Děkujeme, že jste navštívili Nature.com.Verze prohlížeče, kterou používáte, má omezenou podporu CSS.Chcete-li dosáhnout nejlepšího výsledku, doporučujeme použít aktualizovaný prohlížeč (nebo vypnout režim kompatibility v aplikaci Internet Explorer).Mezitím, abychom zajistili nepřetržitou podporu, vykreslíme web bez stylů a JavaScriptu.
Kolotoč zobrazující tři snímky současně.Pomocí tlačítek Předchozí a Další můžete procházet třemi snímky najednou nebo pomocí tlačítek posuvníku na konci procházet třemi snímky najednou.
Aditivní výroba mění způsob, jakým výzkumní pracovníci a průmyslníci navrhují a vyrábějí chemická zařízení, aby vyhovovala jejich specifickým potřebám.V tomto článku uvádíme první příklad průtokového reaktoru vytvořeného laminací plného plechu pomocí ultrazvukové aditivní výroby (UAM) s přímo integrovanými katalytickými částmi a snímacími prvky.Technologie UAM nejen překonává mnohá omezení v současnosti spojená s aditivní výrobou chemických reaktorů, ale také značně rozšiřuje možnosti takových zařízení.Řada biologicky důležitých 1,4-disubstituovaných 1,2,3-triazolových sloučenin byla úspěšně syntetizována a optimalizována pomocí Cu-zprostředkované 1,3-dipolární Huisgenovy cykloadiční reakce pomocí chemického zařízení UAM.Pomocí jedinečných vlastností UAM a kontinuálního zpracování toku je zařízení schopno katalyzovat probíhající reakce a také poskytovat zpětnou vazbu v reálném čase pro sledování a optimalizaci reakcí.
Díky svým významným výhodám oproti svému protějšku ve velkém je průtoková chemie důležitým a rostoucím oborem v akademickém i průmyslovém prostředí díky své schopnosti zvýšit selektivitu a účinnost chemické syntézy.To sahá od tvorby jednoduchých organických molekul1 až po farmaceutické sloučeniny2,3 a přírodní produkty4,5,6.Více než 50 % reakcí v chemickém a farmaceutickém průmyslu může těžit z nepřetržitého toku7.
V posledních letech roste trend skupin, které se snaží nahradit tradiční sklo nebo zařízení pro průtokovou chemii adaptabilními chemickými „reaktory“8.Iterativní návrh, rychlá výroba a trojrozměrné (3D) schopnosti těchto metod jsou užitečné pro ty, kteří chtějí svá zařízení přizpůsobit pro konkrétní sadu reakcí, zařízení nebo podmínek.Dosud se tato práce soustředila téměř výhradně na použití technik 3D tisku na bázi polymerů, jako je stereolitografie (SL)9,10,11, Fused Deposition Modeling (FDM)8,12,13,14 a inkoustový tisk7,15., 16. Nedostatek spolehlivosti a schopnosti takových zařízení provádět širokou škálu chemických reakcí/analýz17, 18, 19, 20 je hlavním limitujícím faktorem pro širší uplatnění AM v této oblasti17, 18, 19, 20.
Vzhledem k rostoucímu používání průtokové chemie a příznivým vlastnostem spojeným s AM je třeba prozkoumat lepší techniky, které uživatelům umožní vyrábět průtokové reakční nádoby se zlepšenými chemickými a analytickými schopnostmi.Tyto metody by měly uživatelům umožnit výběr z řady vysoce pevných nebo funkčních materiálů schopných pracovat v širokém rozsahu reakčních podmínek a také usnadnit různé formy analytického výstupu ze zařízení, aby bylo možné sledovat a řídit reakci.
Jedním z aditivních výrobních procesů, které lze použít k vývoji vlastních chemických reaktorů, je Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM).Tato metoda laminace plechů v pevné fázi aplikuje ultrazvukové vibrace na tenké kovové fólie, aby je spojily vrstvu po vrstvě s minimálním objemovým ohřevem a vysokým stupněm plastické toku 21, 22, 23. Na rozdíl od většiny ostatních AM technologií lze UAM přímo integrovat se subtraktivní výrobou, známou jako hybridní výrobní proces, ve kterém periodické numerické řízení in-situ (CNC) určuje, že čistý tvar vrstvy nebo laserové zpracování24 toto uživatelské zpracování25 se neomezuje na problémy spojené s odstraňováním zbytkového původního stavebního materiálu z malých kanálků kapaliny, což je často případ práškových a kapalinových systémů AM26,27,28.Tato konstrukční svoboda se vztahuje i na výběr dostupných materiálů – UAM dokáže spojovat kombinace tepelně podobných a nepodobných materiálů v jediném kroku procesu.Volba kombinací materiálů mimo proces tavení znamená, že mohou být lépe splněny mechanické a chemické požadavky konkrétních aplikací.Kromě pevného spojování je dalším fenoménem, ​​ke kterému dochází při spojování ultrazvukem, vysoká tekutost plastových materiálů při relativně nízkých teplotách29,30,31,32,33.Tato jedinečná vlastnost UAM umožňuje umístit mechanické/tepelné prvky mezi kovové vrstvy bez poškození.Vestavěné senzory UAM mohou usnadnit doručování informací v reálném čase ze zařízení k uživateli prostřednictvím integrované analýzy.
Předchozí práce autorů32 prokázaly schopnost procesu UAM vytvářet kovové 3D mikrofluidní struktury se zabudovanými schopnostmi snímání.Toto zařízení slouží pouze pro účely monitorování.Tento článek představuje první příklad mikrofluidního chemického reaktoru vyrobeného společností UAM, aktivního zařízení, které nejen řídí, ale také vyvolává chemickou syntézu se strukturně integrovanými katalytickými materiály.Zařízení kombinuje několik výhod spojených s technologií UAM při výrobě 3D chemických zařízení, jako jsou: schopnost převést kompletní 3D návrh přímo z modelu CAD (computer-aided design) na produkt;výroba více materiálů pro kombinaci vysoce tepelně vodivých a katalytických materiálů, stejně jako tepelné senzory zabudované přímo mezi proudy reaktantů pro přesné řízení a řízení reakční teploty.Pro demonstraci funkčnosti reaktoru byla syntetizována knihovna farmaceuticky důležitých 1,4-disubstituovaných 1,2,3-triazolových sloučenin mědí katalyzovanou 1,3-dipolární Huisgenovou cykloadicí.Tato práce zdůrazňuje, jak může využití vědy o materiálech a počítačově podporovaného navrhování otevřít nové možnosti a příležitosti pro chemii prostřednictvím interdisciplinárního výzkumu.
Všechna rozpouštědla a činidla byla zakoupena od Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI nebo Fischer Scientific a použita bez předchozího čištění.1H a 13C NMR spektra zaznamenaná při 400 a 100 MHz, v daném pořadí, byla získána na spektrometru JEOL ECS-400 400 MHz nebo spektrometru Bruker Avance II 400 MHz s CDC13 nebo (CD3)2SO jako rozpouštědlem.Všechny reakce byly provedeny pomocí platformy průtokové chemie Uniqsis FlowSyn.
UAM byla použita k výrobě všech zařízení v této studii.Technologie byla vynalezena v roce 1999 a její technické detaily, provozní parametry a vývoj od jejího vynálezu lze studovat pomocí následujících publikovaných materiálů34,35,36,37.Zařízení (obr. 1) bylo implementováno pomocí těžkého 9 kW systému SonicLayer 4000® UAM (Fabrisonic, Ohio, USA).Materiály zvolené pro průtokové zařízení byly Cu-110 a Al 6061. Cu-110 má vysoký obsah mědi (minimálně 99,9 % mědi), díky čemuž je dobrým kandidátem pro reakce katalyzované mědí, a proto se používá jako „aktivní vrstva uvnitř mikroreaktoru.Jako „sypký“ materiál se používá Al 6061 O., stejně jako interkalační vrstva použitá pro analýzu;interkalace pomocných slitinových složek a žíhaný stav v kombinaci s vrstvou Cu-110.Bylo zjištěno, že je chemicky stabilní s činidly použitými v této práci.Al 6061 O v kombinaci s Cu-110 je rovněž považován za kompatibilní materiálovou kombinaci pro UAM a je proto vhodným materiálem pro tuto studii38,42.Tato zařízení jsou uvedena v tabulce 1 níže.
Kroky výroby reaktoru (1) 6061 substrát z hliníkové slitiny (2) Výroba spodního kanálu z měděné fólie (3) Vložení termočlánků mezi vrstvy (4) Horní kanál (5) Vstup a výstup (6) Monolitický reaktor.
Filozofií návrhu tekutinového kanálu je použití klikaté dráhy ke zvýšení vzdálenosti, kterou urazí tekutina uvnitř čipu, při zachování zvládnutelné velikosti čipu.Toto zvětšení vzdálenosti je žádoucí pro zvýšení doby kontaktu katalyzátor-reaktant a poskytnutí vynikajících výtěžků produktu.Čipy využívají 90° ohyby na koncích přímé dráhy k vyvolání turbulentního míchání uvnitř zařízení44 a ke zvýšení doby kontaktu kapaliny s povrchem (katalyzátorem).Pro další zlepšení promíchávání, kterého lze dosáhnout, zahrnuje konstrukce reaktoru dva vstupy reaktantů spojené do Y-spojení před vstupem do sekce směšovací spirály.Třetí vchod, který protíná tok v polovině své rezidence, je zahrnut do plánu budoucích vícestupňových syntézních reakcí.
Všechny kanály mají čtvercový profil (žádné kuželové úhly), který je výsledkem pravidelného CNC frézování používaného k vytvoření geometrie kanálu.Rozměry kanálku jsou zvoleny tak, aby poskytovaly vysoký (pro mikroreaktor) objemový výtěžek, ale dostatečně malý, aby usnadnil interakci s povrchem (katalyzátory) pro většinu kapalin, které obsahuje.Vhodná velikost vychází z dosavadních zkušeností autorů s reakčními zařízeními kov-kapalina.Vnitřní rozměry konečného kanálu byly 750 um x 750 um a celkový objem reaktoru byl 1 ml.Vestavěný konektor (závit 1/4″-28 UNF) je součástí návrhu, který umožňuje snadné propojení zařízení s komerčním zařízením pro průtokovou chemii.Velikost kanálu je omezena tloušťkou fóliového materiálu, jeho mechanickými vlastnostmi a parametry spojování používanými s ultrazvukem.Při určité šířce pro daný materiál se materiál „prohýbá“ do vytvořeného kanálu.V současné době neexistuje žádný konkrétní model pro tento výpočet, takže maximální šířka kanálu pro daný materiál a provedení je určena experimentálně, v takovém případě šířka 750 µm nezpůsobí průhyb.
Tvar (čtverec) kanálu je určen pomocí čtvercové frézy.Tvar a velikost kanálků lze měnit na CNC strojích pomocí různých řezných nástrojů pro získání různých průtoků a charakteristik.Příklad vytvoření zakřiveného kanálu nástrojem 125 µm lze nalézt v Monaghan45.Když je vrstva fólie aplikována naplocho, aplikace fóliového materiálu na kanálky bude mít plochý (čtvercový) povrch.V této práci byl pro zachování symetrie kanálu použit čtvercový obrys.
Během naprogramované pauzy ve výrobě jsou termočlánková teplotní čidla (typ K) zabudována přímo do zařízení mezi horní a dolní kanálovou skupinu (obr. 1 – fáze 3).Tyto termočlánky mohou řídit změny teploty od -200 do 1350 °C.
Proces nanášení kovů provádí UAM roh pomocí kovové fólie o šířce 25,4 mm a tloušťce 150 mikronů.Tyto vrstvy fólie jsou spojeny v sérii přilehlých pásů, aby pokryly celou stavební plochu;velikost naneseného materiálu je větší než konečný produkt, protože proces odečítání vytváří konečný čistý tvar.CNC obrábění se používá k obrábění vnějších a vnitřních obrysů zařízení, jehož výsledkem je povrchová úprava zařízení a kanálů odpovídající zvolenému nástroji a parametrům CNC procesu (v tomto příkladu asi 1,6 µm Ra).Během výrobního procesu zařízení se používají kontinuální cykly nástřiku materiálu ultrazvukem a obrábění, aby bylo zajištěno zachování rozměrové přesnosti a aby hotový díl odpovídal úrovním přesnosti jemného frézování CNC.Šířka kanálu použitého pro toto zařízení je dostatečně malá, aby zajistila, že fóliový materiál nebude „propadat“ v kanálku tekutiny, takže kanál má čtvercový průřez.Možné mezery ve fóliovém materiálu a parametry procesu UAM byly experimentálně určeny výrobním partnerem (Fabrisonic LLC, USA).
Studie ukázaly, že na rozhraní 46, 47 sloučeniny UAM je malá difúze prvků bez dodatečného tepelného zpracování, takže u zařízení v této práci zůstává vrstva Cu-110 odlišná od vrstvy Al 6061 a dramaticky se mění.
Nainstalujte předkalibrovaný regulátor zpětného tlaku (BPR) při 250 psi (1724 kPa) za reaktorem a pumpujte vodu přes reaktor rychlostí 0,1 až 1 ml/min.Tlak v reaktoru byl monitorován pomocí tlakového převodníku FlowSyn zabudovaného do systému, aby bylo zajištěno, že systém může udržovat konstantní ustálený tlak.Potenciální teplotní gradienty v průtokovém reaktoru byly testovány hledáním jakýchkoli rozdílů mezi termočlánky zabudovanými v reaktoru a termočlánky zabudovanými do topné desky čipu FlowSyn.Toho je dosaženo změnou naprogramované teploty plotýnky mezi 100 a 150 °C v krocích po 25 °C a sledováním jakýchkoli rozdílů mezi naprogramovanými a zaznamenanými teplotami.Toho bylo dosaženo pomocí dataloggeru tc-08 (PicoTech, Cambridge, UK) a doprovodného softwaru PicoLog.
Jsou optimalizovány podmínky pro cykloadiční reakci fenylacetylenu a jodethanu (Schéma 1-Cykloadiční reakce fenylacetylenu a jodethanu, Schéma 1-Cykloadiční reakce fenylacetylenu a jodethanu).Tato optimalizace byla provedena pomocí přístupu plného faktoriálního designu experimentů (DOE), s použitím teploty a doby zdržení jako proměnných, přičemž poměr alkyn:azid byl fixován na 1:2.
Byly připraveny samostatné roztoky azidu sodného (0,25 M, 4:1 DMF:H20), jodethanu (0,25 M, DMF) a fenylacetylenu (0,125 M, DMF).1,5 ml alikvot každého roztoku byl smíchán a čerpán reaktorem při požadované průtokové rychlosti a teplotě.Odezva modelu byla vzata jako poměr plochy píku triazolového produktu k výchozímu materiálu fenylacetylenu a byla stanovena pomocí vysokoúčinné kapalinové chromatografie (HPLC).Pro konzistenci analýzy byly všechny reakce provedeny ihned poté, co reakční směs opustila reaktor.Rozsahy parametrů vybrané pro optimalizaci jsou uvedeny v tabulce 2.
Všechny vzorky byly analyzovány pomocí systému Chromaster HPLC (VWR, PA, USA) sestávajícího z kvartérního čerpadla, kolonové pece, UV detektoru s proměnnou vlnovou délkou a autosampleru.Kolona byla Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA), 4,6 x 100 mm, velikost částic 5 um, udržovaná při 40 °C.Rozpouštědlem byl isokratický methanol:voda 50:50 při průtoku 1,5 ml.min-1.Nástřikový objem byl 5 μl a vlnová délka detektoru byla 254 nm.Plocha píku v % pro vzorek DOE byla vypočtena pouze z ploch píku zbytkových alkynových a triazolových produktů.Zavedení výchozího materiálu umožňuje identifikovat odpovídající píky.
Kombinace výsledků analýzy reaktoru se softwarem MODDE DOE (Umetrics, Malmö, Švédsko) umožnila důkladnou analýzu trendů výsledků a stanovení optimálních reakčních podmínek pro tuto cykloadici.Spuštěním vestavěného optimalizátoru a výběrem všech důležitých modelových pojmů se vytvoří sada reakčních podmínek navržených tak, aby maximalizovaly plochu píku produktu při současném snížení plochy píku pro acetylenovou surovinu.
Oxidace měděného povrchu v katalytické reakční komoře bylo dosaženo použitím roztoku peroxidu vodíku (36 %) protékajícího reakční komorou (průtok = 0,4 ml min-1, doba zdržení = 2,5 min) před syntézou každé triazolové sloučeniny.knihovna.
Jakmile byla stanovena optimální sada podmínek, byly aplikovány na řadu acetylenových a halogenalkanových derivátů, aby bylo možné sestavit malou syntézní knihovnu, čímž byla stanovena možnost použití těchto podmínek na širší škálu potenciálních činidel (obr. 1).2).
Připravte samostatné roztoky azidu sodného (0,25 M, 4:1 DMF:H20), halogenalkanů (0,25 M, DMF) a alkynů (0,125 M, DMF).Alikvoty 3 ml každého roztoku byly smíchány a pumpovány přes reaktor rychlostí 75 ul/min a teplotě 150 °C.Celý objem byl shromážděn do lahvičky a zředěn 10 ml ethylacetátu.Roztok vzorku byl promyt 3 x 10 ml vody.Vodné vrstvy byly spojeny a extrahovány 10 ml ethylacetátu, poté byly organické vrstvy spojeny, promyty 3 x 10 ml solanky, sušeny nad MgS04 a zfiltrovány, poté bylo rozpouštědlo odstraněno ve vakuu.Vzorky byly purifikovány sloupcovou chromatografií na silikagelu za použití ethylacetátu před analýzou kombinací HPLC, 1H NMR, 13C NMR a hmotnostní spektrometrií s vysokým rozlišením (HR-MS).
Všechna spektra byla získána pomocí hmotnostního spektrometru Thermofischer Precision Orbitrap s ESI jako ionizačním zdrojem.Všechny vzorky byly připraveny s použitím acetonitrilu jako rozpouštědla.
TLC analýza byla provedena na křemičitých deskách s hliníkovým substrátem.Destičky byly vizualizovány UV světlem (254 nm) nebo barvením a zahříváním vanilinem.
Všechny vzorky byly analyzovány pomocí systému VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) vybaveného automatickým vzorkovačem, binárním čerpadlem s kolonovou pecí a detektorem jediné vlnové délky.Byla použita kolona ACE Equivalence 5 C18 (150 x 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Skotsko).
Injekce (5 ul) byly provedeny přímo ze zředěné surové reakční směsi (ředění 1:10) a analyzovány směsí voda:methanol (50:50 nebo 70:30), s výjimkou některých vzorků s použitím systému rozpouštědel 70:30 (označeno jako hvězdička ) při průtoku 1,5 ml/min.Kolona byla udržována při 40 °C.Vlnová délka detektoru je 254 nm.
Plocha píku v % vzorku byla vypočtena z plochy píku zbytkového alkynu, pouze triazolového produktu, a zavedení výchozího materiálu umožnilo identifikovat odpovídající píky.
Všechny vzorky byly analyzovány pomocí Thermo iCAP 6000 ICP-OES.Všechny kalibrační standardy byly připraveny s použitím 1000 ppm standardního roztoku Cu ve 2% kyselině dusičné (SPEX Certi Prep).Všechny standardy byly připraveny v roztoku 5% DMF a 2% HNO3 a všechny vzorky byly zředěny 20x roztokem vzorku DMF-HNO3.
UAM používá ultrazvukové svařování kovů jako metodu spojování kovové fólie použité k vytvoření konečné sestavy.Ultrazvukové svařování kovů používá vibrující kovový nástroj (nazývaný roh nebo ultrazvukový roh) k vyvinutí tlaku na fólii/dříve zpevněnou vrstvu, která má být spojena/předtím zpevněna vibrováním materiálu.Pro nepřetržitý provoz má sonotroda válcový tvar a odvaluje se po povrchu materiálu, přičemž celou plochu lepí.Při působení tlaku a vibrací mohou oxidy na povrchu materiálu praskat.Konstantní tlak a vibrace mohou vést ke zničení drsnosti materiálu 36 .Těsný kontakt s lokalizovaným teplem a tlakem pak vede k vazbě pevné fáze na materiálových rozhraních;může také podporovat soudržnost změnou povrchové energie48.Povaha spojovacího mechanismu překonává mnoho problémů spojených s proměnlivou teplotou taveniny a vysokými teplotními účinky zmíněnými u jiných aditivních výrobních technologií.To umožňuje přímé spojení (tj. bez povrchové úpravy, plniv či lepidel) více vrstev různých materiálů do jediné konsolidované struktury.
Druhým příznivým faktorem pro CAM je vysoký stupeň plastické toku pozorovaný u kovových materiálů i při nízkých teplotách, tj. hluboko pod bodem tání kovových materiálů.Kombinace ultrazvukových vibrací a tlaku způsobuje vysokou úroveň lokální migrace hranic zrn a rekrystalizace bez výrazného zvýšení teploty tradičně spojovaného se sypkými materiály.Při tvorbě finální sestavy lze tento jev využít k zabudování aktivních i pasivních součástek mezi vrstvy kovové fólie, vrstvu po vrstvě.Prvky jako optické vlákno 49, výztuha 46, elektronika 50 a termočlánky (tato práce) byly úspěšně integrovány do struktur UAM za účelem vytvoření aktivních a pasivních kompozitních sestav.
V této práci byly použity různé schopnosti vázat materiál a interkalační schopnosti UAM k vytvoření ideálního mikroreaktoru pro katalytickou regulaci teploty.
Compared to palladium (Pd) and other commonly used metal catalysts, Cu catalysis has several advantages: (i) Economically, Cu is cheaper than many other metals used in catalysis and is therefore an attractive option for the chemical industry (ii) the range of Cu-catalyzed cross-coupling reactions is expanding and appears to be somewhat complementary to Pd51, 52, 53-based methodologies (iii) Cu-catalyzed reactions work well in the absence of other ligands.Tyto ligandy jsou často strukturálně jednoduché a levné.pokud je to žádoucí, zatímco ty, které se používají v chemii Pd, jsou často složité, drahé a citlivé na vzduch (iv) Cu, zvláště známá pro svou schopnost vázat alkyny při syntéze, jako je Sonogashirova bimetalická katalyzovaná vazba a cykloadice s azidy (cvaková chemie) (v) Cu může také podporovat arylaci některých nukleofilů v reakcích Ullmannova typu.
Nedávno byly prokázány příklady heterogenizace všech těchto reakcí v přítomnosti Cu(0).To je z velké části způsobeno farmaceutickým průmyslem a rostoucím zaměřením na regeneraci a opětovné použití kovových katalyzátorů55,56.
1,3-dipolární cykloadiční reakce mezi acetylenem a azidem na 1,2,3-triazol, poprvé navržená Huisgenem v 60. letech57, je považována za synergickou demonstrační reakci.Výsledné 1,2,3 triazolové fragmenty jsou zvláště zajímavé jako farmakofor při objevování léků kvůli jejich biologickým aplikacím a použití v různých terapeutických látkách58.
Tato reakce získala obnovenou pozornost, když Sharpless a další představili koncept „chemie kliknutí“59.Termín „click chemistry“ se používá k popisu robustní a selektivní sady reakcí pro rychlou syntézu nových sloučenin a kombinatorických knihoven pomocí heteroatomové vazby (CXC)60.Syntetická přitažlivost těchto reakcí je způsobena vysokými výtěžky s nimi spojenými.podmínky jsou jednoduché, odolnost vůči kyslíku a vodě a separace produktu je jednoduchá61.
Klasická 1,3-dipólová Huisgenova cykloadice nespadá do kategorie „klikací chemie“.Medal a Sharpless však prokázali, že tato azid-alkinová vazba podléhá 107–108 v přítomnosti Cu(I) ve srovnání s významným zrychlením rychlosti nekatalytické 1,3-dipolární cykloadice 62,63.Tento pokročilý reakční mechanismus nevyžaduje ochranné skupiny nebo drsné reakční podmínky a poskytuje téměř úplnou konverzi a selektivitu na 1,4-disubstituované 1,2,3-triazoly (anti-1,2,3-triazoly) v průběhu času (obr. 3).
Izometrické výsledky konvenčních a mědí katalyzovaných Huisgenových cykloadic.Cu(I)-katalyzované Huisgenovy cykloadice poskytují pouze 1,4-disubstituované 1,2,3-triazoly, zatímco tepelně indukované Huisgenovy cykloadice typicky poskytují 1,4- a 1,5-triazoly 1:1 směs azolových stereoisomerů.
Většina protokolů zahrnuje redukci stabilních zdrojů Cu(II), jako je redukce CuSO4 nebo sloučeniny Cu(II)/Cu(0) v kombinaci se sodnými solemi.Ve srovnání s jinými reakcemi katalyzovanými kovy má použití Cu(I) hlavní výhody v tom, že je nenákladné a snadno se s ním manipuluje.
Kinetické a izotopové studie od Worrella et al.65 ukázaly, že v případě terminálních alkynů se na aktivaci reaktivity každé molekuly s ohledem na azid podílejí dva ekvivalenty mědi.Navrhovaný mechanismus probíhá přes šestičlenný měděný kovový kruh vytvořený koordinací azidu na σ-vázaný acetylid mědi s π-vázanou mědí jako stabilním donorovým ligandem.Deriváty měďnatého triazolylu vznikají v důsledku kontrakce kruhu následovaného rozkladem protonů za vzniku triazolových produktů a uzavřením katalytického cyklu.
Zatímco výhody zařízení průtokové chemie jsou dobře zdokumentovány, existuje potřeba integrovat do těchto systémů analytické nástroje pro monitorování procesů v reálném čase na místě66,67.UAM se ukázal jako vhodná metoda pro návrh a výrobu velmi složitých 3D průtokových reaktorů z katalyticky aktivních, tepelně vodivých materiálů s přímo zabudovanými snímacími prvky (obr. 4).
Hliníkovo-měděný průtokový reaktor vyrobený ultrazvukovou aditivní výrobou (UAM) se složitou vnitřní strukturou kanálů, vestavěnými termočlánky a katalytickou reakční komorou.Pro vizualizaci vnitřních cest tekutin je také zobrazen průhledný prototyp vyrobený pomocí stereolitografie.
Aby bylo zajištěno, že reaktory jsou připraveny pro budoucí organické reakce, musí být rozpouštědla bezpečně zahřátá nad jejich bod varu;jsou tlakově a teplotně testovány.Tlaková zkouška ukázala, že systém udržuje stabilní a konstantní tlak i při zvýšeném tlaku v systému (1,7 MPa).Hydrostatické testy byly prováděny při teplotě místnosti s použitím H2O jako kapaliny.
Připojení vestavěného (obrázek 1) termočlánku k záznamníku teplot ukázalo, že teplota termočlánku byla 6 °C (± 1 °C) pod naprogramovanou teplotou v systému FlowSyn.Typicky zvýšení teploty o 10 °C zdvojnásobí reakční rychlost, takže teplotní rozdíl jen o několik stupňů může rychlost reakce významně změnit.Tento rozdíl je způsoben teplotními ztrátami v celém RPV v důsledku vysoké tepelné difuzivity materiálů použitých ve výrobním procesu.Tento tepelný drift je konstantní a lze jej proto vzít v úvahu při nastavování zařízení, aby bylo zajištěno dosažení přesných teplot a jejich měření během reakce.Tento online monitorovací nástroj tedy usnadňuje přesnou kontrolu reakční teploty a přispívá k přesnější optimalizaci procesu a vývoji optimálních podmínek.Tyto senzory lze také použít k detekci exotermických reakcí a zabránění nekontrolovaným reakcím ve velkých systémech.
Reaktor prezentovaný v tomto článku je prvním příkladem aplikace technologie UAM při výrobě chemických reaktorů a řeší několik hlavních omezení, která jsou v současnosti spojena s AM/3D tiskem těchto zařízení, jako jsou: (i) Překonání uvedených problémů spojených se zpracováním mědi nebo slitiny hliníku (ii) zlepšené rozlišení vnitřních kanálů ve srovnání s tavením v práškovém loži (PBF), metody, jako je selektivní povrchové tavení laserem a nižší teplota povrchového zpracování (SL69 Polii)25 připojení senzorů, což v technologii práškového lože není možné, (v) překonání špatných mechanických vlastností a citlivosti komponent na bázi polymerů na různá běžná organická rozpouštědla17,19.
Funkčnost reaktoru byla demonstrována řadou mědí katalyzovaných alkinazidových cykloadičních reakcí za podmínek kontinuálního proudění (obr. 2).Ultrazvukově tištěný měděný reaktor znázorněný na Obr.4 byl integrován s komerčním průtokovým systémem a použit k syntéze azidové knihovny různých 1,4-disubstituovaných 1,2,3-triazolů za použití teplotně řízené reakce halogenidů acetylenu a alkylových skupin v přítomnosti chloridu sodného (obr. 3).Použití přístupu kontinuálního toku snižuje bezpečnostní problémy, které mohou nastat při vsádkových procesech, protože tato reakce produkuje vysoce reaktivní a nebezpečné azidové meziprodukty [317], [318].Zpočátku byla reakce optimalizována pro cykloadici fenylacetylenu a jodethanu (Schéma 1 – Cykloadice fenylacetylenu a jodethanu) (viz obr. 5).
(vlevo nahoře) Schéma nastavení použitého pro začlenění 3DP reaktoru do průtokového systému (vpravo nahoře) získané z optimalizovaného (dolního) schématu Huisgen 57 cykloadičního schématu mezi fenylacetylenem a jodoethanem pro optimalizaci a zobrazující optimalizované parametry konverzní rychlosti reakce.
Řízením doby zdržení reaktantů v katalytické sekci reaktoru a pečlivým sledováním reakční teploty pomocí přímo integrovaného termočlánkového senzoru lze rychle a přesně optimalizovat reakční podmínky s minimem času a materiálů.Rychle se zjistilo, že nejvyšší konverze bylo dosaženo za použití doby zdržení 15 minut a reakční teploty 150 °C.Z grafu koeficientů softwaru MODDE je vidět, že jak doba zdržení, tak reakční teplota jsou považovány za důležité podmínky modelu.Spuštění vestavěného optimalizátoru za použití těchto vybraných podmínek vytváří sadu reakčních podmínek navržených tak, aby maximalizovaly plochy píku produktu a zároveň snížily plochy píku výchozího materiálu.Tato optimalizace poskytla 53% konverzi triazolového produktu, což přesně odpovídalo predikci modelu 54%.