Dankon pro via vizito al Nature.com. La retumilversio, kiun vi uzas, havas limigitan subtenon por CSS. Por la plej bona sperto, ni rekomendas, ke vi uzu ĝisdatigitan retumilon (aŭ malŝaltu la Kongruecan Reĝimon en Internet Explorer). Dume, por certigi daŭran subtenon, ni prezentos la retejon sen stiloj kaj JavaScript.
Karuselo montranta tri lumbildojn samtempe. Uzu la butonojn Antaŭa kaj Sekva por moviĝi tra tri lumbildoj samtempe, aŭ uzu la butonojn de la ŝovilo ĉe la fino por moviĝi tra tri lumbildoj samtempe.
Aldona fabrikado ŝanĝas la manieron kiel esploristoj kaj industriistoj desegnas kaj fabrikas kemiajn aparatojn por plenumi siajn specifajn bezonojn. En ĉi tiu artikolo, ni raportas la unuan ekzemplon de flureaktoro formita per ultrasona aldona fabrikada (UAM) lameniĝo de solida metala plato kun rekte integritaj katalizaj partoj kaj sensaj elementoj. UAM-teknologio ne nur superas multajn el la limigoj nuntempe asociitaj kun la aldona fabrikado de kemiaj reaktoroj, sed ankaŭ multe vastigas la kapablojn de tiaj aparatoj. Kelkaj biologie gravaj 1,4-duanstataŭigitaj 1,2,3-triazolaj kombinaĵoj estis sukcese sintezitaj kaj optimumigitaj per Cu-mediaciita 1,3-dipolusa Huisgen-cikloadicia reakcio uzante la UAM-kemia instalaĵon. Uzante la unikajn ecojn de UAM kaj kontinua flua prilaborado, la aparato kapablas katalizi daŭrantajn reakciojn kaj ankaŭ provizi realtempan religon por monitori kaj optimumigi reakciojn.
Pro siaj signifaj avantaĝoj super sia groca ekvivalento, fluokemio estas grava kaj kreskanta kampo en kaj akademiaj kaj industriaj kontekstoj pro sia kapablo pliigi la selektivecon kaj efikecon de kemia sintezo. Ĉi tio etendiĝas de la formado de simplaj organikaj molekuloj1 ĝis farmaciaj kombinaĵoj2,3 kaj naturaj produktoj4,5,6. Pli ol 50% de reakcioj en la fajnaj kemiaj kaj farmaciaj industrioj povas profiti de kontinua fluo7.
En la lastaj jaroj, kreskis la tendenco de grupoj serĉantaj anstataŭigi tradiciajn vitrovarojn aŭ fluokemiajn ekipaĵojn per adapteblaj kemiaj "reaktoroj"8. La iteracia dezajno, rapida fabrikado kaj tridimensiaj (3D) kapabloj de ĉi tiuj metodoj estas utilaj por tiuj, kiuj volas adapti siajn aparatojn por specifa aro de reakcioj, aparatoj aŭ kondiĉoj. Ĝis nun, ĉi tiu laboro preskaŭ ekskluzive fokusiĝis al la uzo de polimer-bazitaj 3D-presteknikoj kiel stereolitografio (SL)9,10,11, Fandita Deponaĵa Modelado (FDM)8,12,13,14 kaj inkjetpresado7,15,16. La manko de fidindeco kaj kapablo de tiaj aparatoj plenumi vastan gamon de kemiaj reakcioj/analizoj17,18,19,20 estas grava limiganta faktoro por la pli vasta apliko de AM en ĉi tiu kampo17,18,19,20.
Pro la kreskanta uzo de fluokemio kaj la favoraj ecoj asociitaj kun aditiva miksaĵo (AM), necesas esplori pli bonajn teknikojn, kiuj permesos al uzantoj fabriki fluajn reakciajn ujojn kun plibonigitaj kemiaj kaj analizaj kapabloj. Ĉi tiuj metodoj devus permesi al uzantoj elekti el gamo da altfortaj aŭ funkciaj materialoj kapablaj funkcii sub vasta gamo de reakciaj kondiĉoj, kaj ankaŭ faciligi diversajn formojn de analiza eligo de la aparato por ebligi monitoradon kaj kontrolon de la reakcio.
Unu aldona fabrikada procezo, kiu povas esti uzata por disvolvi specialajn kemiajn reaktorojn, estas Ultrasona Aldona Fabrikado (UAM). Ĉi tiu solidstata lameniga metodo aplikas ultrasonajn vibrojn al maldikaj metalaj folioj por kunligi ilin tavolo post tavolo kun minimuma volumetra hejtado kaj alta grado de plasta fluo 21, 22, 23. Male al plej multaj aliaj AM-teknologioj, UAM povas esti rekte integrita kun subtraha produktado, konata kiel hibrida fabrikada procezo, en kiu perioda surloka numera kontrola (CNC) muelado aŭ lasera prilaborado determinas la netan formon de la tavolo de ligita materialo 24, 25. Ĉi tio signifas, ke la uzanto ne estas limigita al la problemoj asociitaj kun la forigo de resta originala konstrumaterialo el malgrandaj likvaj kanaloj, kio ofte okazas en pulvoraj kaj likvaj sistemoj AM26,27,28. Ĉi tiu dezajna libereco ankaŭ etendiĝas al la elekto de disponeblaj materialoj - UAM povas kunligi kombinaĵojn de termike similaj kaj malsimilaj materialoj en ununura procezpaŝo. La elekto de materialaj kombinaĵoj preter la fanda procezo signifas, ke la mekanikaj kaj kemiaj postuloj de specifaj aplikoj povas esti pli bone plenumitaj. Aldone al solida ligado, alia fenomeno, kiu okazas kun ultrasona ligado, estas la alta flueco de plastaj materialoj je relative malaltaj temperaturoj29,30,31,32,33. Ĉi tiu unika trajto de UAM permesas, ke mekanikaj/termikaj elementoj estu metitaj inter metalajn tavolojn sen difekto. Enkonstruitaj UAM-sensiloj povas faciligi la liveradon de realtempaj informoj de la aparato al la uzanto per integra analitiko.
Antaŭa laboro de la aŭtoroj32 montris la kapablon de la UAM-procezo krei metalajn 3D mikrofluidajn strukturojn kun enigitaj sensaj kapabloj. Ĉi tiu aparato estas nur por monitoraj celoj. Ĉi tiu artikolo prezentas la unuan ekzemplon de mikrofluida kemia reaktoro fabrikita de UAM, aktiva aparato kiu ne nur kontrolas sed ankaŭ induktas kemian sintezon kun strukture integritaj katalizaj materialoj. La aparato kombinas plurajn avantaĝojn asociitajn kun UAM-teknologio en la fabrikado de 3D kemiaj aparatoj, kiel ekzemple: la kapablo konverti kompletan 3D-dezajnon rekte de komputil-helpata dezajna (CAD) modelo en produkton; plurmateriala fabrikado por kombinaĵo de alta varmokondukteco kaj katalizaj materialoj, same kiel termikaj sensiloj enigitaj rekte inter la reakciaj fluoj por preciza kontrolo kaj administrado de la reakcia temperaturo. Por demonstri la funkciecon de la reaktoro, biblioteko de farmacie gravaj 1,4-duanstataŭigitaj 1,2,3-triazolaj kombinaĵoj estis sintezita per kupro-katalizita 1,3-dipolusa Huisgen-cikloaldono. Ĉi tiu verko elstarigas kiel la uzo de materialscienco kaj komputile helpata dezajno povas malfermi novajn eblecojn kaj ŝancojn por kemio per interfaka esplorado.
Ĉiuj solviloj kaj reakciiloj estis aĉetitaj de Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI, aŭ Fischer Scientific kaj uzitaj sen antaŭa purigo. 1H kaj 13C NMR-spektroj registritaj je 400 kaj 100 MHz, respektive, estis akiritaj per JEOL ECS-400 400 MHz-spektrometro aŭ Bruker Avance II 400 MHz-spektrometro kun CDCl3 aŭ (CD3)2SO4 kiel solvilo. Ĉiuj reakcioj estis faritaj uzante la Uniqsis FlowSyn fluokemian platformon.
UAM estis uzata por fabriki ĉiujn aparatojn en ĉi tiu studo. La teknologio estis inventita en 1999 kaj ĝiaj teknikaj detaloj, funkciaj parametroj kaj evoluoj ekde ĝia invento povas esti studitaj uzante la jenajn publikigitajn materialojn34,35,36,37. La aparato (Fig. 1) estis efektivigita uzante fortikan 9 kW SonicLayer 4000® UAM-sistemon (Fabrisonic, Ohio, Usono). La elektitaj materialoj por la fluaparato estis Cu-110 kaj Al 6061. Cu-110 havas altan kupran enhavon (minimumo 99.9% kupro), igante ĝin bona kandidato por kupro-katalizitaj reakcioj kaj tial estas uzata kiel "aktiva tavolo" ene de la mikroreaktoro. Al 6061 O estas uzata kiel la "groca" materialo. , same kiel la interkala tavolo uzata por analizo; interkalado de helpaj alojkomponantoj kaj kalcinigita stato en kombinaĵo kun Cu-110 tavolo. trovita kemie stabila kun la reakciiloj uzitaj en ĉi tiu laboro. Al 6061 O en kombinaĵo kun Cu-110 ankaŭ estas konsiderata kongrua materiala kombinaĵo por UAM kaj tial estas taŭga materialo por ĉi tiu studo38,42. Ĉi tiuj aparatoj estas listigitaj en Tabelo 1 sube.
Paŝoj de fabrikado de reaktoroj (1) Substrato el aluminia alojo 6061 (2) Fabrikado de malsupra kanalo el kupra folio (3) Enmeto de termoparoj inter tavoloj (4) Supra kanalo (5) Enirejo kaj elirejo (6) Monolita reaktoro.
La filozofio de la fluida kanalo estas uzi serpentuman vojon por pliigi la distancon vojaĝitan de la fluido ene de la ĉipo, samtempe konservante regeblan ĉipograndecon. Ĉi tiu pliiĝo de distanco estas dezirinda por pliigi la kontaktotempon inter katalizilo kaj reakciilo kaj provizi bonegajn produktorendimentojn. La ĉipoj uzas 90°-kurbojn ĉe la finoj de rekta vojo por indukti turbulan miksadon ene de la aparato44 kaj pliigi la kontaktotempon de la likvaĵo kun la surfaco (katalizilo). Por plue plibonigi la atingitan miksadon, la dezajno de la reaktoro inkluzivas du reakciajn enirejojn kombinitajn en Y-forma konekto antaŭ ol eniri la miksan volvaĵsekcion. La tria enirejo, kiu transiras la fluon duonvoje tra sia restado, estas inkludita en la plano por estontaj plurŝtupaj sintezaj reagoj.
Ĉiuj kanaloj havas kvadratan profilon (sen konusformaj anguloj), kio estas la rezulto de la perioda CNC-frezado uzata por krei la kanalgeometrion. La kanalaj dimensioj estas elektitaj por provizi altan (por mikroreaktoro) volumetran rendimenton, tamen sufiĉe malgrandan por faciligi interagadon kun la surfaco (kataliziloj) por la plej multaj el la likvaĵoj, kiujn ĝi enhavas. La taŭga grandeco baziĝas sur la pasinta sperto de la aŭtoroj pri metal-likvaj reakciaj aparatoj. La internaj dimensioj de la fina kanalo estis 750 µm x 750 µm kaj la totala reaktora volumeno estis 1 ml. Enkonstruita konektilo (1/4″-28 UNF-fadeno) estas inkludita en la dezajno por ebligi facilan interfacon de la aparato kun komerca fluokemia ekipaĵo. La kanala grandeco estas limigita de la dikeco de la folia materialo, ĝiaj mekanikaj ecoj, kaj la ligaj parametroj uzataj kun ultrasonoj. Ĉe certa larĝo por difinita materialo, la materialo "sinkos" en la kreitan kanalon. Nuntempe ne ekzistas specifa modelo por ĉi tiu kalkulo, do la maksimuma kanallarĝo por difinita materialo kaj dezajno estas determinita eksperimente, en kiu kazo larĝo de 750 µm ne kaŭzos sinkon.
La formo (kvadrata) de la kanalo estas determinita per kvadrata tranĉilo. La formo kaj grandeco de la kanaloj povas esti ŝanĝitaj sur CNC-maŝinoj uzante malsamajn tranĉilojn por atingi malsamajn flukvantojn kaj karakterizaĵojn. Ekzemplo de kreado de kurba kanalo per 125 µm-ilo troveblas en Monaghan45. Kiam la folia tavolo estas aplikita plate, la apliko de la folia materialo al la kanaloj havos platan (kvadratan) surfacon. En ĉi tiu laboro, kvadrata konturo estis uzita por konservi la kanalan simetrion.
Dum programita paŭzo en produktado, termokuplaj temperatursensiloj (tipo K) estas enkonstruitaj rekte en la aparaton inter la supra kaj malsupra kanalgrupoj (Fig. 1 - ŝtupo 3). Ĉi tiuj termokuploj povas kontroli temperaturŝanĝojn de -200 ĝis 1350 °C.
La metala deponada procezo estas efektivigata per la UAM-korno uzante metalan folion 25.4 mm larĝan kaj 150 mikrometrojn dikan. Ĉi tiuj tavoloj de folio estas konektitaj en serio de apudaj strioj por kovri la tutan konstruan areon; la grandeco de la deponita materialo estas pli granda ol la fina produkto, ĉar la subtraha procezo kreas la finan puran formon. CNC-maŝinado estas uzata por maŝini la eksterajn kaj internajn konturojn de la ekipaĵo, rezultante en surfaca finpoluro de la ekipaĵo kaj kanaloj kongruaj kun la elektita ilo kaj CNC-procezparametroj (en ĉi tiu ekzemplo, ĉirkaŭ 1.6 µm Ra). Kontinuaj, kontinuaj ultrasonaj materialŝprucaj kaj maŝinadaj cikloj estas uzataj dum la tuta fabrikada procezo de la aparato por certigi, ke dimensia precizeco estas konservata kaj ke la preta parto plenumas la nivelojn de CNC-fajna frezado. La larĝo de la kanalo uzata por ĉi tiu aparato estas sufiĉe malgranda por certigi, ke la folia materialo ne "sinkas" en la fluida kanalo, do la kanalo havas kvadratan sekcon. Eblaj interspacoj en la folia materialo kaj la parametroj de la UAM-procezo estis eksperimente determinitaj de la fabrikada partnero (Fabrisonic LLC, Usono).
Studoj montris, ke ĉe la interfaco 46, 47 de la UAM-komponaĵo estas malmulta difuzo de elementoj sen plia varmotraktado, do por la aparatoj en ĉi tiu laboro la tavolo Cu-110 restas malsama ol la tavolo Al 6061 kaj ŝanĝiĝas draste.
Instalu antaŭkalibritan kontraŭpreman regulilon (BPR) je 250 psi (1724 kPa) laŭflue de la reaktoro kaj pumpu akvon tra la reaktoro je rapideco de 0,1 ĝis 1 ml min-1. La reaktora premo estis monitorita uzante la FlowSyn-premtransduktilon enkonstruitan en la sistemon por certigi, ke la sistemo povus konservi konstantan stabilan premon. Eblaj temperaturgradientoj en la flureaktoro estis testitaj serĉante iujn ajn diferencojn inter la termoparoj enkonstruitaj en la reaktoron kaj la termoparoj enkonstruitaj en la varmigplaton de la FlowSyn-ĉipo. Ĉi tio estas atingita per ŝanĝo de la programita varmoplata temperaturo inter 100 kaj 150 °C en 25 °C-aj pliigoj kaj monitorado de iuj ajn diferencoj inter la programitaj kaj registritaj temperaturoj. Ĉi tio estis atingita uzante la tc-08 datenregistrilon (PicoTech, Kembriĝo, UK) kaj la akompanan PicoLog-programaron.
La kondiĉoj por la cikloadicia reakcio de fenilacetileno kaj jodoetano estas optimumigitaj (Skemo 1-Cikloadicio de fenilacetileno kaj jodoetano, Skemo 1-Cikloadicio de fenilacetileno kaj jodoetano). Ĉi tiu optimumigo estis plenumita uzante plenan faktorialan eksperimentan dezajnon (DOE), uzante temperaturon kaj restadtempon kiel variablojn, samtempe fiksante la alkino:azida proporcion je 1:2.
Apartaj solvaĵoj de natria azido (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), jodoetano (0.25 M, DMF), kaj fenilacetileno (0.125 M, DMF) estis preparitaj. 1.5 ml da alikvoto de ĉiu solvaĵo estis miksita kaj pumpita tra la reaktoro je la dezirata flukvanto kaj temperaturo. La respondo de la modelo estis prenita kiel la rilatumo de la pinta areo de la triazola produkto al la startmaterialo fenilacetileno kaj estis determinita per alt-efikeca likva kromatografio (HPLC). Por analiza kohereco, ĉiuj reakcioj estis faritaj tuj post kiam la reakcia miksaĵo forlasis la reaktoron. La parametro-intervaloj elektitaj por optimumigo estas montritaj en Tabelo 2.
Ĉiuj specimenoj estis analizitaj per Chromaster HPLC-sistemo (VWR, PA, Usono) konsistanta el kvaternara pumpilo, kolumna forno, UV-detektilo kun varia ondolongo kaj aŭtomata specimenilo. La kolumno estis Equivalence 5 C18 (VWR, PA, Usono), 4,6 x 100 mm, 5 µm partikla grandeco, konservata je 40 °C. La solvilo estis izokrata metanolo:akvo 50:50 je flukvanto de 1,5 ml·min-1. La injekta volumeno estis 5 μl kaj la detektila ondolongo estis 254 nm. La % de la pintareo por la DOE-specimeno estis kalkulita nur el la pintareoj de la restaj alkinaj kaj triazolaj produktoj. La enkonduko de la startmaterialo ebligas identigi la respondajn pintojn.
Kombinante la rezultojn de la reaktora analizo kun la programaro MODDE DOE (Umetrics, Malmö, Svedio) ebligis detalan tendencan analizon de la rezultoj kaj determinadon de la optimumaj reakciaj kondiĉoj por ĉi tiu cikloaldono. Funkciigante la enkonstruitan optimigilon kaj elektante ĉiujn gravajn modelajn terminojn, oni kreas aron da reakciaj kondiĉoj desegnitaj por maksimumigi la pintareon de la produkto, samtempe malpliigante la pintareon por la acetilena krudmaterialo.
Oksidado de la kupra surfaco en la kataliza reakcia ĉambro estis atingita uzante hidrogenperoksidan solvaĵon (36%) fluantan tra la reakcia ĉambro (flukvanto = 0,4 ml min⁻¹, restadtempo = 2,5 min) antaŭ la sintezo de ĉiu triazola kombinaĵo. biblioteko.
Post kiam la optimuma aro de kondiĉoj estis determinita, ili estis aplikitaj al gamo da acetilenaj kaj haloalkanaj derivaĵoj por ebligi la kompilon de malgranda sinteza biblioteko, tiel establante la eblecon apliki ĉi tiujn kondiĉojn al pli vasta gamo da eblaj reakciaĵoj (Fig. 1). 2).
Preparu apartajn solvaĵojn de natria azido (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), haloalkanoj (0,25 M, DMF), kaj alkinoj (0,125 M, DMF). Alikvotoj de 3 ml de ĉiu solvaĵo estis miksitaj kaj pumpitaj tra la reaktoro je rapideco de 75 µl/min kaj temperaturo de 150 °C. La tuta volumeno estis kolektita en fiolo kaj diluita kun 10 ml da etila acetato. La prova solvaĵo estis lavita kun 3 x 10 ml da akvo. La akvaj tavoloj estis kombinitaj kaj ekstraktitaj kun 10 ml da etila acetato, poste la organikaj tavoloj estis kombinitaj, lavitaj kun 3 × 10 ml da sala akvo, sekigitaj super MgSO4 kaj filtritaj, poste la solvilo estis forigita en vakuo. Specimenoj estis purigitaj per silikagela kolumna kromatografio uzante etilan acetaton antaŭ analizo per kombinaĵo de HPLC, 1H NMR, 13C NMR kaj alt-rezolucia mas-spektrometrio (HR-MS).
Ĉiuj spektroj estis akiritaj uzante Thermofischer Precision Orbitrap-masspektrometron kun ESI kiel joniga fonto. Ĉiuj specimenoj estis preparitaj uzante acetonitrilon kiel solvilon.
TLC-analizo estis efektivigita sur silikaj platoj kun aluminio-substrato. La platoj estis bildigitaj per UV-lumo (254 nm) aŭ vanilina tinkturo kaj varmigo.
Ĉiuj specimenoj estis analizitaj per sistemo VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) ekipita per aŭtomata specimenigilo, duuma pumpilo kun kolumna forno kaj unu-ondolonga detektilo. ACE Equivalence 5 C18 kolumno (150 x 4.6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Skotlando) estis uzata.
Injektoj (5 µl) estis faritaj rekte el la diluita kruda reakcia miksaĵo (1:10 diluo) kaj analizitaj per akvo:metanolo (50:50 aŭ 70:30), krom kelkaj specimenoj uzantaj 70:30 solventan sistemon (indikitan kiel stela nombro) je flukvanto de 1.5 ml/min. La kolono estis konservita je 40 °C. La ondolongo de la detektilo estas 254 nm.
La % de la pinta areo de la specimeno estis kalkulita el la pinta areo de la resta alkino, nur la triazola produkto, kaj la enkonduko de la startmaterialo ebligis identigi la respondajn pintojn.
Ĉiuj specimenoj estis analizitaj uzante Thermo iCAP 6000 ICP-OES. Ĉiuj kalibraj normoj estis preparitaj uzante 1000 ppm Cu-normsolvaĵon en 2%-a nitrata acido (SPEX Certi Prep). Ĉiuj normoj estis preparitaj en solvaĵo de 5% DMF kaj 2% HNO3, kaj ĉiuj specimenoj estis diluitaj 20 fojojn per prova solvaĵo de DMF-HNO3.
UAM uzas ultrasonan metalveldadon kiel metodon por kunigi la metalfolion uzatan por krei la finan asembleon. Ultrasona metalveldado uzas vibrantan metalan ilon (nomatan korno aŭ ultrasona korno) por apliki premon al la folio/antaŭe firmigita tavolo ligenda/antaŭe firmigota per vibrado de la materialo. Por kontinua funkciado, la sonotrodo havas cilindran formon kaj ruliĝas super la surfaco de la materialo, gluante la tutan areon. Kiam premo kaj vibrado estas aplikataj, la oksidoj sur la surfaco de la materialo povas fendiĝi. Konstanta premo kaj vibrado povas konduki al la detruo de la malglateco de la materialo 36. Proksima kontakto kun lokigita varmo kaj premo tiam kondukas al solida faza ligo ĉe la materialaj interfacoj; ĝi ankaŭ povas antaŭenigi kohezion ŝanĝante la surfacan energion 48. La naturo de la ligmekanismo superas multajn el la problemoj asociitaj kun la varia fandtemperaturo kaj altaj temperaturaj efikoj menciitaj en aliaj aldonaj fabrikadaj teknologioj. Ĉi tio permesas rektan konekton (t.e. sen surfaca modifo, plenigaĵoj aŭ gluaĵoj) de pluraj tavoloj de malsamaj materialoj en unuopan firmigitan strukturon.
La dua favora faktoro por CAM estas la alta grado de plasta fluo observita en metalaj materialoj eĉ je malaltaj temperaturoj, t.e. multe sub la fandopunkto de metalaj materialoj. La kombinaĵo de ultrasonaj vibroj kaj premo kaŭzas altan nivelon de loka grenlima migrado kaj rekristaliĝo sen la signifa temperaturpliiĝo tradicie asociita kun grocaj materialoj. Dum la kreado de la fina asembleo, ĉi tiu fenomeno povas esti uzata por enmeti aktivajn kaj pasivajn komponantojn inter tavolojn de metala folio, tavolo post tavolo. Elementoj kiel optika fibro 49, plifortigo 46, elektroniko 50 kaj termoparoj (ĉi tiu laboro) estis sukcese integritaj en UAM-strukturojn por krei aktivajn kaj pasivajn kompozitajn asembleojn.
En ĉi tiu laboro, kaj malsamaj materialaj ligkapabloj kaj UAM-interkaladaj kapabloj estis uzitaj por krei idealan mikroreaktoron por kataliza temperaturkontrolo.
Kompare kun paladio (Pd) kaj aliaj ofte uzataj metalaj kataliziloj, Cu-katalizo havas plurajn avantaĝojn: (i) Ekonomie, Cu estas pli malmultekosta ol multaj aliaj metaloj uzataj en katalizo kaj tial estas alloga elekto por la kemia industrio (ii) la gamo de Cu-katalizitaj kruc-kuplaj reakcioj pligrandiĝas kaj ŝajnas esti iom komplementa al Pd51, 52, 53-bazitaj metodologioj (iii) Cu-katalizitaj reakcioj funkcias bone en la foresto de aliaj ligandoj. Ĉi tiuj ligandoj ofte estas strukture simplaj kaj nekostaj se dezirite, dum tiuj uzataj en Pd-kemio ofte estas kompleksaj, multekostaj kaj aerosentemaj (iv) Cu, aparte konata pro sia kapablo ligi alkinojn en sintezo, kiel ekzemple la bimetala katalizita kuplado de Sonogashira kaj cikloaldono kun azidoj (klaka kemio) (v) Cu ankaŭ povas antaŭenigi la ariligon de iuj nukleofiloj en Ullmann-tipaj reakcioj.
Lastatempe, ekzemploj de heterogenigo de ĉiuj ĉi tiuj reakcioj en la ĉeesto de Cu(0) estis montritaj. Ĉi tio estas plejparte pro la farmacia industrio kaj la kreskanta fokuso pri reakiro kaj reuzado de metalaj kataliziloj55,56.
La 1,3-dipolusa cikloadicia reakcio inter acetileno kaj azido al 1,2,3-triazolo, unue proponita de Huisgen en la 1960-aj jaroj57, estas konsiderata kiel sinergia demonstra reakcio. La rezultantaj 1,2,3-triazola fragmentoj estas aparte interesaj kiel farmakoforo en la malkovro de medikamentoj pro siaj biologiaj aplikoj kaj uzo en diversaj terapiaj agentoj58.
Ĉi tiu reakcio ricevis renoviĝintan atenton kiam Sharpless kaj aliaj enkondukis la koncepton de "klaka kemio"59. La termino "klaka kemio" estas uzata por priskribi fortikan kaj selekteman aron de reakcioj por la rapida sintezo de novaj kombinaĵoj kaj kombinaĵaj bibliotekoj uzante heteroatoman ligadon (CXC)60. La sinteza allogo de ĉi tiuj reakcioj ŝuldiĝas al la altaj rendimentoj asociitaj kun ili. La kondiĉoj estas simplaj, rezisto al oksigeno kaj akvo, kaj produkta apartigo estas simpla61.
La klasika 1,3-dipola Huisgen-cikloadicio ne falas en la kategorion de "klaka kemio". Tamen, Medal kaj Sharpless montris, ke ĉi tiu azido-alkina kupliga evento spertas 107–108 en la ĉeesto de Cu(I) kompare kun signifa akcelo en la rapideco de ne-kataliza 1,3-dipolusa cikloadicio 62,63. Ĉi tiu progresinta reakcia mekanismo ne postulas protektajn grupojn aŭ severajn reakciajn kondiĉojn kaj provizas preskaŭ kompletan konvertiĝon kaj selektivecon al 1,4-duanstataŭigitaj 1,2,3-triazoloj (kontraŭ-1,2,3-triazoloj) laŭlonge de la tempo (Fig. 3).
Izometraj rezultoj de konvenciaj kaj kupro-katalizitaj Huisgen-cikloaldonoj. Cu(I)-katalizitaj Huisgen-cikloaldonoj donas nur 1,4-duanstataŭigitajn 1,2,3-triazoliojn, dum termike induktitaj Huisgen-cikloaldonoj tipe donas al 1,4- kaj 1,5-triazoli 1:1 miksaĵon de azolaj stereoizomeroj.
Plej multaj protokoloj implikas la redukton de stabilaj fontoj de Cu(II), kiel ekzemple la redukto de CuSO4 aŭ la kombinaĵo Cu(II)/Cu(0) en kombinaĵo kun natriaj saloj. Kompare kun aliaj metal-katalizitaj reakcioj, la uzo de Cu(I) havas la ĉefajn avantaĝojn esti malmultekosta kaj facile manipulebla.
Kinetikaj kaj izotopaj studoj de Worrell et al. 65 montris, ke ĉe finaj alkinoj, du ekvivalentoj de kupro partoprenas en la aktivigo de la reaktiveco de ĉiu molekulo rilate al azido. La proponita mekanismo okazas per ses-membra kupra metala ringo formita per la kunordigo de azido al σ-ligita kupra acetilido kun π-ligita kupro kiel stabila donaca ligando. Kupraj triazolilaj derivaĵoj formiĝas kiel rezulto de ringa kuntiriĝo sekvata de protona malkomponiĝo por formi triazolajn produktojn kaj fermi la katalizan ciklon.
Kvankam la avantaĝoj de aparatoj por flukemio estas bone dokumentitaj, ekzistas deziro integri analizajn ilojn en ĉi tiujn sistemojn por realtempa procezmonitorado surloke66,67. UAM pruviĝis esti taŭga metodo por desegni kaj fabriki tre kompleksajn 3D-fluoreaktorojn el katalize aktivaj, termike konduktivaj materialoj kun rekte enigitaj sensaj elementoj (Fig. 4).
Aluminio-kupro fluoreaktoro fabrikita per ultrasona aldona fabrikado (UAM) kun kompleksa interna kanalstrukturo, enkonstruitaj termoparoj kaj kataliza reakcia ĉambro. Por bildigi la internajn fluidajn vojojn, ankaŭ estas montrita travidebla prototipo farita per stereolitografio.
Por certigi, ke reaktoroj estas faritaj por estontaj organikaj reakcioj, solviloj devas esti sekure varmigitaj super sia bolpunkto; ili estas premo- kaj temperaturo-testitaj. La premtestado montris, ke la sistemo konservas stabilan kaj konstantan premon eĉ ĉe pli alta premo en la sistemo (1.7 MPa). Hidrostatikaj testoj estis faritaj je ĉambra temperaturo uzante H₂O kiel la likvaĵon.
Konektante la enkonstruitan (Figuro 1) termoparon al la temperaturdatenregistrilo, oni montris, ke la temperaturo de la termopar estis 6 °C (± 1 °C) sub la programita temperaturo en la FlowSyn-sistemo. Tipe, 10 °C-pliiĝo de temperaturo duobligas la reakcian rapidon, do temperaturdiferenco de nur kelkaj gradoj povas signife ŝanĝi la reakcian rapidon. Ĉi tiu diferenco ŝuldiĝas al la temperaturperdo tra la tuta RPV pro la alta termika difuzeco de la materialoj uzitaj en la fabrikada procezo. Ĉi tiu termika drivo estas konstanta kaj tial povas esti konsiderata dum la agordado de la ekipaĵo por certigi, ke precizaj temperaturoj estas atingitaj kaj mezuritaj dum la reakcio. Tiel, ĉi tiu reta monitorada ilo faciligas striktan kontrolon de la reakcia temperaturo kaj kontribuas al pli preciza proceza optimumigo kaj disvolviĝo de optimumaj kondiĉoj. Ĉi tiuj sensiloj ankaŭ povas esti uzataj por detekti eksotermajn reakciojn kaj malhelpi forkurintajn reakciojn en grandskalaj sistemoj.
La reaktoro prezentita en ĉi tiu artikolo estas la unua ekzemplo de apliko de UAM-teknologio al la fabrikado de kemiaj reaktoroj kaj traktas plurajn gravajn limigojn nuntempe asociitajn kun AM/3D-presado de ĉi tiuj aparatoj, kiel ekzemple: (i) Superado de la konataj problemoj asociitaj kun la prilaborado de kupro aŭ aluminio-alojo (ii) plibonigita interna kanala distingivo kompare kun pulvorlita fandadmetodoj (PBF) kiel ekzemple selektiva lasera fandado (SLM)25,69 Malbona materiala fluo kaj malglata surfaca teksturo26 (iii) pli malalta prilabora temperaturo, kiu faciligas rektan konektadon de sensiloj, kio ne eblas en pulvorlita teknologio, (v) superado de la malbonaj mekanikaj ecoj kaj sentemo de polimer-bazitaj komponantoj al diversaj komunaj organikaj solviloj17,19.
La funkcieco de la reaktoro estis montrita per serio de kupro-katalizitaj alkinazidaj cikloadiciaj reakcioj sub kontinuaj flukondiĉoj (Fig. 2). La ultrasona presita kupra reaktoro montrita en fig. 4 estis integrita kun komerca fluosistemo kaj uzita por sintezi azidan bibliotekon de diversaj 1,4-duanstataŭigitaj 1,2,3-triazoloj uzante temperatur-kontrolitan reagon de acetileno kaj alkilaj gruphalogenidoj en ĉeesto de natria klorido (Fig. 3). La uzo de la kontinua fluometodo reduktas la sekurecajn problemojn, kiuj povas ekesti en aro-procezoj, ĉar ĉi tiu reakcio produktas tre reaktivajn kaj danĝerajn azidajn intermediatojn [317], [318]. Komence, la reakcio estis optimumigita por la cikloadicio de fenilacetileno kaj jodoetano (Skemo 1 - Cikloadicio de fenilacetileno kaj jodoetano) (vidu Fig. 5).
(Supre maldekstre) Skemo de la aranĝo uzata por integri 3DP-reaktoron en fluosistemon (supre dekstre) akirita el la optimumigita (malsupra) skemo de la Huisgen 57 cikloadicia skemo inter fenilacetileno kaj jodoetano por optimumigo kaj montranta la optimumigitajn konvertorapidecajn parametrojn de la reakcio.
Per kontrolado de la restadtempo de la reakciantoj en la kataliza sekcio de la reaktoro kaj zorgema monitorado de la reakcia temperaturo per rekte integrita termokupla sensilo, la reakciaj kondiĉoj povas esti rapide kaj precize optimumigitaj kun minimumo de tempo kaj materialoj. Oni rapide trovis, ke la plej alta konvertiĝo estis atingita uzante restadtempon de 15 minutoj kaj reakcian temperaturon de 150 °C. Oni povas vidi el la koeficienta grafikaĵo de la MODDE-programaro, ke kaj la restadtempo kaj la reakcia temperaturo estas konsiderataj gravaj kondiĉoj de la modelo. Funkciigante la enkonstruitan optimumigilon uzante ĉi tiujn elektitajn kondiĉojn, oni kreas aron da reakciaj kondiĉoj desegnitaj por maksimumigi la pintajn areojn de la produkto, samtempe malpliigante la pintajn areojn de la startmaterialoj. Ĉi tiu optimumigo rezultigis 53%-an konvertiĝon de la triazola produkto, kiu precize kongruis kun la prognozo de la modelo de 54%.