Děkujeme, že jste navštívili Nature.com. Verze prohlížeče, kterou používáte, má omezenou podporu pro CSS. Abyste dosáhli co nejlepšího zážitku, doporučujeme vám používat aktualizovaný prohlížeč (nebo vypnout režim kompatibility v Internet Exploreru). Abychom zajistili nepřetržitou podporu, budeme web mezitím zobrazovat bez stylů a JavaScriptu.
Aditivní výroba mění způsob, jakým výzkumní pracovníci a průmyslníci navrhují a vyrábějí chemická zařízení, aby vyhovovala jejich specifickým potřebám. V této práci uvádíme první příklad průtokového reaktoru vytvořeného technikou laminace plechů v pevné fázi Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM) s přímo integrovanými katalytickými částmi a snímacími prvky. Technologie UAM nejen překonává mnohá omezení, která jsou v současnosti spojena s aditivními reaktory, ale také výrazně zvyšuje biologické možnosti výroby těchto chemických reaktorů. substituované 1,2,3-triazolové sloučeniny byly úspěšně syntetizovány a optimalizovány Huisgenovou 1,3-dipolární cykloadiční reakcí zprostředkovanou Cu pomocí chemického nastavení UAM. Díky využití jedinečných vlastností UAM a nepřetržitého zpracování toku je zařízení schopno katalyzovat probíhající reakce a zároveň poskytovat zpětnou vazbu v reálném čase pro sledování a optimalizaci reakcí.
Vzhledem ke svým významným výhodám oproti objemovému protějšku je průtoková chemie důležitým a rostoucím oborem v akademickém i průmyslovém prostředí díky své schopnosti zvýšit selektivitu a účinnost chemické syntézy. To sahá od jednoduché tvorby organických molekul1 až po farmaceutické sloučeniny2,3 a přírodní produkty4,5,6.Více než 50 % reakcí v chemickém a farmaceutickém průmyslu může těžit z použití kontinuálního zpracování7.
V posledních letech narůstá trend skupin, které chtějí nahradit tradiční skleněné zboží nebo zařízení pro průtokovou chemii přizpůsobitelnými „reakčními nádobami“ pro aditivní výrobu (AM) 8. Iterativní design, rychlá výroba a 3D (3D) možnosti těchto technik jsou výhodné pro ty, kteří chtějí svá zařízení přizpůsobit konkrétnímu souboru reakcí, zařízení nebo podmínek. Dosud se tato práce soustředila téměř výlučně na takové techniky, jako jsou 93-stereotisk, SL (103), 11, modelování tavené depozice (FDM)8,12,13,14 a inkoustový tisk 7, 15, 16. Nedostatek robustnosti a schopnosti těchto zařízení provádět širokou škálu chemických reakcí/analýz17, 18, 19, 20 je hlavním limitujícím faktorem pro širší implementaci AM v této oblasti11, 18.
Vzhledem k rostoucímu používání průtokové chemie a příznivým vlastnostem spojeným s AM je potřeba prozkoumat pokročilejší techniky, které uživatelům umožní vyrábět průtokové reakční nádoby s vylepšenými chemickými a analytickými schopnostmi. Tyto techniky by měly uživatelům umožnit vybrat si z řady vysoce odolných nebo funkčních materiálů schopných zvládnout širokou škálu reakčních podmínek a zároveň usnadnit různé formy analytického výstupu ze zařízení, aby bylo možné reakci sledovat a řídit.
Jedním z aditivních výrobních procesů, které mají potenciál vyvinout vlastní chemické reaktory, je Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM). Tato technika laminace plechů v pevné fázi aplikuje ultrazvukové oscilace na tenké kovové fólie, aby je spojila vrstva po vrstvě s minimálním objemovým ohřevem a vysokým stupněm plastické toku 21 , 22 , 23 . numericky řízené (CNC) frézování nebo laserové obrábění definuje čistý tvar vrstvy lepeného materiálu 24, 25. To znamená, že uživatel není omezován problémy spojenými s odstraňováním zbytkového surového stavebního materiálu z malých tekutinových kanálků, což je často případ práškových a kapalných AM systémů26,27,28.Tato konstrukční svoboda se také rozšiřuje na dostupné volby materiálu – podobný proces a tavení umožňuje výběr materiálu v jednom kroku, výběr tepelného materiálu. mohou být lépe splněny mechanické a chemické požadavky konkrétních aplikací. Kromě spojování v pevné fázi je dalším fenoménem, ​​se kterým se setkáváme při spojování ultrazvukem, vysoký tok plastových materiálů při relativně nízkých teplotách29,30,31,32,33. Tato jedinečná vlastnost UAM může usnadnit zabudování mechanických/tepelných prvků mezi kovové vrstvy bez poškození. Vestavěné senzory UAM mohou usnadnit přenos informací ze zařízení do reálného času uživatele.
Minulá práce autorů32 prokázala schopnost procesu UAM vytvářet kovové 3D mikrofluidní struktury s integrovanými schopnostmi snímání. Toto je zařízení pouze pro monitorování. Tento článek představuje první příklad mikrofluidního chemického reaktoru vyrobeného UAM;aktivní zařízení, které nejen monitoruje, ale také indukuje chemickou syntézu prostřednictvím strukturálně integrovaných katalytických materiálů. Zařízení kombinuje několik výhod spojených s technologií UAM při výrobě 3D chemických zařízení, jako je: schopnost převádět úplné 3D návrhy přímo z modelů počítačově podporovaného navrhování (CAD) na produkty;výroba více materiálů, která kombinuje vysokou tepelnou vodivost a katalytické materiály;a zabudování tepelných senzorů přímo mezi proudy činidel pro přesné sledování a řízení reakční teploty. K demonstraci funkčnosti reaktoru byla syntetizována knihovna farmaceuticky důležitých 1,4-disubstituovaných 1,2,3-triazolových sloučenin pomocí mědí katalyzované Huisgenovy 1,3-dipolární cykloadice. Tato práce zdůrazňuje, jak mohou nové možnosti a možnosti počítačového výzkumu využívat nové možnosti multidisciplinárního výzkumu.
Všechna rozpouštědla a reagencie byly zakoupeny od Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI nebo Fischer Scientific a byly použity bez předchozího čištění.1H a 13C NMR spektra zaznamenaná při 400 MHz a 100 MHz, v daném pořadí, byla získána pomocí JEOL ECS-400 400 MHz reakce spektrometru nebo rozpouštědlového spektrometru Bruker a CD42 spect2 MHz Cl3 MHz provedeno pomocí platformy průtokové chemie Uniqsis FlowSyn.
K výrobě všech zařízení v této studii byla použita technologie UAM. Technologie byla vynalezena v roce 1999 a její technické detaily, provozní parametry a vývoj od jejího vynálezu lze studovat prostřednictvím následujících publikovaných materiálů34,35,36,37. Zařízení (obrázek 1) bylo implementováno pomocí ultravysokého výkonu, 9kW SonicLayer 4000® pro zařízení Cutonic-UAM,1OH, průtokové zařízení byly vybrány pro zařízení Cucunic-1OH, 1Fab. 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 v mikroreaktoru.Al 6061 O se používá jako „hromadný“ materiál, také Embeding layer používaná pro analýzu;Zalití pomocných slitinových komponent a stav žíhání v kombinaci s vrstvou Cu-110.Al 6061 O je materiál, u kterého bylo prokázáno, že je vysoce kompatibilní s procesy UAM38, 39, 40, 41 a byl testován a shledán chemicky stabilním s činidly použitými v této práci.Kombinace Al 6061 O s Cu-110 je rovněž považována za kompatibilní materiálovou kombinaci pro UAM a je proto vhodným materiálem pro tuto studii.38,42 Tato zařízení jsou uvedena v tabulce 1 níže.
Fáze výroby reaktoru (1) Substrát Al 6061 (2) Výroba spodního kanálu na měděnou fólii (3) Vložení termočlánků mezi vrstvy (4) Horní kanál (5) Vstup a výstup (6) Monolitický reaktor.
Konstrukční filozofií dráhy tekutiny je použití svinuté dráhy ke zvýšení vzdálenosti, kterou tekutina urazí v čipu, při zachování zvládnutelné velikosti čipu. Toto zvětšení vzdálenosti je žádoucí pro prodloužení doby interakce katalyzátor/činidlo a poskytnutí vynikajících výtěžků produktu. Čipy využívají 90° ohyby na koncích přímé dráhy, aby vyvolaly turbulentní míšení uvnitř zařízení44 a prodloužily dobu kontaktu s povrchem tekutiny lze dosáhnout zvýšením kontaktního povrchu tekutiny. dva reagenční vstupy spojené na Y-junction před vstupem do hadovité směšovací sekce. Třetí vstup, který protíná proud v polovině jeho rezidence, je součástí návrhu budoucích vícekrokových reakčních syntéz.
Všechny kanály mají čtvercový profil (bez úhlů úkosu), což je výsledek periodického CNC frézování použitého k vytvoření geometrie kanálu. Rozměry kanálů jsou zvoleny tak, aby zajistily vysoký (pro mikroreaktor) objemový výstup, a přitom byly dostatečně malé, aby usnadnily povrchové interakce (katalyzátory) pro většinu obsažených tekutin. Vhodná velikost je založena na dřívějších zkušenostech autorů s kov-fluidními zařízeními pro konečnou reakci a celkovými rozměry 7 µm x 0 reakce byly µm µm x0 kanálů. nebo objem byl 1 ml. Integrovaný konektor (závit 1/4″—28 UNF) je součástí návrhu, který umožňuje jednoduché propojení zařízení s komerčním zařízením pro průtokovou chemii.Velikost kanálku je omezena tloušťkou fóliového materiálu, jeho mechanickými vlastnostmi a parametry spojování používanými s ultrazvukem.Při specifické 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 tomto případě šířka 750 μm nezpůsobí průhyb.
Tvar (čtverec) kanálu je určen pomocí čtvercové frézy. Tvar a velikost kanálů lze měnit pomocí CNC strojů pomocí různých řezných nástrojů, aby se získaly různé průtoky a charakteristiky. Příklad vytvoření kanálu zakřiveného tvaru pomocí nástroje 125 μm lze nalézt v práci Monaghan45. Když je vrstva fólie nanesena rovinným způsobem, překryvná vrstva bude mít povrchovou úpravu na plochém materiálu. symetrie kanálu, byl použit čtvercový obrys.
Během předem naprogramované pauzy ve výrobě jsou termočlánkové teplotní sondy (typ K) zabudovány přímo do zařízení mezi horní a spodní skupinu kanálů (obrázek 1 – fáze 3). Tyto termočlánky mohou sledovat změny teploty od -200 do 1350 °C.
Proces nanášení kovu se provádí pomocí trubice UAM pomocí kovové fólie o šířce 25,4 mm a tloušťce 150 mikronů. Tyto vrstvy fólie jsou spojeny do řady sousedních pásů, aby pokryly celou plochu stavby;velikost naneseného materiálu je větší než finální produkt, protože subtraktivní proces vytváří konečný čistý tvar. CNC obrábění se používá k obrábění vnějších a vnitřních obrysů zařízení, což má za následek povrchovou úpravu zařízení a kanálů shodnou s vybraným nástrojem a parametry CNC procesu (v tomto příkladu přibližně 1,6 μm Ra). Kontinuální, kontinuální ultrazvukový cyklus nanášení materiálu je dodržen během celého procesu obrábění frézy zajistí, že CNC obrábění bude dodrženo přesnost obrábění součásti. úrovně přesnosti. Šířka kanálu použitá pro toto zařízení je dostatečně malá, aby zajistila, že materiál fólie „nepropadá“ do kanálu tekutiny, takže kanál si zachovává čtvercový průřez. Možné mezery v materiálu fólie a parametry procesu UAM byly stanoveny experimentálně výrobním partnerem (Fabrisonic LLC, USA).
Studie ukázaly, že na spojovacím rozhraní 46, 47 UAM dochází k malé difúzi prvků bez dodatečného tepelného zpracování, takže pro zařízení v této práci zůstává vrstva Cu-110 odlišná od vrstvy Al 6061 a náhle se mění.
Nainstalujte předkalibrovaný 250 psi (1724 kPa) regulátor zpětného tlaku (BPR) na výstup z reaktoru a pumpujte vodu reaktorem rychlostí 0,1 až 1 ml min-1. Tlak v reaktoru byl monitorován pomocí vestavěného systémového tlakového senzoru FlowSyn, aby se ověřilo, že systém dokáže udržet konstantní stálý tlak napříč teplotními gradienty testovaného reaktoru, byly zabudovány jakékoli teplotní rozdíly v reaktoru. a těch, které jsou zabudovány do topné desky čipu FlowSyn. Toho je dosaženo změnou programovatelné teploty plotýnky mezi 100 a 150 °C v krocích po 25 °C a zaznamenáním jakýchkoli rozdílů mezi naprogramovanou a zaznamenanou teplotou. Toho bylo dosaženo pomocí dataloggeru tc-08 (PicoTech, Cambridge, UK) a doprovodného softwaru PicoLog.
Byly optimalizovány podmínky cykloadiční reakce fenylacetylenu a jodethanu (Schéma 1 - Cykloadice fenylacetylenu a jodoethanu Schéma 1 - Cykloadice fenylacetylenu a jodoethanu). Tato optimalizace byla provedena přístupem plného faktoriálního designu experimentů (DOE) s použitím teploty a doby zdržení jako proměnných parametrů, při fixaci poměru 1:azide a
Byly připraveny samostatné roztoky azidu sodného (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), jodethanu (0,25 M, DMF) a fenylacetylenu (0,125 M, DMF). Alikvotní podíl 1,5 ml z každého roztoku byl smíchán a čerpán reaktorem při požadovaném průtoku produktu a teplotě. Poměr výchozí oblasti modelu k materiálu triazolacetylenové kapaliny byl stanoven jako vysoce výkonný fenylHPLC. Pro konzistenci analýzy byly všechny reakce odebírány 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) skládajícího se z kvartérní pumpy, kolonové pece, UV detektoru s proměnnou vlnovou délkou a autosampleru. Kolona byla Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA), velikost 4,6 × 100 mm, velikost částic 5 µm, udržovaná při 40 µm průtoku methanolu : 0 krat rozpouštědla 0 krat 5 ml. .min-1. Objem nástřiku byl 5 ul a vlnová délka detektoru byla 254 nm. Plocha píku v % pro vzorek DOE byla vypočtena z ploch píku pouze zbytkových alkynových a triazolových produktů. Injekce výchozího materiálu umožňuje identifikaci relevantních píků.
Spojení výstupu analýzy reaktoru se softwarem MODDE DOE (Umetrics, Malmö, Švédsko) umožnilo důkladnou analýzu trendů výsledků a stanovení optimálních reakčních podmínek pro tuto cykloadici. Spuštěním vestavěného optimalizátoru a výběrem všech důležitých modelových pojmů se získá soubor reakčních podmínek navržených tak, aby maximalizovaly plochu píku produktu při současném snížení plochy píku výchozího acetylenu.
Oxidace povrchové mědi 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 knihovny triazolových sloučenin.
Jakmile byla identifikována optimální sada podmínek, byly aplikovány na řadu acetylenových a halogenalkanových derivátů, aby se umožnilo sestavení syntézy malé knihovny, čímž byla stanovena schopnost aplikovat tyto podmínky na širší škálu potenciálních činidel (obrázek 1).2).
Připravte oddělené roztoky azidu sodného (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), halogenalkanů (0,25 M, DMF) a alkynů (0,125 M, DMF). 3 ml alikvoty každého roztoku byly smíchány a pumpovány přes reaktor při 75 ul.min-1 a 150 °C byl shromážděn do 10 ml roztoku ethyl acetátu. x 10 ml vody. Vodné vrstvy byly spojeny a extrahovány 10 ml ethylacetátu;organické vrstvy byly poté spojeny, promyty 3 x 10 ml solanky, vysušeny nad MgS04 a zfiltrovány, poté bylo rozpouštědlo odstraněno ve vakuu. Vzorky byly před analýzou pomocí kombinace HPLC,1H NMR,13C NMR a hmotnostní spektrometrie s vysokým rozlišením (HR-MS) přečištěny sloupcovou chromatografií na silikagelu za použití ethylacetátu.
Všechna spektra byla získána za použití přesného rozlišovacího hmotnostního spektrometru Thermofischer Orbitrap s ESI jako zdrojem ionizace. Všechny vzorky byly připraveny s použitím acetonitrilu jako rozpouštědla.
TLC analýza byla prováděna na hliníkových deskách z oxidu křemičitého. Destičky byly vizualizovány UV světlem (254 nm) nebo vanilinovým barvením a zahříváním.
Všechny vzorky byly analyzovány pomocí systému VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) vybaveného automatickým vzorkovačem, binárním čerpadlem kolonové pece a detektorem jediné vlnové délky. Použitá kolona byla ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Scotland).
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 nebo vlnová délka 5 nm.
% plochy píku vzorku bylo vypočteno z plochy píku zbytkového alkynu, pouze triazolového produktu, a injekce výchozího materiálu umožnila identifikaci relevantních píku.
Všechny vzorky byly analyzovány pomocí Thermo iCAP 6000 ICP-OES. Všechny kalibrační standardy byly připraveny s použitím 1000 ppm Cu standardního roztoku ve 2% kyselině dusičné (SPEX Certi Prep). Všechny standardy byly připraveny v 5% DMF a 2% roztoku HNO3 a všechny vzorky byly 20krát zředěny v roztoku vzorku DMF-HNO3.
UAM využívá ultrazvukové svařování kovů jako spojovací techniku ​​pro materiál kovové fólie, který se používá k sestavení konečné sestavy. Ultrazvukové svařování kovů využívá vibrující kovový nástroj (nazývaný roh nebo ultrazvukový roh) k vyvíjení tlaku na vrstvu fólie/dříve zpevněnou vrstvu, která má být spojena, zatímco vibruje materiál. Při nepřetržitém provozu je sonotroda válcová a tlak se nanáší na povrch materiálu, který se válcuje po povrchu spoje. materiál může prasknout. Pokračující tlak a vibrace mohou způsobit zborcení nerovností materiálu 36 . Intimní kontakt s lokálně indukovaným teplem a tlakem pak vede k vazbě v pevné fázi na rozhraních materiálů;může také napomáhat adhezi prostřednictvím změn povrchové energie48. Povaha spojovacího mechanismu překonává mnoho problémů spojených s proměnlivou teplotou taveniny a vysokoteplotními následnými efekty zmíněnými u jiných aditivních výrobních technik. To umožňuje přímé spojení (tj. bez povrchové úpravy, plniv nebo lepidel) více vrstev různých materiálů do jediné konsolidované struktury.
Druhým příznivým faktorem pro UAM je vysoký stupeň plastické toku pozorovaný v kovových materiálech, a to i při nízkých teplotách, tj. hluboko pod bodem tavení kovových materiálů. Kombinace ultrazvukové oscilace a tlaku vyvolává vysoké úrovně lokální migrace hranic zrn a rekrystalizace bez velkého nárůstu teploty, který je tradičně spojován s sypkými materiály. Při konstrukci finální sestavy lze tento jev využít pomocí kovových vrstev, pasivních prvků mezi embedovanými vrstvami, jako jsou aktivní optické vrstvy4 fólie. výztuhy 46, elektronika 50 a termočlánky (tato práce) byly všechny úspěšně zabudovány do struktur UAM za účelem vytvoření aktivních a pasivních kompozitních sestav.
V této práci byly použity různé možnosti spojování materiálů a interkalací UAM k vytvoření konečného katalytického mikroreaktoru pro monitorování teploty.
Ve srovnání s palladiem (Pd) a jinými běžně používanými kovovými katalyzátory má Cu katalýza několik výhod: (i) Ekonomicky je Cu méně nákladná než mnoho jiných kovů používaných při katalýze, a proto je atraktivní volbou pro chemický zpracovatelský průmysl (ii) Rozsah reakcí cross-coupling katalyzovaných Cu se zvyšuje a zdá se, že poněkud doplňuje jiné metodiky založené na Pd,51,5 jiných metodologií51,5 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, například bimetalicky katalyzovaná Sonogashirova vazba a cykloadice s azidy (klikací chemie) (v)Cu je také schopna podpořit nukleofilní reakce několika typů arylmannů.
Příklady heterogenizace všech těchto reakcí byly nedávno demonstrovány v přítomnosti Cu(0). To je z velké části způsobeno farmaceutickým průmyslem a rostoucím zaměřením na získávání a opětovné použití kovových katalyzátorů55,56.
1,3-dipolární cykloadiční reakce mezi acetylenem a azidem na 1,2,3-triazol, kterou Huisgen propagoval v 60. letech 20. století57, je považována za synergickou demonstrační reakci. Výsledné 1,2,3 triazolové skupiny jsou zvláště zajímavé jako farmakofory v oblasti objevování léčiv a použití v různých biologických aplikacích58.
Tato reakce se znovu dostala do centra pozornosti, když Sharpless a další představili koncept „klikací chemie“59. Termín „klikací chemie“ se používá k popisu robustní, spolehlivé a selektivní sady reakcí pro rychlou syntézu nových sloučenin a kombinatorických knihoven prostřednictvím heteroatomové vazby (CXC)60 Syntetická přitažlivost těchto reakcí pramení z jejich souvisejících vysokých výtěžků a odolnosti vůči vodě, jednoduché a jednoduché,6 kyslíkové separace.
Klasická Huisgenova 1,3-dipólová cykloadice nepatří do kategorie „klikací chemie“. Medal a Sharpless však prokázali, že tato azid-alkinová kondenzace podléhá 107 až 108 v přítomnosti Cu(I) ve srovnání s nekatalyzovanou 1,3-dipolární cykloadicí výtěžek 62,3-dipolárního reakčního mechanismu nevyžadují zlepšenou acceleaci nebo úplné ochranné skupiny. konverze a selektivita na 1,4-disubstituované 1,2,3-triazoly (anti-1,2,3-triazol) v časovém měřítku (obrázek 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 směsi stereoesazolů.
Většina protokolů zahrnuje redukci stabilních zdrojů Cu(II), jako je redukce CuSO4 nebo ko-kombinace Cu(II)/Cu(0) se sodnými solemi. Ve srovnání s jinými kovy katalyzovanými reakcemi má použití Cu(I) hlavní výhody v tom, že je nenákladné a snadno se s ním manipuluje.
Studie kinetického a izotopového značení od Worrella et al.65 ukázal, že v případě terminálních alkynů se na aktivaci reaktivity každé molekuly vůči azidu podílejí dva ekvivalenty mědi. Navržený mechanismus postupuje přes šestičlenný měděný kovový kruh vytvořený koordinací azidu na σ-vázaný acetylid mědi s π-vázanou mědí jako stabilním donorovým ligandem. Triazolylové deriváty mědi jsou tvořeny produkcí pro-kompenzace a následnou depozicí kruhu následuje dekomprimace kruhu. .
Zatímco výhody zařízení pro průtokovou chemii jsou dobře zdokumentovány, existuje potřeba integrovat do těchto systémů analytické nástroje pro in-line, in-situ, monitorování procesů66,67. UAM se ukázal jako vhodná metoda pro navrhování a výrobu vysoce komplexních 3D průtokových reaktorů vyrobených z katalyticky aktivních, tepelně vodivých materiálů s přímo zabudovanými snímacími prvky (obrázek 4).
Hliník-měď průtokový reaktor vyrobený ultrazvukovou aditivní výrobou (UAM) se složitou strukturou vnitřních kanálů, zapuštěnými termočlánky a katalytickou reakční komorou. Pro vizualizaci vnitřních tekutinových drah je také zobrazen průhledný prototyp vyrobený pomocí stereolitografie.
Aby bylo zajištěno, že reaktory jsou vyrobeny pro budoucí organické reakce, musí být rozpouštědla bezpečně zahřátá nad bod varu;jsou tlakově a teplotně testovány. Tlaková zkouška prokázala, že systém udržuje stabilní a konstantní tlak i při zvýšeném tlaku systému (1,7 MPa). Hydrostatický test byl proveden při pokojové teplotě s H2O jako kapalinou.
Připojení vestavěného (obrázek 1) termočlánku k záznamníku teplot ukázalo, že termočlánek byl o 6 °C (± 1 °C) chladnější než naprogramovaná teplota na systému FlowSyn. Typicky zvýšení teploty o 10 °C vede ke zdvojnásobení rychlosti reakce, takže teplotní rozdíl jen několika stupňů může výrazně změnit tělesnou teplotu způsobenou vysokou tepelnou ztrátou použitých materiálů v důsledku teplotní ztráty nebo tohoto rozdílu. ve výrobním procesu.Tento tepelný drift je konzistentní a lze jej proto zohlednit v nastavení zařízení, aby bylo zajištěno dosažení přesných teplot a jejich měření během reakce. Proto tento online monitorovací nástroj usnadňuje přesnou kontrolu reakční teploty a umožňuje přesnější optimalizaci procesu a vývoj optimálních podmínek. Tyto senzory lze také použít k identifikaci exotermních reakcí a zabránění nekontrolovaným reakcím ve velkých systémech.
Reaktor prezentovaný v této práci je prvním příkladem aplikace technologie UAM na výrobu chemických reaktorů a řeší několik hlavních omezení, která jsou v současnosti spojena s AM/3D tiskem těchto zařízení, jako je: (i) překonání hlášených problémů souvisejících se zpracováním mědi nebo slitin hliníku (ii) zlepšené rozlišení vnitřních kanálů ve srovnání s práškovým ložem (PBF) techniky, jako je selektivní laserové tavení (SLM) nebo přímé tavení povrchu (SLM)25 a teplota zpracování drsného materiálu25,69ii lepení senzorů, které není možné v technologii práškového lože, (v) překonává špatné mechanické vlastnosti a citlivost komponent komponent na bázi polymerů na řadu běžných organických rozpouštědel17,19.
Funkčnost reaktoru byla demonstrována sérií mědí katalyzovaných alkynazidových cykloadičních reakcí za podmínek kontinuálního průtoku (obr. 2). Ultrazvukově potištěný měděný reaktor podrobně na obrázku 4 byl integrován s komerčním průtokovým systémem a použit k syntéze knihovny azidů různých 1,4-disubstituovaných 1,2,3-triazolů prostřednictvím reakce s řízenou teplotou acetylenchloridu v halogenacetylenchloridu. použití přístupu kontinuálního toku zmírňuje bezpečnostní obavy, které mohou vzniknout u vsázkových procesů, 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 jodoethanu) (viz obrázek 5).
(vlevo nahoře) Schéma nastavení použitého k začlenění 3DP reaktoru do průtokového systému (vpravo nahoře) získané v optimalizovaném (dole) schématu Huisgenova schématu cykloadice 57 mezi fenylacetylenem a jodoethanem pro optimalizaci a ukazující optimalizované parametry reakční rychlost konverze.
Řízením doby zdržení reagencií v katalytické části reaktoru a pečlivým sledováním reakční teploty přímo integrovanou termočlánkovou sondou lze rychle a přesně optimalizovat reakční podmínky s minimálním časem a spotřebou materiálu. Rychle bylo zjištěno, že nejvyšších konverzí bylo dosaženo, když byla použita doba zdržení 15 minut a reakční teplota 150 °C. Z grafu DER a teplotního koeficientu lze považovat oba parametry modelu reakce. vestavěný optimalizátor využívající tyto vybrané výrazy generuje sadu reakčních podmínek navržených tak, aby maximalizovaly plochy píku produktu při současném snížení ploch píku výchozího materiálu. Tato optimalizace poskytla 53% konverzi triazolového produktu, což těsně odpovídalo modelové predikci 54 %.
Na základě literatury ukazující, že oxid měďný (Cu2O) může v těchto reakcích působit jako účinná katalytická látka na nulamocných měděných površích, byla zkoumána schopnost předoxidovat povrch reaktoru před provedením reakce v toku70,71. Reakce mezi fenylacetylenem a jodoethanem byla poté provedena znovu za optimálních podmínek a byly porovnány výtěžky, u kterých bylo zjištěno, že tato přeměna byla výchozí >9 %. monitorování pomocí HPLC ukázalo, že tato přeměna významně zkrátila příliš prodlouženou reakční dobu až do přibližně 90 minut, načež se zdálo, že se aktivita vyrovná a dosáhne „ustáleného stavu“. Toto pozorování naznačuje, že zdroj katalytické aktivity se získává z povrchového oxidu mědi spíše než z nulamocného měděného substrátu. Kov Cu se snadno oxiduje při pokojové teplotě, aby se vytvořily CuO a Cu2O, které nejsou samoochranné vrstvy.