Gràcies per visitar Nature.com.La versió del navegador que utilitzeu té un suport CSS limitat.Per obtenir la millor experiència, us recomanem que utilitzeu un navegador actualitzat (o desactiveu el mode de compatibilitat a Internet Explorer).Mentrestant, per garantir un suport continuat, renderitzarem el lloc sense estils ni JavaScript.
Un carrusel que mostra tres diapositives alhora.Utilitzeu els botons Anterior i Següent per moure's per tres diapositives alhora, o utilitzeu els botons lliscants al final per moure's per tres diapositives alhora.
La fabricació additiva està canviant la manera com els investigadors i industrials dissenyen i fabriquen dispositius químics per satisfer les seves necessitats específiques.En aquest article, informem del primer exemple d'un reactor de flux format per la laminació de fabricació additiva ultrasònica (UAM) d'una xapa metàl·lica sòlida amb peces catalítiques i elements sensors directament integrats.La tecnologia UAM no només supera moltes de les limitacions associades actualment a la fabricació additiva de reactors químics, sinó que també amplia enormement les capacitats d'aquests dispositius.S'han sintetitzat i optimitzat amb èxit diversos compostos d'1,2,3-triazol bisubstituïts biològicament importants mitjançant una reacció de cicloaddició Huisgen 1,3-dipolar mediada per Cu mitjançant la instal·lació de química UAM.Utilitzant les propietats úniques de l'UAM i el processament de flux continu, el dispositiu és capaç de catalitzar les reaccions en curs i de proporcionar retroalimentació en temps real per controlar i optimitzar les reaccions.
A causa dels seus avantatges significatius respecte al seu homòleg a granel, la química de flux és un camp important i en creixement tant en entorns acadèmics com industrials a causa de la seva capacitat per augmentar la selectivitat i l'eficiència de la síntesi química.Això s'estén des de la formació de molècules orgàniques simples1 fins a compostos farmacèutics2,3 i productes naturals4,5,6.Més del 50% de les reaccions a les indústries de química fina i farmacèutica es poden beneficiar del flux continu7.
En els darrers anys, hi ha hagut una tendència creixent de grups que busquen substituir els equips tradicionals de vidre o de química de flux per “reactors” químics adaptables8.El disseny iteratiu, la fabricació ràpida i les capacitats tridimensionals (3D) d'aquests mètodes són útils per a aquells que volen personalitzar els seus dispositius per a un conjunt particular de reaccions, dispositius o condicions.Fins ara, aquest treball s'ha centrat gairebé exclusivament en l'ús de tècniques d'impressió 3D basades en polímers com ara estereolitografia (SL)9,10,11, Fused Deposition Modeling (FDM)8,12,13,14 i impressió d'injecció de tinta7,15., 16. La manca de fiabilitat i capacitat d'aquests dispositius per realitzar una àmplia gamma de reaccions/anàlisis químiques17, 18, 19, 20 és un factor limitant important per a l'aplicació més àmplia de l'AM en aquest camp17, 18, 19, 20.
A causa de l'ús creixent de la química de flux i les propietats favorables associades a l'AM, s'han d'explorar millors tècniques que permetin als usuaris fabricar recipients de reacció de flux amb capacitats químiques i analítiques millorades.Aquests mètodes haurien de permetre als usuaris seleccionar entre una gamma de materials funcionals o d'alta resistència capaços de funcionar en una àmplia gamma de condicions de reacció, així com facilitar diverses formes de sortida analítica del dispositiu per permetre el seguiment i el control de la reacció.
Un procés de fabricació additiva que es pot utilitzar per desenvolupar reactors químics personalitzats és la fabricació additiva ultrasònica (UAM).Aquest mètode de laminació de làmines d'estat sòlid aplica vibracions ultrasòniques a làmines metàl·liques primes per unir-les capa per capa amb un escalfament volumètric mínim i un alt grau de flux plàstic 21, 22, 23. A diferència de la majoria d'altres tecnologies AM, la UAM es pot integrar directament amb la producció subtractiva, coneguda com a procés de fabricació híbrid, en el qual el control numèric periòdic o el procés de bonificació periòdica de fresat per làser determina el control numèric de la matriu o el procés de bonificació periòdica. material 24, 25. Això vol dir que l'usuari no es limita als problemes associats amb l'eliminació del material de construcció original residual de petits canals de líquid, que sovint és el cas dels sistemes de pols i líquids AM26,27,28.Aquesta llibertat de disseny també s'estén a l'elecció dels materials disponibles: UAM pot unir combinacions de materials tèrmicament similars i diferents en un sol pas de procés.L'elecció de combinacions de materials més enllà del procés de fusió significa que es poden satisfer millor els requisits mecànics i químics d'aplicacions específiques.A més de l'enllaç sòlid, un altre fenomen que es produeix amb l'enllaç ultrasònic és l'alta fluïdesa dels materials plàstics a temperatures relativament baixes29,30,31,32,33.Aquesta característica única d'UAM permet col·locar elements mecànics/tèrmics entre capes metàl·liques sense danyar-se.Els sensors UAM integrats poden facilitar el lliurament d'informació en temps real del dispositiu a l'usuari mitjançant l'anàlisi integrada.
El treball anterior dels autors32 va demostrar la capacitat del procés UAM per crear estructures microfluídiques 3D metàl·liques amb capacitats de detecció integrades.Aquest dispositiu només té finalitats de supervisió.Aquest article presenta el primer exemple d'un reactor químic microfluídic fabricat per UAM, un dispositiu actiu que no només controla sinó que també indueix la síntesi química amb materials catalítics estructuralment integrats.El dispositiu combina diversos avantatges associats a la tecnologia UAM en la fabricació de dispositius químics 3D, com ara: la capacitat de convertir un disseny 3D complet directament des d'un model de disseny assistit per ordinador (CAD) en un producte;Fabricació multimaterial per a una combinació d'alta conductivitat tèrmica i materials catalítics, així com sensors tèrmics incrustats directament entre els corrents de reactius per a un control i una gestió precís de la temperatura de reacció.Per demostrar la funcionalitat del reactor, es va sintetitzar una biblioteca de compostos 1,2,3-triazol 1,4-disubstituïts d'importància farmacèutica mitjançant la cicloaddició Huisgen 1,3-dipolar catalitzada per coure.Aquest treball destaca com l'ús de la ciència dels materials i el disseny assistit per ordinador poden obrir noves possibilitats i oportunitats per a la química a través de la investigació interdisciplinària.
Tots els dissolvents i reactius es van comprar a Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI o Fischer Scientific i es van utilitzar sense purificació prèvia.Els espectres de RMN 1H i 13C registrats a 400 i 100 MHz, respectivament, es van obtenir en un espectròmetre JEOL ECS-400 400 MHz o un espectròmetre Bruker Avance II 400 MHz amb CDCl3 o (CD3) 2SO com a dissolvent.Totes les reaccions es van realitzar mitjançant la plataforma de química de flux Uniqsis FlowSyn.
Es va utilitzar UAM per fabricar tots els dispositius d'aquest estudi.La tecnologia es va inventar l'any 1999 i els seus detalls tècnics, paràmetres de funcionament i desenvolupaments des de la seva invenció es poden estudiar mitjançant els següents materials publicats34,35,36,37.El dispositiu (Fig. 1) es va implementar mitjançant un sistema SonicLayer 4000® UAM de 9 kW (Fabrisonic, Ohio, EUA).Els materials escollits per al dispositiu de flux van ser Cu-110 i Al 6061. El Cu-110 té un alt contingut de coure (mínim 99,9% de coure), el que el converteix en un bon candidat per a reaccions catalitzades per coure i, per tant, s'utilitza com a "capa activa dins del microreactor".L'Al 6061 O s'utilitza com a material "a granel"., així com la capa d'intercalació utilitzada per a l'anàlisi;intercalació de components d'aliatge auxiliar i estat recuit en combinació amb la capa de Cu-110.es va trobar que era químicament estable amb els reactius utilitzats en aquest treball.L'Al 6061 O en combinació amb Cu-110 també es considera una combinació de materials compatibles per a UAM i, per tant, és un material adequat per a aquest estudi38,42.Aquests dispositius es mostren a la taula 1 següent.
Etapes de fabricació del reactor (1) Substrat d'aliatge d'alumini 6061 (2) Fabricació de canal inferior a partir de làmina de coure (3) Inserció de termoparells entre capes (4) Canal superior (5) Entrada i sortida (6) Reactor monolític.
La filosofia de disseny del canal de fluids és utilitzar un camí tortuós per augmentar la distància recorreguda pel fluid dins del xip mantenint una mida de xip manejable.Aquest augment de distància és desitjable per augmentar el temps de contacte catalitzador-reactiu i proporcionar excel·lents rendiments de producte.Els xips utilitzen corbes de 90 ° als extrems d'un camí recte per induir una barreja turbulenta dins del dispositiu44 i augmentar el temps de contacte del líquid amb la superfície (catalitzador).Per millorar encara més la mescla que es pot aconseguir, el disseny del reactor inclou dues entrades de reactius combinades en una connexió en Y abans d'entrar a la secció de la bobina de mescla.La tercera entrada, que travessa el flux a mig camí de la seva residència, està inclosa en el pla de futures reaccions de síntesi multietapa.
Tots els canals tenen un perfil quadrat (sense angles cònics), que és el resultat del fresat CNC periòdic utilitzat per crear la geometria del canal.Les dimensions del canal es trien per proporcionar un rendiment volumètric elevat (per a un microreactor), però prou petit com per facilitar la interacció amb la superfície (catalitzadors) per a la majoria dels líquids que conté.La mida adequada es basa en l'experiència passada dels autors amb dispositius de reacció metall-líquid.Les dimensions internes del canal final eren de 750 µm x 750 µm i el volum total del reactor era d'1 ml.S'inclou un connector integrat (rosca 1/4 "-28 UNF) al disseny per permetre una fàcil interfície del dispositiu amb equips comercials de química de flux.La mida del canal està limitada pel gruix del material de làmina, les seves propietats mecàniques i els paràmetres d'unió utilitzats amb ultrasons.A una certa amplada per a un material determinat, el material "s'enfonsarà" al canal creat.Actualment no hi ha un model específic per a aquest càlcul, per la qual cosa l'amplada màxima del canal per a un material i disseny determinats es determina experimentalment, en aquest cas una amplada de 750 µm no provocarà una caiguda.
La forma (quadrat) del canal es determina amb un tallador quadrat.La forma i la mida dels canals es poden canviar en màquines CNC mitjançant diferents eines de tall per obtenir diferents cabals i característiques.Un exemple de creació d'un canal corbat amb una eina de 125 µm es pot trobar a Monaghan45.Quan la capa de làmina s'aplica plana, l'aplicació del material de làmina als canals tindrà una superfície plana (quadrada).En aquest treball, es va utilitzar un contorn quadrat per preservar la simetria del canal.
Durant una pausa programada en la producció, els sensors de temperatura del termoparell (tipus K) s'incorporen directament al dispositiu entre els grups de canal superior i inferior (Fig. 1 – etapa 3).Aquests termoparells poden controlar els canvis de temperatura de -200 a 1350 °C.
El procés de deposició de metalls el porta a terme la banya UAM utilitzant làmina metàl·lica de 25,4 mm d'ample i 150 micres de gruix.Aquestes capes de làmines estan connectades en una sèrie de tires adjacents per cobrir tota l'àrea de construcció;la mida del material dipositat és més gran que el producte final, ja que el procés de substracció crea la forma neta final.El mecanitzat CNC s'utilitza per mecanitzar els contorns externs i interns de l'equip, donant com a resultat un acabat superficial de l'equip i canals corresponents a l'eina seleccionada i als paràmetres del procés CNC (en aquest exemple, uns 1,6 µm Ra).Durant el procés de fabricació del dispositiu s'utilitzen cicles de polvorització i mecanitzat de material ultrasònic continu i continu per garantir que es manté la precisió dimensional i que la peça acabada compleix els nivells de precisió de fresat fi CNC.L'amplada del canal utilitzat per a aquest dispositiu és prou petita per garantir que el material de la làmina no s'enfonsi al canal del fluid, de manera que el canal té una secció transversal quadrada.Els possibles buits en el material de làmina i els paràmetres del procés UAM van ser determinats experimentalment pel soci de fabricació (Fabrisonic LLC, EUA).
Els estudis han demostrat que a la interfície 46, 47 del compost UAM hi ha poca difusió d'elements sense tractament tèrmic addicional, de manera que per als dispositius d'aquest treball la capa de Cu-110 es manté diferent de la capa d'Al 6061 i canvia dràsticament.
Instal·leu un regulador de contrapressió (BPR) precalibrat a 250 psi (1724 kPa) aigües avall del reactor i bombeu aigua a través del reactor a una velocitat de 0,1 a 1 ml min-1.La pressió del reactor es va controlar mitjançant el transductor de pressió FlowSyn integrat al sistema per garantir que el sistema pogués mantenir una pressió constant constant.Es van provar els gradients de temperatura potencials al reactor de flux buscant qualsevol diferència entre els termoparells integrats al reactor i els termoparells integrats a la placa de calefacció del xip FlowSyn.Això s'aconsegueix canviant la temperatura programada de la placa calenta entre 100 i 150 °C en increments de 25 °C i controlant qualsevol diferència entre les temperatures programades i registrades.Això es va aconseguir mitjançant el registrador de dades tc-08 (PicoTech, Cambridge, Regne Unit) i el programari PicoLog que l'acompanya.
S'optimitzen les condicions per a la reacció de cicloaddició de fenilacetilè i iodoetan (Esquema 1-Cicloaddició de fenilacetilè i iodoetan, Esquema 1-Cicloaddició de fenilacetilè i iodoetano).Aquesta optimització es va realitzar mitjançant un enfocament de disseny factorial complet d'experiments (DOE), utilitzant la temperatura i el temps de residència com a variables mentre es fixava la relació alquin:azida a 1:2.
Es van preparar solucions separades d'azida de sodi (0, 25 M, 4: 1 DMF: H2O), iodoetan (0, 25 M, DMF) i fenilacetilè (0, 125 M, DMF).Es va barrejar una alíquota d'1,5 ml de cada solució i es va bombejar a través del reactor a la velocitat i temperatura desitjades.La resposta del model es va prendre com la relació de l'àrea màxima del producte triazol amb el material de partida de fenilacetilè i es va determinar mitjançant cromatografia líquida d'alt rendiment (HPLC).Per a la consistència de l'anàlisi, totes les reaccions es van prendre immediatament després que la barreja de reacció abandonés el reactor.Els rangs de paràmetres seleccionats per a l'optimització es mostren a la taula 2.
Totes les mostres es van analitzar mitjançant un sistema HPLC Chromaster (VWR, PA, EUA) que consta d'una bomba quaternària, un forn de columna, un detector d'UV de longitud d'ona variable i un mostreig automàtic.La columna era una Equivalència 5 C18 (VWR, PA, EUA), 4,6 x 100 mm, mida de partícula de 5 µm, mantinguda a 40 °C.El dissolvent era metanol isocràtic:aigua 50:50 a un cabal d'1,5 ml·min-1.El volum d'injecció era de 5 μl i la longitud d'ona del detector era de 254 nm.El percentatge d'àrea màxima de la mostra DOE es va calcular només a partir de les àrees pics dels productes residuals d'alquin i triazol.La introducció del material de partida permet identificar els pics corresponents.
La combinació dels resultats de l'anàlisi del reactor amb el programari MODDE DOE (Umetrics, Malmö, Suècia) va permetre una anàlisi exhaustiva de tendències dels resultats i la determinació de les condicions de reacció òptimes per a aquesta cicloaddició.L'execució de l'optimitzador integrat i la selecció de tots els termes importants del model crea un conjunt de condicions de reacció dissenyades per maximitzar l'àrea màxima del producte alhora que es redueix l'àrea màxima de la matèria primera d'acetilè.
L'oxidació de la superfície de coure a la cambra de reacció catalítica es va aconseguir mitjançant una solució de peròxid d'hidrogen (36%) que flueix per la cambra de reacció (caudal = 0,4 ml min-1, temps de residència = 2,5 min) abans de la síntesi de cada compost triazol.biblioteca.
Un cop determinat el conjunt òptim de condicions, es van aplicar a una sèrie de derivats d'acetilè i haloalcans per permetre la compilació d'una petita biblioteca de síntesi, establint així la possibilitat d'aplicar aquestes condicions a una gamma més àmplia de reactius potencials (Fig. 1).2).
Prepareu solucions separades d'azida de sodi (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), haloalcans (0,25 M, DMF) i alquins (0,125 M, DMF).Es van barrejar alíquotes de 3 ml de cada solució i es van bombejar a través del reactor a una velocitat de 75 µl/min i una temperatura de 150 °C.Es va recollir tot el volum en un vial i es va diluir amb 10 ml d'acetat d'etil.La solució de mostra es va rentar amb 3 x 10 ml d'aigua.Les capes aquoses es van combinar i es van extreure amb 10 ml d'acetat d'etil, després es van combinar les capes orgàniques, es van rentar amb 3 x 10 ml de salmorra, es van assecar sobre MgSO 4 i es van filtrar, després es va eliminar el dissolvent al buit.Les mostres es van purificar mitjançant cromatografia en columna de gel de sílice mitjançant acetat d'etil abans de l'anàlisi mitjançant una combinació de HPLC, 1H RMN, 13C RMN i espectrometria de masses d'alta resolució (HR-MS).
Tots els espectres es van obtenir mitjançant un espectròmetre de masses Thermofischer Precision Orbitrap amb ESI com a font d'ionització.Totes les mostres es van preparar utilitzant acetonitril com a dissolvent.
L'anàlisi TLC es va dur a terme sobre plaques de sílice amb un substrat d'alumini.Les plaques es van visualitzar amb llum UV (254 nm) o tinció i escalfament amb vainillina.
Totes les mostres es van analitzar mitjançant un sistema VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, Regne Unit) equipat amb un mostreig automàtic, una bomba binària amb un forn de columna i un detector de longitud d'ona única.Es va utilitzar una columna ACE Equivalence 5 C18 (150 x 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Escòcia).
Les injeccions (5 µl) es van fer directament a partir de la barreja de reacció crua diluïda (dilució 1:10) i es van analitzar amb aigua:metanol (50:50 o 70:30), excepte algunes mostres amb un sistema de dissolvent 70:30 (indicat com a nombre d'estrella) a un cabal d'1,5 ml/min.La columna es va mantenir a 40 °C.La longitud d'ona del detector és de 254 nm.
El percentatge d'àrea del pic de la mostra es va calcular a partir de l'àrea del pic de l'alquin residual, només el producte triazol, i la introducció del material de partida va permetre identificar els pics corresponents.
Totes les mostres es van analitzar mitjançant Thermo iCAP 6000 ICP-OES.Tots els estàndards de calibratge es van preparar amb una solució estàndard de 1000 ppm de Cu en àcid nítric al 2% (SPEX Certi Prep).Tots els estàndards es van preparar en una solució de 5% DMF i 2% HNO3, i totes les mostres es van diluir 20 vegades amb una solució de mostra de DMF-HNO3.
UAM utilitza la soldadura de metalls per ultrasons com a mètode d'unió de la làmina metàl·lica utilitzada per crear el conjunt final.La soldadura de metalls per ultrasons utilitza una eina de metall vibrant (anomenada banya o banya ultrasònica) per aplicar pressió a la làmina/capa prèviament consolidada que s'ha d'unir/consolidar prèviament fent vibrar el material.Per a un funcionament continu, el sonotrode té una forma cilíndrica i roda sobre la superfície del material, enganxant tota la zona.Quan s'aplica pressió i vibració, els òxids de la superfície del material poden trencar-se.La pressió i la vibració constants poden conduir a la destrucció de la rugositat del material 36 .El contacte estret amb la calor i la pressió localitzada condueix llavors a un enllaç en fase sòlida a les interfícies del material;també pot promoure la cohesió canviant l'energia superficial48.La naturalesa del mecanisme d'enllaç supera molts dels problemes associats amb la temperatura de fusió variable i els efectes d'alta temperatura esmentats en altres tecnologies de fabricació additiva.Això permet la connexió directa (és a dir, sense modificacions de superfície, farcits o adhesius) de diverses capes de diferents materials en una única estructura consolidada.
El segon factor favorable per a la CAM és l'elevat grau de flux plàstic observat en materials metàl·lics fins i tot a baixes temperatures, és a dir, molt per sota del punt de fusió dels materials metàl·lics.La combinació de vibracions ultrasòniques i pressió provoca un alt nivell de migració local del límit del gra i recristal·lització sense l'augment significatiu de la temperatura tradicionalment associat als materials a granel.Durant la creació del muntatge final, aquest fenomen es pot utilitzar per incrustar components actius i passius entre capes de làmina metàl·lica, capa per capa.Elements com la fibra òptica 49, el reforç 46, l'electrònica 50 i els termoparells (aquest treball) s'han integrat amb èxit a les estructures UAM per crear conjunts compostos actius i passius.
En aquest treball, es van utilitzar diferents capacitats d'unió de materials i capacitats d'intercalació UAM per crear un microreactor ideal per al control de la temperatura catalítica.
En comparació amb el pal·ladi (Pd) i altres catalitzadors metàl·lics d'ús habitual, la catàlisi de Cu té diversos avantatges: (i) Econòmicament, el Cu és més barat que molts altres metalls utilitzats en catàlisi i, per tant, és una opció atractiva per a la indústria química (ii) el ventall de reaccions d'acoblament creuat catalitzats per Cu s'està expandint i sembla ser una mica complementari a la metodologia de la Pdologia. Les reaccions zed funcionen bé en absència d'altres lligands.Aquests lligands solen ser estructuralment senzills i econòmics.si es desitja, mentre que els utilitzats en química de Pd són sovint complexos, cars i sensibles a l'aire (iv) Cu, especialment conegut per la seva capacitat d'unir alquins en síntesi, com l'acoblament catalitzat bimetàl·lic de Sonogashira i la cicloaddició amb azides (química de clics) (v) El Cu també pot promoure l'arilació d'alguns nucleofil·lacions de reacció.
Recentment, s'han demostrat exemples d'heterogeneïtzació de totes aquestes reaccions en presència de Cu(0).Això es deu en gran part a la indústria farmacèutica i al creixent enfocament en la recuperació i reutilització de catalitzadors metàl·lics55,56.
La reacció de cicloaddició 1,3-dipolar entre acetilè i azida a 1,2,3-triazol, proposada per primera vegada per Huisgen a la dècada de 196057, es considera una reacció de demostració sinèrgica.Els fragments d'1,2,3 triazol resultants tenen un interès particular com a farmàcòfor en el descobriment de fàrmacs a causa de les seves aplicacions biològiques i ús en diversos agents terapèutics 58 .
Aquesta reacció va rebre una atenció renovada quan Sharpless i altres van introduir el concepte de “química del clic”59.El terme "química del clic" s'utilitza per descriure un conjunt robust i selectiu de reaccions per a la síntesi ràpida de nous compostos i biblioteques combinatòries mitjançant enllaç heteroatòmic (CXC)60.L'atractiu sintètic d'aquestes reaccions es deu als alts rendiments associats a elles.les condicions són senzilles, la resistència a l'oxigen i l'aigua, i la separació del producte és senzilla61.
La cicloaddició de Huisgen d'1,3-dipol clàssica no entra a la categoria de "química del clic".Tanmateix, Medal i Sharpless van demostrar que aquest esdeveniment d'acoblament azida-alquin pateix 107-108 en presència de Cu (I) en comparació amb una acceleració significativa de la taxa de cicloaddició 1,3-dipolar no catalítica 62,63.Aquest mecanisme de reacció avançat no requereix grups protectors ni condicions de reacció dures i proporciona una conversió i selectivitat gairebé completa a 1,2,3-triazols 1,4-dissubstituïts (anti-1,2,3-triazols) al llarg del temps (Fig. 3).
Resultats isomètrics de cicloaddicions Huisgen convencionals i catalitzades per coure.Les cicloaddicions Huisgen catalitzades per Cu (I) només donen 1,2,3-triazols disubstituïts en 1,4, mentre que les cicloaddicions Huisgen induïdes tèrmicament donen normalment a 1,4 i 1,5-triazols una barreja 1:1 d'estereoisòmers azol.
La majoria de protocols impliquen la reducció de fonts estables de Cu(II), com la reducció de CuSO4 o el compost Cu(II)/Cu(0) en combinació amb sals de sodi.En comparació amb altres reaccions catalitzades per metalls, l'ús de Cu (I) té els principals avantatges de ser econòmic i fàcil de manejar.
Estudis cinètics i isotòpics de Worrell et al.65 han demostrat que en el cas dels alquins terminals, dos equivalents de coure estan implicats en l'activació de la reactivitat de cada molècula respecte a l'azida.El mecanisme proposat passa a través d'un anell metàl·lic de coure de sis membres format per la coordinació de l'azida amb l'acetilur de coure enllaçat amb σ amb coure enllaçat per π com a lligand donant estable.Els derivats de triazolil de coure es formen com a resultat de la contracció de l'anell seguida de la descomposició de protons per formar productes de triazol i tancar el cicle catalític.
Tot i que els avantatges dels dispositius de química de flux estan ben documentats, hi ha hagut un desig d'integrar eines analítiques en aquests sistemes per al seguiment de processos en temps real in situ66,67.La UAM ha demostrat ser un mètode adequat per dissenyar i fabricar reactors de flux 3D molt complexos a partir de materials catalíticament actius i conductors tèrmics amb elements sensors directament incrustats (Fig. 4).
Reactor de flux d'alumini-coure fabricat per fabricació additiva ultrasònica (UAM) amb una estructura de canal interna complexa, termoparells integrats i una cambra de reacció catalítica.Per visualitzar els recorreguts interns dels fluids, també es mostra un prototip transparent fet amb estereolitografia.
Per garantir que els reactors es facin per a futures reaccions orgàniques, els dissolvents s'han d'escalfar amb seguretat per sobre del seu punt d'ebullició;es comprova la pressió i la temperatura.Les proves de pressió van demostrar que el sistema manté una pressió estable i constant fins i tot a pressió elevada al sistema (1,7 MPa).Es van realitzar proves hidrostàtiques a temperatura ambient utilitzant H2O com a líquid.
La connexió del termoparell integrat (figura 1) al registrador de dades de temperatura va mostrar que la temperatura del termoparell era 6 °C (± 1 °C) per sota de la temperatura programada al sistema FlowSyn.Normalment, un augment de la temperatura de 10 °C duplica la velocitat de reacció, de manera que una diferència de temperatura d'uns pocs graus pot canviar significativament la velocitat de reacció.Aquesta diferència es deu a la pèrdua de temperatura al llarg del RPV a causa de l'alta difusivitat tèrmica dels materials utilitzats en el procés de fabricació.Aquesta deriva tèrmica és constant i, per tant, es pot tenir en compte a l'hora de configurar l'equip per garantir que s'assoleixen i es mesuren temperatures precises durant la reacció.Així, aquesta eina de monitorització en línia facilita un control estricte de la temperatura de reacció i contribueix a una optimització més precisa del procés i al desenvolupament de condicions òptimes.Aquests sensors també es poden utilitzar per detectar reaccions exotèrmiques i prevenir reaccions descontrolades en sistemes a gran escala.
El reactor que es presenta en aquest article és el primer exemple de l'aplicació de la tecnologia UAM a la fabricació de reactors químics i aborda diverses limitacions principals actualment associades a la impressió AM/3D d'aquests dispositius, com ara: (i) Superació dels problemes associats al processament de coure o aliatge d'alumini (ii) millora de la resolució del canal intern en comparació amb els mètodes de fusió de flux de llit de pols (PBSF62) com ara la fusió de material selectiu (PBSF6) textura superficial rugosa26 (iii) temperatura de processament més baixa, que facilita la connexió directa dels sensors, cosa que no és possible en la tecnologia de llit en pols, (v) superació de les pobres propietats mecàniques i la sensibilitat dels components basats en polímers a diversos dissolvents orgànics comuns17,19.
La funcionalitat del reactor es va demostrar mitjançant una sèrie de reaccions de cicloaddició d'alquinazides catalitzades per coure en condicions de flux continu (Fig. 2).El reactor de coure imprès per ultrasons que es mostra a la fig.4 es va integrar amb un sistema de flux comercial i es va utilitzar per sintetitzar una biblioteca d'azides de diversos 1,2,3-triazols 1,4-dissubstituïts mitjançant una reacció controlada de temperatura d'acetilè i halogenurs de grup alquil en presència de clorur de sodi (Fig. 3).L'ús de l'enfocament de flux continu redueix els problemes de seguretat que poden sorgir en els processos per lots, ja que aquesta reacció produeix intermedis d'azida altament reactius i perillosos [317], [318].Inicialment, la reacció es va optimitzar per a la cicloaddició de fenilacetilè i iodoetano (Esquema 1 – Cicloaddició de fenilacetilè i iodoetano) (vegeu la figura 5).
(Superior esquerra) Esquema de la configuració utilitzada per incorporar un reactor 3DP a un sistema de flux (superior dreta) obtingut a partir de l'esquema optimitzat (inferior) de l'esquema de cicloaddició Huisgen 57 entre fenilacetilè i iodoetano per a l'optimització i mostrant els paràmetres optimitzats de velocitat de conversió de la reacció.
Controlant el temps de residència dels reactius a la secció catalítica del reactor i controlant acuradament la temperatura de reacció amb un sensor de termoparell integrat directament, les condicions de reacció es poden optimitzar de manera ràpida i precisa amb un mínim de temps i materials.Ràpidament es va trobar que la conversió més alta es va aconseguir amb un temps de residència de 15 minuts i una temperatura de reacció de 150 °C.A partir del gràfic de coeficients del programari MODDE es pot veure que tant el temps de residència com la temperatura de reacció es consideren condicions importants del model.L'execució de l'optimitzador integrat amb aquestes condicions seleccionades crea un conjunt de condicions de reacció dissenyades per maximitzar les àrees de pic del producte alhora que es redueixen les àrees de pic del material de partida.Aquesta optimització va produir una conversió del 53% del producte de triazol, que va coincidir exactament amb la predicció del model del 54%.