a brzina protoka proizvoda je uzeta na željenu temperaturu pe azola. henilacetilen polazni materijal i određen tečnom hromatografijom visokih performansi (HPLC). Za konzistentnost analize, sve reakcije su uzorkovane neposredno nakon što je reakciona smeša napustila reaktor. Opsezi parametara odabrani za optimizaciju prikazani su u tabeli 2.
Svi uzorci su analizirani pomoću Chromaster HPLC sistema (VWR, PA, USA) koji se sastoji od kvaternarne pumpe, peći na koloni, UV detektora varijabilne talasne dužine i autosamplera. Kolona je bila Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA), veličine 4,6 × 100 mm, 5 µm, veličina čestice je 5 µm, održavana je na 0 0°C. tanol:voda pri brzini protoka od 1,5 mL.min-1. Volumen ubrizgavanja je bio 5 µL, a talasna dužina detektora je bila 254 nm.% površine pika za DOE uzorak je izračunato iz površina pikova samo rezidualnih alkinskih i triazolnih proizvoda. Injekcija polaznog materijala omogućava identifikaciju relevantnog vrha.
Povezivanje izlazne analize reaktora sa softverom MODDE DOE (Umetrics, Malmö, Švedska) omogućilo je detaljnu analizu trendova rezultata i određivanje optimalnih reakcionih uslova za ovu cikloadiciju. Pokretanje ugrađenog optimizatora i odabir svih važnih termina modela daje skup reakcionih uslova dizajniranih da maksimiziraju vršnu površinu proizvoda uz smanjenje početne površine acetila.
Oksidacija površinskog bakra unutar katalitičke reakcione komore je postignuta korišćenjem rastvora vodonik peroksida (36%) koji teče kroz reakcionu komoru (brzina protoka = 0,4 mL min-1, vreme zadržavanja = 2,5 min) pre sinteze svake biblioteke triazolnih jedinjenja.
Kada je identificiran optimalni skup uslova, oni su primijenjeni na niz derivata acetilena i haloalkana kako bi se omogućila kompilacija sinteze male biblioteke, čime je uspostavljena sposobnost primjene ovih uslova na širi raspon 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 na 75 µL. L etil acetata. Rastvor uzorka je ispran sa 3 × 10 mL vode. Vodeni slojevi su kombinovani i ekstrahovani sa 10 mL etil acetata;organski slojevi su zatim kombinovani, isprani sa 3 x 10 mL slane vode, osušeni preko MgSO4 i filtrirani, a 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 visoke rezolucije mase HR.
Svi spektri su dobijeni korišćenjem Thermofischer preciznog Orbitrap rezolucionog 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 vizualizovane UV svetlom (254 nm) ili vanilin bojenjem i zagrevanjem.
Svi uzorci su analizirani korišćenjem VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) sistema opremljenog autosamplerom, binarnom pumpom za pećnicu i detektorom jedne talasne dužine. Korišćena kolona je bila ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4,6 mm, Advanced Chromatography, Acoberland Technologies, Scoberland Ltd.).
Injekcije (5 µL) su napravljene direktno iz razrijeđene sirove reakcione smjese (razrjeđenje 1:10) i analizirane sa voda:metanol (50:50 ili 70:30), osim za neke uzorke korištenjem sistema rastvarača 70:30 (označenog kao zvijezda) pri brzini protoka od 1,5 mL/min. Kolona je držana na g.4 m/min. 4 n/min.
% površine pika uzorka izračunato je iz površine vrha zaostalog alkina, samo triazolnog proizvoda, a ubrizgavanje početnog materijala omogućilo je identifikaciju relevantnih pikova.
Svi uzorci su analizirani pomoću Thermo iCAP 6000 ICP-OES. Svi standardi za kalibraciju pripremljeni su korištenjem standardne otopine Cu od 1000 ppm u 2% azotnoj kiselini (SPEX Certi Prep). Svi standardi su pripremljeni u 5% DMF i 2% otopini HNO3, a svi uzorci su razrijeđeni u 20-strukom rastvoru DMF-HNO3.
UAM koristi ultrazvučno zavarivanje metala kao tehniku ​​vezivanja za materijal metalne folije koji se koristi za izradu završnog sklopa. Ultrazvučno zavarivanje metala koristi vibrirajući metalni alat (koji se naziva rog ili ultrazvučni rog) za pritisak na sloj folije/prethodno konsolidovani sloj koji treba zalijepiti, dok je kontinuirano vibriranje površine materijala, tako da se kontinuirano kotrlja materijal. spajanje cijelog područja. Kada se primjenjuju pritisak i vibracije, oksidi na površini materijala mogu pucati. Kontinuirani pritisak i vibracije mogu uzrokovati kolaps neravnina materijala 36 .Intimni kontakt s lokalno indukovanom toplinom i pritiskom zatim dovodi do čvrstog vezivanja na sučeljima materijala;također može pomoći prianjanju kroz promjene u površinskoj energiji48. Priroda mehanizma vezivanja prevladava mnoge probleme povezane s promjenjivom temperaturom topljenja i posljedicama visoke temperature koje se spominju u drugim tehnikama aditivne proizvodnje. Ovo omogućava direktno spajanje (tj. bez modifikacije površine, punila ili ljepila) više slojeva različitih materijala u jednu konsolidovanu strukturu.
Drugi povoljan faktor za UAM je visok stepen plastičnog tečenja uočen u metalnim materijalima, čak i na niskim temperaturama, tj. znatno ispod tačke topljenja metalnih materijala. Kombinacija ultrazvučne oscilacije i pritiska indukuje visoke nivoe lokalne migracije granice zrna i rekristalizacije bez velikog povećanja temperature koje je tradicionalno povezano sa rasutim materijalima. Tokom izgradnje ovog sloja aktivne komponente se mogu eksploatisati do konačne montaže sloja. slojevi metalne folije, sloj po sloj. Elementi kao što su optička vlakna 49, ojačanja 46, elektronika 50 i termoparovi (ovaj rad) su svi uspješno ugrađeni u UAM strukture za stvaranje aktivnih i pasivnih kompozitnih sklopova.
U ovom radu, i različite mogućnosti vezivanja materijala i interkalacije UAM-a su korištene za stvaranje vrhunskog mikroreaktora za praćenje katalitičke temperature.
U poređenju s 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 industriju hemijske prerade (ii) Opseg reakcija unakrsnog spajanja kataliziranih Cu se povećava i čini se da je metoda unakrsnog spajanja katalizovana Cu u porastu i čini se da je 55 5. ii) Cu katalizirane reakcije dobro funkcionišu 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, Na primjer, bimetaliziranim i ciklikaliziranim adioksidom click chemistry) (v)Cu je također u stanju promovirati arilaciju nekoliko nukleofila u reakcijama tipa Ullmann.
Primjeri heterogenizacije svih ovih reakcija nedavno su demonstrirani u prisutnosti Cu(0). To je uglavnom zbog farmaceutske industrije i sve većeg fokusa na obnavljanje i ponovnu upotrebu metalnih katalizatora55,56.
Pionir Huisgen-a 1960-ih57, reakcija 1,3-dipolarne cikloadicije između acetilena i azida na 1,2,3-triazol se smatra sinergističkom demonstracijskom reakcijom. Rezultirajući 1,2,3 triazolni dijelovi su od posebnog interesa kao farmakofori jer njihova upotreba u različitim biološkim primjenama lijeka58.
Ova reakcija je ponovo došla u fokus kada su Sharpless i drugi uveli koncept "kemije klika"59. Termin "kemija klika" koristi se za opisivanje robusnog, pouzdanog i selektivnog skupa reakcija za brzu sintezu novih jedinjenja i kombinatornih biblioteka putem heteroatomske veze (CXC)60. parcija je jednostavna61.
Klasična Huisgenova 1,3-dipolna cikloadicija ne spada u kategoriju "kemije klika". Međutim, Medal i Sharpless su pokazali da ovaj događaj spajanja azida i alkina prolazi kroz 107 do 108 u prisustvu Cu(I) u poređenju sa nekataliziranom 1,3-dipolnom reakcijom, ovaj mehanizam ne zahtijeva značajno ubrzanje 1,3-dipolarne reakcije. zaštitne grupe ili oštre reakcione uslove i daje skoro potpunu konverziju i selektivnost na 1,4-disupstituisane 1,2,3-triazole (anti-1,2,3-triazol) na vremenskoj skali (Slika 3).
Izometrijski rezultati konvencionalnih i bakrom kataliziranih Huisgenovih cikloadicija. Cu(I)-katalizirane Huisgenove cikloadicije daju samo 1,4-disupstituirane 1,2,3-triazole, dok termički inducirane Huisgenove cikloadicije tipično daju mješavinu 1,15-triazola 1,14- i stereoizazola.
Većina protokola uključuje redukciju stabilnih Cu(II) izvora, kao što je redukcija CuSO4 ili Cu(II)/Cu(0) vrsta u kombinaciji sa natrijumovim solima. U poređenju sa drugim reakcijama katalizovanim metalom, upotreba Cu(I) ima glavne prednosti u tome što je jeftina i laka za rukovanje.
Kinetičko i izotopsko označavanje studija Worrell et al.65 je pokazao da, u slučaju terminalnih alkina, dva ekvivalenta bakra su uključena u aktiviranje reaktivnosti svake molekule prema azidu. Predloženi mehanizam se odvija kroz šestočlani bakarni metalni prsten formiran koordinacijom azida na σ-vezani bakar acetilid sa π-vezanim bakrenim acetilidom sa π-vezanim bakarnim derivatom koji se formira sa π-vezanim derivatom bakra. starosti, nakon čega slijedi protonska razgradnja kako bi se dobili triazolni produkti i zatvorio katalitički ciklus.
Iako su prednosti uređaja za hemiju protoka dobro dokumentovane, postojala je želja da se integrišu analitički alati u ove sisteme za in-line, in-situ, praćenje procesa66,67. UAM se pokazao kao pogodna metoda za projektovanje i proizvodnju veoma složenih 3D protočnih reaktora napravljenih od katalitički aktivnih, toplotno provodljivih materijala sa direktno ugrađenim elementima (slika 4).
Aluminij-bakar protočni reaktor proizveden ultrazvučnom aditivnom proizvodnjom (UAM) sa složenom unutrašnjom strukturom kanala, ugrađenim termoparovima i katalitičkom reakcionom komorom. Za vizualizaciju unutrašnjih puteva fluida, prikazan je i transparentni prototip proizveden stereolitografijom.
Da bi se osiguralo da su reaktori proizvedeni za buduće organske reakcije, rastvarači moraju biti bezbedno zagrejani iznad tačke ključanja;testirani su na pritisak i temperaturu. Test pritiska je pokazao da sistem održava stabilan i konstantan pritisak čak i sa povećanim pritiskom sistema (1,7 MPa). Hidrostatički test je izveden na sobnoj temperaturi koristeći H2O kao fluid.
Povezivanje ugrađenog (Slika 1) termoelementa sa registratorom podataka o temperaturi pokazalo je da je termopar bio 6 °C (± 1 °C) hladniji od programirane temperature na FlowSyn sistemu. Tipično, povećanje temperature od 10 °C dovodi do udvostručavanja brzine reakcije, tako da temperaturna razlika može biti uzrokovana temperaturnom razlikom od samo nekoliko stepeni zbog razlike u temperaturi u tijelu. visoka termička difuzivnost materijala koji se koriste u proizvodnom procesu. Ovaj termalni pomak je konzistentan i stoga se može uzeti u obzir pri podešavanju opreme kako bi se osiguralo postizanje tačnih temperatura i mjerenje tokom reakcije. Stoga ovaj alat za praćenje na mreži olakšava striktnu kontrolu temperature reakcije i olakšava precizniju optimizaciju procesa i razvoj optimalnih uslova. Ovi senzori se također mogu koristiti za identifikaciju ru-scale exotermnih reakcija u sistemu ru-scale.
Reaktor predstavljen u ovom radu je prvi primjer primjene UAM tehnologije u proizvodnji kemijskih reaktora i rješava nekoliko glavnih ograničenja trenutno povezanih s AM/3D printanjem ovih uređaja, kao što su: (i) prevazilaženje prijavljenih problema vezanih za obradu bakra ili legure aluminija (ii) poboljšana rezolucija unutarnjeg kanala u usporedbi s fuzijom praškastog sloja kao što je fuzija u sloju praha (PBF6 selektivni materijal i tehnika Pomela 5). tekstura površine26 (iii) Smanjena temperatura obrade, koja olakšava direktno spajanje senzora, što nije moguće u tehnologiji praškastog sloja, (v) prevazilazi loša mehanička svojstva i osjetljivost komponenti komponenti na bazi polimera na razne uobičajene organske rastvarače17,19.
Funkcionalnost reaktora je demonstrirana nizom reakcija cikloadicije alkin azida kataliziranih bakrom u uslovima kontinuiranog protoka (slika 2). Ultrazvučno štampani bakarni reaktor prikazan na slici 4 je integrisan sa komercijalnim protočnim sistemom i korišćen je za sintezu bibliotečkih azida različitih 1,4-trikonazola i 2-disupstituisanih reakcija na temperaturi. lkil grupe halogenidi u prisustvu natrijum hlorida (Slika 3). Upotreba pristupa kontinuiranog protoka ublažava zabrinutost u vezi sa sigurnošću koja se može pojaviti u serijskim procesima, jer ova reakcija proizvodi visoko reaktivne i opasne azidne intermedijere [317], [318]. U početku je reakcija bila optimizovana za cikloadiciju i cikloadiciju cikloadicije i cikloadicije. fenilacetilen i jodoetan) (vidi sliku 5).
(Gornje lijevo) Šema podešavanja koja se koristi za ugradnju 3DP reaktora u protočni sistem (gore desno) dobijena u optimiziranoj (dole) šemi Huisgenove cikloadicije 57 šeme između fenilacetilena i jodoetana za optimizaciju i prikazivanje optimiziranih parametara stope konverzije reakcije.
Kontrolom vremena zadržavanja reagensa u katalitičkom dijelu reaktora i pomnim praćenjem temperature reakcije sa direktno integriranom sondom termoelementa, reakcioni uvjeti se mogu optimizirati brzo i precizno uz minimalno vrijeme i potrošnju materijala. Brzo je utvrđeno da se najveće konverzije postižu kada se vrijeme zadržavanja od 15 minuta i temperatura reakcije mogu koristiti pri softverskoj temperaturi od 150 FDE od 150°C. i vrijeme zadržavanja i temperatura reakcije smatraju se važnim terminima modela. Pokretanje ugrađenog optimizatora korištenjem ovih odabranih termina generiše skup reakcionih uvjeta dizajniranih da maksimiziraju površine vrha proizvoda uz smanjenje površina vrhova početnog materijala. Ova optimizacija je dala 53% konverziju proizvoda triazola, što se usko poklapa s predviđanjem modela od 54%.
Na osnovu literature koja pokazuje da bakar(I) oksid (Cu2O) može djelovati kao efikasna katalitička vrsta na površinama bakra s nultom valentnošću u ovim reakcijama, ispitana je sposobnost preoksidacije površine reaktora prije izvođenja reakcije u toku70,71. Reakcija između fenilacetilena i joda je ponovo upoređena pod optimalnim uvjetima. Priprema rezultirala je značajnim povećanjem konverzije polaznog materijala, za koju je izračunato >99%. Međutim, praćenje HPLC-om je pokazalo da je ova konverzija značajno smanjila pretjerano produženo vrijeme reakcije do otprilike 90 minuta, nakon čega se činilo da se aktivnost izjednačila i dostigla „stabilno stanje“. Ovo zapažanje sugerira da se izvor katalitičke aktivnosti radije dobiva iz površinskog oksida bakra, a ne iz bakarnog zerooksida. sobnoj temperaturi da se formiraju CuO i Cu2O koji nisu samozaštitni slojevi. Ovo eliminiše potrebu za dodavanjem pomoćnog izvora bakra(II) za kokompoziciju71.