Kiitos vierailustasi Nature.comissa.Käyttämässäsi selainversiossa on rajoitettu CSS-tuki.Parhaan kokemuksen saamiseksi suosittelemme käyttämään päivitettyä selainta (tai poistamaan Yhteensopivuustila käytöstä Internet Explorerissa).Sillä välin varmistaaksemme jatkuvan tuen hahmonnamme sivuston ilman tyylejä ja JavaScriptiä.
Karuselli, jossa näkyy kolme diaa samanaikaisesti.Käytä Edellinen- ja Seuraava-painikkeita siirtyäksesi kolmen dian läpi kerrallaan tai käytä lopussa olevia liukusäädinpainikkeita siirtyäksesi kolmen dian läpi kerrallaan.
Additiivinen valmistus muuttaa tapaa, jolla tutkijat ja teollisuusyritykset suunnittelevat ja valmistavat kemiallisia laitteita vastaamaan erityistarpeisiinsa.Tässä artikkelissa raportoimme ensimmäisen esimerkin virtausreaktorista, joka on muodostettu laminoimalla ultraäänilisäainevalmistus (UAM) kiinteästä metallilevystä suoraan integroiduilla katalyyttisillä osilla ja anturielementeillä.UAM-teknologia ei ainoastaan ​​voittaisi monia rajoituksia, jotka tällä hetkellä liittyvät kemiallisten reaktorien lisäainevalmistukseen, vaan myös laajentaa huomattavasti tällaisten laitteiden ominaisuuksia.Useita biologisesti tärkeitä 1,4-disubstituoituja 1,2,3-triatsoliyhdisteitä on onnistuneesti syntetisoitu ja optimoitu Cu-välitteisellä 1,3-dipolaarisella Huisgen-sykloadditioreaktiolla käyttäen UAM-kemian laitteistoa.UAM:n ainutlaatuisten ominaisuuksien ja jatkuvan virtauksen käsittelyn avulla laite pystyy katalysoimaan meneillään olevia reaktioita sekä antamaan reaaliaikaista palautetta reaktioiden seuraamiseksi ja optimoimiseksi.
Koska virtauskemia on merkittäviä etujaan bulkkivastineeseen verrattuna, se on tärkeä ja kasvava ala sekä akateemisissa että teollisissa ympäristöissä, koska se pystyy lisäämään kemiallisen synteesin selektiivisyyttä ja tehokkuutta.Tämä ulottuu yksinkertaisten orgaanisten molekyylien1 muodostumisesta farmaseuttisiin yhdisteisiin2,3 ja luonnontuotteisiin4,5,6.Yli 50 % hienokemian- ja lääketeollisuuden reaktioista voi hyötyä jatkuvasta virtauksesta7.
Viime vuosina on ollut kasvava suuntaus ryhmille, jotka pyrkivät korvaamaan perinteiset lasitavarat tai virtauskemian laitteet mukautuvilla kemiallisilla "reaktoreilla"8.Näiden menetelmien iteratiivinen suunnittelu, nopea valmistus ja kolmiulotteiset (3D) ominaisuudet ovat hyödyllisiä niille, jotka haluavat mukauttaa laitteitaan tiettyjä reaktioita, laitteita tai olosuhteita varten.Tähän mennessä tämä työ on keskittynyt lähes yksinomaan polymeeripohjaisten 3D-tulostustekniikoiden, kuten stereolitografian (SL)9,10,11, FDM (Fused Deposition Modeling)8,12,13,14 ja mustesuihkutulostuksen7,15 käyttöön., 16. Tällaisten laitteiden luotettavuuden ja kyvyn puute suorittaa monenlaisia ​​kemiallisia reaktioita/analyysejä17, 18, 19, 20 on merkittävä rajoittava tekijä AM:n laajemmalle käytölle tällä alalla17, 18, 19, 20.
Virtauskemian lisääntyvän käytön ja AM:hen liittyvien suotuisten ominaisuuksien vuoksi on tutkittava parempia tekniikoita, joiden avulla käyttäjät voivat valmistaa virtausreaktioastioita, joilla on paremmat kemialliset ja analyyttiset ominaisuudet.Näiden menetelmien pitäisi antaa käyttäjille mahdollisuus valita useista lujista tai toiminnallisista materiaaleista, jotka pystyvät toimimaan monenlaisissa reaktio-olosuhteissa, sekä helpottamaan erilaisia ​​analyyttisten tulosten muotoja laitteesta reaktion seurannan ja hallinnan mahdollistamiseksi.
Yksi lisäainevalmistusprosessi, jota voidaan käyttää räätälöityjen kemiallisten reaktorien kehittämiseen, on Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM).Tämä solid-state-levyjen laminointimenetelmä soveltaa ultraäänivärähtelyä ohuisiin metallikalvoihin liittääkseen ne yhteen kerros kerrokselta minimaalisella tilavuuslämmityksellä ja suurella muovivirtauksella 21, 22, 23. Toisin kuin useimmat muut AM-tekniikat, UAM voidaan integroida suoraan vähentävään tuotantoon, joka tunnetaan hybridivalmistusprosessina, jossa määräajoin in situ -materiaalin numeerinen käsittely 2 jyrsii 5 tai CNC:n 2 muodon4. tarkoittaa, että käyttäjä ei rajoitu ongelmiin, jotka liittyvät alkuperäisen rakennusmateriaalin jäännösten poistamiseen pienistä nestekanavista, mikä on usein tilanne jauhe- ja nestejärjestelmissä AM26,27,28.Tämä suunnitteluvapaus ulottuu myös saatavilla olevien materiaalien valintaan – UAM voi liittää termisesti samankaltaisten ja erilaisten materiaalien yhdistelmiä yhdessä prosessivaiheessa.Materiaaliyhdistelmien valinta sulatusprosessin ulkopuolella tarkoittaa, että tiettyjen sovellusten mekaaniset ja kemialliset vaatimukset voidaan täyttää paremmin.Kiinteän sidoksen lisäksi toinen ultraäänisidoksessa esiintyvä ilmiö on muovimateriaalien korkea juoksevuus suhteellisen alhaisissa lämpötiloissa29,30,31,32,33.Tämä UAM:n ainutlaatuinen ominaisuus mahdollistaa mekaanisten/lämpöelementtien sijoittamisen metallikerrosten väliin ilman vaurioita.Sulautetut UAM-anturit voivat helpottaa reaaliaikaisen tiedon toimittamista laitteesta käyttäjälle integroidun analytiikan avulla.
Kirjoittajien aiemmat työt32 osoittivat UAM-prosessin kyvyn luoda metallisia 3D-mikrofluidirakenteita, joissa on sulautetut tunnistusominaisuudet.Tämä laite on tarkoitettu vain valvontatarkoituksiin.Tämä artikkeli esittelee ensimmäisen esimerkin UAM:n valmistamasta mikrofluidikemiallisesta reaktorista, aktiivisesta laitteesta, joka ei vain ohjaa, vaan myös indusoi kemiallista synteesiä rakenteellisesti integroitujen katalyyttisten materiaalien avulla.Laitteessa yhdistyvät useita UAM-teknologiaan liittyviä etuja 3D-kemiallisten laitteiden valmistuksessa, kuten: kyky muuntaa täydellinen 3D-suunnittelu suoraan tietokoneavusteisesta suunnittelumallista (CAD) tuotteeksi;monimateriaalivalmistus korkean lämmönjohtavuuden ja katalyyttisten materiaalien yhdistelmää varten sekä lämpöanturit, jotka on upotettu suoraan reaktanttivirtojen väliin reaktiolämpötilan tarkkaa säätöä ja hallintaa varten.Reaktorin toiminnallisuuden osoittamiseksi syntetisoitiin kirjasto farmaseuttisesti tärkeitä 1,4-disubstituoituja 1,2,3-triatsoliyhdisteitä kuparikatalysoidulla 1,3-dipolaarisella Huisgen-sykloadditiolla.Tämä työ korostaa, kuinka materiaalitieteen ja tietokoneavusteisen suunnittelun käyttö voi avata uusia mahdollisuuksia ja mahdollisuuksia kemialle poikkitieteellisen tutkimuksen kautta.
Kaikki liuottimet ja reagenssit ostettiin Sigma-Aldrichilta, Alfa Aesarilta, TCI:ltä tai Fischer Scientificilta ja niitä käytettiin ilman edeltävää puhdistusta.1H- ja 13C NMR-spektrit, jotka on tallennettu taajuudella 400 ja 100 MHz, vastaavasti, saatiin JEOL ECS-400 400 MHz spektrometrillä tai Bruker Avance II 400 MHz spektrometrillä, jossa oli CDCl3 tai (CD3)2SO liuottimena.Kaikki reaktiot suoritettiin käyttämällä Uniqsis FlowSyn -virtauskemian alustaa.
UAM:a käytettiin kaikkien laitteiden valmistukseen tässä tutkimuksessa.Tekniikka keksittiin vuonna 1999 ja sen teknisiä yksityiskohtia, toimintaparametreja ja kehitystä sen keksinnöstä lähtien voidaan tutkia seuraavien julkaistujen materiaalien avulla34,35,36,37.Laite (kuva 1) toteutettiin raskaalla 9 kW:n SonicLayer 4000® UAM -järjestelmällä (Fabrisonic, Ohio, USA).Virtauslaitteeseen valittiin materiaalit Cu-110 ja Al 6061. Cu-110:ssä on korkea kuparipitoisuus (vähintään 99,9 % kuparia), joten se soveltuu hyvin kuparikatalysoituihin reaktioihin ja sitä käytetään siksi "aktiivisena kerroksena mikroreaktorin sisällä".Al 6061 O:ta käytetään "bulkkimateriaalina".sekä analyysiin käytetty interkalaatiokerros;apumetallikomponenttien interkalaatio ja hehkutettu tila yhdessä Cu-110-kerroksen kanssa.todettiin kemiallisesti stabiiliksi tässä työssä käytettyjen reagenssien kanssa.Al 6061 O yhdessä Cu-110:n kanssa katsotaan myös yhteensopivaksi materiaaliyhdistelmäksi UAM:lle ja on siksi sopiva materiaali tähän tutkimukseen38,42.Nämä laitteet on lueteltu alla olevassa taulukossa 1.
Reaktorin valmistusvaiheet (1) 6061-alumiiniseossubstraatti (2) Alemman kanavan valmistus kuparifoliosta (3) Termoparien asettaminen kerrosten väliin (4) Ylempi kanava (5) Tulo- ja ulostulo (6) Monoliittinen reaktori.
Nestekanavan suunnittelufilosofia on käyttää mutkaista polkua lisäämään nesteen kulkemaa matkaa sirun sisällä säilyttäen samalla hallittavissa olevan lastun koon.Tämä etäisyyden lisäys on toivottavaa katalyytin ja reagoivan aineen kosketusajan pidentämiseksi ja erinomaisten tuotesaantojen aikaansaamiseksi.Lastuissa käytetään 90° mutkia suoran polun päissä pyörteisen sekoittumisen aikaansaamiseksi laitteessa44 ja nesteen kosketusajan lisäämiseksi pinnan (katalysaattorin) kanssa.Saavutettavan sekoittumisen tehostamiseksi entisestään reaktorin rakenne sisältää kaksi Y-liitokseksi yhdistettyä lähtöaineen sisääntuloa ennen sekoituskierukkaosaan menoa.Kolmas sisäänkäynti, joka ylittää virtauksen residenssinsä puolivälissä, sisältyy tulevien monivaiheisten synteesireaktioiden suunnitelmaan.
Kaikilla kanavilla on neliömäinen profiili (ei kartiomaisia ​​kulmia), mikä on seurausta säännöllisestä CNC-jyrsimisestä, jota käytetään kanavan geometrian luomiseen.Kanavan mitat on valittu tarjoamaan korkea (mikroreaktorille) tilavuussaanto, mutta kuitenkin riittävän pieni helpottamaan vuorovaikutusta pinnan (katalyyttien) kanssa useimmille sen sisältämille nesteille.Sopiva koko perustuu tekijöiden aiempaan kokemukseen metalli-neste-reaktiolaitteista.Lopullisen kanavan sisämitat olivat 750 um x 750 um ja reaktorin kokonaistilavuus oli 1 ml.Sisäänrakennettu liitin (1/4″-28 UNF-kierre) on sisällytetty suunnitteluun, mikä mahdollistaa laitteen helpon liittämisen kaupallisiin virtauskemiallisiin laitteisiin.Kanavan kokoa rajoittavat kalvomateriaalin paksuus, sen mekaaniset ominaisuudet ja ultraäänellä käytetyt sidosparametrit.Tietyllä materiaalin leveydellä materiaali "vajoaa" luotuun kanavaan.Tällä hetkellä ei ole olemassa erityistä mallia tälle laskennalle, joten kanavan maksimileveys tietylle materiaalille ja mallille määritetään kokeellisesti, jolloin 750 µm:n leveys ei aiheuta painumista.
Kanavan muoto (neliö) määritetään neliöleikkurilla.Kanavien muotoa ja kokoa voidaan muuttaa CNC-koneilla erilaisilla leikkaustyökaluilla eri virtausnopeuksien ja ominaisuuksien saamiseksi.Esimerkki kaarevan kanavan luomisesta 125 µm työkalulla löytyy Monaghan45:stä.Kun kalvokerros levitetään tasaiseksi, kalvomateriaalin levittäminen kanaviin on tasainen (neliömäinen).Tässä työssä käytettiin neliömäistä ääriviivaa kanavasymmetrian säilyttämiseksi.
Ohjelmoidun tuotannon tauon aikana lämpöparin lämpötila-anturit (tyyppi K) on rakennettu suoraan laitteeseen ylemmän ja alemman kanavaryhmän väliin (kuva 1 – vaihe 3).Nämä termoparit voivat ohjata lämpötilan muutoksia -200 - 1350 °C.
Metallin pinnoitusprosessi suoritetaan UAM-torven avulla käyttämällä metallikalvoa, jonka leveys on 25,4 mm ja paksuus 150 mikronia.Nämä kalvokerrokset on yhdistetty sarjaan vierekkäisiä nauhoja peittämään koko rakennusalueen;kerrostetun materiaalin koko on suurempi kuin lopputuotteen, koska vähennysprosessi luo lopullisen puhtaan muodon.CNC-työstöllä koneistetaan laitteen ulko- ja sisäääriviivat, jolloin laitteiston ja kanavien pintakäsittely vastaa valittua työkalua ja CNC-prosessiparametreja (tässä esimerkissä noin 1,6 µm Ra).Jatkuvia, jatkuvia ultraäänimateriaalin ruiskutus- ja työstösyklejä käytetään koko laitteen valmistusprosessin ajan, jotta mittatarkkuus säilyy ja valmis osa täyttää CNC:n hienojyrsinnän tarkkuustasot.Tässä laitteessa käytetyn kanavan leveys on riittävän pieni varmistamaan, että kalvomateriaali ei "vajoa" nestekanavassa, joten kanavalla on neliömäinen poikkileikkaus.Valmistuskumppani (Fabrisonic LLC, USA) määritti kokeellisesti foliomateriaalin mahdolliset aukot ja UAM-prosessin parametrit.
Tutkimukset ovat osoittaneet, että UAM-yhdisteen rajapinnassa 46, 47 elementtien diffuusiota on vähän ilman lisälämpökäsittelyä, joten tässä työssä oleville laitteille Cu-110-kerros pysyy erilaisena kuin Al 6061 -kerros ja muuttuu dramaattisesti.
Asenna esikalibroitu vastapaineensäädin (BPR) paineeseen 250 psi (1724 kPa) reaktorin jälkeen ja pumppaa vettä reaktorin läpi nopeudella 0,1-1 ml min-1.Reaktorin painetta tarkkailtiin käyttämällä järjestelmään sisäänrakennettua FlowSyn-paineanturia sen varmistamiseksi, että järjestelmä pystyi ylläpitämään tasaisen tasaisen paineen.Mahdollisia lämpötilagradientteja virtausreaktorissa testattiin etsimällä eroja reaktoriin rakennettujen termoparien ja FlowSyn-sirun lämpölevyyn rakennettujen termoparien välillä.Tämä saavutetaan muuttamalla ohjelmoitua keittoalueen lämpötilaa välillä 100–150 °C 25 °C:n askelin ja tarkkailemalla ohjelmoidun ja tallennettujen lämpötilojen välisiä eroja.Tämä saavutettiin käyttämällä tc-08-dataloggeria (PicoTech, Cambridge, UK) ja mukana tulevaa PicoLog-ohjelmistoa.
Fenyyliasetyleenin ja jodietaanin sykloadditioreaktion olosuhteet on optimoitu (kaavio 1 - fenyyliasetyleenin ja jodietaanin sykloadditio, kaavio 1 - fenyyliasetyleenin ja jodietaanin sykloadditio).Tämä optimointi suoritettiin käyttämällä kokeiden täydellistä tekijäsuunnittelua (DOE) käyttämällä lämpötilaa ja viipymisaikaa muuttujina samalla kun alkyyni:atsidi-suhde kiinnitettiin arvoon 1:2.
Valmistettiin erilliset liuokset natriumatsidista (0,25 M, 4:1 DMF:H20), jodietaanista (0,25 M, DMF) ja fenyyliasetyleenistä (0,125 M, DMF).Kutakin liuosta sekoitettiin 1,5 ml:n alikvootti ja pumpattiin reaktorin läpi halutulla virtausnopeudella ja lämpötilalla.Mallin vaste otettiin triatsolituotteen piikin pinta-alan suhteeksi fenyyliasetyleenin lähtöaineeseen ja määritettiin käyttämällä korkean erotuskyvyn nestekromatografiaa (HPLC).Analyysin johdonmukaisuuden vuoksi kaikki reaktiot otettiin välittömästi sen jälkeen, kun reaktioseos oli poistunut reaktorista.Optimointiin valitut parametrialueet on esitetty taulukossa 2.
Kaikki näytteet analysoitiin käyttämällä Chromaster HPLC -järjestelmää (VWR, PA, USA), joka koostui kvaternaaripumpusta, kolonniuunista, säädettävän aallonpituuden UV-detektorista ja automaattisesta näytteenottimesta.Pylväs oli Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA), 4,6 x 100 mm, 5 um hiukkaskoko, pidetty 40 °C:ssa.Liuotin oli isokraattinen metanoli:vesi 50:50 virtausnopeudella 1,5 ml·min-1.Injektiotilavuus oli 5 μl ja detektorin aallonpituus 254 nm.DOE-näytteen piikin pinta-ala % laskettiin vain jäännösalkyeni- ja triatsolituotteiden piikkien pinta-aloista.Lähtöaineen lisääminen mahdollistaa vastaavien piikien tunnistamisen.
Reaktorianalyysin tulosten yhdistäminen MODDE DOE -ohjelmistoon (Umetrics, Malmö, Ruotsi) mahdollisti tulosten perusteellisen trendianalyysin ja optimaalisten reaktio-olosuhteiden määrittämisen tälle sykloadditiolle.Sisäänrakennetun optimoijan suorittaminen ja kaikkien tärkeiden mallitermien valitseminen luo joukon reaktio-olosuhteita, jotka on suunniteltu maksimoimaan tuotteen piikin pinta-ala samalla kun asetyleenin raaka-aineen piikin pinta-ala pienenee.
Katalyyttisen reaktiokammion kuparin pinnan hapetus saatiin aikaan käyttämällä reaktiokammion läpi virtaavaa vetyperoksidiliuosta (36 %) (virtausnopeus = 0,4 ml min-1, viipymäaika = 2,5 min) ennen kunkin triatsoliyhdisteen synteesiä.kirjasto.
Kun optimaalinen olosuhteiden joukko oli määritetty, niitä sovellettiin asetyleeni- ja haloalkaanijohdannaisten joukkoon pienen synteesikirjaston kokoamisen mahdollistamiseksi, mikä mahdollistaa näiden olosuhteiden soveltamisen laajemmalle mahdollisille reagensseille (kuvio 1).2).
Valmista erilliset liuokset natriumatsidista (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), halogeenialkaaneista (0,25 M, DMF) ja alkyyneistä (0,125 M, DMF).Kutakin liuosta sekoitettiin 3 ml:n alikvootit ja pumpattiin reaktorin läpi nopeudella 75 ul/min ja lämpötilassa 150 °C.Koko tilavuus kerättiin pulloon ja laimennettiin 10 ml:lla etyyliasetaattia.Näyteluos pestiin 3 x 10 ml:lla vettä.Vesipitoiset kerrokset yhdistettiin ja uutettiin 10 ml:lla etyyliasetaattia, sitten orgaaniset kerrokset yhdistettiin, pestiin 3 x 10 ml:lla suolavettä, kuivattiin MgS04:lla ja suodatettiin, sitten liuotin poistettiin tyhjössä.Näytteet puhdistettiin silikageelipylväskromatografialla käyttäen etyyliasetaattia ennen analyysiä HPLC:n,1H NMR:n,13C NMR:n ja korkean erotuskyvyn massaspektrometrian (HR-MS) yhdistelmällä.
Kaikki spektrit saatiin käyttämällä Thermofischer Precision Orbitrap -massaspektrometriä, jossa oli ESI ionisaatiolähteenä.Kaikki näytteet valmistettiin käyttämällä asetonitriiliä liuottimena.
TLC-analyysi suoritettiin piidioksidilevyillä, joissa oli alumiinisubstraatti.Levyt visualisoitiin UV-valolla (254 nm) tai vanilliinivärjäyksellä ja kuumentamalla.
Kaikki näytteet analysoitiin käyttämällä VWR Chromaster -järjestelmää (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK), joka oli varustettu automaattisella näytteenottimella, binääripumpulla kolonniuunilla ja yhden aallonpituuden detektorilla.Käytettiin ACE Equivalence 5 C18 -kolonnia (150 x 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Skotlanti).
Injektiot (5 µl) tehtiin suoraan laimennetusta raakareaktioseoksesta (laimennos 1:10) ja analysoitiin vesi:metanolilla (50:50 tai 70:30), lukuun ottamatta joitakin näytteitä käyttäen 70:30 liuotinjärjestelmää (merkitty tähtinumerolla ) virtausnopeudella 1,5 ml/min.Kolonnia pidettiin 40 °C:ssa.Ilmaisimen aallonpituus on 254 nm.
Näytteen piikin pinta-ala % laskettiin jäännösalkyynin, vain triatsolituotteen, piikin pinta-alasta, ja lähtöaineen lisääminen mahdollisti vastaavien piikien tunnistamisen.
Kaikki näytteet analysoitiin käyttämällä Thermo iCAP 6000 ICP-OES:ää.Kaikki kalibrointistandardit valmistettiin käyttämällä 1000 ppm Cu-standardiliuosta 2-prosenttisessa typpihapossa (SPEX Certi Prep).Kaikki standardit valmistettiin liuokseen, jossa oli 5 % DMF ja 2 % HNO3, ja kaikki näytteet laimennettiin 20 kertaa DMF-HNO3:n näyteliuoksella.
UAM käyttää ultraäänimetallihitsausta menetelmänä yhdistää metallikalvo, jota käytetään lopullisen kokoonpanon luomiseen.Ultraäänimetallihitsauksessa käytetään tärisevää metallityökalua (kutsutaan sarviksi tai ultraäänitorveksi) paineen kohdistamiseksi kalvoon/aiemmin lujitettuun kerrokseen, joka liimataan/aiemmin lujitetaan täryttämällä materiaalia.Jatkuvaa käyttöä varten sonotrodi on lieriömäinen ja rullaa materiaalin pinnalla liimaamalla koko alueen.Painetta ja tärinää käytettäessä materiaalin pinnalla olevat oksidit voivat halkeilla.Jatkuva paine ja tärinä voivat johtaa materiaalin karheuden tuhoutumiseen 36 .Tiivis kosketus paikallisen lämmön ja paineen kanssa johtaa sitten kiinteän faasin sidokseen materiaalin rajapinnoilla;se voi myös edistää koheesiota muuttamalla pintaenergiaa48.Sidosmekanismin luonne voittaa monet ongelmat, jotka liittyvät vaihtelevaan sulamislämpötilaan ja korkean lämpötilan vaikutuksiin, jotka mainitaan muissa lisäainevalmistustekniikoissa.Tämä mahdollistaa useiden eri materiaalikerrosten suoran liittämisen (eli ilman pintamuutoksia, täyteaineita tai liimoja) yhdeksi kiinteäksi rakenteeksi.
Toinen suotuisa tekijä CAM:lle on metallimateriaaleissa havaittu korkea muovivirtaus jopa matalissa lämpötiloissa, eli selvästi metallimateriaalien sulamispisteen alapuolella.Ultraäänivärähtelyn ja -paineen yhdistelmä aiheuttaa korkean paikallisen raerajavalinnan ja uudelleenkiteytymisen ilman merkittävää lämpötilan nousua, joka perinteisesti liittyy bulkkimateriaaleihin.Lopullista kokoonpanoa luotaessa tätä ilmiötä voidaan käyttää upottamaan aktiivisia ja passiivisia komponentteja metallikalvokerrosten väliin kerros kerrokselta.Elementit, kuten optinen kuitu 49, vahvistus 46, elektroniikka 50 ja termoparit (tämä työ), on integroitu onnistuneesti UAM-rakenteisiin aktiivisten ja passiivisten komposiittikokoonpanojen luomiseksi.
Tässä työssä käytettiin sekä erilaisia ​​materiaalisidontaominaisuuksia että UAM-interkalaatiokykyjä luomaan ihanteellinen mikroreaktori katalyyttisen lämpötilan säätöön.
Verrattuna palladiumiin (Pd) ja muihin yleisesti käytettyihin metallikatalyytteihin Cu-katalyytillä on useita etuja: (i) Taloudellisesti Cu on halvempaa kuin monet muut katalyysissä käytettävät metallit ja on siksi houkutteleva vaihtoehto kemianteollisuudelle (ii) Cu-katalysoitujen ristikytkentäreaktioiden valikoima laajenee ja näyttää jonkin verran täydentävän Cu-katalysoitua menetelmää. ed-reaktiot toimivat hyvin muiden ligandien puuttuessa.Nämä ligandit ovat usein rakenteellisesti yksinkertaisia ​​ja halpoja.haluttaessa, kun taas Pd-kemiassa käytetyt ovat usein monimutkaisia, kalliita ja ilmaherkkiä (iv) Cu, joka tunnetaan erityisesti kyvystään sitoa alkyynejä synteesissä, kuten Sonogashiran bimetallikatalysoitu kytkentä ja sykloadditio atsidien kanssa (klikkauskemia) (v) Cu voi myös edistää joidenkin nukleannin tyyppisten reaktioiden arylaatiota.
Äskettäin on osoitettu esimerkkejä kaikkien näiden reaktioiden heterogenoinnista Cu(0):n läsnä ollessa.Tämä johtuu suurelta osin lääketeollisuudesta ja kasvavasta keskittymisestä metallikatalyyttien talteenottoon ja uudelleenkäyttöön55,56.
Asetyleenin ja atsidin 1,2,3-triatsoliksi ensimmäistä kertaa ehdottamaa 1,3-dipolaarista sykloadditioreaktiota Huisgen ehdotti ensimmäisen kerran 1960-luvulla57, ja sitä pidetään synergistisenä demonstraatioreaktiona.Tuloksena saadut 1,2,3-triatsolifragmentit ovat erityisen kiinnostavia farmakoforina lääkekehityksessä johtuen niiden biologisista sovelluksista ja käytöstä erilaisissa terapeuttisissa aineissa 58 .
Tämä reaktio sai uutta huomiota, kun Sharpless ja muut esittelivät "napsautuskemian"59.Termiä "klikkauskemia" käytetään kuvaamaan vankkaa ja selektiivistä reaktiosarjaa uusien yhdisteiden ja kombinatoristen kirjastojen nopeaan synteesiin käyttämällä heteroatomista sidosta (CXC)60.Näiden reaktioiden synteettinen vetovoima johtuu niihin liittyvistä korkeista saannoista.olosuhteet ovat yksinkertaiset, hapen ja veden kestävyys ja tuotteiden erottaminen on yksinkertaista61.
Klassinen 1,3-dipolin Huisgen-sykloadditio ei kuulu "klikkauskemian" kategoriaan.Medal ja Sharpless osoittivat kuitenkin, että tämä atsidi-alkyynikytkentätapahtuma käy läpi 107–108 Cu(I):n läsnä ollessa verrattuna ei-katalyyttisen 1,3-dipolaarisen sykloadditionopeuden merkittävään kiihtymiseen 62,63.Tämä edistynyt reaktiomekanismi ei vaadi suojaryhmiä tai ankaria reaktio-olosuhteita ja tarjoaa lähes täydellisen konversion ja selektiivisyyden 1,4-disubstituoiduiksi 1,2,3-triatsoleiksi (anti-1,2,3-triatsoliksi) ajan kuluessa (kuvio 3).
Perinteisten ja kuparikatalysoitujen Huisgen-sykloadditioiden isometriset tulokset.Cu(I)-katalysoidut Huisgen-sykloadditiot tuottavat vain 1,4-disubstituoituja 1,2,3-triatsoleja, kun taas termisesti indusoidut Huisgen-sykloadditiot antavat tyypillisesti 1,4- ja 1,5-triatsoleille atsolistereoisomeerien 1:1-seoksen.
Useimmat protokollat ​​sisältävät stabiilien Cu(II)-lähteiden pelkistyksen, kuten CuS04:n tai Cu(II)/Cu(0)-yhdisteen pelkistyksen yhdessä natriumsuolojen kanssa.Verrattuna muihin metallikatalysoimiin reaktioihin Cu(I):n käytön tärkeimmät edut ovat edullinen ja helppo käsitellä.
Worrell et ai.:n kineettiset ja isotooppiset tutkimukset.65 ovat osoittaneet, että terminaalisten alkyynien tapauksessa kaksi ekvivalenttia kuparia osallistuu kunkin molekyylin reaktiivisuuden aktivoimiseen atsidin suhteen.Ehdotettu mekanismi etenee kuusijäsenisen kuparimetallirenkaan kautta, joka muodostuu koordinoimalla atsidi σ-sitoutuneeksi kupariasetylidiksi π-sidotun kuparin kanssa stabiilina luovuttajaligandina.Kuparin triatsolyylijohdannaisia ​​muodostuu renkaan supistumisen seurauksena, jota seuraa protonien hajoaminen, jolloin muodostuu triatsolituotteita ja katalyyttinen sykli sulkeutuu.
Vaikka virtauskemiallisten laitteiden edut on dokumentoitu hyvin, näihin järjestelmiin on haluttu integroida analyyttisiä työkaluja prosessien reaaliaikaista seurantaa varten paikan päällä66,67.UAM on osoittautunut sopivaksi menetelmäksi suunnitella ja valmistaa erittäin monimutkaisia ​​3D-virtausreaktoreita katalyyttisesti aktiivisista, lämpöä johtavista materiaaleista, joissa on suoraan upotetut anturielementit (kuva 4).
Alumiini-kuparivirtausreaktori, joka on valmistettu ultraääni-lisäainevalmistuksessa (UAM), jossa on monimutkainen sisäinen kanavarakenne, sisäänrakennetut termoparit ja katalyyttinen reaktiokammio.Sisäisten nestereittien visualisoimiseksi esitetään myös stereolitografiaa käyttäen valmistettu läpinäkyvä prototyyppi.
Sen varmistamiseksi, että reaktorit valmistetaan tulevia orgaanisia reaktioita varten, liuottimet on lämmitettävä turvallisesti niiden kiehumispisteen yläpuolelle;ne on paine- ja lämpötilatestattu.Painetestaus osoitti, että järjestelmä säilyttää vakaan ja vakiopaineen myös järjestelmän kohonneessa paineessa (1,7 MPa).Hydrostaattiset testit suoritettiin huoneenlämpötilassa käyttämällä nesteenä H2O:ta.
Sisäänrakennetun (Kuva 1) termoparin liittäminen lämpötilatietologgeriin osoitti, että termoparin lämpötila oli 6 °C (± 1 °C) FlowSyn-järjestelmän ohjelmoidun lämpötilan alapuolella.Tyypillisesti 10°C lämpötilan nousu kaksinkertaistaa reaktionopeuden, joten vain muutaman asteen lämpötilaero voi muuttaa reaktionopeutta merkittävästi.Tämä ero johtuu koko RPV:n lämpötilahäviöstä, joka johtuu valmistusprosessissa käytettyjen materiaalien korkeasta lämpödiffusiivisuudesta.Tämä lämpöpoikkeama on vakio, ja siksi se voidaan ottaa huomioon laitteistoa asetettaessa varmistaakseen, että reaktion aikana saavutetaan ja mitataan tarkkoja lämpötiloja.Siten tämä online-seurantatyökalu helpottaa reaktiolämpötilan tiukkaa hallintaa ja myötävaikuttaa prosessin tarkempaan optimointiin ja optimaalisten olosuhteiden kehittämiseen.Näitä antureita voidaan käyttää myös havaitsemaan eksotermisiä reaktioita ja estämään karkaavia reaktioita suurissa järjestelmissä.
Tässä artikkelissa esitelty reaktori on ensimmäinen esimerkki UAM-tekniikan soveltamisesta kemiallisten reaktorien valmistukseen, ja se käsittelee useita merkittäviä rajoituksia, jotka tällä hetkellä liittyvät näiden laitteiden AM/3D-tulostukseen, kuten: (i) Kuparin tai alumiiniseoksen käsittelyyn liittyvien havaittujen ongelmien ratkaiseminen (ii) parempi sisäinen kanavaresoluutio verrattuna materiaalin jauhepetisulatukseen (PBF) tai2 materiaalin virtausmenetelmiin (PBF) tai2 -tekstit (S- ja valikoiva pintasulatus)5, 6 (iii) matalampi prosessointilämpötila, mikä mahdollistaa antureiden suoran kytkemisen, mikä ei ole mahdollista jauhepetiteknologiassa, (v) polymeeripohjaisten komponenttien huonojen mekaanisten ominaisuuksien ja herkkyyden voittaminen erilaisille yleisille orgaanisille liuottimille17,19.
Reaktorin toimivuus osoitettiin sarjalla kuparikatalysoituja alkinatsidisykloadditioreaktioita jatkuvassa virtausolosuhteissa (kuvio 2).Kuvassa 2 esitetty ultraäänipainettu kuparireaktori.4 integroitiin kaupalliseen virtausjärjestelmään ja sitä käytettiin erilaisten 1,4-disubstituoitujen 1,2,3-triatsolien atsidikirjaston syntetisoimiseen käyttämällä asetyleenin ja alkyyliryhmähalogenidien lämpötilasäädeltyä reaktiota natriumkloridin läsnä ollessa (kuvio 3).Jatkuvavirtausmenetelmän käyttö vähentää panosprosesseissa mahdollisesti syntyviä turvallisuusongelmia, koska tämä reaktio tuottaa erittäin reaktiivisia ja vaarallisia atsidivälituotteita [317], [318].Aluksi reaktio optimoitiin fenyyliasetyleenin ja jodietaanin sykloadditiolle (kaavio 1 – fenyyliasetyleenin ja jodietaanin sykloadditio) (katso kuva 5).
(Ylävasen) Kaavio kokoonpanosta, jota käytettiin 3DP-reaktorin liittämiseen virtausjärjestelmään (yläoikealla), joka on saatu Huisgen 57 -sykloadditiokaavion optimoidusta (alemmasta) kaaviosta fenyyliasetyleenin ja jodietaanin välillä optimointia varten ja näyttää reaktion optimoidut muuntonopeusparametrit.
Säätämällä reagoivien aineiden viipymisaikaa reaktorin katalyyttiosassa ja tarkkailemalla tarkasti reaktiolämpötilaa suoraan integroidulla termoparianturilla, reaktio-olosuhteet voidaan optimoida nopeasti ja tarkasti mahdollisimman vähän aikaa ja materiaaleja käyttäen.Nopeasti havaittiin, että suurin konversio saavutettiin käyttämällä 15 minuutin viipymisaikaa ja 150 °C:n reaktiolämpötilaa.MODDE-ohjelmiston kerroinkäyrästä voidaan nähdä, että sekä viipymäaika että reaktiolämpötila ovat tärkeitä mallin ehtoja.Sisäänrakennetun optimoijan käyttäminen näillä valituilla olosuhteilla luo joukon reaktio-olosuhteita, jotka on suunniteltu maksimoimaan tuotteen piikkien pinta-alat samalla kun vähennetään lähtöaineen piikkien alueita.Tämä optimointi tuotti 53 %:n konversion triatsolituotteesta, mikä vastasi tarkasti mallin ennustetta 54 %.