Täname, et külastasite veebisaiti Nature.com. Kasutataval brauseri versioonil on CSS-i tugi piiratud. Parima kasutuskogemuse tagamiseks soovitame teil kasutada uuendatud brauserit (või lülitada Internet Exploreris ühilduvusrežiim välja). Seni kuvame jätkuva toe tagamiseks saiti ilma stiilide ja JavaScriptita.
Lisandite tootmine muudab viise, kuidas teadlased ja töösturid kavandavad ja toodavad keemilisi seadmeid vastavalt nende spetsiifilistele vajadustele. Selles töös tutvustame esimest näidet voolureaktorist, mis on moodustatud tahkis-metalli lehtede lamineerimise tehnikaga Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM) koos otse integreeritud katalüütiliste osade ja sensorelementidega. UAM-tehnoloogia ei aita mitte ainult märkimisväärselt ületada paljusid piiranguid, mis on praegu seotud selliste seadmete tootmisvõimsuste suurenemisega, vaid ka praeguste seadmete tootmisvõimsuste suurenemisega. .Ruu bioloogiliselt olulisi 1,4-diasendatud 1,2,3-triasooli ühendeid sünteesiti ja optimeeriti edukalt Cu-vahendatud Huisgeni 1,3-dipolaarse tsükloliitumisreaktsiooni abil, kasutades UAM-i keemilist seadistust. Kasutades ära UAM-i ainulaadsed omadused ja pideva voolutöötluse, on seade võimeline ka reaktsioonide reaalset jälgimist ja katalüsaatorit pakkuma.
Tänu oma märkimisväärsetele 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 lihtsatest orgaaniliste molekulide moodustumisest1 farmaatsiaühendite2,3 ja loodustoodeteni4,5,6.Rohkem kui 50% peenkeemia- ja farmaatsiatööstuse reaktsioonidest saab kasu pideva voolu töötlemisest7.
Viimastel aastatel on kasvanud suundumus rühmade seas, kes soovivad asendada traditsioonilisi klaasnõusid või voolukeemia seadmeid kohandatavate lisandite tootmise (AM) keemia "reaktsioonianumatega"8. Nende tehnikate iteratiivne disain, kiire tootmine ja 3-dimensioonilised (3D) võimalused on kasulikud neile, kes soovivad kohandada oma seadmeid vastavalt polümeeri kasutusele, konkreetsetele seadmete, reaktsioonide või töötingimustele3. D-trükitehnikad, nagu stereolitograafia (SL) 9, 10, 11, sulatatud sadestamise modelleerimine (FDM) 8, 12, 13, 14 ja tindiprinteri trükkimine 7, 15, 16. Selliste seadmete vastupidavuse ja võime puudumine sooritada mitmesuguseid keemilisi reaktsioone/analüüse17, 18, 19 on selle valdkonna peamiseks rakendamiseks. 19, 20 .
Voolukeemia üha laialdasema kasutamise ja AM-ga seotud soodsate omaduste tõttu on vaja uurida täiustatud tehnikaid, mis võimaldavad kasutajatel valmistada täiustatud keemilise ja analüütilise võimekusega voolureaktsioonianumaid. Need tehnikad peaksid võimaldama kasutajatel valida paljude väga vastupidavate või funktsionaalsete materjalide hulgast, mis on võimelised toime tulema mitmesuguste reaktsioonitingimustega, hõlbustades samal ajal ka mitmesuguste reaktsioonide juhtimist ja väljundit.
Üks lisandite tootmisprotsess, millel on potentsiaali kohandatud keemiliste reaktorite väljatöötamiseks, on ultrahelilisandite tootmine (UAM). See tahkis lehtede lamineerimise tehnika rakendab ultrahelivõnkumisi õhukestele metallfooliumitele, et ühendada need kihthaaval minimaalse hulgikuumutuse ja suure plastivooluga 21 , 22 , 23 , erinevalt enamikust muudest tootmisprotsessidest, mida tuntakse otse subtraktiivsete AM tehnoloogiatega. mis in situ perioodilise arvutiga arvjuhtimisega (CNC) freesimise või lasertöötlusega määrab liimitud materjali kihi netokuju 24, 25. See tähendab, et kasutajat ei piira probleemid, mis on seotud ehitusmaterjali jääkide eemaldamisega väikestest vedelikukanalitest, mis sageli juhtub pulbri ja vedela AM süsteemide puhul26,27,28.See disain võib laiendada ka UAM-i sarnaste materjalide kombinatsiooni vabadust ja suures ulatuses. ühes protsessietapis. Materjalikombinatsioonide valik väljaspool sulatusprotsessi tähendab, et konkreetsete rakenduste mehaanilisi ja keemilisi nõudeid saab paremini rahuldada. Lisaks tahkisühendamisele on ultraheliga liimimise käigus ilmnenud veel üks nähtus plastmaterjalide suur vool suhteliselt madalatel temperatuuridel29, 30, 31, 32, 33. See UAM-i ainulaadne omadus võib hõlbustada mehaaniliste/termiliste andurite elementide sisestamist mehaaniliste/termiliste andurikihtide vahele. seadme kasutajani integreeritud analüütika kaudu.
Autorite varasem töö32 demonstreeris UAM-protsessi võimet luua metallist 3D-mikrofluidstruktuure integreeritud tuvastusvõimega. See on ainult seireseade. Selles artiklis esitatakse esimene näide UAM-i valmistatud mikrofluidilisest keemilisest reaktorist;aktiivne seade, mis mitte ainult ei jälgi, vaid ka indutseerib keemilist sünteesi struktuurselt integreeritud katalüsaatormaterjalide kaudu.Seade ühendab mitmeid UAM-tehnoloogiaga seotud eeliseid 3D-keemiliste seadmete valmistamisel, näiteks: võimalus teisendada täielikud 3D-disainid otse arvutipõhise disaini (CAD) mudelitest toodeteks;mitmest materjalist valmistamine kõrge soojusjuhtivusega ja katalüütiliste materjalide kombineerimiseks;ja soojusandurite paigaldamine otse reaktiivivoogude vahele reaktsiooni temperatuuri täpseks jälgimiseks ja juhtimiseks. Reaktori funktsionaalsuse demonstreerimiseks sünteesiti vask-katalüüsitud Huisgeni 1,3-dipolaarse tsükloadditsiooni abil farmatseutiliselt oluliste 1,4-diasendatud 1,2,3-triasooli ühendite raamatukogu. multidistsiplinaarsed uuringud.
Kõik lahustid ja reaktiivid osteti firmadelt Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI või Fischer Scientific ning neid kasutati ilma eelneva puhastamiseta. 1H ja 13C NMR spektrid, mis registreeriti vastavalt sagedustel 400 MHz ja 100 MHz, saadi JEOL ECS-400 400 MHz spektromeetriga2 (CD30C3) või Bruker0 ACD12 spektromeetriga. Kõik reaktsioonid viidi läbi Uniqsis FlowSyn voolukeemia platvormi abil.
Selles uuringus kasutati kõigi seadmete valmistamisel UAM-i. Tehnoloogia leiutati 1999. aastal ning selle tehnilisi üksikasju, tööparameetreid ja arenguid alates selle leiutamisest saab uurida järgmiste avaldatud materjalide kaudu34,35,36,37.Seade (Joonis 1) teostati ülisuure võimsusega, 9kW SonicLayer 4000® materjalid, mille valmistamisel valiti USAsonicus, (Fabrik, USAsonication). 10 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".Al 6061 O kasutatakse “puistematerjalina”, samuti kasutatakse analüüsiks sisestuskihti;Sulamist abikomponentide sisestamine ja lõõmutatud seisund koos Cu-110 kihiga.Al 6061 O on materjal, mis on osutunud ülimalt ühilduvaks UAM protsessidega38, 39, 40, 41 ning mida on testitud ja leitud, et see on selles töös kasutatud reagentidega keemiliselt stabiilne.Al 6061 O kombinatsiooni Cu-110-ga peetakse samuti UAM-i jaoks sobivaks materjalikombinatsiooniks ja seetõttu on see selle uuringu jaoks sobiv materjal.38,42 Need seadmed on loetletud allolevas tabelis 1.
Reaktori valmistamise etapid (1) Al 6061 substraat (2) Alumise kanali valmistamine vaskfooliumile (3) Termopaaride paigaldamine kihtide vahele (4) Ülemine kanal (5) Sisse- ja väljalaskeava (6) Monoliitreaktor.
Vedeliku tee kujundamise filosoofia on kasutada keerdunud rada, et suurendada vedeliku läbimise vahemaad kiibis, hoides samal ajal kiibi juhitava suurusega. See vahemaa suurendamine on soovitav, et pikendada katalüsaatori/reaktiivi interaktsiooni aega ja tagada suurepärane toote saagis. Kiibid kasutavad sirge tee otstes 90° pöördeid, et indutseerida vedeliku turbulentset kokkupuuteaega44 (seadme pinnase segunemise edasine suurendamine44). saavutatava segamise suurendamiseks on reaktori konstruktsioonis kaks reagendi sisselaskeava, mis on ühendatud Y-ristmikul enne serpentiini segamissektsiooni sisenemist. Kolmas sisselaskeava, mis lõikub vooluga poolel teel oma asukohast, on kaasatud tulevaste mitmeastmeliste reaktsioonisünteeside kavandamisse.
Kõigil kanalitel on ruudukujuline profiil (ilma tõmbenurkadeta), mis on kanali geomeetria loomisel kasutatud perioodilise CNC freesimise tulemus. Kanali mõõtmed on valitud nii, et tagada suur (mikroreaktori jaoks) maht, samas kui need on piisavalt väikesed, et hõlbustada enamiku sisalduvate vedelike pindmiste vastastikmõjude (katalüsaatorite) kasutamist. Sobiv suurus põhineb autorite varasematel kogemustel 50 µm lõpliku reaktsioonikanaliga seadmete puhul. 50 µm ja reaktori kogumaht oli 1 ml. Konstruktsioonis on integreeritud pistik (1/4″–28 UNF keerme), mis võimaldab seadet lihtsalt ühendada kaubandusliku voolukeemia seadmetega.Kanali suurust piiravad fooliummaterjali paksus, selle mehaanilised omadused ja ultraheliga kasutatavad sidumisparameetrid.Antud materjali kindla laiuse korral vajub materjal loodud kanalisse.Praegu pole selle arvutuse jaoks konkreetset mudelit, seega määratakse antud materjali ja konstruktsiooni maksimaalne kanali laius eksperimentaalselt;sel juhul ei põhjusta 750 μm laius vajumist.
Kanali kuju (ruut) määratakse ruudukujulise lõikuriga. Kanalite kuju ja suurust saab muuta CNC-masinate abil, kasutades erinevaid lõiketööriistu, et saada erinevaid voolukiirusi ja -omadusi. Näite kõvera kujuga kanali loomisest 125 μm tööriista abil on Monaghani töös töö, kanali sümmeetria säilitamiseks kasutati ruudukujulist kontuuri.
Tootmise eelprogrammeeritud pausi ajal on termopaari temperatuuriandurid (tüüp K) manustatud otse seadmesse ülemise ja alumise kanalirühma vahele (joonis 1 – 3. etapp). Need termopaarid suudavad jälgida temperatuurimuutusi vahemikus –200 kuni 1350 °C.
Metalli sadestamise protsessi teostab UAM-sarve, kasutades 25,4 mm laiust ja 150 mikroni paksust metallfooliumi. Need fooliumikihid on ühendatud külgnevate ribade seeriaks, et katta kogu ehitusala;ladestatud materjali suurus on suurem kui lõpptootel, kuna lahutav protsess annab lõpliku võrgukuju.CNC-töötlust kasutatakse seadme välis- ja sisekontuuride töötlemiseks, mille tulemuseks on seadmete ja kanalite pinnaviimistlus, mis vastab valitud tööriistale ja CNC protsessi parameetritele (selles näites ligikaudu 1,6 μm Ra). on hooldatud ja viimistletud detail vastab CNC viimistlusfreesimise täpsustasemetele.Selle seadme jaoks kasutatav kanali laius on piisavalt väike, et fooliummaterjal ei "vajuks" vedelikukanalisse, nii et kanal säilitab ruudukujulise ristlõige. Võimalikud lüngad fooliumimaterjalis ja UAM-i protsessi parameetrid määras katseliselt kindlaks tootmispartner (Fabrisonic LLC, USA).
Uuringud on näidanud, et UAM-i sidumisliideses 46, 47 esineb vähe elementaarset difusiooni ilma täiendava termilise töötlemiseta, nii et selles töös olevate seadmete puhul jääb Cu-110 kiht Al 6061 kihist erinevaks ja muutub järsult.
Paigaldage reaktori väljalaskeavasse eelkalibreeritud 250 psi (1724 kPa) vasturõhuregulaator (BPR) ja pumbake vett läbi reaktori kiirusega 0,1–1 ml min-1. Reaktori rõhku jälgiti FlowSyni sisseehitatud süsteemi rõhuanduri abil, et kontrollida, kas süsteem suudab säilitada konstantset temperatuuri erinevust kogu reaktoris. reaktorisse manustatud termopaaride ja FlowSyni kiibi kuumutusplaadi sisseehitatud termopaaride vahel.See saavutatakse programmeeritava keeduplaadi temperatuuri muutmisega 100 ja 150 °C vahel 25 °C sammuga ning programmeeritud ja salvestatud temperatuuride erinevuste märkimisega. See saavutati tarkvara tc-08 andmelogeri abil.
Fenüülatsetüleeni ja jodoetaani tsükloliitumisreaktsiooni tingimused optimeeriti (skeem 1 – fenüülatsetüleeni ja jodoetaani tsükliline laadimine, skeem 1 – fenüülatsetüleeni ja jodoetaani tsükliline lisamine). See optimeerimine viidi läbi katsete täieliku faktoriaalse disainiga (DOE), kasutades muutuva temperatuuri ja alkiidi suhtega, as:asiidi parameetrite suhtes fikseerimise ajal: 1:2.
Naatriumasiidist (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), jodoetaanist (0,25 M, DMF) ja fenüülatsetüleenist (0,125 M, DMF) valmistati eraldi lahused. Iga lahuse 1,5 ml alikvoot segati ja pumbati läbi reaktori soovitud voolukiiruse ja triatsetüüli lähteainena triatsetüüli ja hernesoola temperatuurina. määratud kõrgsurvevedelikkromatograafiaga (HPLC). Analüüsi järjepidevuse tagamiseks võeti kõikidest reaktsioonidest proovid vahetult pärast reaktsioonisegu reaktorist lahkumist. Optimeerimiseks valitud parameetrite vahemikud on näidatud tabelis 2.
Kõiki proove analüüsiti Chromaster HPLC süsteemiga (VWR, PA, USA), mis koosnes kvaternaarsest pumbast, kolonnahjust, muutuva lainepikkusega UV-detektorist ja automaatsest proovivõtturist. Kolonniks oli Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA), suurus 4,6 × 100 mm, osakeste suurus 5 µm. ol:vesi 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 süstimine võimaldab tuvastada asjakohased piigid.
Reaktori analüüsi väljundi sidumine MODDE DOE tarkvaraga (Umetrics, Malmö, Rootsi) võimaldas tulemuste suundumuste põhjalikku analüüsi ja selle tsükloliitmise optimaalsete reaktsioonitingimuste kindlaksmääramist. Sisseehitatud optimeerija käivitamine ja kõigi oluliste mudeliterminite valimine annab reaktsioonitingimuste komplekti, mis on loodud toote piigi pindala maksimeerimiseks, vähendades samal ajal atsetüleeni piigi lähteaine pindala.
Pinnapealse vase oksüdatsioon katalüütilises reaktsioonikambris saavutati vesinikperoksiidi (36%) lahuse abil, mis voolas läbi reaktsioonikambri (voolukiirus = 0,4 ml min-1, viibimisaeg = 2,5 min) enne iga triasooliühendite raamatukogu sünteesi.
Kui optimaalne tingimuste kogum oli kindlaks tehtud, rakendati neid paljudele atsetüleeni ja haloalkaani derivaatidele, et võimaldada väikese raamatukogu sünteesi 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. Igast lahusest segati 3 ml alikvoodid ja pumbati läbi reaktori kiirusega 75 µL.min-1 ja koguti 1510 ml lahusesse. Proovilahust pesti 3 x 10 ml veega. Vesikihid ühendati ja ekstraheeriti 10 ml etüülatsetaadiga;orgaanilised kihid ühendati, 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-MS) kombinatsiooniga.
Kõik spektrid saadi, kasutades Thermofischeri täppis Orbitrap eraldusvõimega massispektromeetrit, mille ionisatsiooniallikaks oli ESI. Kõik proovid valmistati, kasutades lahustina atsetonitriili.
TLC analüüs viidi läbi alumiiniumiga kaetud ränidioksiidi plaatidel. Plaate visualiseeriti UV-valguse (254 nm) või vanilliiniga värvimise ja kuumutamisega.
Kõiki proove analüüsiti VWR Chromasteri (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) süsteemiga, mis oli varustatud automaatse proovivõtturi, kolonnahju binaarpumba ja ühe lainepikkuse detektoriga. Kasutatud kolonniks oli ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies, Scotland Technologies, Ltd.).
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 lainetemperatuuril 4 või 2 °C.
Proovi piigi pindala protsentides arvutati allesjäänud alküüni, ainult triasooli produkti piigi pindala põhjal ja lähteaine süstimine võimaldas tuvastada vastavad piigid.
Kõiki proove analüüsiti seadmega Thermo iCAP 6000 ICP-OES. Kõik kalibreerimisstandardid valmistati 1000 ppm Cu standardlahusega 2% lämmastikhappes (SPEX Certi Prep). Kõik standardid valmistati 5% DMF ja 2% HNO3 lahuses ning kõiki proove lahjendati proovi DMF-HNO3 lahuses 20-H3 korda.
UAM kasutab lõpliku koostu ehitamiseks kasutatava metallfooliummaterjali liimimistehnikana ultraheliga metallikeevitust. Metalli ultrahelikeevitus kasutab vibreerivat metallitööriista (nn sarve või ultrahelisarve), et avaldada survet materjali vibreerimise ajal liimitavale fooliumikihile / kogu liimitavale kihile. Pidevaks tööks on materjali vibratsiooniga pinna ja silindriline ühenduspind. Kui rakendatakse vibratsiooni, võivad materjali pinnal olevad oksiidid praguneda. Püsiv rõhk ja vibratsioon võivad põhjustada materjali asperiteedi kokkuvarisemist 36 .Lokaalselt indutseeritud kuumuse ja rõhuga intiimne kokkupuude põhjustab seejärel materjali liidestes tahkis sidumise;see võib aidata kaasa ka adhesioonile pinnaenergia muutuste kaudu48.Sidumismehhanismi olemus lahendab paljud probleemid, mis on seotud muutuva sulamistemperatuuri ja kõrge temperatuuriga järelmõjudega, mida on mainitud muudes lisandite valmistamise tehnikates.See võimaldab otse (st ilma pinna modifitseerimiseta, täiteainete või liimideta) ühendada mitu erinevat materjalikihti üheks konsolideeritud struktuuriks.
Teine UAM-i jaoks soodne tegur on metallmaterjalides täheldatav kõrge plastilise voolu määr isegi madalatel temperatuuridel, st tunduvalt madalamal kui metallmaterjalide sulamistemperatuur. Ultraheli võnkumiste ja rõhu kombinatsioon kutsub esile kõrge lokaalse terade piiride migratsiooni ja ümberkristalliseerumise ilma suure temperatuuritõusuta, mida traditsiooniliselt seostatakse puistematerjalidega. Ehituse käigus saab metallist komponente lõplikult kokku panna, kihtide ja kihtide vahel kokku panna. Sellised elemendid nagu optilised kiud 49, tugevdused 46, elektroonika 50 ja termopaarid (see töö) on edukalt manustatud UAM-i struktuuridesse, et luua aktiivseid ja passiivseid komposiitkooste.
Selles töös on ülima katalüütilise temperatuuri jälgimise mikroreaktori loomiseks kasutatud nii UAM-i erinevaid materjalide sidumise kui ka interkalatsiooni võimalusi.
Võrreldes pallaadiumi (Pd) ja teiste tavaliselt kasutatavate metallkatalüsaatoritega on Cu katalüüsil mitmeid eeliseid: (i) Cu on majanduslikult odavam kui paljud teised katalüüsis kasutatavad metallid ja seetõttu on see keemiatööstuse jaoks atraktiivne valik. toimivad hästi ka teiste ligandide puudumisel. Need ligandid on sageli struktuurselt lihtsad ja soovi korral odavad, samas kui Pd keemias kasutatavad ligandid on sageli keerulised, kallid ja õhutundlikud (iv) Cu, mis on eriti tuntud oma võime poolest siduda sünteesi käigus alküüne, Näiteks bimetallikatalüüsitud Sonogashiraga (sonogashira võimeline koosklikkimine) mitmete nukleofiilide arüülimine Ullmanni tüüpi reaktsioonides.
Hiljuti on demonstreeritud näiteid kõigi nende reaktsioonide heterogeniseerimisest Cu(0) juuresolekul. See on suuresti tingitud farmaatsiatööstusest ja kasvavast keskendumisest metallkatalüsaatorite taaskasutamisele ja taaskasutamisele55,56.
Huisgeni poolt 1960. aastatel57 algatatud 1,3-dipolaarset tsükloliitumisreaktsiooni atsetüleeni ja asiidi vahel 1,2,3-triasooliks peetakse sünergiliseks demonstratsioonireaktsiooniks. Saadud 1,2,3-triasoolifragmendid pakuvad farmakofoorina erilist huvi ravimite avastamise ja bioloogiliste ainete avastamise alal57 oma erinevate bioloogiliste ainete kasutamise tõttu.
This reaction came into focus again when Sharpless and others introduced the concept of “click chemistry”59.The term “click chemistry” is used to describe a robust, reliable and selective set of reactions for the rapid synthesis of new compounds and combinatorial libraries via heteroatom linkage (CXC)60 The synthetic appeal of these reactions stems from their associated high yields , reaction conditions are simple, oxygen and water resistance, and product separation is simple61.
Klassikaline Huisgeni 1,3-dipoolne tsükloliitumine ei kuulu klikikeemia kategooriasse. Kuid Medal ja Sharpless näitasid, et see asiid-alküüni sidestussündmus läbib Cu(I) juuresolekul 107 kuni 108 võrreldes katalüüsimata 1,3-dipolaarse mehhanismiga, see ei nõua märkimisväärset reaktsioonikiirust 1,4-diasendatud 1,2,3-triasoolideks (anti-1,2,3-triasool) on ajaskaalal peaaegu täielik konversioon ja selektiivsus (joonis 3).
Tavaliste ja vasega katalüüsitud Huisgeni tsükloadditsioonide isomeetrilised tulemused. Cu(I)-katalüüsitud Huisgeni tsükloliitumine annab ainult 1,4-diasendatud 1,2,3-triasoolid, termiliselt indutseeritud Huisgeni tsükloliitmised aga tavaliselt 1,4- ja 1,5-triasoolide stereoisomeeride segu.
Enamik protokolle hõlmab stabiilsete Cu(II) allikate redutseerimist, näiteks CuSO4 või Cu(II)/Cu(0) liikide redutseerimist koos naatriumsooladega. Võrreldes teiste metalliga katalüüsitud reaktsioonidega on Cu(I) kasutamise peamiseks eeliseks see, et see on odav ja lihtne käsitseda.
Worrelli jt kineetilise ja isotoopse märgistamise uuringud.65 näitas, et terminaalsete alküünide puhul osaleb iga molekuli asiidi suhtes reaktiivsuse aktiveerimises kaks ekvivalenti vaske. Kavandatav mehhanism kulgeb läbi kuueliikmelise vase metallitsükli, mis moodustub asiidi koordineerimisel σ-sidemega vasatsetüliidiga π-sidemega vase atsetüliidiga, millele järgneb π-sidemega seotud vask, mis moodustab stabiilse doonorligandi doonorligandi poolt kokkutõmbuva kompositsiooni. triasoolproduktid ja sulgege katalüütiline tsükkel.
Kuigi voolukeemia seadmete eelised on hästi dokumenteeritud, on soovitud integreerida neisse süsteemidesse analüütilisi tööriistu in-situ protsesside jälgimiseks66,67.UAM osutus sobivaks meetodiks katalüütiliselt aktiivsetest, soojust juhtivatest materjalidest (otse sisseehitatud anduritega4) valmistatud väga keerukate 3D-voolureaktorite projekteerimiseks ja tootmiseks.
Alumiinium-vask voolureaktor, mis on valmistatud ultrahelilisandite valmistamisel (UAM), millel on keeruline sisekanali 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 lahustid ohutult kuumutada üle keemistemperatuuri;neid testitakse rõhul ja temperatuuril.Rõhukatse näitas, et süsteem säilitab stabiilse ja konstantse rõhu isegi suurenenud süsteemirõhu korral (1,7 MPa).Hüdrostaatiline test viidi läbi toatemperatuuril, kasutades vedelikuna H2O-d.
Sisseehitatud (joonis 1) termopaari ühendamine temperatuuriandmete logijaga näitas, et termopaar oli 6 °C (± 1 °C) jahedam kui FlowSyn süsteemi programmeeritud temperatuur. Tavaliselt põhjustab temperatuuri tõus 10 °C võrra reaktsioonikiiruse kahekordistumist, nii et vaid mõne kraadine temperatuurierinevus võib kogu kehatemperatuuri erinevust oluliselt muuta. tootmisprotsessis kasutatavate materjalide intensiivsus.See termiline triiv on ühtlane ja seetõttu saab seda arvesse võtta seadmete seadistuses, et tagada reaktsiooni ajal täpsete temperatuuride saavutamine ja mõõtmine.Seetõttu hõlbustab see võrguseire tööriist reaktsiooni temperatuuri ranget kontrolli ning hõlbustab protsessi täpsemat optimeerimist ja optimaalsete tingimuste väljatöötamist.Neid andureid saab kasutada ka reaktsioonide eksotermide tuvastamiseks ja suuremahulistes süsteemides äravoolureaktsioonide ärahoidmiseks.
Selles töös esitatud reaktor on esimene näide UAM-tehnoloogia rakendamisest keemiliste reaktorite valmistamisel ja käsitleb mitmeid peamisi piiranguid, mis praegu on seotud nende seadmete AM/3D-printimisega, näiteks: (i) vase- või alumiiniumsulami töötlemisega seotud probleemide ületamine (ii) parem sisekanali eraldusvõime võrreldes pulberkihtsulandumise (PBF) materjali voogamise tehnikatega2 (nt valik 6LM- või pinnateksti sulatamine2). (iii) Madalam töötlemistemperatuur, mis hõlbustab andurite otsest ühendamist, mis pole pulberkihi tehnoloogias võimalik, (v) ületab polümeeripõhiste komponentide kehvad mehaanilised omadused ja tundlikkuse mitmesuguste tavaliste orgaaniliste lahustite suhtes17,19.
Reaktori funktsionaalsust demonstreeriti vask-katalüüsitud alküünsasiidi tsükloliitumisreaktsioonide seeriaga pideva voolu tingimustes (joonis 2). Joonisel 4 kirjeldatud ultraheliga trükitud vaskreaktor integreeriti kaubandusliku voolusüsteemiga ja seda kasutati mitmesuguste 1,4-diasendatud 1,2-halogeniidide ja alküün-halogeniidide temperatuuri reguleerivate rühmade asiidide sünteesimiseks. naatriumkloriidi (joonis 3). Pideva vooluga lähenemisviisi kasutamine leevendab ohutusprobleeme, mis võivad tekkida perioodiliste protsesside puhul, kuna see reaktsioon tekitab väga reaktiivseid ja ohtlikke asiidvaheühendeid [317], [318]. Algselt optimeeriti reaktsioon fenüülatsetüleeni ja jodoetüületaneeni (Sheemoloadedhanetaan)1-hencloadetanitione1. (vt joonis 5).
(Vasakpoolses ülanurgas) 3DP-reaktori voolusüsteemi lisamiseks kasutatud seadistuse skeem (üleval paremal), mis on saadud fenüülatsetüleeni ja jodoetaani vahelise fenüülatsetüleeni ja jodoetaani vahelise Huisgeni tsükloaddition 57 skeemi optimeeritud (all) skeemil, et optimeerida ja näidata optimeeritud parameetrite reaktsiooni konversioonikiirust.
Reguleerides reagentide viibimisaega reaktori katalüütilises osas ja jälgides tähelepanelikult reaktsiooni temperatuuri otse integreeritud termopaariga sondiga, saab reaktsioonitingimusi kiiresti ja täpselt optimeerida minimaalse aja- ja materjalikuluga. Kiiresti tehti kindlaks, et suurimad konversioonid saadi siis, kui viideaeg on 15 minutit ja reaktsioonitemperatuur 150 °C, nii reaktsiooniaja mudelist kui ka reaktsioonitemperatuuri graafikust võib pidada oluliseks tarkvara MODDE graafikut. .Sisseehitatud optimeerija käitamine nende valitud terminite abil loob reaktsioonitingimuste komplekti, mis on loodud toote piikide pindalade maksimeerimiseks, vähendades samal ajal lähtematerjali piikide pindalasid. See optimeerimine andis triasooliprodukti 53% konversiooni, mis vastas täpselt mudeli prognoosile 54%.
Tuginedes kirjandusele, mis näitab, et vask(I)oksiid (Cu2O) võib nendes reaktsioonides toimida tõhusa katalüütilise ühendina nullvalentsetel vasepindadel, uuriti reaktori pinna eeloksüdeerimise võimet enne reaktsiooni läbiviimist voolus70,71. Fenüülatsetüleeni ja fenüülatsetüleeni vahelist reaktsiooni võrreldi optimaalsetes tingimustes ja seejärel täheldati taas jodoetaani saagise suurenemist. lähteaine konversioonis, mis oli arvutuste kohaselt >99%.Siiski näitas HPLC-ga jälgimine, et see konversioon vähendas oluliselt liiga pikaks veninud reaktsiooniaega kuni ligikaudu 90 minutini, misjärel näis aktiivsus ühtlustuvat ja jõudvat "stabiilsesse olekusse". See tähelepanek viitab sellele, et katalüütilise aktiivsuse allikaks on pinnase oksüdeeritud vaskoksiidist ja CuO2 substraadist, mitte CuO2 substraadist toatemperatuuril. mis ei ole enesekaitsekihid.See välistab vajaduse lisada kooskompositsiooniks abivask(II)allikat71.