Tak, fordi du besøgte Nature.com. Den browserversion, du bruger, har begrænset understøttelse af CSS. For den bedste oplevelse anbefaler vi, at du bruger en opdateret browser (eller slår kompatibilitetstilstand fra i Internet Explorer). I mellemtiden vil vi for at sikre fortsat support vise webstedet uden stilarter og JavaScript.
Additiv fremstilling ændrer den måde, forskere og industrifolk designer og fremstiller kemiske anordninger på for at imødekomme deres specifikke behov. I dette arbejde rapporterer vi det første eksempel på en flowreaktor dannet af faststof-metalpladelamineringsteknikken Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM) med direkte integrerede katalytiske dele og sensingelementer. I øjeblikket overvinder mange af de begrænsninger, der er forbundet med den kemiske UAM-teknologi, ikke kun de begrænsninger, der er forbundet med refacturteknologi. s, men det øger også sådanne enheders muligheder betydeligt. En række biologisk vigtige 1,4-disubstituerede 1,2,3-triazolforbindelser blev med succes syntetiseret og optimeret af en Cu-medieret Huisgen 1,3-dipolær cycloadditionsreaktion ved hjælp af en UAM-kemi-opsætning. give feedback i realtid til reaktionsovervågning og optimering.
På grund af dets betydelige fordele i forhold til dets bulk-modstykke er flowkemi et vigtigt og voksende felt i både akademiske og industrielle omgivelser på grund af dets evne til at øge selektiviteten og effektiviteten af ​​kemisk syntese. Dette strækker sig fra simpel organisk molekyledannelse1 til farmaceutiske forbindelser2,3 og naturlige produkter4,5,6.Mere end 50 % af reaktionerne i den fine kemiske og farmaceutiske industri kan drage fordel af brugen af ​​kontinuerlig flowbehandling7.
I de senere år har der været en voksende tendens til grupper, der ønsker at erstatte traditionelt glas- eller flowkemi-udstyr med tilpasselig additive manufacturing (AM) kemi "reaktionsbeholdere"8. Det iterative design, hurtige produktion og 3-dimensionelle (3D) kapaciteter af disse teknikker er gavnlige for dem, der ønsker at tilpasse deres enheder til et specifikt sæt af enheder, som næsten udelukkende er fokuseret på enhedens brugs-, dato- eller brugsbetingelser. polymer-baserede 3D-printteknikker såsom stereolitografi (SL)9,10,11, fusionsdepositionsmodellering (FDM)8,12,13,14 og inkjet print 7, 15, 16. Mangelen på robusthed og evne af sådanne enheder til at udføre en bred vifte af kemiske reaktioner/analyser17, 19,20 er en væsentlig grænse for dette område, 19,20,17,20. , 18, 19, 20 .
På grund af den stigende brug af flowkemi og de gunstige egenskaber forbundet med AM, er der behov for at udforske mere avancerede teknikker, som gør det muligt for brugere at fremstille flow-reaktionsbeholdere med forbedrede kemiske og analytiske egenskaber. Disse teknikker skal gøre det muligt for brugere at vælge mellem en række meget robuste eller funktionelle materialer, der er i stand til at håndtere en bred vifte af reaktionsbetingelser, samtidig med at de muliggør forskellige former for overvågning af enhedens analytiske output til kontrol af enhedens analytiske output.
En additiv fremstillingsproces, der har potentialet til at udvikle specialfremstillede kemiske reaktorer, er Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM). Denne solid-state sheet lamineringsteknik anvender ultralydssvingninger på tynde metalfolier for at forbinde dem lag for lag med minimal bulk opvarmning og en høj grad af plastik flow 21 , 22 . turing, kendt som en hybrid fremstillingsproces, hvor in-situ periodisk computer numerisk styring (CNC) fræsning eller laserbearbejdning definerer nettoformen af ​​et lag af bundet materiale 24, 25. Dette betyder, at brugeren ikke er begrænset af problemerne forbundet med at fjerne rester af råbyggemateriale fra små væskekanaler, hvilket ofte er tilfældet med pulver- og flydende systemer,28. – UAM kan binde termisk lignende og uens materialekombinationer i et enkelt procestrin. Valget af materialekombinationer ud over smelteprocessen betyder, at de mekaniske og kemiske krav til specifikke applikationer bedre kan imødekommes. Ud over faststofbinding er et andet fænomen, man støder på under ultralydsbinding, det høje flow af plastmaterialer ved relativt lave temperaturer29,32,331, 331, 30, 30, 29, 32, 331. termiske elementer mellem metallag uden skade.UAM-indlejrede sensorer kan lette leveringen af ​​realtidsinformation fra enheden til brugeren gennem integreret analyse.
Forfatternes tidligere arbejde32 demonstrerede UAM-processens evne til at skabe metalliske 3D-mikrofluidiske strukturer med integrerede sansningsevner. Dette er en overvågningsenhed. Dette papir præsenterer det første eksempel på en mikrofluidisk kemisk reaktor fremstillet af UAM;en aktiv enhed, der ikke kun overvåger, men også inducerer kemisk syntese gennem strukturelt integrerede katalysatormaterialer.Enheden kombinerer flere fordele forbundet med UAM-teknologi i 3D-kemisk enhedsfremstilling, såsom: evnen til at konvertere fulde 3D-design direkte fra computerstøttet design (CAD)-modeller til produkter;multi-materiale fremstilling til at kombinere høj termisk ledningsevne og katalytiske materialer;og indlejring af termiske sensorer direkte mellem reagensstrømme til præcis overvågning og kontrol af reaktionstemperaturen. For at demonstrere reaktorens funktionalitet blev et bibliotek af farmaceutisk vigtige 1,4-disubstituerede 1,2,3-triazolforbindelser syntetiseret af kobberkatalyseret Huisgen 1,3-dipolære materialer. muligheder og muligheder for kemi gennem tværfaglig forskning.
Alle opløsningsmidler og reagenser blev købt fra Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI eller Fischer Scientific og blev brugt uden forudgående oprensning.1H og 13C NMR spektre optaget ved henholdsvis 400 MHz og 100 MHz blev opnået ved anvendelse af et JEOL ECS-400 400 MHz spektrometer eller et solr SO2 spektrometer eller et solr SO2 400 MHz spektrometer eller et solr SO2 400 MHz spektrometer eller et solr SO2 400 MHz spektrometer. vent. Alle reaktioner blev udført ved hjælp af Uniqsis FlowSyn flow kemi platform.
UAM blev brugt til at fremstille alle enheder i denne undersøgelse.Teknologien blev opfundet i 1999, og dens tekniske detaljer, driftsparametre og udviklinger siden dens opfindelse kan studeres gennem følgende offentliggjorte materialer34,35,36,37.Enheden (Figur 1) blev implementeret ved hjælp af en ultra-høj effekt, 9kW SonicLayer 4000®-materialerne til flowet, USA UAM-systemet (OHFabrisen-materialerne, OHFabrisen-materialerne). enhed var Cu-110 og Al 6061. Cu-110 har et højt kobberindhold (minimum 99,9% kobber), hvilket gør det til en god kandidat til kobberkatalyserede reaktioner, og bruges derfor som et "aktivt lag i en mikroreaktor.Al 6061 O bruges som et "bulk" materiale, også indlejringslag til analyse;Legering hjælpekomponent indstøbning og udglødet tilstand kombineret med Cu-110 lag.Al 6061 O er et materiale, der har vist sig at være yderst kompatibelt med UAM-processer38, 39, 40, 41 og er blevet testet og fundet kemisk stabilt med de reagenser, der anvendes i dette arbejde.Kombinationen af ​​Al 6061 O med Cu-110 betragtes også som en kompatibel materialekombination for UAM og er derfor et egnet materiale til denne undersøgelse.38,42 Disse enheder er angivet i tabel 1 nedenfor.
Reaktorfremstillingstrin (1) Al 6061 substrat (2) Fremstilling af bundkanal sat til kobberfolie (3) Indstøbning af termoelementer mellem lag (4) Topkanal (5) Indløb og udløb (6) Monolitisk reaktor.
Væskebanens designfilosofi er at bruge en indviklet bane til at øge den afstand, væsken bevæger sig i chippen, mens chippen holdes i en håndterbar størrelse. Denne stigning i afstanden er ønskværdig for at øge katalysator/reagens-interaktionstiden og give fremragende produktudbytte. Chipsene bruger 90° bøjninger i enderne af den lige vej inden for enhedens lige vej for at inducere turbulentens kontakttid med væsken (4) (4). For yderligere at øge den blanding, der kan opnås, har reaktordesignet to reagensindløb kombineret ved Y-krydset, før det går ind i serpentinblandingssektionen. Det tredje indløb, som skærer åen halvvejs gennem dens opholdssted, er inkluderet i designet af fremtidige flertrins reaktionssynteser.
Alle kanaler har en firkantet profil (ingen trækvinkler), resultatet af den periodiske CNC-fræsning, der blev brugt til at skabe kanalgeometrien. Kanaldimensionerne er valgt for at sikre et højt (for en mikroreaktor) volumenoutput, samtidig med at de er små nok til at lette overfladeinteraktioner (katalysatorer) for de fleste af de indeholdte væsker. Den passende størrelse er baseret på forfatternes tidligere dimensioner for de interne reaktioner med metal-7 reaktionskanaler med 7-reaktionskanalen. µm x 750 µm, og det samlede reaktorvolumen var 1 ml. En integreret konnektor (1/4″—28 UNF-gevind) er inkluderet i designet for at muliggøre enkel grænseflade mellem enheden og kommercielt flowkemiudstyr.Kanalstørrelsen er begrænset af foliematerialets tykkelse, dets mekaniske egenskaber og de bindingsparametre, der bruges med ultralyd.Ved en specifik bredde for et givet materiale vil materialet "sænke" ind i den oprettede kanal.Der er i øjeblikket ingen specifik model for denne beregning, så den maksimale kanalbredde for et givet materiale og design bestemmes eksperimentelt;i dette tilfælde vil en bredde på 750 μm ikke forårsage nedbøjning.
Kanalens form (firkantet) bestemmes ved at bruge en kvadratisk skærer. Kanalernes form og størrelse kan ændres af CNC-maskiner, der bruger forskellige skæreværktøjer for at opnå forskellige strømningshastigheder og karakteristika. Et eksempel på at skabe en buet kanal ved hjælp af 125 μm værktøjet kan findes i Monaghan45's arbejde. Når folieplanlaget af materialet er aflejret over et fladt lag af folien over et flade lag af en kanal (overfladen) ) finish.I dette arbejde blev der brugt en firkantet kontur for at bevare kanalens symmetri.
Under en forprogrammeret pause i fremstillingen er termoelementtemperatursonder (Type K) indlejret direkte i enheden mellem de øvre og nedre kanalgrupper (Figur 1 – Trin 3). Disse termoelementer kan overvåge temperaturændringer fra -200 til 1350 °C.
Metalaflejringsprocessen udføres af et UAM-horn ved hjælp af en 25,4 mm bred, 150 mikron tyk metalfolie. Disse folielag er bundet til en række tilstødende strimler for at dække hele byggeområdet;størrelsen af ​​det aflejrede materiale er større end det endelige produkt, da den subtraktive proces producerer den endelige nettoform. CNC-bearbejdning bruges til at bearbejde udstyrets ydre og indre konturer, hvilket resulterer i en overfladefinish af udstyret og kanalerne svarende til det valgte værktøj og CNC-procesparametre (ca. 1,6 μm Ra i dette eksempel). for at sikre, at dimensionsnøjagtigheden opretholdes, og den færdige del vil opfylde CNC-finishfræsningsnøjagtighedsniveauer. Kanalbredden, der bruges til denne enhed, er lille nok til at sikre, at foliematerialet ikke "sænker" ind i væskekanalen, så kanalen bevarer et kvadratisk tværsnit. Mulige huller i foliemateriale og UAM-procesparametre blev bestemt eksperimentelt af en fabrikationspartner LLC (USA).
Undersøgelser har vist, at der forekommer lidt elementær diffusion ved UAM-bindingsgrænsefladen 46, 47 uden yderligere termisk behandling, så for enhederne i dette arbejde forbliver Cu-110-laget adskilt fra Al 6061-laget og ændrer sig brat.
Installer en prækalibreret 250 psi (1724 kPa) modtryksregulator (BPR) til udløbet af reaktoren, og pump vand gennem reaktoren med en hastighed på 0,1 til 1 mL min-1. Reaktortrykket blev overvåget ved hjælp af den indbyggede FlowSyn systemtryksensor for at verificere, at systemet kunne opretholde en konstant flowtemperaturforskel ved at identificere en konstant strømningsgradient, hvis temperaturgradienten var konstant. mellem termoelementerne, der er indlejret i reaktoren, og dem, der er indlejret i FlowSyn-chipvarmepladen. Dette opnås ved at variere den programmerbare kogepladetemperatur mellem 100 og 150 °C i intervaller på 25 °C og notere eventuelle forskelle mellem de programmerede og registrerede temperaturer. Dette blev opnået ved hjælp af en tc-Locog-software, tc-08, Cambridge og Cambridge.
Cycloadditionsreaktionsbetingelserne for phenylacetylen og iodethan blev optimeret (Skema 1 - Cycloaddition af phenylacetylen og iodethan Skema 1 - Cycloaddition af phenylacetylen og iodethan). Denne optimering blev udført ved et fuldt faktorielt design af eksperimenter ved brug af variabelt opholdstidspunkt (DOE-forhold, temperatur- og residensforhold, DOE) 1:2.
Separate opløsninger af natriumazid (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), iodethan (0,25 M, DMF) og phenylacetylen (0,125 M, DMF) blev fremstillet. En 1,5 mL aliquot af hver opløsning blev blandet og pumpet gennem reaktoren til den ønskede modelstrømningstemperatur for at opnå det ønskede flowhastighedsforhold for triazol-produktet. etylen-udgangsmateriale og bestemt ved højtydende væskekromatografi (HPLC). For at sikre konsistens af analysen blev alle reaktioner udtaget lige efter, at reaktionsblandingen forlod reaktoren. De parameterområder, der er valgt til optimering, er vist i tabel 2.
Alle prøver blev analyseret ved hjælp af et Chromaster HPLC-system (VWR, PA, USA) bestående af en kvaternær pumpe, søjleovn, variabel bølgelængde UV-detektor og autosampler. Søjlen var en Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA), 4,6 × 100 mm i størrelse, 5 µm partikelstørrelsen blev opretholdt ved 5 µm partikelstørrelse: 0°Cravand: 0°C. en strømningshastighed på 1,5 mL.min-1. Injektionsvolumenet var 5 µL og detektorbølgelængden var 254 nm. Den %-topareal for DOE-prøven blev kun beregnet ud fra toparealerne af de resterende alkyn- og triazolprodukter. Injektion af udgangsmateriale muliggør identifikation af relevante toppe.
Kobling af reaktoranalyseoutputtet til MODDE DOE-softwaren (Umetrics, Malmø, Sverige) tillod en grundig analyse af resultattendenser og bestemmelse af optimale reaktionsbetingelser for denne cycloaddition. Kørsel af den indbyggede optimering og valg af alle vigtige modeludtryk giver et sæt reaktionsbetingelser designet til at maksimere produktets topareal og samtidig reducere toparealet for acetylenmateriale.
Oxidationen af ​​overfladekobber i det katalytiske reaktionskammer blev opnået under anvendelse af en opløsning af hydrogenperoxid (36%), der strømmede gennem reaktionskammeret (strømningshastighed = 0,4 ml min-1, opholdstid = 2,5 min) før syntese af hvert triazolforbindelsesbibliotek.
Når et optimalt sæt af betingelser var identificeret, blev de anvendt på en række acetylen- og haloalkanderivater for at muliggøre kompilering af en lille bibliotekssyntese, hvorved der blev etableret evnen til at anvende disse betingelser på et bredere udvalg af potentielle reagenser (figur 1).2).
Forbered separate opløsninger af natriumazid (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), haloalkaner (0,25 M, DMF) og alkyner (0,125 M, DMF). 3 ml alikvoter af hver opløsning blev blandet og pumpet gennem reaktoren ved 75 µL.min-1 og 1 a0 ml volumen blev opsamlet i alt 1 a0 ml. ethylacetat. Prøveopløsningen blev vasket med 3 x 10 ml vand. De vandige lag blev kombineret og ekstraheret med 10 ml ethylacetat;de organiske lag blev derefter kombineret, vasket med 3 x 10 ml saltvand, tørret over MgS04 og filtreret, hvorefter opløsningsmidlet blev fjernet i vakuum. Prøverne blev oprenset ved søjlekromatografi på silicagel under anvendelse af ethylacetat før analyse ved en kombination af HPLC,1H NMR,13C NMR og højopløsningsmassespektrom (HRMS).
Alle spektre blev opsamlet ved anvendelse af et Thermofischer præcisions-Orbitrap-opløsningsmassespektrometer med ESI som ioniseringskilden. Alle prøver blev fremstillet under anvendelse af acetonitril som opløsningsmiddel.
TLC-analyse blev udført på silicaplader med aluminium-bagside. Pladerne blev visualiseret ved UV-lys (254 nm) eller vanillinfarvning og opvarmning.
Alle prøver blev analyseret ved hjælp af et VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) system udstyret med en autosampler, kolonneovn binær pumpe og enkelt bølgelængde detektor. Den anvendte søjle var en ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Skotland).
Injektioner (5 µL) blev fremstillet direkte fra fortyndet rå reaktionsblanding (1:10 fortynding) og analyseret med vand:methanol (50:50 eller 70:30), bortset fra nogle prøver, der brugte 70:30 opløsningsmiddelsystemet (angivet som et stjernetal) ved en strømningshastighed på 1,5 ml/min. 4 °C.
Procentens topareal af prøven blev beregnet ud fra toparealet af den resterende alkyn, kun triazolproduktet, og injektionen af ​​udgangsmaterialet tillod identifikation af de relevante toppe.
Alle prøver blev analyseret ved hjælp af en Thermo iCAP 6000 ICP-OES. Alle kalibreringsstandarder blev fremstillet under anvendelse af en 1000 ppm Cu-standardopløsning i 2 % salpetersyre (SPEX Certi Prep). Alle standarder blev fremstillet i 5 % DMF og 2 % HNO3-opløsning, og alle prøver blev fortyndet 20 gange HNO3-prøveopløsningen DMF.
UAM anvender ultralydsmetalsvejsning som en bindingsteknik til metalfoliematerialet, der bruges til at bygge den endelige samling. Ultralydsmetalsvejsning anvender et vibrerende metalværktøj (kaldet et horn eller ultralydshorn) til at påføre tryk på folielaget/det tidligere konsoliderede lag, der skal limes, mens materialet vibrerer. Ved kontinuerlig drift binder den sonotrode over hele materialets overflade og vibrerende trykket over hele materialets overflade og vibrerende. ioner påføres, kan oxiderne på overfladen af ​​materialet revne. Fortsat tryk og vibrationer kan få materialets skævheder til at kollapse 36. Intim kontakt med lokalt induceret varme og tryk fører derefter til faststofbinding ved materialegrænseflader;det kan også hjælpe adhæsion gennem ændringer i overfladeenergi48.Klæbningsmekanismens natur overvinder mange af problemerne forbundet med den variable smeltetemperatur og højtemperatureftervirkninger nævnt i andre additive fremstillingsteknikker. Dette giver mulighed for direkte binding (dvs. uden overflademodifikation, fyldstoffer eller klæbemidler) af flere lag af forskellige materialer til en enkelt konsolideret struktur.
En anden gunstig faktor for UAM er den høje grad af plastisk strømning, der observeres i metalliske materialer, selv ved lave temperaturer, dvs. et godt stykke under smeltepunktet for metalliske materialer. Kombinationen af ​​ultralydsoscillation og tryk inducerer høje niveauer af lokal korngrænsemigrering og omkrystallisation uden den store temperaturstigning, der traditionelt er forbundet med bulkmaterialer. Under konstruktionen af ​​denne passive samling kan metalkomponenter udnyttes mellem de aktive komponenter og den endelige samling. folie, lag for lag. Elementer såsom optiske fibre 49, forstærkninger 46, elektronik 50 og termoelementer (dette arbejde) er alle blevet indlejret med succes i UAM-strukturer for at skabe aktive og passive kompositkonstruktioner.
I dette arbejde er både de forskellige materialebindings- og interkalationsmuligheder for UAM blevet brugt til at skabe den ultimative katalytiske temperaturovervågningsmikroreaktor.
Sammenlignet med palladium (Pd) og andre almindeligt anvendte metalkatalysatorer har Cu-katalyse flere fordele: (i) Økonomisk er Cu billigere end mange andre metaller, der anvendes i katalyse og er derfor en attraktiv mulighed for den kemiske procesindustri. analyserede reaktioner fungerer godt i fravær af andre ligander. Disse ligander er ofte strukturelt enkle og billige, hvis det ønskes, hvorimod dem, der anvendes i Pd-kemi, ofte er komplekse, dyre og luftfølsomme (iv) Cu, især kendt for dets evne til at binde alkyner i syntese, For eksempel bimetallisk-katalyseret koblings- og kemisk-slikk (c) er også i stand til at fremme aryleringen af ​​flere nukleofiler i reaktioner af Ullmann-typen.
Eksempler på heterogenisering af alle disse reaktioner er for nylig blevet påvist i nærvær af Cu(0). Dette skyldes i høj grad den farmaceutiske industri og det voksende fokus på metalkatalysatorgenvinding og genbrug55,56.
Pioneret af Huisgen i 1960'erne57, betragtes den 1,3-dipolære cycloadditionsreaktion mellem acetylen og azid til 1,2,3-triazol som en synergistisk demonstrationsreaktion. De resulterende 1,2,3-triazoldele er af særlig interesse som farmakofor inden for området for forskellige lægemiddelopdagelser5 og deres terapeutiske 8 anvendelsesområder.
Denne reaktion kom igen i fokus, da Sharpless og andre introducerede begrebet "klikkemi"59. Begrebet "klikkemi" bruges til at beskrive et robust, pålideligt og selektivt sæt af reaktioner til hurtig syntese af nye forbindelser og kombinatoriske biblioteker via heteroatombinding (CXC)60 Den syntetiske appel af disse reaktioner, iltresistens og associerede reaktionsbetingelser, iltresistens- og reaktionsbetingelser er forbundet med disse reaktionsbetingelser, iltresistens og ilt. er simpel61.
Den klassiske Huisgen 1,3-dipol cycloaddition hører ikke til kategorien "klikkemi". Medal og Sharpless viste imidlertid, at denne azid-alkyn-koblingshændelse gennemgår 107 til 108 i nærvær af Cu(I) sammenlignet med den ukatalyserede 1,3-dipolære cykloadditionsmekanisme, der ikke kræver signifikante accelerations- eller cykloadditionsmekanismer. sh reaktionsbetingelser og giver næsten fuldstændig omdannelse og selektivitet til 1,4-disubstituerede 1,2,3-triazoler (anti-1,2,3-triazol) på en tidsskala (figur 3).
Isometriske resultater af konventionelle og kobberkatalyserede Huisgen-cycloadditioner. Cu(I)-katalyserede Huisgen-cycloadditioner giver kun 1,4-disubstituerede 1,2,3-triazoler, hvorimod termisk inducerede Huisgen-cycloadditioner typisk giver 1,54-1-triazoler, blandinger af 1,54-triazoler og 1,54-triazoler.
De fleste protokoller involverer reduktion af stabile Cu(II)-kilder, såsom reduktion af CuSO4 eller Cu(II)/Cu(0)-arter i kombination med natriumsalte. Sammenlignet med andre metalkatalyserede reaktioner har brugen af ​​Cu(I) de store fordele ved at være billig og nem at håndtere.
Kinetiske og isotopiske mærkningsundersøgelser af Worrell et al.65 viste, at i tilfælde af terminale alkyner er to ækvivalenter af kobber involveret i aktivering af reaktiviteten af ​​hvert molekyle over for azid. Den foreslåede mekanisme fortsætter gennem en seksleddet kobbermetalring dannet af koordineringen af ​​azid til σ-bundet kobberacetylid med π-bundet kobber som et stabilt donor-ligand, der følges af Triazolyl-ligand-derivater. protonnedbrydning for at give triazolprodukter og lukke den katalytiske cyklus.
Mens fordelene ved flowkemi-enheder er veldokumenterede, har der været et ønske om at integrere analytiske værktøjer i disse systemer til in-line, in-situ, procesovervågning66,67.UAM viste sig at være en velegnet metode til at designe og producere meget komplekse 3D flow-reaktorer lavet af katalytisk aktive, termisk ledende materialer med direkte indlejret sensingelement 4).
Aluminium-kobber strømningsreaktor fremstillet ved ultralyd additiv fremstilling (UAM) med kompleks intern kanalstruktur, indlejrede termoelementer og katalytisk reaktionskammer. For at visualisere interne væskebaner er en gennemsigtig prototype fremstillet ved hjælp af stereolitografi også vist.
For at sikre, at reaktorerne er fremstillet til fremtidige organiske reaktioner, skal opløsningsmidler opvarmes sikkert over kogepunktet;de er tryk- og temperaturtestede. Tryktesten viste, at systemet holder et stabilt og konstant tryk selv med et øget systemtryk (1,7 MPa). Den hydrostatiske test blev udført ved stuetemperatur med H2O som væske.
Tilslutning af det indlejrede (Figur 1) termoelement til temperaturdataloggeren viste, at termoelementet var 6 °C (± 1 °C) køligere end den programmerede temperatur på FlowSyn-systemet. Typisk resulterer en stigning i temperaturen på 10 °C i en fordobling af reaktionshastigheden, så en temperaturforskel på blot et par grader kan ændre reaktionshastigheden væsentligt på grund af den høje temperatur i kroppen. dårlig diffusivitet af de materialer, der bruges i fremstillingsprocessen.Denne termiske drift er konsistent og kan derfor tages i betragtning i udstyrsopsætningen for at sikre, at nøjagtige temperaturer nås og måles under reaktionen. Derfor letter dette online overvågningsværktøj stram kontrol af reaktionstemperaturen og letter mere nøjagtig procesoptimering og udvikling af optimale forhold.Disse sensorer kan også bruges til at identificere reaktionssystemer i stor skala og i storskala reaktionssystemer.
Reaktoren præsenteret i dette arbejde er det første eksempel på anvendelsen af ​​UAM-teknologi til fremstilling af kemiske reaktorer og adresserer adskillige store begrænsninger, der i øjeblikket er forbundet med AM/3D-printning af disse enheder, såsom: (i) at overvinde de rapporterede problemer relateret til kobber- eller aluminiumslegeringsbehandling (ii) forbedret intern kanalopløsning sammenlignet med pulverbed-fusion (PBFM) og selektiv overfladesmeltning (PBMF)-teknikker som f.eks. 26 (iii) Reduceret forarbejdningstemperatur, som letter direkte binding af sensorer, hvilket ikke er muligt i pulverbedteknologi, (v) overvinder dårlige mekaniske egenskaber og følsomhed af polymerbaserede komponenters komponenter over for en række almindelige organiske opløsningsmidler17,19.
Reaktorens funktionalitet blev demonstreret ved en række kobberkatalyserede alkynazid-cycloadditionsreaktioner under kontinuerlige strømningsbetingelser (fig. 2). Den ultralydstrykte kobberreaktor beskrevet i figur 4 blev integreret med et kommercielt strømningssystem og brugt til at syntetisere biblioteksazider af forskellige 1,4-,3-disubstituerede 1,4-, 3- og 1,4-disubstituerede azider af 1,4-,3- og alkylen. grupper halogenider i nærværelse af natriumchlorid (Figur 3). Brugen af ​​en kontinuerlig flow-tilgang afbøder de sikkerhedsproblemer, der kan opstå i batch-processer, da denne reaktion producerer meget reaktive og farlige azid-mellemprodukter [317], [318]. Til at begynde med blev reaktionen optimeret til cycloaddition af pheniodolacetylen og cydolacetylen-1 etylen og iodethan) (se figur 5).
(Øverst til venstre) Skematisk af opsætningen brugt til at inkorporere 3DP-reaktoren i flowsystemet (øverst til højre) opnået i det optimerede (nederst) skema af Huisgen cycloaddition 57-skemaet mellem phenylacetylen og iodethan til optimering og viser de optimerede parametres reaktionskonverteringshastighed.
Ved at kontrollere reagensernes opholdstid i den katalytiske del af reaktoren og nøje overvåge reaktionstemperaturen med en direkte integreret termoelementsonde, kan reaktionsbetingelserne optimeres hurtigt og præcist med minimalt tids- og materialeforbrug. Det blev hurtigt fastslået, at de højeste konverteringer blev opnået, når en opholdstid på 15 minutter og en reaktionstemperatur på 150 °C var brugt, både som softwaren fra MODDE-koefficienten, som både kunne plottes af MODDE-koefficienten. reaktionstemperatur betragtes som vigtige modeltermer. Kørsel af den indbyggede optimizer ved hjælp af disse udvalgte termer genererer et sæt reaktionsbetingelser designet til at maksimere produktets toparealer og samtidig reducere startmaterialets toparealer. Denne optimering gav en 53 % omdannelse af triazolproduktet, hvilket nøje matchede modelforudsigelsen på 54 %.
Baseret på litteraturen, der viser, at kobber(I)oxid (Cu2O) kan virke som en effektiv katalytisk art på nulvalente kobberoverflader i disse reaktioner, blev evnen til at præoxidere reaktoroverfladen forud for udførelse af reaktionen i flow undersøgt70,71. en signifikant stigning i omdannelsen af ​​udgangsmaterialet, som blev beregnet til at være >99%. Overvågning ved hjælp af HPLC viste dog, at denne omdannelse signifikant reducerede den overdrevent forlængede reaktionstid indtil ca. 90 minutter, hvorefter aktiviteten så ud til at udjævne sig og nå en "steady state". Denne observation tyder på, at kilden til katalytisk aktivitet opnås fra overfladen af ​​kobberoxid i stedet for kobberoxid i rumtemperaturen, der let er kobberoxid-sub- oxid. danner CuO og Cu2O, der ikke er selvbeskyttende lag. Dette eliminerer behovet for at tilføje en ekstra kobber(II)-kilde til co-sammensætning71.