Täname, et külastasite veebisaiti Nature.com.Teie kasutataval brauseri versioonil on piiratud CSS-i tugi.Parima kasutuskogemuse saamiseks soovitame kasutada uuendatud brauserit (või keelata Internet Exploreris ühilduvusrežiim).Seni renderdame saidi jätkuva toe tagamiseks ilma stiilide ja JavaScriptita.
Kolme slaidi korraga näitav karussell.Korraga kolme slaidi vahel liikumiseks kasutage nuppe Eelmine ja Järgmine või kolme slaidi vahel liikumiseks kasutage lõpus olevaid liuguri nuppe.
Lisandite tootmine muudab viisi, kuidas teadlased ja töösturid kavandavad ja toodavad keemilisi seadmeid vastavalt nende spetsiifilistele vajadustele.Selles artiklis kirjeldame esimest näidet voolureaktorist, mis on moodustatud otse integreeritud katalüütiliste osade ja andurielementidega tahke metalllehe ultrahelilisandite valmistamise (UAM) lamineerimisega.UAM-tehnoloogia mitte ainult ei ületa paljusid piiranguid, mis praegu on seotud keemiliste reaktorite lisandite tootmisega, vaid laiendab oluliselt ka selliste seadmete võimalusi.Mitmed bioloogiliselt olulised 1,4-diasendatud 1,2,3-triasooli ühendid on edukalt sünteesitud ja optimeeritud Cu-vahendatud 1,3-dipolaarse Huisgeni tsükloliitumisreaktsiooni abil, kasutades UAM-i keemiaseadet.Kasutades UAM-i ainulaadseid omadusi ja pidevat voolutöötlust, suudab seade katalüüsida nii käimasolevaid reaktsioone kui ka anda reaalajas tagasisidet reaktsioonide jälgimiseks ja optimeerimiseks.
Tänu oma olulistele eelistele oma massilise analoogi ees on voolukeemia oluline ja kasvav valdkond nii akadeemilises kui ka tööstuslikus keskkonnas, kuna see suudab suurendada keemilise sünteesi selektiivsust ja tõhusust.See ulatub lihtsate orgaaniliste molekulide moodustumisest1 kuni farmatseutiliste ühenditeni2,3 ja loodustoodeteni4,5,6.Rohkem kui 50% peenkeemia- ja farmaatsiatööstuse reaktsioonidest saavad kasu pidevast voolust7.
Viimastel aastatel on kasvanud suundumus, et rühmad soovivad asendada traditsioonilised klaasnõud või voolukeemiaseadmed kohandatavate keemiliste "reaktoritega"8.Nende meetodite iteratiivne disain, kiire tootmine ja kolmemõõtmelised (3D) võimalused on kasulikud neile, kes soovivad kohandada oma seadmeid teatud reaktsioonide, seadmete või tingimuste jaoks.Praeguseks on see töö keskendunud peaaegu eranditult polümeeripõhiste 3D-printimise tehnikate kasutamisele, nagu stereolitograafia (SL)9, 10, 11, sulatatud sadestamise modelleerimine (FDM) 8, 12, 13, 14 ja tindiprinter7, 15., 16. Selliste seadmete usaldusväärsuse ja võime puudumine sooritada laia valikut keemilisi reaktsioone/analüüse17, 18, 19, 20 on peamiseks piiravaks teguriks AM laiemale kasutamisele selles valdkonnas17, 18, 19, 20.
Voolukeemia üha laialdasema kasutamise ja AM-ga seotud soodsate omaduste tõttu tuleb uurida paremaid tehnikaid, mis võimaldaksid kasutajatel valmistada parema keemia- ja analüüsivõimega voolureaktsiooninõusid.Need meetodid peaksid võimaldama kasutajatel valida suure hulga tugevate või funktsionaalsete materjalide hulgast, mis on võimelised töötama paljudes reaktsioonitingimustes, ning hõlbustama seadme analüütilise väljundi erinevaid vorme, et võimaldada reaktsiooni jälgimist ja kontrolli.
Üks lisandite tootmisprotsess, mida saab kasutada kohandatud keemiliste reaktorite väljatöötamiseks, on ultraheli lisandite tootmine (UAM).See tahkis lehtede lamineerimise meetod rakendab õhukestele metallfooliumitele ultrahelivibratsiooni, et siduda need kihthaaval minimaalse mahulise kuumutamise ja suure plastilise vooluga 21, 22, 23. Erinevalt enamikust muudest AM-tehnoloogiatest saab UAM-i otse integreerida lahutava tootmisega, mida tuntakse hübriidtootmisprotsessina, mille käigus määratakse perioodiline in situ materjali kiht, 5 või lasertöötluskihi 2 jahvatamine2. tähendab, et kasutaja ei piirdu probleemidega, mis on seotud esialgse ehitusmaterjali jääkide eemaldamisega väikestest vedelikukanalitest, mis on sageli nii pulbri- ja vedelikusüsteemides AM26,27,28.See disainivabadus laieneb ka saadaolevate materjalide valikule – UAM suudab ühendada termiliselt sarnaste ja erinevate materjalide kombinatsioone ühes protsessietapis.Materjalikombinatsioonide valik väljaspool sulatusprotsessi tähendab, et konkreetsete rakenduste mehaanilised ja keemilised nõuded on paremini täidetud.Lisaks tahkele sidumisele on veel üks ultraheliga sidumisel esinev nähtus plastmaterjalide kõrge voolavus suhteliselt madalatel temperatuuridel29,30,31,32,33.See UAM-i ainulaadne omadus võimaldab mehaanilisi/termilisi elemente paigutada metallikihtide vahele kahjustamata.Sisseehitatud UAM-andurid võivad hõlbustada reaalajas teabe edastamist seadmest kasutajale integreeritud analüütika kaudu.
Autorite eelnev töö32 näitas UAM-protsessi võimet luua metallilisi 3D-mikrofluidstruktuure, millel on sisseehitatud andurid.See seade on mõeldud ainult jälgimise eesmärgil.See artikkel tutvustab esimest näidet UAM-i toodetud mikrofluidse keemilise reaktori kohta, mis on aktiivne seade, mis mitte ainult ei kontrolli, vaid ka indutseerib struktuurselt integreeritud katalüütiliste materjalidega keemilist sünteesi.Seade ühendab mitmeid UAM-tehnoloogiaga seotud eeliseid 3D-keemiliste seadmete valmistamisel, näiteks: võimalus teisendada terviklik 3D-disain otse arvutipõhisest disainimudelist (CAD) tooteks;mitmest materjalist valmistamine kõrge soojusjuhtivusega ja katalüütiliste materjalide kombinatsiooni jaoks, samuti otse reagendi voogude vahele integreeritud soojusandurid reaktsiooni temperatuuri täpseks juhtimiseks ja haldamiseks.Reaktori funktsionaalsuse demonstreerimiseks sünteesiti vask-katalüüsitud 1,3-dipolaarse Huisgeni tsükloliitmise teel farmatseutiliselt oluliste 1,4-diasendatud 1,2,3-triasooli ühendite raamatukogu.See töö toob välja, kuidas materjaliteaduse ja arvutipõhise disaini kasutamine võib interdistsiplinaarsete uuringute kaudu avada keemias uusi võimalusi ja võimalusi.
Kõik lahustid ja reaktiivid osteti firmadest Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI või Fischer Scientific ja neid kasutati ilma eelneva puhastamiseta.1H ja 13C NMR spektrid, mis registreeriti vastavalt 400 ja 100 MHz juures, saadi spektromeetril JEOL ECS-400 400 MHz või Bruker Avance II 400 MHz spektromeetril, kasutades lahustina CDCl3 või (CD3)2SO.Kõik reaktsioonid viidi läbi Uniqsis FlowSyn voolukeemia platvormi abil.
Selles uuringus kasutati kõigi seadmete valmistamiseks UAM-i.Tehnoloogia leiutati 1999. aastal ning selle tehnilisi üksikasju, tööparameetreid ja arenguid alates selle leiutamisest saab uurida järgmiste avaldatud materjalide abil34,35,36,37.Seade (joonis 1) rakendati suure võimsusega 9 kW SonicLayer 4000® UAM süsteemi (Fabrisonic, Ohio, USA) abil.Vooluseadme jaoks valiti materjalid Cu-110 ja Al 6061. Cu-110 on kõrge vasesisaldusega (vähemalt 99,9% vaske), mistõttu on see hea kandidaat vasega katalüüsitavate reaktsioonide jaoks ja seetõttu kasutatakse seda "aktiivse kihina mikroreaktoris".Puistematerjalina kasutatakse Al 6061 O., samuti analüüsiks kasutatav interkalatsioonikiht;sulami abikomponentide interkalatsioon ja lõõmutatud olek kombinatsioonis Cu-110 kihiga.leiti, et see on selles töös kasutatud reagentidega keemiliselt stabiilne.Al 6061 O kombinatsioonis Cu-110-ga peetakse samuti UAM-i jaoks sobivaks materjalikombinatsiooniks ja seetõttu sobib see selle uuringu jaoks 38, 42.Need seadmed on loetletud allolevas tabelis 1.
Reaktori valmistamise etapid (1) 6061 alumiiniumisulamist substraat (2) Alumise kanali valmistamine vaskfooliumist (3) Termopaaride sisestamine kihtide vahele (4) Ülemine kanal (5) Sisse- ja väljalaskeava (6) Monoliitreaktor.
Vedelikukanali disaini filosoofia on kasutada käänulist rada, et suurendada kiibi sees oleva vedeliku läbitavat vahemaad, säilitades samal ajal juhitava kiibi suuruse.See vahemaa suurendamine on soovitav, et pikendada katalüsaatori ja reagendi kontaktaega ja tagada suurepärane toote saagis.Laastud kasutavad sirge tee otstes 90° pöördeid, et kutsuda esile turbulentset segunemist seadmes44 ja pikendada vedeliku kokkupuuteaega pinnaga (katalüsaatoriga).Saavutatava segamise edasiseks parandamiseks sisaldab reaktori konstruktsioon kahte reagendi sisselaskeava, mis on ühendatud Y-ühenduses enne segamisspiraali sektsiooni sisenemist.Kolmas sissepääs, mis läbib voolu poole oma residentuuri ajal, on kaasatud tulevaste mitmeetapiliste sünteesireaktsioonide kavasse.
Kõikidel kanalitel on ruudukujuline profiil (koonusnurgad puuduvad), mis on perioodilise CNC freesimise tulemus, mida kasutatakse kanali geomeetria loomiseks.Kanali mõõtmed on valitud nii, et need tagaksid suure (mikroreaktori jaoks) mahulise saagise, kuid samas piisavalt väikesed, et hõlbustada enamiku selles sisalduvate vedelike interaktsiooni pinnaga (katalüsaatorid).Sobiv suurus põhineb autorite varasematel kogemustel metall-vedelik reaktsiooniseadmetega.Lõppkanali sisemõõtmed olid 750 µm x 750 µm ja reaktori kogumaht oli 1 ml.Disainis on sisseehitatud pistik (1/4″-28 UNF-keere), mis võimaldab seadet hõlpsasti ühendada kaubandusliku voolukeemia seadmetega.Kanali suurust piiravad fooliummaterjali paksus, selle mehaanilised omadused ja ultraheliga kasutatavad sidumisparameetrid.Teatud materjali laiuse juures materjal “vajub” loodud kanalisse.Praegu pole selle arvutuse jaoks spetsiifilist mudelit, seega määratakse antud materjali ja konstruktsiooni maksimaalne kanali laius eksperimentaalselt, sel juhul ei põhjusta 750 µm laius vajumist.
Kanali kuju (ruut) määratakse ruudukujulise lõikuri abil.Kanalite kuju ja suurust saab CNC-masinatel muuta erinevate lõiketööriistade abil, et saada erinevaid voolukiirusi ja -omadusi.Näide kõvera kanali loomisest 125 µm tööriistaga on toodud Monaghan45-s.Kui fooliumkiht kantakse tasaseks, on fooliummaterjali kandmine kanalitele tasase (ruudukujulise) pinnaga.Selles töös kasutati kanali sümmeetria säilitamiseks ruudukujulist kontuuri.
Tootmise programmeeritud pausi ajal on termopaari temperatuuriandurid (tüüp K) ehitatud otse seadmesse ülemise ja alumise kanalirühma vahele (joonis 1 – etapp 3).Need termopaarid suudavad reguleerida temperatuurimuutusi vahemikus -200 kuni 1350 °C.
Metalli sadestamise protsessi teostab UAM-sarv, kasutades 25,4 mm laiust ja 150 mikronit paksust metallfooliumi.Need fooliumikihid on ühendatud külgnevate ribadena, et katta kogu ehitusala;ladestunud materjali suurus on suurem kui lõpptootel, kuna lahutamisprotsess loob lõpliku puhta kuju.CNC-töötlust kasutatakse seadme välis- ja sisekontuuride töötlemiseks, mille tulemuseks on seadmete ja kanalite pinnaviimistlus, mis vastab valitud tööriista ja CNC protsessi parameetritele (selles näites umbes 1,6 µm Ra).Pidevaid, pidevaid ultraheli materjali pihustus- ja töötlemistsükleid kasutatakse kogu seadme tootmisprotsessis, et tagada mõõtmete täpsuse säilimine ja viimistletud detaili vastavus CNC peenfreesimise täpsustasemetele.Selle seadme jaoks kasutatava kanali laius on piisavalt väike, et foolium ei vajuks vedelikukanalisse, mistõttu on kanali ristlõige nelinurkne.Võimalikud lüngad fooliumimaterjalis ja UAM protsessi parameetrid määrati katseliselt kindlaks tootmispartneri (Fabrisonic LLC, USA) poolt.
Uuringud on näidanud, et UAM-ühendi liidestel 46, 47 on elementide difusioon vähene ilma täiendava kuumtöötluseta, mistõttu selles töös olevate seadmete jaoks jääb Cu-110 kiht Al 6061 kihist erinevaks ja muutub dramaatiliselt.
Paigaldage reaktorist allavoolu eelkalibreeritud vasturõhuregulaator (BPR) rõhul 250 psi (1724 kPa) ja pumbake vett läbi reaktori kiirusega 0,1–1 ml min-1.Reaktori rõhku jälgiti süsteemi sisseehitatud FlowSyn rõhuanduri abil, et tagada süsteemi püsiv püsirõhk.Voolureaktori võimalikke temperatuurigradiente testiti, otsides erinevusi reaktorisse ehitatud termopaaride ja FlowSyn kiibi kuumutusplaadile ehitatud termopaaride vahel.See saavutatakse, muutes programmeeritud keeduplaadi temperatuuri vahemikus 100 kuni 150 °C 25 °C sammuga ning jälgides võimalikke erinevusi programmeeritud ja salvestatud temperatuuride vahel.See saavutati andmelogeri tc-08 (PicoTech, Cambridge, UK) ja kaasasoleva PicoLogi tarkvara abil.
Fenüülatsetüleeni ja jodoetaani tsükloliitumisreaktsiooni tingimused on optimeeritud (skeem 1 - fenüülatsetüleeni ja jodoetaani tsükliline laadimine, skeem 1 - fenüülatsetüleeni ja jodoetaani tsüklolaadimine).See optimeerimine viidi läbi eksperimentide täieliku faktoriaalse disaini (DOE) lähenemisviisi abil, kasutades muutujatena temperatuuri ja viibimisaega, fikseerides alküüni:asiidi suhte 1:2.
Valmistati eraldi naatriumasiidi (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), jodoetaani (0,25 M, DMF) ja fenüülatsetüleeni (0,125 M, DMF) lahused.Iga lahuse 1,5 ml alikvoot segati ja pumbati soovitud voolukiirusel ja temperatuuril läbi reaktori.Mudeli vastus võeti triasooliprodukti piigi pindala suhtena fenüülatsetüleeni lähteainesse ja määrati kõrgsurvevedelikkromatograafia (HPLC) abil.Analüüsi järjepidevuse tagamiseks võeti kõik reaktsioonid kohe pärast reaktsioonisegu reaktorist lahkumist.Optimeerimiseks valitud parameetrite vahemikud on näidatud tabelis 2.
Kõiki proove analüüsiti Chromaster HPLC süsteemiga (VWR, PA, USA), mis koosnes kvaternaarpumbast, kolonnahjust, muutuva lainepikkusega UV-detektorist ja automaatsest proovivõtturist.Kolonniks oli Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA), 4,6 x 100 mm, osakeste suurus 5 µm, hoiti 40 °C juures.Lahusti oli isokraatne metanool:vesi 50:50 voolukiirusel 1,5 ml-min-1.Süstimismaht oli 5 μl ja detektori lainepikkus oli 254 nm.DOE proovi piigi pindala % arvutati ainult alküüni ja triasooli jääkproduktide piikide pindalade põhjal.Lähteaine sisseviimine võimaldab tuvastada vastavad piigid.
Reaktori analüüsi tulemuste kombineerimine MODDE DOE tarkvaraga (Umetrics, Malmö, Rootsi) võimaldas tulemuste põhjalikku trendianalüüsi ja selle tsükloliitumise optimaalsete reaktsioonitingimuste määramist.Sisseehitatud optimeerija käivitamine ja kõigi oluliste mudeliterminite valimine loob reaktsioonitingimuste komplekti, mis on loodud toote piigi pindala maksimeerimiseks, vähendades samal ajal atsetüleeni lähteaine piigi pindala.
Vase pinna oksüdeerimine katalüütilises reaktsioonikambris saavutati vesinikperoksiidi lahusega (36%), mis voolas läbi reaktsioonikambri (voolukiirus = 0,4 ml min-1, viibimisaeg = 2,5 min) enne iga triasooliühendi sünteesi.raamatukogu.
Kui optimaalne tingimuste kogum oli kindlaks määratud, rakendati neid paljudele atsetüleeni ja haloalkaani derivaatidele, et võimaldada väikese sünteesiraamatukogu koostamist, luues seeläbi võimaluse rakendada neid tingimusi suurema hulga potentsiaalsete reagentide puhul (joonis 1).2).
Valmistage eraldi naatriumasiidi (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), haloalkaanide (0,25 M, DMF) ja alküünide (0,125 M, DMF) lahused.Iga lahuse 3 ml alikvoodid segati ja pumbati läbi reaktori kiirusega 75 µl/min ja temperatuuril 150 °C.Kogu maht koguti viaali ja lahjendati 10 ml etüülatsetaadiga.Proovilahust pesti 3 x 10 ml veega.Vesikihid ühendati ja ekstraheeriti 10 ml etüülatsetaadiga, seejärel ühendati orgaanilised kihid, pesti 3 x 10 ml soolveega, kuivatati MgS04 kohal ja filtriti, seejärel eemaldati lahusti vaakumis.Proovid puhastati kolonnkromatograafiaga silikageelil, kasutades etüülatsetaati, enne analüüsimist HPLC, 1H NMR, 13C NMR ja kõrglahutusega massispektromeetria (HR-MS) kombinatsiooniga.
Kõik spektrid saadi, kasutades massispektromeetrit Thermofischer Precision Orbitrap, mille ionisatsiooniallikaks oli ESI.Kõik proovid valmistati, kasutades lahustina atsetonitriili.
TLC analüüs viidi läbi alumiiniumsubstraadiga ränidioksiidi plaatidel.Plaate visualiseeriti UV-valguse (254 nm) või vanilliiniga värvimise ja kuumutamisega.
Kõiki proove analüüsiti VWR Chromaster süsteemiga (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK), mis oli varustatud automaatse proovivõtturi, kolonnahjuga binaarpumba ja ühe lainepikkuse detektoriga.Kasutati ACE Equivalence 5 C18 kolonni (150 x 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Šotimaa).
Süstid (5 µl) tehti otse lahjendatud toorreaktsioonisegust (lahjendus 1:10) ja analüüsiti vee:metanooliga (50:50 või 70:30), välja arvatud mõned proovid, kasutades 70:30 lahustisüsteemi (tähistatud tähenumbrina) voolukiirusel 1,5 ml/min.Kolonni hoiti temperatuuril 40 °C.Detektori lainepikkus on 254 nm.
Proovi piigi pindala % arvutati allesjäänud alküüni, ainult triasooli produkti piigi pindala põhjal ja lähteaine sisseviimine võimaldas tuvastada vastavad piigid.
Kõiki proove analüüsiti Thermo iCAP 6000 ICP-OES abil.Kõik kalibreerimisstandardid valmistati, kasutades 1000 ppm Cu standardlahust 2% lämmastikhappes (SPEX Certi Prep).Kõik standardid valmistati 5% DMF ja 2% HNO3 lahuses ning kõiki proove lahjendati 20 korda DMF-HNO3 proovilahusega.
UAM kasutab lõpliku koostu loomiseks kasutatava metallfooliumi ühendamiseks ultraheliga metallikeevitust.Ultraheli metallikeevitus kasutab vibreerivat metallitööriista (nimetatakse sarveks või ultrahelisarveks), et avaldada survet materjali vibreerimisega liimitavale/varem tihendatavale fooliumile/varem konsolideeritud kihile.Pidevaks tööks on sonotrood silindrilise kujuga ja rullub üle materjali pinna, liimides kogu ala.Surve ja vibratsiooni rakendamisel võivad materjali pinnal olevad oksiidid praguneda.Pidev surve ja vibratsioon võivad põhjustada materjali kareduse hävimise 36 .Tihe kokkupuude lokaalse kuumuse ja rõhuga viib seejärel tahkefaasilise sideme tekkimiseni materjali liidestes;see võib samuti edendada ühtekuuluvust, muutes pinnaenergiat48.Ühendusmehhanismi olemus ületab paljud probleemid, mis on seotud muutuva sulamistemperatuuri ja kõrge temperatuuri mõjudega, mida on mainitud muudes lisandite valmistamise tehnoloogiates.See võimaldab mitme erineva materjali kihi otseühendamist (st ilma pinna modifitseerimiseta, täiteainete või liimideta) üheks konsolideeritud struktuuriks.
Teiseks CAM-i jaoks soodsaks teguriks on metallmaterjalide kõrge plastilise voolu määr isegi madalatel temperatuuridel, st tunduvalt madalamal kui metallmaterjalide sulamistemperatuur.Ultraheli vibratsiooni ja rõhu kombinatsioon põhjustab kohaliku terade piiride rände ja ümberkristalliseerumise kõrge taseme ilma olulise temperatuuritõusuta, mida traditsiooniliselt seostatakse puistematerjalidega.Lõpliku koostu loomisel saab seda nähtust kasutada aktiivsete ja passiivsete komponentide kinnistamiseks metallfooliumi kihtide vahele kihthaaval.Sellised elemendid nagu optiline kiud 49, tugevdus 46, elektroonika 50 ja termopaarid (see töö) on edukalt integreeritud UAM-i struktuuridesse, et luua aktiivseid ja passiivseid komposiitkooste.
Selles töös kasutati nii erinevaid materjalide sidumisvõimalusi kui ka UAM-i interkalatsioonivõimalusi, et luua ideaalne mikroreaktor katalüütiliseks temperatuuri reguleerimiseks.
Võrreldes pallaadiumi (Pd) ja teiste tavaliselt kasutatavate metallkatalüsaatoritega on Cu katalüüsil mitmeid eeliseid: (i) Majanduslikult on Cu odavam kui paljud teised katalüüsis kasutatavad metallid ja seetõttu on see keemiatööstuse jaoks atraktiivne valik. ed reaktsioonid toimivad hästi ka teiste ligandide puudumisel.Need ligandid on sageli struktuurselt lihtsad ja odavad.soovi korral on Pd-keemias kasutatavad sageli keerulised, kallid ja õhutundlikud (iv) Cu, mis on eriti tuntud oma võime poolest siduda sünteesis alküüne, nagu Sonogashira bimetalliline katalüüsitud side ja tsükloliitumine asiididega (klikkkeemia) (v) Cu võib samuti soodustada mõnede nukleiinfitüüpide arüülimist.
Hiljuti on demonstreeritud näiteid kõigi nende reaktsioonide heterogeniseerimisest Cu(0) juuresolekul.See on suuresti tingitud farmaatsiatööstusest ja kasvavast keskendumisest metallkatalüsaatorite taaskasutamisele ja taaskasutamisele55,56.
1,3-dipolaarset tsükloliitumisreaktsiooni atsetüleeni ja asiidi vahel 1,2,3-triasooliks, mille Huisgen pakkus esmakordselt välja 1960. aastatel57, peetakse sünergiliseks demonstratsioonireaktsiooniks.Saadud 1,2,3-triasooli fragmendid pakuvad ravimite avastamise farmakofoorina erilist huvi nende bioloogiliste rakenduste ja mitmesugustes raviainetes kasutamise tõttu58.
See reaktsioon pälvis taas tähelepanu, kui Sharpless ja teised võtsid kasutusele mõiste "klõpsukeemia"59.Terminit "klõpskeemia" kasutatakse tugeva ja selektiivse reaktsioonide kogumi kirjeldamiseks uute ühendite ja kombinatoorsete raamatukogude kiireks sünteesiks, kasutades heteroatomaarset sidet (CXC)60.Nende reaktsioonide sünteetiline atraktiivsus tuleneb nendega seotud kõrgetest saagistest.tingimused on lihtsad, vastupidavus hapnikule ja veele ning toodete eraldamine on lihtne61.
Klassikaline 1,3-dipoolne Huisgeni tsükloliitmine ei kuulu klikikeemia kategooriasse.Kuid Medal ja Sharpless näitasid, et see asiidi-alküüni sidestussündmus läbib Cu (I) juuresolekul 107–108, võrreldes mittekatalüütilise 1, 3-dipolaarse tsükloliitumise kiiruse olulise kiirendusega 62, 63.See täiustatud reaktsioonimehhanism ei vaja kaitserühmi ega karme reaktsioonitingimusi ning tagab aja jooksul peaaegu täieliku konversiooni ja selektiivsuse 1,4-diasendatud 1,2,3-triasoolideks (anti-1,2,3-triasoolideks) (joonis fig 3).
Tavapäraste ja vask-katalüüsitud Huisgeni tsükloadditsioonide isomeetrilised tulemused.Cu(I)-katalüüsitud Huisgeni tsükloadditsioonid annavad ainult 1,4-diasendatud 1,2,3-triasoolid, samas kui termiliselt indutseeritud Huisgeni tsükloadditsioonid annavad 1,4- ja 1,5-triasoolidele tavaliselt asooli stereoisomeeride 1:1 segu.
Enamik protokolle hõlmab Cu(II) stabiilsete allikate redutseerimist, näiteks CuSO4 või Cu(II)/Cu(0) ühendi redutseerimist kombinatsioonis naatriumsooladega.Võrreldes teiste metalliga katalüüsitud reaktsioonidega on Cu(I) kasutamise peamiseks eeliseks see, et see on odav ja lihtne käsitseda.
Worrelli jt kineetilised ja isotoopsed uuringud.65 on näidanud, et terminaalsete alküünide puhul osaleb iga molekuli reaktiivsuse aktiveerimises asiidi suhtes kaks ekvivalenti vaske.Kavandatav mehhanism kulgeb läbi kuueliikmelise vaskmetalli ringi, mis moodustub asiidi koordineerimisel σ-seotud vasetsetüliidiga π-seotud vasega kui stabiilse doonori ligandiga.Vase triasolüülderivaadid moodustuvad tsükli kokkutõmbumise tulemusena, millele järgneb prootonite lagunemine, moodustades triasooliprodukte ja sulgedes katalüütilise tsükli.
Kuigi voolukeemia seadmete eelised on hästi dokumenteeritud, on olnud soov integreerida nendesse süsteemidesse analüütilised tööriistad protsesside reaalajas jälgimiseks kohapeal66, 67.UAM on osutunud sobivaks meetodiks väga keeruliste 3D-voolureaktorite projekteerimiseks ja tootmiseks katalüütiliselt aktiivsetest, soojust juhtivatest materjalidest, millel on otse sisseehitatud sensorelemendid (joonis 4).
Alumiinium-vask voolureaktor, mis on toodetud ultraheli lisandite valmistamisel (UAM), millel on keeruline sisemine kanali struktuur, sisseehitatud termopaarid ja katalüütiline reaktsioonikamber.Sisemiste vedelikuteede visualiseerimiseks on näidatud ka stereolitograafia abil valmistatud läbipaistev prototüüp.
Tagamaks, et reaktorid valmistatakse ette tulevaste orgaaniliste reaktsioonide jaoks, tuleb lahusteid ohutult kuumutada üle keemistemperatuuri;neid on testitud rõhu ja temperatuuriga.Rõhutestimine näitas, et süsteem säilitab stabiilse ja püsiva rõhu ka kõrgendatud rõhu korral süsteemis (1,7 MPa).Hüdrostaatilised testid viidi läbi toatemperatuuril, kasutades vedelikuna H2O.
Sisseehitatud (joonis 1) termopaari ühendamine temperatuuriandmete logijaga näitas, et termopaari temperatuur oli 6 °C (± 1 °C) madalam kui FlowSyn süsteemis programmeeritud temperatuur.Tavaliselt kahekordistab temperatuuri tõus 10°C võrra reaktsioonikiirust, seega võib vaid mõnekraadine temperatuurierinevus reaktsioonikiirust oluliselt muuta.See erinevus tuleneb tootmisprotsessis kasutatud materjalide suurest termilisest difusioonist tingitud temperatuurikadudest kogu RPV ulatuses.See termiline triiv on konstantne ja seetõttu saab seda arvesse võtta seadmete seadistamisel, et tagada reaktsiooni ajal täpsete temperatuuride saavutamine ja mõõtmine.Seega hõlbustab see võrguseire tööriist reaktsiooni temperatuuri ranget kontrolli ja aitab kaasa protsessi täpsemale optimeerimisele ja optimaalsete tingimuste väljatöötamisele.Neid andureid saab kasutada ka eksotermiliste reaktsioonide tuvastamiseks ja äravoolureaktsioonide vältimiseks suuremahulistes süsteemides.
Selles artiklis esitatud reaktor on esimene näide UAM-tehnoloogia rakendamisest keemiliste reaktorite valmistamisel ja käsitleb mitmeid praegu nende seadmete AM/3D-printimisega seotud peamisi piiranguid, näiteks: (i) Vase või alumiiniumisulami töötlemisega seotud probleemide ületamine (ii) parem sisekanali eraldusvõime võrreldes pulberkihi sulatamise (PBF) materjali voolu (PBF) meetoditega või2 (S) ja valikaine pinnasulatusmeetoditega2 (6), 6 (iii) madalam töötlemistemperatuur, mis hõlbustab andurite otseühendamist, mis pole pulberkihi tehnoloogias võimalik, (v) polümeeripõhiste komponentide halbade mehaaniliste omaduste ja tundlikkuse ületamine erinevatele levinud orgaanilistele lahustitele17,19.
Reaktori funktsionaalsust demonstreeriti vasega katalüüsitud alkinasiidi tsükloliitumisreaktsioonide seeriaga pideva voolu tingimustes (joonis 2).Ultraheliga trükitud vaskreaktor, mis on näidatud joonisel fig.4 integreeriti kaubandusliku voolusüsteemiga ja seda kasutati mitmesuguste 1,4-diasendatud 1,2,3-triasoolide asiidide raamatukogu sünteesimiseks, kasutades atsetüleeni ja alküülrühma halogeniidide temperatuuri reguleeritud reaktsiooni naatriumkloriidi juuresolekul (joonis 3).Pideva voolu lähenemisviisi kasutamine vähendab ohutusprobleeme, mis võivad tekkida perioodiliste protsesside käigus, kuna see reaktsioon tekitab väga reaktiivseid ja ohtlikke asiidi vaheühendeid [317], [318].Algselt optimeeriti reaktsioon fenüülatsetüleeni ja jodoetaani tsükloliitumiseks (skeem 1 – fenüülatsetüleeni ja jodoetaani tsükliline liitmine) (vt joonis 5).
(Vasakpoolses ülanurgas) Skeem seadistusest, mida kasutatakse 3DP-reaktori lisamiseks voolusüsteemi (üleval paremal), mis on saadud fenüülatsetüleeni ja jodoetaani vahelise fenüülatsetüleeni ja jodoetaani vahelise tsükloliitumisskeemi optimeeritud (alumisest) skeemist ja näitab reaktsiooni optimeeritud konversioonikiiruse parameetreid.
Reguleerides reagentide viibimisaega reaktori katalüütilises sektsioonis ja jälgides hoolikalt reaktsiooni temperatuuri otse integreeritud termopaaranduri abil, saab reaktsioonitingimusi kiiresti ja täpselt optimeerida minimaalse aja ja materjalidega.Kiiresti leiti, et kõrgeim konversioon saavutati 15-minutilise viibimisaja ja 150 °C reaktsioonitemperatuuri kasutamisel.MODDE tarkvara koefitsientide graafikult on näha, et mudeli olulisteks tingimusteks peetakse nii viibimisaega kui ka reaktsiooni temperatuuri.Sisseehitatud optimeerija käitamine neid valitud tingimusi kasutades loob reaktsioonitingimuste komplekti, mille eesmärk on maksimeerida toote piikide pindalasid, vähendades samal ajal lähtematerjali piikide pindala.See optimeerimine andis triasooliprodukti 53% konversiooni, mis vastas täpselt mudeli prognoosile 54%.