Eskerrik asko Nature.com bisitatzeagatik. Erabiltzen ari zaren arakatzailearen bertsioak CSS laguntza mugatua du. Esperientzia onena lortzeko, arakatzaile eguneratua erabiltzea gomendatzen dizugu (edo Internet Explorer-en bateragarritasun modua desgaitzea). Bitartean, laguntza jarraitua bermatzeko, gunea estilo eta JavaScript gabe errendatuko dugu.
Hiru diapositiba aldi berean erakusten dituen karrusela. Erabili Aurrekoa eta Hurrengoa botoiak hiru diapositiba aldi berean mugitzeko, edo erabili amaierako graduatzaile botoiak hiru diapositiba aldi berean mugitzeko.
Gehigarrizko fabrikazioak ikertzaileek eta industrialariek beren behar espezifikoak asetzeko gailu kimikoak diseinatu eta fabrikatzeko modua aldatzen ari da. Artikulu honetan, metalezko xafla solido baten ultrasoinu bidezko gehigarrizko fabrikazio bidez (UAM) laminatuz eratutako fluxu-erreaktore baten lehen adibidea aurkezten dugu, zuzenean integratutako pieza katalitikoak eta sentsore-elementuak dituena. UAM teknologiak ez ditu erreaktore kimikoen gehigarrizko fabrikazioarekin lotutako muga asko gainditzen bakarrik, baizik eta gailu horien gaitasunak asko zabaltzen ditu. Biologikoki garrantzitsuak diren 1,4-disustituitutako 1,2,3-triazol konposatu ugari arrakastaz sintetizatu eta optimizatu dira Cu-bitartekatutako 1,3-dipolar Huisgen zikloadizio erreakzio baten bidez, UAM kimika instalazioa erabiliz. UAM-en eta fluxu jarraituaren prozesamenduaren propietate bereziak erabiliz, gailuak erreakzio jarraituak katalizatzeko gai da, baita denbora errealeko feedbacka emateko ere erreakzioak kontrolatu eta optimizatzeko.
Bere pareko masiboarekiko dituen abantaila nabarmenengatik, fluxu-kimika arlo garrantzitsua eta hazten ari dena da bai esparru akademikoetan bai industrialetan, sintesi kimikoaren selektibitatea eta eraginkortasuna handitzeko duen gaitasunagatik. Honek molekula organiko sinpleen eraketatik1 konposatu farmazeutikoetaraino2,3 eta produktu naturaletaraino4,5,6 hedatzen da. Kimika fineko eta farmazia-industrietako erreakzioen % 50 baino gehiagok onura izan dezakete fluxu jarraituaren bidez7.
Azken urteotan, gero eta talde gehiagok beirazko edo fluxu-kimikako ekipamendu tradizionalak "erreaktore" kimiko moldagarriekin ordezkatzeko joera izan dute8. Metodo hauen diseinu iteratiboa, fabrikazio azkarra eta hiru dimentsioko (3D) gaitasunak erabilgarriak dira erreakzio, gailu edo baldintza multzo jakin batzuetarako beren gailuak pertsonalizatu nahi dituztenentzat. Orain arte, lan hau ia esklusiboki polimeroetan oinarritutako 3D inprimaketa tekniken erabileran zentratu da, hala nola estereolitografia (SL)9,10,11, Fused Deposition Modeling (FDM)8,12,13,14 eta tinta-inprimaketa7,15. , 16. Gailu horien fidagarritasun falta eta erreakzio/analisi kimiko sorta zabala egiteko gaitasun falta17, 18, 19, 20 mugatzaile nagusia da AMren aplikazio zabalagoa arlo honetan17, 18, 19, 20.
Fluxu-kimikaren erabilera gero eta handiagoa eta AM-rekin lotutako propietate onuragarriak direla eta, teknika hobeak aztertu behar dira, erabiltzaileei erreakzio-ontziak fabrikatzeko aukera emango dietenak, kimika eta gaitasun analitiko hobetuak dituztenak. Metodo hauek erabiltzaileei erreakzio-baldintza sorta zabal batean funtzionatzeko gai diren erresistentzia handiko edo funtzionalitate handiko material sorta batetik aukeratzeko aukera eman beharko liekete, baita gailutik irteera analitiko mota desberdinak erraztu ere, erreakzioaren jarraipena eta kontrola ahalbidetzeko.
Erreaktore kimiko pertsonalizatuak garatzeko erabil daitekeen gehigarrizko fabrikazio-prozesu bat Ultrasoinuzko Gehigarrizko Fabrikazioa (UAM) da. Xafla solidoen laminazio-metodo honek bibrazio ultrasonikoak aplikatzen dizkie xafla metaliko meheei, geruzaz geruza lotzeko, berotze bolumiko minimoarekin eta plastiko-fluxu maila altuarekin 21, 22, 23. Beste AM teknologia gehienek ez bezala, UAM zuzenean integra daiteke ekoizpen kenkariarekin, fabrikazio-prozesu hibrido gisa ezagutzen dena, non aldizkako in situ kontrol numerikoko (CNC) fresaketak edo laser bidezko prozesamenduak zehazten duen lotutako materialaren geruzaren forma garbia 24, 25. Horrek esan nahi du erabiltzailea ez dagoela mugatuta jatorrizko eraikuntza-material hondarra likido-kanal txikietatik kentzearekin lotutako arazoetara, askotan hauts eta likido sistemetan AM26,27,28 gertatzen dena. Diseinu-askatasun hau eskuragarri dauden materialen aukeraketara ere hedatzen da: UAM-ek material termikoki antzeko eta desberdinen konbinazioak lotu ditzake prozesu-urrats bakarrean. Materialen konbinazioen aukeraketa urtze-prozesutik haragokoa izateak esan nahi du aplikazio espezifikoen eskakizun mekaniko eta kimikoak hobeto bete daitezkeela. Lotura solidoaz gain, lotura ultrasonikoekin gertatzen den beste fenomeno bat material plastikoen jariakortasun handia da tenperatura nahiko baxuetan29,30,31,32,33. UAM-en ezaugarri berezi honek elementu mekaniko/termikoak metal geruzen artean kalterik gabe jartzea ahalbidetzen du. Txertatutako UAM sentsoreek denbora errealeko informazioa gailutik erabiltzailera bidaltzea erraztu dezakete analisi integratuaren bidez.
Egileek32 egindako aurreko lanek UAM prozesuaren gaitasuna frogatu zuten sentsore-gaitasun txertatuak dituzten 3D mikrofluidiko egitura metalikoak sortzeko. Gailu hau monitorizazio-helburuetarako soilik da. Artikulu honek UAMek fabrikatutako erreaktore kimiko mikrofluidiko baten lehen adibidea aurkezten du, egituraz integratutako material katalitikoekin sintesi kimikoa kontrolatzeaz gain, sintesi kimikoa ere eragiten duen gailu aktibo bat. Gailuak UAM teknologiarekin lotutako hainbat abantaila konbinatzen ditu 3D gailu kimikoen fabrikazioan, hala nola: 3D diseinu oso bat ordenagailuz lagundutako diseinu (CAD) eredu batetik zuzenean produktu bihurtzeko gaitasuna; eroankortasun termiko handiko eta material katalitikoen konbinaziorako material anitzeko fabrikazioa, baita erreakzio-korronteen artean zuzenean txertatutako sentsore termikoak ere, erreakzio-tenperaturaren kontrol eta kudeaketa zehatza lortzeko. Erreaktorearen funtzionaltasuna frogatzeko, farmazia aldetik garrantzitsuak diren 1,4-disubstituitutako 1,2,3-triazol konposatuen liburutegi bat sintetizatu zen kobrez katalizatutako 1,3-dipolar Huisgen zikloadizioaren bidez. Lan honek azpimarratzen du materialen zientziaren eta ordenagailuz lagundutako diseinuaren erabilerak kimikarako aukera eta aukera berriak nola ireki ditzakeen diziplina arteko ikerketaren bidez.
Disolbatzaile eta erreaktibo guztiak Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI edo Fischer Scientific-etik erosi ziren eta aurretiko purifikaziorik gabe erabili ziren. 400 eta 100 MHz-tan erregistratutako 1H eta 13C NMR espektroak, hurrenez hurren, JEOL ECS-400 400 MHz-ko espektrometro batean edo Bruker Avance II 400 MHz-ko espektrometro batean lortu ziren, CDCl3 edo (CD3)2SO disolbatzaile gisa erabiliz. Erreakzio guztiak Uniqsis FlowSyn fluxu-kimika plataforma erabiliz egin ziren.
UAM erabili zen ikerketa honetako gailu guztiak fabrikatzeko. Teknologia 1999an asmatu zen eta bere xehetasun teknikoak, funtzionamendu-parametroak eta asmatu zenetik izandako garapenak honako argitaratutako material hauek erabiliz azter daitezke34,35,36,37. Gailua (1. irudia) 9 kW-ko SonicLayer 4000® UAM sistema sendo bat erabiliz inplementatu zen (Fabrisonic, Ohio, AEB). Fluxu-gailurako aukeratutako materialak Cu-110 eta Al 6061 izan ziren. Cu-110ak kobre-eduki handia du (gutxienez % 99,9 kobrea), eta horrek kobrez katalizatutako erreakzioetarako hautagai ona bihurtzen du eta, beraz, mikroerreaktorearen barruko "geruza aktibo" gisa erabiltzen da. Al 6061 O erabiltzen da "bulk" material gisa. , baita analisietarako erabiltzen den tartekatze-geruza ere; aleazio-osagai laguntzaileen tartekatze-geruza eta Cu-110 geruzarekin konbinatutako egoera erregosiaren tartekatze-geruza. Lan honetan erabilitako erreaktiboekin kimikoki egonkorra dela ikusi da. Al 6061 O, Cu-110arekin konbinatuta, UAMrako material-konbinazio bateragarritzat hartzen da eta, beraz, ikerketa honetarako material egokia da38,42. Gailu hauek beheko 1. taulan zerrendatzen dira.
Erreaktorearen fabrikazio-urratsak (1) 6061 aluminiozko aleaziozko substratua (2) Beheko kanalaren fabrikazioa kobrezko xaflaz (3) Termopareen txertatzea geruzen artean (4) Goiko kanala (5) Sarrera eta irteera (6) Erreaktore monolitikoa.
Fluido-kanalaren diseinu-filosofia txiparen barruan fluidoak egiten duen distantzia handitzeko bide bihurgunetsu bat erabiltzea da, txiparen tamaina kudeagarria mantenduz. Distantzia handitzea komenigarria da katalizatzaile-erreaktibo kontaktu-denbora handitzeko eta produktu-errendimendu bikainak lortzeko. Txipek 90°-ko kurbak erabiltzen dituzte bide zuzen baten muturretan gailuaren barruan nahasketa turbulentoa eragiteko44 eta likidoak gainazalarekin (katalizatzailea) kontaktu-denbora handitzeko. Lor daitekeen nahasketa are gehiago hobetzeko, erreaktorearen diseinuak erreaktiboen bi sarrera ditu Y konexio batean konbinatuta nahasketa-bobinaren atalean sartu aurretik. Hirugarren sarrera, fluxua erdibidean zeharkatzen duena, etorkizuneko etapa anitzeko sintesi-erreakzioen planean sartuta dago.
Kanal guztiek profil karratua dute (angelu konikorik gabe), kanalaren geometria sortzeko erabilitako CNC fresaketa periodikoaren emaitza. Kanalaren neurriak aukeratu dira etekin bolumiko handia (mikroerreaktore batentzat) emateko, baina nahikoa txikiak dira gainazalarekin (katalizatzaileekin) elkarreragina errazteko, dituen likido gehienentzat. Tamaina egokia egileen metal-likido erreakzio gailuekin izandako esperientzian oinarritzen da. Azken kanalaren barne neurriak 750 µm x 750 µm ziren eta erreaktorearen bolumen osoa 1 ml-koa zen. Diseinuan konektore integratua (1/4″-28 UNF haria) sartu da gailua fluxu-kimikako ekipamendu komertzialekin erraz konektatzeko. Kanalaren tamaina xafla-materialaren lodierak, bere propietate mekanikoak eta ultrasoinuekin erabilitako lotura-parametroek mugatzen dute. Material jakin baterako zabalera jakin batean, materiala sortutako kanalean "hondoratu" egingo da. Gaur egun ez dago kalkulu honetarako eredu espezifikorik, beraz, material eta diseinu jakin baterako kanalaren zabalera maximoa esperimentalki zehazten da, eta kasu horretan 750 µm-ko zabalerak ez du hondoratzerik eragingo.
Kanalaren forma (karratua) ebakitzaile karratu bat erabiliz zehazten da. Kanalaren forma eta tamaina CNC makinetan alda daitezke ebakitzeko tresna desberdinak erabiliz, emari-abiadura eta ezaugarri desberdinak lortzeko. 125 µm-ko tresna batekin kanal kurbatu bat sortzeko adibide bat Monaghan45-en aurki daiteke. Xafla-geruza laua aplikatzen denean, xafla-materiala kanaletan aplikatzeak gainazal laua (karratua) izango du. Lan honetan, kontura karratu bat erabili da kanalaren simetria mantentzeko.
Ekoizpenean programatutako etenaldi batean, termopare tenperatura sentsoreak (K motakoak) zuzenean gailuan integratuta daude goiko eta beheko kanal taldeen artean (1. irudia - 3. etapa). Termopare hauek -200 eta 1350 °C arteko tenperatura aldaketak kontrola ditzakete.
Metalaren metatze prozesua UAM adarrak egiten du, 25,4 mm-ko zabalera eta 150 mikra lodiera duen metalezko xafla erabiliz. Xafla geruza hauek elkarren ondoko zerrendatan konektatzen dira eraikuntza-eremu osoa estaltzeko; metatutako materialaren tamaina azken produktua baino handiagoa da, kenketa-prozesuak azken forma garbia sortzen baitu. CNC mekanizazioa erabiltzen da ekipamenduaren kanpoko eta barneko konturak mekanizatzeko, eta horren ondorioz, ekipamenduaren eta kanalen gainazaleko akabera hautatutako tresnaren eta CNC prozesuaren parametroei dagokiena da (adibide honetan, 1,6 µm Ra inguru). Material ultrasoinuen bidezko ihinztadura eta mekanizazio ziklo jarraituak erabiltzen dira gailuaren fabrikazio-prozesu osoan, dimentsio-zehaztasuna mantentzen dela eta amaitutako piezak CNC fresaketa fineko zehaztasun-mailak betetzen dituela ziurtatzeko. Gailu honetarako erabilitako kanalaren zabalera nahikoa txikia da xafla-materiala fluido-kanalean "makurtu" ez dadin ziurtatzeko, beraz, kanalak zeharkako sekzio karratua du. Xafla-materialean egon daitezkeen hutsuneak eta UAM prozesuaren parametroak esperimentalki zehaztu zituen fabrikazio-bazkideak (Fabrisonic LLC, AEB).
Ikerketek erakutsi dute UAM konposatuaren 46, 47 interfazean elementuen difusio gutxi dagoela tratamendu termiko gehigarririk gabe, beraz, lan honetako gailuetarako Cu-110 geruza Al 6061 geruzatik desberdina izaten jarraitzen du eta izugarri aldatzen da.
Instalatu aurrez kalibratutako kontrapresio erregulatzaile (BPR) bat 250 psi-tan (1724 kPa) erreaktorearen behealdean eta ponpatu ura erreaktoretik 0,1 eta 1 ml min-1 arteko abiaduran. Erreaktorearen presioa sisteman integratutako FlowSyn presio-transduktorea erabiliz kontrolatu zen, sistemak presio egonkor eta konstante bat mantendu zezakeela ziurtatzeko. Erreaktore-fluxuko tenperatura-gradiente potentzialak probatu ziren erreaktorean integratutako termopareen eta FlowSyn txiparen berotze-plakan integratutako termopareen arteko desberdintasunak bilatuz. Horretarako, programatutako bero-plakaren tenperatura 100 eta 150 °C artean aldatu eta programatutako eta erregistratutako tenperaturen arteko desberdintasunak kontrolatu ziren. Horretarako, tc-08 datu-erregistroa (PicoTech, Cambridge, Erresuma Batua) eta harekin batera datorren PicoLog softwarea erabili ziren.
Fenilazetilenoaren eta iodoetanoaren zikloadizio erreakzioaren baldintzak optimizatuta daude (1. eskema - Fenilazetilenoaren eta iodoetanoaren zikloadizioa, 1. eskema - Fenilazetilenoaren eta iodoetanoaren zikloadizioa). Optimizazio hau esperimentuen diseinu faktorial osoa (DOE) erabiliz egin zen, tenperatura eta egoitza-denbora aldagai gisa erabiliz, alkino:azida erlazioa 1:2-tan finkatuz.
Sodio azidaren (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), iodoetanoaren (0,25 M, DMF) eta fenilazetilenoaren (0,125 M, DMF) disoluzio bereiziak prestatu ziren. Disoluzio bakoitzaren 1,5 ml-ko alikuota nahastu eta erreaktoretik ponpatu zen nahi zen emari-tasan eta tenperaturan. Ereduaren erantzuna triazol produktuaren gailurraren azaleraren eta fenilazetilenoaren hasierako materialaren arteko erlazio gisa hartu zen, eta errendimendu handiko likido kromatografia (HPLC) erabiliz zehaztu zen. Analisiaren koherentzia bermatzeko, erreakzio guztiak erreakzio-nahasketa erreaktoretik irten bezain laster egin ziren. Optimizaziorako hautatutako parametro-tarteak 2. taulan ageri dira.
Lagin guztiak Chromaster HPLC sistema bat erabiliz aztertu ziren (VWR, PA, AEB), ponpa kuaternario bat, zutabe-labe bat, uhin-luzera aldakorreko UV detektagailu bat eta autolaginketa-sistema bat barne. Zutabea Equivalence 5 C18 bat zen (VWR, PA, AEB), 4,6 x 100 mm, 5 µm-ko partikula-tamaina, 40 °C-tan mantenduta. Disolbatzailea metanol isokratikoa:ura 50:50 izan zen, 1,5 ml·min-1-ko emari-abiadurarekin. Injekzio-bolumena 5 μl izan zen eta detektagailuaren uhin-luzera 254 nm. DOE laginaren gailurraren azaleraren ehunekoa alkino eta triazol produktu hondarren gailurren azaleratik kalkulatu zen soilik. Hasierako materiala sartzeak dagokien gailurrak identifikatzea ahalbidetzen du.
Erreaktorearen analisiaren emaitzak MODDE DOE softwarearekin (Umetrics, Malmö, Suedia) konbinatzeak emaitzen joera-analisi sakona egitea eta zikloadizio honetarako erreakzio-baldintza optimoak zehaztea ahalbidetu zuen. Barneko optimizatzailea exekutatzeak eta ereduaren termino garrantzitsu guztiak hautatzeak produktuaren gailurraren azalera maximizatzeko diseinatutako erreakzio-baldintza multzo bat sortzen du, azetilenoaren lehengaiaren gailurraren azalera gutxituz.
Erreakzio katalitikoaren ganberako kobrezko gainazalaren oxidazioa lortu zen erreakzio-ganberatik igarotzen zen hidrogeno peroxidoaren disoluzio bat (% 36) erabiliz (emaria = 0,4 ml min-1, egoitza-denbora = 2,5 min) triazol konposatu bakoitzaren sintesia egin aurretik. liburutegia.
Baldintza multzo optimoa zehaztu ondoren, azetileno eta haloalkano deribatu sorta bati aplikatu zitzaizkion sintesi liburutegi txiki bat osatzeko, eta horrela baldintza hauek erreaktibo potentzial sorta zabalago bati aplikatzeko aukera ezarriz (1. irudia). 2).
Prestatu sodio azidaren (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), haloalkanoen (0,25 M, DMF) eta alkinoen (0,125 M, DMF) disoluzio bereiziak. Disoluzio bakoitzeko 3 ml-ko zatiak nahastu eta erreaktoretik ponpatu ziren 75 µl/min-ko abiaduran eta 150 °C-ko tenperaturan. Bolumen osoa fiala batean bildu eta 10 ml etil azetatorekin diluitu zen. Lagin-disoluzioa 3 x 10 ml urarekin garbitu zen. Ur-geruzak konbinatu eta 10 ml etil azetatorekin erauzi ziren, ondoren geruza organikoak konbinatu, 3×10 ml gatzunarekin garbitu, MgSO4-ren gainean lehortu eta iragazi, eta gero disolbatzailea hutsean kendu zen. Laginak silize-gel zutabe-kromatografia bidez purifikatu ziren etil azetatoa erabiliz, HPLC, 1H NMR, 13C NMR eta bereizmen handiko masa-espektrometria (HR-MS) konbinazio baten bidez aztertu aurretik.
Espektro guztiak Thermofischer Precision Orbitrap masa-espektrometro bat erabiliz lortu ziren, ESI ionizazio-iturri gisa erabiliz. Lagin guztiak azetonitriloa disolbatzaile gisa erabiliz prestatu ziren.
TLC analisia aluminiozko substratu batekin silizezko plaketan egin zen. Plakak UV argiarekin (254 nm) edo banillinarekin tindatu eta berotu ziren.
Lagin guztiak VWR Chromaster sistema bat erabiliz aztertu ziren (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, Erresuma Batua), laginketa automatiko batekin, zutabe-labea duen ponpa bitar batekin eta uhin-luzera bakarreko detektagailu batekin hornituta. ACE Equivalence 5 C18 zutabe bat erabili zen (150 x 4.6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Eskozia).
Injekzioak (5 µl) zuzenean erreakzio-nahaste gordin diluitutik egin ziren (1:10 diluzioa) eta ura:metanolarekin aztertu ziren (50:50 edo 70:30), 70:30 disolbatzaile sistema bat (izar zenbaki gisa adierazita) erabili zuten lagin batzuk izan ezik, 1,5 ml/min-ko emari-abiaduran. Zutabea 40 °C-tan mantendu zen. Detektagailuaren uhin-luzera 254 nm da.
Laginaren gailurraren azaleraren ehunekoa alkino hondarraren gailurraren azaleratik kalkulatu zen, triazol produktutik soilik, eta hasierako materiala sartzeak dagokien gailurrak identifikatzea ahalbidetu zuen.
Lagin guztiak Thermo iCAP 6000 ICP-OES erabiliz aztertu ziren. Kalibrazio-estandar guztiak % 2ko azido nitrikoan 1000 ppm-ko Cu estandar-disoluzio bat erabiliz prestatu ziren (SPEX Certi Prep). Estandar guztiak % 5eko DMF eta % 2ko HNO3-ren disoluzio batean prestatu ziren, eta lagin guztiak 20 aldiz diluitu ziren DMF-HNO3 lagin-disoluzio batekin.
UAMek metalezko soldadura ultrasonikoa erabiltzen du azken muntaketa sortzeko erabiltzen den metalezko xafla lotzeko metodo gisa. Metalezko soldadura ultrasonikoak bibraziozko metalezko tresna bat erabiltzen du (adar edo adar ultrasoniko deritzona) lotu beharreko xaflari/aurretik bateratutako geruzan presioa aplikatzeko, materiala bibratuz. Funtzionamendu jarraiturako, sonotrodoak forma zilindrikoa du eta materialaren gainazalean zehar biratzen da, eremu osoa itsatsiz. Presioa eta bibrazioa aplikatzen direnean, materialaren gainazaleko oxidoak pitzatu egin daitezke. Presio eta bibrazio konstanteek materialaren zimurtasuna suntsitzea ekar dezakete 36. Bero eta presio lokalizatuarekin kontaktu estua izateak fase solidoko lotura sortzen du materialaren interfazeetan; kohesioa ere sustatu dezake gainazaleko energia aldatuz48. Lotura-mekanismoaren izaerak gainditzen ditu beste gehigarri-fabrikazio teknologietan aipatutako urtze-tenperatura aldakorrarekin eta tenperatura altuko efektuekin lotutako arazo asko. Horri esker, material desberdinen hainbat geruza zuzenean konekta daitezke (hau da, gainazalaren aldaketarik, betegarririk edo itsasgarririk gabe) egitura bateratu bakarrean.
CAM-erako bigarren faktore onuragarria material metalikoetan tenperatura baxuetan ere ikusten den plastiko-fluxu maila altua da, hau da, materialen urtze-puntuaren azpitik. Ultrasoinu-bibrazioen eta presioaren konbinazioak tokiko ale-mugen migrazio eta birkristalizazio maila altua eragiten du, material solteekin tradizionalki lotutako tenperatura-igoera nabarmenik gabe. Azken muntaketa sortzean, fenomeno hau erabil daiteke metalezko xafla geruzen artean osagai aktibo eta pasiboak txertatzeko, geruzaz geruza. Zuntz optikoa 49, errefortzua 46, elektronika 50 eta termopareak (lan hau) bezalako elementuak arrakastaz integratu dira UAM egituretan, konpositezko muntaketa aktibo eta pasiboak sortzeko.
Lan honetan, materialak lotzeko gaitasun desberdinak eta UAM interkalazio gaitasunak erabili dira tenperatura katalitikoaren kontrolerako mikroerreaktore ideal bat sortzeko.
Paladioarekin (Pd) eta beste metal katalizatzaile erabiliekin alderatuta, Cu katalisiak hainbat abantaila ditu: (i) Ekonomikoki, Cua katalisian erabiltzen diren beste metal asko baino merkeagoa da eta, beraz, aukera erakargarria da industria kimikoarentzat (ii) Cu-k katalizatutako gurutzaketa-akoplamendu erreakzioen sorta zabaltzen ari da eta Pd51, 52, 53 oinarritutako metodologien osagarri direla dirudi (iii) Cu-k katalizatutako erreakzioek ondo funtzionatzen dute beste ligandorik gabe. Ligando hauek askotan egituraz sinpleak eta merkeak dira, nahi izanez gero, Pd kimikan erabiltzen direnak, berriz, askotan konplexuak, garestiak eta airearekiko sentikorrak dira (iv) Cua, bereziki ezaguna da sintesian alkinoak lotzeko duen gaitasunagatik, hala nola Sonogashiraren akoplamendu bimetaliko katalizatua eta azidekin zikloadizioa (click chemistry) (v) Cuak nukleofilo batzuen arilazioa ere sustatu dezake Ullmann motako erreakzioetan.
Duela gutxi, erreakzio horien guztien heterogenizazioaren adibideak frogatu dira Cu(0)-ren aurrean. Hau neurri handi batean industria farmazeutikoari eta katalizatzaile metalikoak berreskuratzeko eta berrerabiltzeko gero eta arreta handiagoari zor zaio55,56.
Azetilenoaren eta azidaren arteko 1,2,3-triazolerako 1,3-dipolar zikloadizio erreakzioa, Huisgenek 1960ko hamarkadan proposatu zuena57, erreakzio sinergikotzat hartzen da. Sortzen den 1,2,3 triazol zatiak bereziki interesgarriak dira sendagaien aurkikuntzan farmakoforo gisa, dituzten aplikazio biologikoengatik eta hainbat agente terapeutikotan duten erabileragatik58.
Erreakzio honek arreta berritua jaso zuen Sharpless eta beste batzuek “klik kimika”59 kontzeptua aurkeztu zutenean. “Klik kimika” terminoa erabiltzen da konposatu eta liburutegi konbinatorio berrien sintesi azkarra egiteko erreakzio multzo sendo eta selektibo bat deskribatzeko, lotura heteroatomikoak (CXC) erabiliz60. Erreakzio hauen erakargarritasun sintetikoa haiekin lotutako errendimendu handiei zor zaie. Baldintzak sinpleak dira, oxigenoarekiko eta urarekiko erresistentzia, eta produktuen bereizketa sinplea da61.
1,3-dipolo Huisgen zikloadizio klasikoa ez da "klik kimika" kategorian sartzen. Hala ere, Medal eta Sharpless-ek frogatu zuten azida-alkino akoplamendu gertaera honek 107-108 jasaten duela Cu(I)-ren aurrean, 1,3-dipolar zikloadizio ez-katalitikoaren abiaduran azelerazio nabarmen batekin alderatuta 62,63. Erreakzio-mekanismo aurreratu honek ez du babes-talderik edo erreakzio-baldintza gogorrik behar eta ia bihurketa eta selektibitate osoa ematen die 1,4-disubstituitutako 1,2,3-triazolei (anti-1,2,3-triazolak) denboran zehar (3. irudia).
Ohiko eta kobrez katalizatutako Huisgen zikloadizioen emaitza isometrikoak. Cu(I)-katalizatutako Huisgen zikloadizioek 1,4-disubstituitutako 1,2,3-triazolak baino ez dituzte ematen, eta termikoki eragindako Huisgen zikloadizioek, berriz, normalean 1,4- eta 1,5-triazolak ematen dituzte, azol estereoisomeroen 1:1 nahasketa batean.
Protokolo gehienek Cu(II) iturri egonkorren murrizketa dakarte, hala nola CuSO4-ren edo Cu(II)/Cu(0) konposatuaren murrizketa sodio gatzekin konbinatuta. Beste metalek katalizatutako erreakzioekin alderatuta, Cu(I)-aren erabilerak abantaila nagusiak hauek dira: merkea eta erabiltzeko erraza da.
Worrell et al.-ek egindako ikerketa zinetiko eta isotopikoek 65 erakutsi dute alkino terminalen kasuan, kobrezko bi baliokidek parte hartzen dutela molekula bakoitzaren erreaktibotasuna azidarekiko aktibatzen. Proposatutako mekanismoa sei kideko kobrezko eraztun metaliko baten bidez gertatzen da, azida σ loturadun kobrezko azetiluroarekin koordinatuz eratua, π loturadun kobrea ligando emaile egonkor gisa erabiliz. Kobrezko triazolil deribatuak eraztunaren uzkurduraren eta ondoren protoien deskonposizioaren ondorioz sortzen dira, triazol produktuak sortzeko eta ziklo katalitikoa ixteko.
Fluxu-kimikako gailuen onurak ondo dokumentatuta dauden arren, analisi-tresnak sistema hauetan integratzeko nahia egon da, prozesuak denbora errealean in situ monitorizatzeko66,67. UAM metodo egokia dela frogatu da 3D fluxu-erreaktore oso konplexuak diseinatu eta fabrikatzeko, material katalitikoki aktibo eta termikoki eroaleetatik abiatuta, zuzenean txertatutako sentsore-elementuekin (4. irudia).
Ultrasoinuen bidezko gehigarrizko fabrikazio bidez (UAM) fabrikatutako aluminio-kobrezko fluxu-erreaktorea, barne-kanal-egitura konplexuarekin, termopare integratuekin eta erreakzio-ganbera katalitiko batekin. Barneko fluido-bideak bistaratzeko, estereolitografia erabiliz egindako prototipo garden bat ere erakusten da.
Erreaktoreak etorkizuneko erreakzio organikoetarako eginda daudela ziurtatzeko, disolbatzaileak irakite-puntuaren gainetik berotu behar dira modu seguruan; presio eta tenperatura probak egiten zaizkie. Presio-probek erakutsi zuten sistemak presio egonkor eta konstantea mantentzen duela sisteman presio altua egon arren (1,7 MPa). Proba hidrostatikoak giro-tenperaturan egin ziren, H2O likido gisa erabiliz.
Termopare integratua (1. irudia) tenperatura-datuen erregistratzailera konektatzean, termoparearen tenperatura FlowSyn sisteman programatutako tenperatura baino 6 °C (± 1 °C) baxuagoa zela ikusi zen. Normalean, tenperaturaren 10 °C-ko igoerak erreakzio-abiadura bikoizten du, beraz, gradu gutxi batzuetako tenperatura-diferentziak erreakzio-abiadura nabarmen alda dezake. Diferentzia hau RPV osoan zehar tenperatura-galeraren ondorioz gertatzen da, fabrikazio-prozesuan erabilitako materialen difusibitate termiko handia dela eta. Desbideratze termiko hau konstantea da eta, beraz, kontuan har daiteke ekipamendua konfiguratzerakoan, erreakzioan zehar tenperatura zehatzak lortu eta neurtu direla ziurtatzeko. Horrela, online monitorizazio-tresna honek erreakzio-tenperaturaren kontrol zorrotza errazten du eta prozesuaren optimizazio zehatzagoan eta baldintza optimoen garapenean laguntzen du. Sentsore hauek erreakzio exotermikoak detektatzeko eta erreakzio iheskorrak saihesteko ere erabil daitezke eskala handiko sistemetan.
Artikulu honetan aurkeztutako erreaktorea UAM teknologiaren aplikazioaren lehen adibidea da erreaktore kimikoen fabrikazioan, eta gailu horien AM/3D inprimaketarekin lotutako hainbat muga nagusi konpontzen ditu, hala nola: (i) Kobrezko edo aluminiozko aleazioen prozesamenduarekin lotutako arazo aipatuak gainditzea (ii) barne-kanalaren bereizmen hobetua hauts-oheko urtze (PBF) metodoekin alderatuta, hala nola laser bidezko urtze selektiboa (SLM)25,69 Material-fluxu eskasa eta gainazalaren ehundura zakarra26 (iii) prozesatzeko tenperatura baxuagoa, sentsoreak zuzenean konektatzea errazten duena, hauts-oheko teknologian posible ez dena, (v) polimeroetan oinarritutako osagaien propietate mekaniko eskasak eta hainbat disolbatzaile organiko arruntekiko sentikortasuna gainditzea17,19.
Erreaktorearen funtzionaltasuna fluxu jarraituko baldintzetan kobrez katalizatutako alkinazida zikloadizio erreakzio sorta baten bidez frogatu zen (2. irudia). 4. irudian erakusten den ultrasoinu bidezko kobrezko erreaktorea fluxu sistema komertzial batekin integratu zen eta hainbat 1,4-disubstituitutako 1,2,3-triazolen azida liburutegi bat sintetizatzeko erabili zen, azetilenoaren eta alkil talde haluroen tenperatura kontrolatutako erreakzio bat erabiliz sodio kloruroaren aurrean (3. irudia). Fluxu jarraituaren ikuspegiaren erabilerak prozesu sortatuetan sor daitezkeen segurtasun arazoak murrizten ditu, erreakzio honek azida bitartekari oso erreaktiboak eta arriskutsuak sortzen baititu [317], [318]. Hasieran, erreakzioa fenilazetilenoaren eta iodoetanoaren zikloadiziorako optimizatu zen (1. eskema - Fenilazetilenoaren eta iodoetanoaren zikloadizioa) (ikus 5. irudia).
(Goian ezkerrean) 3DP erreaktore bat fluxu-sistema batean (goian eskuinean) txertatzeko erabilitako konfigurazioaren eskema, fenilazetilenoaren eta iodoetanoaren arteko Huisgen 57 zikloadizio-eskemaren optimizatutako (beheko) eskematik lortua, optimizaziorako, eta erreakzioaren bihurketa-tasa optimizatutako parametroak erakusten dituena.
Erreaktorearen atal katalitikoan erreaktiboen egoitza-denbora kontrolatuz eta erreakzio-tenperatura arretaz monitorizatuz zuzenean integratutako termopare-sentsore batekin, erreakzio-baldintzak azkar eta zehaztasunez optimiza daitezke denbora eta material gutxienekin. Azkar ikusi zen bihurketa handiena 15 minutuko egoitza-denbora eta 150 °C-ko erreakzio-tenperatura erabiliz lortu zela. MODDE softwarearen koefiziente-diagramatik ikus daiteke bai egoitza-denbora bai erreakzio-tenperatura ereduaren baldintza garrantzitsutzat jotzen direla. Barneko optimizatzailea hautatutako baldintza hauek erabiliz exekutatzeak produktuaren gailur-eremuak maximizatzeko diseinatutako erreakzio-baldintza multzo bat sortzen du, hasierako materialen gailur-eremuak gutxituz. Optimizazio honek triazol produktuaren % 53ko bihurketa eman zuen, eta hori zehatz-mehatz bat etorri zen ereduaren % 54ko iragarpenarekin.