از بازدید شما از Nature.com متشکریم. نسخه مرورگری که استفاده می‌کنید پشتیبانی محدودی از CSS دارد. برای بهترین تجربه، توصیه می‌کنیم از یک مرورگر به‌روز استفاده کنید (یا حالت سازگاری را در Internet Explorer غیرفعال کنید). در عین حال، برای اطمینان از ادامه پشتیبانی، سایت را بدون استایل‌ها و جاوا اسکریپت رندر خواهیم کرد.
یک چرخ و فلک که همزمان سه اسلاید را نشان می‌دهد. از دکمه‌های قبلی و بعدی برای حرکت بین سه اسلاید به طور همزمان استفاده کنید، یا از دکمه‌های کشویی در انتها برای حرکت بین سه اسلاید به طور همزمان استفاده کنید.
تولید افزایشی، روش طراحی و ساخت دستگاه‌های شیمیایی توسط محققان و صنعتگران را برای رفع نیازهای خاص آنها تغییر می‌دهد. در این مقاله، ما اولین نمونه از یک راکتور جریانی را که با لایه گذاری یک ورق فلزی جامد با قطعات کاتالیزوری و عناصر حسگر که مستقیماً با هم ادغام شده‌اند، توسط تولید افزایشی اولتراسونیک (UAM) تشکیل شده است، گزارش می‌دهیم. فناوری UAM نه تنها بر بسیاری از محدودیت‌های فعلی مرتبط با تولید افزایشی راکتورهای شیمیایی غلبه می‌کند، بلکه قابلیت‌های چنین دستگاه‌هایی را نیز تا حد زیادی گسترش می‌دهد. تعدادی از ترکیبات 1،4-دی‌استخلافی 1،2،3-تری‌آزول با اهمیت بیولوژیکی، با استفاده از واکنش حلقه‌زایی 1،3-دوقطبی هویسگن با واسطه مس، با موفقیت سنتز و بهینه شده‌اند. با استفاده از خواص منحصر به فرد UAM و پردازش جریان پیوسته، این دستگاه قادر به کاتالیز واکنش‌های جاری و همچنین ارائه بازخورد در زمان واقعی برای نظارت و بهینه‌سازی واکنش‌ها است.
شیمی جریان به دلیل مزایای قابل توجهش نسبت به همتای توده‌ای خود، به دلیل توانایی‌اش در افزایش گزینش‌پذیری و کارایی سنتز شیمیایی، یک حوزه مهم و رو به رشد در هر دو محیط دانشگاهی و صنعتی است. این حوزه از تشکیل مولکول‌های آلی ساده1 تا ترکیبات دارویی2،3 و محصولات طبیعی4،5،6 را در بر می‌گیرد. بیش از 50٪ از واکنش‌ها در صنایع شیمیایی و دارویی ظریف می‌توانند از جریان پیوسته7 بهره‌مند شوند.
در سال‌های اخیر، روند رو به رشدی از گروه‌هایی که به دنبال جایگزینی ظروف شیشه‌ای سنتی یا تجهیزات شیمی جریان با «راکتورهای» شیمیایی قابل انطباق هستند، وجود داشته است. طراحی تکراری، تولید سریع و قابلیت‌های سه‌بعدی (3D) این روش‌ها برای کسانی که می‌خواهند دستگاه‌های خود را برای مجموعه‌ای خاص از واکنش‌ها، دستگاه‌ها یا شرایط سفارشی کنند، مفید است. تا به امروز، این کار تقریباً منحصراً بر استفاده از تکنیک‌های چاپ سه‌بعدی مبتنی بر پلیمر مانند استریولیتوگرافی (SL)9،10،11، مدل‌سازی رسوب ذوبی (FDM)8،12،13،14 و چاپ جوهرافشان7،15،16 متمرکز بوده است. عدم قابلیت اطمینان و توانایی چنین دستگاه‌هایی برای انجام طیف گسترده‌ای از واکنش‌ها/تجزیه و تحلیل‌های شیمیایی17،18،19،20 یک عامل محدودکننده اصلی برای کاربرد گسترده‌تر AM در این زمینه است17،18،19،20.
با توجه به افزایش استفاده از شیمی جریان و خواص مطلوب مرتبط با AM، باید تکنیک‌های بهتری بررسی شوند که به کاربران امکان ساخت مخازن واکنش جریان با شیمی و قابلیت‌های تحلیلی بهبود یافته را بدهد. این روش‌ها باید به کاربران اجازه دهند تا از طیف وسیعی از مواد با استحکام بالا یا کاربردی که قادر به کار در طیف وسیعی از شرایط واکنش هستند، انتخاب کنند و همچنین اشکال مختلف خروجی تحلیلی از دستگاه را برای امکان نظارت و کنترل واکنش تسهیل کنند.
یکی از فرآیندهای تولید افزایشی که می‌تواند برای توسعه راکتورهای شیمیایی سفارشی مورد استفاده قرار گیرد، تولید افزایشی اولتراسونیک (UAM) است. این روش لایه‌بندی ورق حالت جامد، ارتعاشات اولتراسونیک را به فویل‌های فلزی نازک اعمال می‌کند تا آنها را لایه به لایه با حداقل گرمایش حجمی و درجه بالایی از جریان پلاستیک به هم بچسباند. 21، 22، 23. برخلاف اکثر فناوری‌های دیگر AM، UAM می‌تواند مستقیماً با تولید کاهشی، که به عنوان یک فرآیند تولید ترکیبی شناخته می‌شود، ادغام شود، که در آن فرزکاری یا پردازش لیزری کنترل عددی درجا (CNC) دوره‌ای، شکل خالص لایه ماده پیوند یافته را تعیین می‌کند. 24، 25. این بدان معناست که کاربر محدود به مشکلات مرتبط با حذف مواد ساختمانی اصلی باقیمانده از کانال‌های کوچک مایع نیست، که اغلب در سیستم‌های پودری و مایع AM26، 27، 28 اتفاق می‌افتد. این آزادی طراحی همچنین به انتخاب مواد موجود گسترش می‌یابد - UAM می‌تواند ترکیبی از مواد مشابه و غیر مشابه از نظر حرارتی را در یک مرحله فرآیند واحد پیوند دهد. انتخاب ترکیبات مواد فراتر از فرآیند ذوب به این معنی است که می‌توان الزامات مکانیکی و شیمیایی کاربردهای خاص را بهتر برآورده کرد. علاوه بر پیوند جامد، پدیده دیگری که با پیوند اولتراسونیک رخ می‌دهد، سیالیت بالای مواد پلاستیکی در دماهای نسبتاً پایین است29،30،31،32،33. این ویژگی منحصر به فرد UAM امکان قرار دادن عناصر مکانیکی/حرارتی بین لایه‌های فلزی بدون آسیب را فراهم می‌کند. حسگرهای UAM تعبیه شده می‌توانند از طریق تجزیه و تحلیل یکپارچه، تحویل اطلاعات در زمان واقعی از دستگاه به کاربر را تسهیل کنند.
کار قبلی نویسندگان32 توانایی فرآیند UAM را در ایجاد ساختارهای میکروفلوئیدیک سه‌بعدی فلزی با قابلیت‌های حسگری تعبیه‌شده نشان داده است. این دستگاه فقط برای اهداف نظارتی است. این مقاله اولین نمونه از یک راکتور شیمیایی میکروفلوئیدیک ساخته شده توسط UAM را ارائه می‌دهد، یک دستگاه فعال که نه تنها سنتز شیمیایی را با مواد کاتالیزوری یکپارچه ساختاری کنترل می‌کند، بلکه آن را نیز القا می‌کند. این دستگاه چندین مزیت مرتبط با فناوری UAM در ساخت دستگاه‌های شیمیایی سه‌بعدی را ترکیب می‌کند، مانند: توانایی تبدیل یک طرح سه‌بعدی کامل به طور مستقیم از یک مدل طراحی به کمک کامپیوتر (CAD) به یک محصول؛ ساخت چند ماده‌ای برای ترکیبی از رسانایی حرارتی بالا و مواد کاتالیزوری، و همچنین حسگرهای حرارتی که مستقیماً بین جریان‌های واکنش‌دهنده برای کنترل دقیق و مدیریت دمای واکنش تعبیه شده‌اند. برای نشان دادن عملکرد راکتور، مجموعه‌ای از ترکیبات 1،4-دی‌آلوئیدی 1،2،3-تری‌آزول مهم دارویی با حلقه‌زایی 1،3-دوقطبی هویسگن کاتالیز شده با مس سنتز شد. این اثر برجسته می‌کند که چگونه استفاده از علم مواد و طراحی به کمک رایانه می‌تواند از طریق تحقیقات میان‌رشته‌ای، امکانات و فرصت‌های جدیدی را برای شیمی ایجاد کند.
تمام حلال‌ها و واکنشگرها از شرکت‌های Sigma-Aldrich، Alfa Aesar، TCI یا Fischer Scientific خریداری و بدون خالص‌سازی قبلی استفاده شدند. طیف‌های 1H و 13C NMR ثبت‌شده در فرکانس‌های 400 و 100 مگاهرتز، به ترتیب با استفاده از طیف‌سنج 400 مگاهرتزی JEOL ECS-400 یا طیف‌سنج 400 مگاهرتزی Bruker Avance II با حلال‌های CDCl3 یا (CD3)2SO به دست آمدند. تمام واکنش‌ها با استفاده از پلتفرم شیمی جریانی Uniqsis FlowSyn انجام شدند.
در این مطالعه از UAM برای ساخت تمام دستگاه‌ها استفاده شد. این فناوری در سال ۱۹۹۹ اختراع شد و جزئیات فنی، پارامترهای عملیاتی و پیشرفت‌های آن از زمان اختراعش را می‌توان با استفاده از مطالب منتشر شده زیر مطالعه کرد۳۴،۳۵،۳۶،۳۷. این دستگاه (شکل ۱) با استفاده از یک سیستم UAM 9 کیلوواتی SonicLayer 4000® (فابریسونیک، اوهایو، ایالات متحده آمریکا) پیاده‌سازی شد. مواد انتخاب شده برای دستگاه جریان، Cu-110 و Al 6061 بودند. Cu-110 دارای محتوای مس بالایی (حداقل 99.9٪ مس) است که آن را به گزینه مناسبی برای واکنش‌های کاتالیز شده با مس تبدیل می‌کند و بنابراین به عنوان یک "لایه فعال" در داخل میکروراکتور استفاده می‌شود. Al 6061O به عنوان ماده "حجمی" و همچنین لایه بین لایه‌ای مورد استفاده برای تجزیه و تحلیل استفاده می‌شود؛ بین لایه‌ای از اجزای آلیاژ کمکی و حالت آنیل شده در ترکیب با لایه Cu-110. مشخص شد که با معرف‌های مورد استفاده در این کار از نظر شیمیایی پایدار است. Al 6061O در ترکیب با Cu-110 نیز به عنوان یک ترکیب مواد سازگار برای UAM در نظر گرفته می‌شود و بنابراین ماده مناسبی برای این مطالعه است38،42. این دستگاه‌ها در جدول 1 در زیر فهرست شده‌اند.
مراحل ساخت راکتور (1) زیرلایه آلیاژ آلومینیوم 6061 (2) ساخت کانال پایینی از فویل مسی (3) قرار دادن ترموکوپل‌ها بین لایه‌ها (4) کانال بالایی (5) ورودی و خروجی (6) راکتور یکپارچه.
فلسفه طراحی کانال سیال، استفاده از یک مسیر پر پیچ و خم برای افزایش مسافت طی شده توسط سیال درون تراشه و در عین حال حفظ اندازه قابل کنترل تراشه است. این افزایش فاصله برای افزایش زمان تماس کاتالیزور-واکنش دهنده و ارائه بازده عالی محصول مطلوب است. تراشه‌ها از خم‌های 90 درجه در انتهای یک مسیر مستقیم استفاده می‌کنند تا اختلاط آشفته را در داخل دستگاه44 ایجاد کنند و زمان تماس مایع با سطح (کاتالیزور) را افزایش دهند. برای افزایش بیشتر اختلاط قابل دستیابی، طراحی راکتور شامل دو ورودی واکنش دهنده است که قبل از ورود به بخش کویل اختلاط، در یک اتصال Y شکل ترکیب شده‌اند. ورودی سوم، که در نیمه راه از جریان عبور می‌کند، در طرح واکنش‌های سنتز چند مرحله‌ای آینده گنجانده شده است.
تمام کانال‌ها دارای پروفیل مربعی (بدون زاویه مخروطی) هستند که نتیجه فرزکاری CNC دوره‌ای مورد استفاده برای ایجاد هندسه کانال است. ابعاد کانال به گونه‌ای انتخاب شده‌اند که بازده حجمی بالایی (برای یک میکروراکتور) ارائه دهند، در عین حال به اندازه کافی کوچک باشند تا تعامل با سطح (کاتالیزورها) را برای بیشتر مایعات موجود در آن تسهیل کنند. اندازه مناسب بر اساس تجربه گذشته نویسندگان با دستگاه‌های واکنش فلز-مایع است. ابعاد داخلی کانال نهایی 750 میکرومتر در 750 میکرومتر و حجم کل راکتور 1 میلی‌لیتر بود. یک رابط داخلی (رزوه UNF 1/4 اینچ -28) در طراحی گنجانده شده است تا امکان اتصال آسان دستگاه با تجهیزات شیمی جریان تجاری فراهم شود. اندازه کانال توسط ضخامت ماده فویل، خواص مکانیکی آن و پارامترهای اتصال مورد استفاده با اولتراسونیک محدود می‌شود. در عرض مشخصی برای ماده معین، ماده به داخل کانال ایجاد شده "خم" می‌شود. در حال حاضر هیچ مدل خاصی برای این محاسبه وجود ندارد، بنابراین حداکثر عرض کانال برای یک ماده و طرح مشخص به صورت تجربی تعیین می‌شود، که در این صورت عرض ۷۵۰ میکرومتر باعث افتادگی نمی‌شود.
شکل (مربع) کانال با استفاده از یک برش‌دهنده مربعی تعیین می‌شود. شکل و اندازه کانال‌ها را می‌توان در دستگاه‌های CNC با استفاده از ابزارهای برش مختلف تغییر داد تا نرخ جریان و ویژگی‌های متفاوتی به دست آید. نمونه‌ای از ایجاد یک کانال منحنی با ابزار 125 میکرومتری را می‌توان در Monaghan45 یافت. هنگامی که لایه فویل به صورت صاف اعمال می‌شود، اعمال مواد فویل به کانال‌ها سطح صاف (مربعی) خواهد داشت. در این کار، از یک کانتور مربعی برای حفظ تقارن کانال استفاده شد.
در طول یک وقفه برنامه‌ریزی‌شده در تولید، حسگرهای دمای ترموکوپل (نوع K) مستقیماً در دستگاه بین گروه‌های کانال بالایی و پایینی تعبیه شده‌اند (شکل 1 - مرحله 3). این ترموکوپل‌ها می‌توانند تغییرات دما را از -200 تا 1350 درجه سانتیگراد کنترل کنند.
فرآیند رسوب فلز توسط شاخ UAM با استفاده از فویل فلزی به عرض 25.4 میلی‌متر و ضخامت 150 میکرون انجام می‌شود. این لایه‌های فویل در یک سری نوارهای مجاور به هم متصل می‌شوند تا کل ناحیه ساخت را بپوشانند. اندازه ماده رسوب شده از محصول نهایی بزرگتر است زیرا فرآیند تفریق، شکل نهایی تمیز را ایجاد می‌کند. از ماشینکاری CNC برای ماشینکاری خطوط خارجی و داخلی تجهیزات استفاده می‌شود که منجر به پرداخت سطحی تجهیزات و کانال‌ها مطابق با ابزار انتخاب شده و پارامترهای فرآیند CNC می‌شود (در این مثال، حدود 1.6 میکرومتر Ra). چرخه‌های مداوم پاشش و ماشینکاری مواد اولتراسونیک در طول فرآیند تولید دستگاه استفاده می‌شود تا از حفظ دقت ابعادی و مطابقت قطعه نهایی با سطوح دقت فرزکاری CNC اطمینان حاصل شود. عرض کانال مورد استفاده برای این دستگاه به اندازه کافی کوچک است تا اطمینان حاصل شود که ماده فویل در کانال سیال "خم نمی‌شود" بنابراین کانال دارای مقطع مربعی است. شکاف‌های احتمالی در ماده فویل و پارامترهای فرآیند UAM به صورت تجربی توسط شریک تولید (Fabrisonic LLC، ایالات متحده آمریکا) تعیین شده‌اند.
مطالعات نشان داده‌اند که در فصل مشترک ۴۶ و ۴۷ ترکیب UAM، بدون عملیات حرارتی اضافی، نفوذ عناصر بسیار کم است، بنابراین برای قطعات مورد استفاده در این کار، لایه Cu-110 متفاوت از لایه Al 6061 باقی می‌ماند و به طور چشمگیری تغییر می‌کند.
یک رگولاتور فشار برگشتی (BPR) از پیش کالیبره شده با فشار 250 psi (1724 kPa) در پایین دست راکتور نصب کنید و آب را با سرعت 0.1 تا 1 میلی لیتر در دقیقه از طریق راکتور پمپ کنید. فشار راکتور با استفاده از مبدل فشار FlowSyn که در سیستم تعبیه شده است، کنترل شد تا اطمینان حاصل شود که سیستم می‌تواند فشار ثابت و پایداری را حفظ کند. گرادیان‌های دمایی بالقوه در راکتور جریان با جستجوی هرگونه اختلاف بین ترموکوپل‌های تعبیه شده در راکتور و ترموکوپل‌های تعبیه شده در صفحه گرمایش تراشه FlowSyn آزمایش شدند. این کار با تغییر دمای برنامه‌ریزی شده صفحه داغ بین 100 تا 150 درجه سانتیگراد با گام‌های 25 درجه سانتیگراد و نظارت بر هرگونه اختلاف بین دمای برنامه‌ریزی شده و ثبت شده انجام می‌شود. این کار با استفاده از دستگاه ثبت اطلاعات tc-08 (PicoTech، کمبریج، انگلستان) و نرم‌افزار PicoLog همراه آن انجام شد.
شرایط واکنش حلقه‌زایی فنیل‌استیلن و یدواتان بهینه شده است (طرح 1-حلقه‌زایی فنیل‌استیلن و یدواتان، طرح 1-حلقه‌زایی فنیل‌استیلن و یدواتان). این بهینه‌سازی با استفاده از رویکرد طراحی آزمایش‌ها (DOE) با استفاده از دما و زمان اقامت به عنوان متغیرها و با ثابت نگه داشتن نسبت آلکین:آزید روی 1:2 انجام شد.
محلول‌های جداگانه‌ای از سدیم آزید (0.25 مولار، 4:1 DMF:H2O)، یدو اتان (0.25 مولار، DMF) و فنیل استیلن (0.125 مولار، DMF) تهیه شدند. 1.5 میلی‌لیتر از هر محلول مخلوط و با سرعت جریان و دمای مورد نظر از طریق راکتور پمپ شد. پاسخ مدل به عنوان نسبت مساحت پیک محصول تریازول به ماده اولیه فنیل استیلن در نظر گرفته شد و با استفاده از کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا (HPLC) تعیین شد. برای سازگاری تجزیه و تحلیل، تمام واکنش‌ها بلافاصله پس از خروج مخلوط واکنش از راکتور انجام شد. محدوده پارامترهای انتخاب شده برای بهینه‌سازی در جدول 2 نشان داده شده است.
تمام نمونه‌ها با استفاده از یک سیستم کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا (HPLC) کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا (VWR، پنسیلوانیا، ایالات متحده) متشکل از یک پمپ چهارتایی، آون ستون، آشکارساز UV با طول موج متغیر و نمونه‌گیر خودکار مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند. ستون از نوع Equivalence 5 C18 (VWR، پنسیلوانیا، ایالات متحده)، با ابعاد 4.6 x 100 میلی‌متر، اندازه ذرات 5 میکرومتر و دمای 40 درجه سانتیگراد بود. حلال، ایزوکراتیک متانول:آب 50:50 با سرعت جریان 1.5 میلی‌لیتر در دقیقه بود. حجم تزریق 5 میکرولیتر و طول موج آشکارساز 254 نانومتر بود. درصد مساحت پیک برای نمونه DOE فقط از مساحت پیک‌های محصولات آلکین و تریازول باقیمانده محاسبه شد. معرفی ماده اولیه، شناسایی پیک‌های مربوطه را امکان‌پذیر می‌سازد.
ترکیب نتایج تجزیه و تحلیل راکتور با نرم‌افزار MODDE DOE (Umetrics، مالمو، سوئد) امکان تجزیه و تحلیل کامل روند نتایج و تعیین شرایط بهینه واکنش برای این حلقه‌زایی را فراهم کرد. اجرای بهینه‌ساز داخلی و انتخاب تمام عبارات مهم مدل، مجموعه‌ای از شرایط واکنش را ایجاد می‌کند که برای به حداکثر رساندن مساحت پیک محصول و در عین حال کاهش مساحت پیک برای خوراک استیلن طراحی شده‌اند.
اکسیداسیون سطح مس در محفظه واکنش کاتالیزوری با استفاده از محلول پراکسید هیدروژن (36٪) که از محفظه واکنش عبور می‌کرد (سرعت جریان = 0.4 میلی‌لیتر در دقیقه، زمان اقامت = 2.5 دقیقه) قبل از سنتز هر ترکیب تری‌آزول انجام شد. کتابخانه
پس از تعیین مجموعه بهینه شرایط، آنها را بر روی طیف وسیعی از مشتقات استیلن و هالوآلکان اعمال کردند تا امکان گردآوری یک کتابخانه سنتز کوچک فراهم شود و بدین ترتیب امکان اعمال این شرایط بر روی طیف وسیع‌تری از واکنشگرهای بالقوه فراهم شود (شکل 1). 2).
محلول‌های جداگانه‌ای از سدیم آزید (0.25 مولار، 4:1 DMF:H2O)، هالوآلکان‌ها (0.25 مولار، DMF) و آلکین‌ها (0.125 مولار، DMF) تهیه کنید. 3 میلی‌لیتر از هر محلول مخلوط شده و با سرعت 75 میکرولیتر در دقیقه و دمای 150 درجه سانتیگراد از طریق راکتور پمپ شدند. کل حجم در یک ویال جمع‌آوری و با 10 میلی‌لیتر اتیل استات رقیق شد. محلول نمونه با 3 × 10 میلی‌لیتر آب شسته شد. لایه‌های آبی با 10 میلی‌لیتر اتیل استات ترکیب و استخراج شدند، سپس لایه‌های آلی با هم ترکیب شدند، با 3 × 10 میلی‌لیتر آب نمک شسته شدند، روی MgSO4 خشک و فیلتر شدند، سپس حلال در خلاء حذف شد. نمونه‌ها قبل از تجزیه و تحلیل با ترکیبی از HPLC، 1H NMR، 13C NMR و طیف‌سنجی جرمی با وضوح بالا (HR-MS) با استفاده از ستون کروماتوگرافی ژل سیلیکا با استفاده از اتیل استات خالص‌سازی شدند.
تمام طیف‌ها با استفاده از طیف‌سنج جرمی Thermofischer Precision Orbitrap با منبع یونیزاسیون ESI به دست آمدند. تمام نمونه‌ها با استفاده از استونیتریل به عنوان حلال تهیه شدند.
آنالیز TLC روی صفحات سیلیکا با زیرلایه آلومینیومی انجام شد. صفحات با نور UV (254 نانومتر) یا رنگ‌آمیزی و حرارت دادن با وانیلین مشاهده شدند.
تمام نمونه‌ها با استفاده از یک سیستم کروماتوگرافی VWR (شرکت بین‌المللی VWR، لیتون بازارد، انگلستان) مجهز به یک نمونه‌گیر خودکار، یک پمپ دوتایی با یک کوره ستونی و یک آشکارساز تک طول موج، مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند. از یک ستون ACE Equivalence 5 C18 (150 x 4.6 میلی‌متر، Advanced Chromatography Technologies Ltd.، آبردین، اسکاتلند) استفاده شد.
تزریق‌ها (5 میکرولیتر) مستقیماً از مخلوط واکنش خام رقیق‌شده (رقت 1:10) انجام شد و با آب:متانول (50:50 یا 70:30) آنالیز شدند، به جز برخی از نمونه‌ها که از سیستم حلال 70:30 (با شماره ستاره مشخص شده است) با سرعت جریان 1.5 میلی‌لیتر در دقیقه استفاده کردند. ستون در دمای 40 درجه سانتیگراد نگه داشته شد. طول موج آشکارساز 254 نانومتر است.
درصد مساحت پیک نمونه از مساحت پیک آلکین باقیمانده، که فقط محصول تریازول است، محاسبه شد و معرفی ماده اولیه امکان شناسایی پیک‌های مربوطه را فراهم کرد.
تمام نمونه‌ها با استفاده از Thermo iCAP 6000 ICP-OES آنالیز شدند. تمام استانداردهای کالیبراسیون با استفاده از محلول استاندارد 1000 ppm Cu در 2٪ اسید نیتریک (SPEX Certi Prep) تهیه شدند. تمام استانداردها در محلول 5٪ DMF و 2٪ HNO3 تهیه شدند و تمام نمونه‌ها 20 بار با محلول نمونه DMF-HNO3 رقیق شدند.
UAM از جوشکاری فلز اولتراسونیک به عنوان روشی برای اتصال فویل فلزی مورد استفاده برای ایجاد مجموعه نهایی استفاده می‌کند. جوشکاری فلز اولتراسونیک از یک ابزار فلزی ارتعاشی (به نام شاخ یا هورن اولتراسونیک) برای اعمال فشار به فویل/لایه قبلاً تحکیم شده برای اتصال/تحکیم با ارتعاش ماده استفاده می‌کند. برای عملکرد مداوم، سونوترود شکل استوانه‌ای دارد و روی سطح ماده می‌غلتد و کل ناحیه را می‌چسباند. هنگامی که فشار و ارتعاش اعمال می‌شود، اکسیدهای روی سطح ماده می‌توانند ترک بخورند. فشار و ارتعاش مداوم می‌تواند منجر به تخریب زبری ماده شود 36. تماس نزدیک با گرما و فشار موضعی منجر به پیوند فاز جامد در رابط‌های مواد می‌شود. همچنین می‌تواند با تغییر انرژی سطح 48 انسجام را افزایش دهد. ماهیت مکانیسم پیوند بر بسیاری از مشکلات مرتبط با دمای ذوب متغیر و اثرات دمای بالا که در سایر فناوری‌های تولید افزایشی ذکر شده است، غلبه می‌کند. این امر امکان اتصال مستقیم (یعنی بدون اصلاح سطح، پرکننده‌ها یا چسب‌ها) چندین لایه از مواد مختلف را در یک ساختار تحکیم یافته واحد فراهم می‌کند.
دومین عامل مطلوب برای CAM، درجه بالای جریان پلاستیک مشاهده شده در مواد فلزی حتی در دماهای پایین، یعنی بسیار پایین‌تر از نقطه ذوب مواد فلزی است. ترکیب ارتعاشات اولتراسونیک و فشار باعث سطح بالایی از مهاجرت مرز دانه محلی و تبلور مجدد بدون افزایش قابل توجه دما که به طور سنتی با مواد فله‌ای مرتبط است، می‌شود. در طول ایجاد مجموعه نهایی، می‌توان از این پدیده برای جاسازی اجزای فعال و غیرفعال بین لایه‌های فویل فلزی، لایه به لایه، استفاده کرد. عناصری مانند فیبر نوری 49، تقویت‌کننده 46، الکترونیک 50 و ترموکوپل‌ها (این کار) با موفقیت در ساختارهای UAM ادغام شده‌اند تا مجموعه‌های کامپوزیتی فعال و غیرفعال ایجاد کنند.
در این کار، از قابلیت‌های اتصال مواد مختلف و همچنین قابلیت‌های بین لایه‌ای شدن UAM برای ایجاد یک میکروراکتور ایده‌آل برای کنترل دمای کاتالیزوری استفاده شد.
در مقایسه با پالادیوم (Pd) و سایر کاتالیزورهای فلزی رایج، کاتالیز مس مزایای متعددی دارد: (i) از نظر اقتصادی، مس از بسیاری از فلزات دیگر مورد استفاده در کاتالیز ارزان‌تر است و بنابراین گزینه‌ای جذاب برای صنایع شیمیایی است. (ii) دامنه واکنش‌های جفت شدن متقاطع کاتالیز شده با مس در حال گسترش است و به نظر می‌رسد تا حدودی مکمل روش‌های مبتنی بر Pd51، 52، 53 باشد. (iii) واکنش‌های کاتالیز شده با مس در غیاب سایر لیگاندها به خوبی کار می‌کنند. این لیگاندها اغلب از نظر ساختاری ساده و ارزان هستند، در حالی که لیگاندهای مورد استفاده در شیمی Pd اغلب پیچیده، گران و حساس به هوا هستند. (iv) مس، به ویژه به دلیل توانایی‌اش در پیوند آلکین‌ها در سنتز، مانند جفت شدن کاتالیز شده دو فلزی سونوگاشیرا و حلقه‌زایی با آزیدها (شیمی کلیک) شناخته شده است. (v) مس همچنین می‌تواند آریلاسیون برخی از نوکلئوفیل‌ها را در واکنش‌های نوع اولمان تقویت کند.
اخیراً، نمونه‌هایی از ناهمگن‌سازی همه این واکنش‌ها در حضور Cu(0) نشان داده شده است. این امر عمدتاً به دلیل صنعت داروسازی و تمرکز روزافزون بر بازیابی و استفاده مجدد از کاتالیزورهای فلزی است55،56.
واکنش حلقه‌زایی 1،3-دوقطبی بین استیلن و آزید به 1،2،3-تری‌آزول، که اولین بار توسط هویسگن در دهه 1960 پیشنهاد شد57، به عنوان یک واکنش نمایشی سینرژیک در نظر گرفته می‌شود. قطعات 1،2،3 تری‌آزول حاصل به دلیل کاربردهای بیولوژیکی و استفاده در عوامل درمانی مختلف، به عنوان یک فارماکوفور در کشف دارو مورد توجه ویژه هستند58.
این واکنش زمانی که شارپلس و دیگران مفهوم «شیمی کلیک» را معرفی کردند، دوباره مورد توجه قرار گرفت59. اصطلاح «شیمی کلیک» برای توصیف مجموعه‌ای قوی و انتخابی از واکنش‌ها برای سنتز سریع ترکیبات جدید و کتابخانه‌های ترکیبی با استفاده از پیوند هترواتمی (CXC)60 استفاده می‌شود. جذابیت سنتزی این واکنش‌ها به دلیل بازده بالای مرتبط با آنهاست. شرایط واکنش ساده، مقاومت در برابر اکسیژن و آب و جداسازی ساده محصول61 است.
حلقه‌زایی کلاسیک هویسگن ۱،۳-دوقطبی در دسته «شیمی کلیک» قرار نمی‌گیرد. با این حال، مدال و شارپلس نشان دادند که این رویداد جفت شدن آزید-آلکین در حضور Cu(I) در مقایسه با شتاب قابل توجه در سرعت حلقه‌زایی غیرکاتالیستی ۱،۳-دوقطبی، ۱۰۷-۱۰۸ رخ می‌دهد (۶۲،۶۳). این مکانیسم واکنش پیشرفته نیازی به گروه‌های محافظ یا شرایط واکنش سخت ندارد و تبدیل و گزینش‌پذیری تقریباً کاملی را به ۱،۲،۳-تری‌آزول‌های ۱،۴-دیون‌استخلاف‌شده (ضد ۱،۲،۳-تری‌آزول‌ها) در طول زمان فراهم می‌کند (شکل ۳).
نتایج ایزومتریک حلقه‌زایی‌های هویسگن معمولی و کاتالیز شده با مس. حلقه‌زایی‌های هویسگن کاتالیز شده با مس (I) فقط 1،4-دی‌استخلاف‌شده 1،2،3-تری‌آزول تولید می‌کنند، در حالی که حلقه‌زایی‌های هویسگن القا شده با حرارت معمولاً 1،4- و 1،5-تری‌آزول مخلوطی از استریوایزومرهای آزول با نسبت 1:1 تولید می‌کنند.
بیشتر پروتکل‌ها شامل کاهش منابع پایدار Cu(II)، مانند کاهش CuSO4 یا ترکیب Cu(II)/Cu(0) در ترکیب با نمک‌های سدیم هستند. در مقایسه با سایر واکنش‌های کاتالیز شده با فلز، استفاده از Cu(I) مزایای اصلی ارزان بودن و سهولت استفاده را دارد.
مطالعات سینتیکی و ایزوتوپی توسط وورل و همکارانش 65 نشان داده است که در مورد آلکین‌های انتهایی، دو معادل مس در فعال‌سازی واکنش‌پذیری هر مولکول نسبت به آزید نقش دارند. مکانیسم پیشنهادی از طریق یک حلقه فلزی مس شش عضوی که با کئوردیناسیون آزید به استیلید مس با پیوند σ و مس با پیوند π به عنوان یک لیگاند دهنده پایدار تشکیل شده است، پیش می‌رود. مشتقات تری‌آزولیل مس در نتیجه انقباض حلقه و به دنبال آن تجزیه پروتون برای تشکیل محصولات تری‌آزول و بستن چرخه کاتالیزوری تشکیل می‌شوند.
در حالی که مزایای دستگاه‌های شیمی جریان به خوبی مستند شده است، تمایل به ادغام ابزارهای تحلیلی در این سیستم‌ها برای نظارت بر فرآیند در زمان واقعی در محل66،67 وجود داشته است. UAM ثابت کرده است که روشی مناسب برای طراحی و ساخت راکتورهای جریان سه‌بعدی بسیار پیچیده از مواد کاتالیزوری فعال و رسانای حرارتی با عناصر حسگر تعبیه شده مستقیم است (شکل 4).
راکتور جریان آلومینیوم-مس ساخته شده با روش ساخت افزایشی اولتراسونیک (UAM) با ساختار کانال داخلی پیچیده، ترموکوپل‌های داخلی و یک محفظه واکنش کاتالیزوری. برای تجسم مسیرهای سیال داخلی، یک نمونه اولیه شفاف ساخته شده با استفاده از استریولیتوگرافی نیز نشان داده شده است.
برای اطمینان از اینکه راکتورها برای واکنش‌های آلی آینده ساخته می‌شوند، حلال‌ها باید با خیال راحت بالاتر از نقطه جوش خود گرم شوند؛ آنها تحت آزمایش فشار و دما قرار می‌گیرند. آزمایش فشار نشان داد که سیستم حتی در فشار بالا در سیستم (1.7 مگاپاسکال) فشار پایدار و ثابتی را حفظ می‌کند. آزمایش‌های هیدرواستاتیک در دمای اتاق با استفاده از H2O به عنوان مایع انجام شد.
اتصال ترموکوپل داخلی (شکل 1) به ثبت‌کننده‌ی اطلاعات دما نشان داد که دمای ترموکوپل 6 درجه سانتی‌گراد (± 1 درجه سانتی‌گراد) کمتر از دمای برنامه‌ریزی‌شده در سیستم FlowSyn است. معمولاً افزایش 10 درجه سانتی‌گراد دما، سرعت واکنش را دو برابر می‌کند، بنابراین اختلاف دمایی تنها چند درجه می‌تواند سرعت واکنش را به میزان قابل توجهی تغییر دهد. این تفاوت به دلیل افت دما در سراسر RPV به دلیل ضریب نفوذ حرارتی بالای مواد مورد استفاده در فرآیند تولید است. این رانش حرارتی ثابت است و بنابراین می‌توان هنگام تنظیم تجهیزات برای اطمینان از رسیدن به دماهای دقیق و اندازه‌گیری آنها در طول واکنش، آن را در نظر گرفت. بنابراین، این ابزار نظارت آنلاین، کنترل دقیق دمای واکنش را تسهیل می‌کند و به بهینه‌سازی دقیق‌تر فرآیند و توسعه شرایط بهینه کمک می‌کند. این حسگرها همچنین می‌توانند برای تشخیص واکنش‌های گرمازا و جلوگیری از واکنش‌های فرار در سیستم‌های بزرگ مقیاس استفاده شوند.
راکتور ارائه شده در این مقاله اولین نمونه از کاربرد فناوری UAM در ساخت راکتورهای شیمیایی است و به چندین محدودیت عمده‌ای که در حال حاضر با چاپ AM/3D این دستگاه‌ها مرتبط است، می‌پردازد، مانند: (i) غلبه بر مشکلات ذکر شده مرتبط با پردازش آلیاژ مس یا آلومینیوم (ii) بهبود وضوح کانال داخلی در مقایسه با روش‌های ذوب بستر پودر (PBF) مانند ذوب لیزری انتخابی (SLM)25،69 (iii) جریان ضعیف مواد و بافت سطحی ناهموار26 (iii) دمای پردازش پایین‌تر، که اتصال مستقیم حسگرها را تسهیل می‌کند، که در فناوری بستر پودر امکان‌پذیر نیست، (v) غلبه بر خواص مکانیکی ضعیف و حساسیت اجزای مبتنی بر پلیمر به حلال‌های آلی رایج مختلف17،19.
عملکرد این راکتور با مجموعه‌ای از واکنش‌های حلقه‌زایی آلکینازید کاتالیز شده با مس در شرایط جریان پیوسته نشان داده شد (شکل 2). راکتور مسی چاپ‌شده با اولتراسونیک که در شکل 4 نشان داده شده است، با یک سیستم جریان تجاری ادغام شد و برای سنتز یک کتابخانه آزید از 1،4-دی‌استخلاف‌های مختلف 1،2،3-تری‌آزول با استفاده از یک واکنش کنترل‌شده دمایی استیلن و هالیدهای گروه آلکیل در حضور کلرید سدیم استفاده شد (شکل 3). استفاده از رویکرد جریان پیوسته، مسائل ایمنی را که می‌تواند در فرآیندهای دسته‌ای ایجاد شود، کاهش می‌دهد، زیرا این واکنش واسطه‌های آزید بسیار واکنش‌پذیر و خطرناکی تولید می‌کند [317]، [318]. در ابتدا، واکنش برای حلقه‌زایی فنیل‌استیلن و یدواتان بهینه شد (طرح 1 - حلقه‌زایی فنیل‌استیلن و یدواتان) (شکل 5 را ببینید).
(بالا سمت چپ) شماتیک چیدمان مورد استفاده برای ادغام یک راکتور 3DP در یک سیستم جریان (بالا سمت راست) که از طرح بهینه شده (پایین) طرح حلقه‌زایی Huisgen 57 بین فنیل استیلن و یدواتان برای بهینه‌سازی و نمایش پارامترهای بهینه نرخ تبدیل واکنش به دست آمده است.
با کنترل زمان اقامت واکنش‌دهنده‌ها در بخش کاتالیزوری راکتور و نظارت دقیق بر دمای واکنش با یک حسگر ترموکوپل که مستقیماً یکپارچه شده است، می‌توان شرایط واکنش را به سرعت و با دقت با حداقل زمان و مواد بهینه کرد. به سرعت مشخص شد که بالاترین تبدیل با استفاده از زمان اقامت ۱۵ دقیقه و دمای واکنش ۱۵۰ درجه سانتیگراد حاصل می‌شود. از نمودار ضرایب نرم‌افزار MODDE می‌توان دریافت که هم زمان اقامت و هم دمای واکنش، شرایط مهم مدل در نظر گرفته می‌شوند. اجرای بهینه‌ساز داخلی با استفاده از این شرایط انتخاب شده، مجموعه‌ای از شرایط واکنش را ایجاد می‌کند که برای به حداکثر رساندن مساحت پیک محصول و در عین حال کاهش مساحت پیک ماده اولیه طراحی شده است. این بهینه‌سازی منجر به تبدیل ۵۳٪ از محصول تری‌آزول شد که دقیقاً با پیش‌بینی مدل ۵۴٪ مطابقت داشت.