Kiitos vierailustasi Nature.comissa. Käyttämäsi selainversio tukee rajoitetusti CSS:ää. Parhaan kokemuksen saamiseksi suosittelemme käyttämään päivitettyä selainta (tai poistamaan yhteensopivuustilan Internet Explorerissa). Tällä välin tuen jatkamisen varmistamiseksi näytämme sivuston ilman tyylejä ja JavaScriptiä.
Additiivinen valmistus muuttaa tapaa, jolla tutkijat ja teollisuusyritykset suunnittelevat ja valmistavat kemiallisia laitteita vastaamaan erityistarpeisiinsa. Tässä työssä raportoimme ensimmäisen esimerkin virtausreaktorista, joka on muodostettu solid-state metallilevyjen laminointitekniikalla Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM) ja jossa on suoraan integroituja katalyyttisiä osia ja anturielementtejä. UAM-tekniikka ei ainoastaan ​​ratkaise monia tällaisten laitteiden valmistuksen tehokkuutta, vaan myös tällä hetkellä lisäominaisuuksia. .Sarja biologisesti tärkeitä 1,4-disubstituoituja 1,2,3-triatsoliyhdisteitä syntetisoitiin ja optimoitiin onnistuneesti Cu-välitteisellä Huisgenin 1,3-dipolaarisella sykloadditioreaktiolla käyttäen UAM-kemiallista asetusta. UAM:n ainutlaatuisia ominaisuuksia ja jatkuvaa virtauskäsittelyä hyödyntämällä laite pystyy myös tarjoamaan reaktion todellista seurantaa ja katalysoimaan reaktioaikaa.
Merkittävien etujensa ansiosta virtauskemia on tärkeä ja kasvava ala sekä akateemisissa että teollisissa ympäristöissä, koska se pystyy lisäämään kemiallisen synteesin selektiivisyyttä ja tehokkuutta. Tämä ulottuu yksinkertaisista orgaanisten molekyylien muodostamisesta1 farmaseuttisiin yhdisteisiin2,3 ja luonnontuotteisiin4,5,6.Yli 50 % hienokemian- ja lääketeollisuuden reaktioista voi hyötyä jatkuvan virtauksen käsittelystä7.
Viime vuosina on ollut kasvava suuntaus ryhmille, jotka haluavat korvata perinteiset lasitavarat tai virtauskemian laitteet muokattavissa olevilla additiivisen valmistuksen (AM) kemian "reaktioastioilla"8. Näiden tekniikoiden iteratiivinen suunnittelu, nopea tuotanto ja kolmiulotteiset (3D) ominaisuudet ovat hyödyllisiä niille, jotka haluavat räätälöidä laitteitaan polymeerien, tiettyjen laitteiden, reaktioiden tai olosuhteiden mukaan. D-tulostustekniikat, kuten stereolitografia (SL) 9, 10, 11, sulatekerrostusmallinnus (FDM) 8, 12, 13, 14 ja mustesuihkutulostus 7, 15, 16. Tällaisten laitteiden kestävyyden ja kyvyn puute suorittaa monenlaisia ​​kemiallisia reaktioita/analyysejä17, 18, 19 on tämän kentän laajempi toteutus. 19, 20.
Virtauskemian lisääntyvän käytön ja AM:hen liittyvien suotuisten ominaisuuksien vuoksi on tarpeen tutkia kehittyneempiä tekniikoita, joiden avulla käyttäjät voivat valmistaa virtausreaktioastioita, joissa on parannetut kemialliset ja analyyttiset ominaisuudet. Näiden tekniikoiden pitäisi antaa käyttäjille mahdollisuus valita useista erittäin kestävistä tai toiminnallisista materiaaleista, jotka pystyvät käsittelemään monenlaisia ​​reaktio-olosuhteita, samalla kun ne mahdollistavat erilaisten reaktioiden ohjauksen ja ohjauksen eri muodoista.
Yksi lisäainevalmistusprosessi, jolla on potentiaalia kehittää räätälöityjä kemiallisia reaktoreita, on Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM). Tämä solid-state-levyjen laminointitekniikka soveltaa ultraäänivärähtelyjä ohuisiin metallikalvoihin niiden liittämiseksi yhteen kerros kerrokselta minimaalisella bulkkikuumennuksella ja korkealla muovivirtauksella. joka in situ jaksollinen tietokonenumeerinen ohjaus (CNC) jyrsintä tai lasertyöstö määrittelee sidosmateriaalikerroksen nettomuodon 24, 25. Tämä tarkoittaa, että käyttäjää eivät rajoita ongelmat, jotka liittyvät jäännösraaka-aineen poistamiseen pienistä nestekanavista, mikä on usein tilanne jauhe- ja nestemäisten lämpömateriaalien yhdistelmässä26,27,28. yhdessä prosessivaiheessa.Materiaaliyhdistelmien valinta sulatusprosessin ulkopuolella tarkoittaa, että tiettyjen sovellusten mekaaniset ja kemialliset vaatimukset voidaan täyttää paremmin. Kiinteän olomuodon sidoksen lisäksi toinen ultraääniliitoksen aikana kohdattava ilmiö on muovimateriaalien suuri virtaus suhteellisen alhaisissa lämpötiloissa29,30,31,32,33.Tämä UAM:n ainutlaatuinen ominaisuus voi helpottaa mekaanisten/lämpöisten elementtien väliin upottamista. laitteesta käyttäjälle integroidun analytiikan avulla.
Kirjoittajien aiemmat työt32 osoittivat UAM-prosessin kyvyn luoda metallisia 3D-mikrofluidirakenteita, joissa on integroidut tunnistusominaisuudet. Tämä on vain valvontalaite. Tässä artikkelissa on ensimmäinen esimerkki UAM:n valmistamasta mikrofluidikemiallisesta reaktorista;aktiivinen laite, joka ei vain valvo, vaan myös indusoi kemiallista synteesiä rakenteellisesti integroitujen katalyyttimateriaalien avulla. Laitteessa yhdistyvät useita UAM-teknologiaan liittyviä etuja kemiallisten 3D-laitteiden valmistuksessa, kuten: kyky muuntaa täydelliset 3D-mallit suoraan tietokoneavusteisista suunnittelumalleista tuotteiksi;monen materiaalin valmistus korkean lämmönjohtavuuden ja katalyyttisten materiaalien yhdistämiseksi;ja upottamalla lämpöanturit suoraan reagenssivirtojen väliin reaktion lämpötilan tarkkaa seurantaa ja säätöä varten. Reaktorin toimivuuden osoittamiseksi kuparikatalysoidulla Huisgen 1,3-dipolaarisella sykloadditiolla syntetisoitiin kirjasto farmaseuttisesti tärkeitä 1,4-disubstituoituja 1,2,3-triatsoliyhdisteitä. monitieteinen tutkimus.
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 MHz ja 100 MHz, saatiin käyttämällä JEOL ECS-400 400 MHz-spektrometriä 2- tai Bruker0 ACD123- tai Bruker0 ACD12-spektrometriä. liuottimena. Kaikki reaktiot suoritettiin käyttämällä Uniqsis FlowSyn -virtauskemian alustaa.
UAM:a käytettiin tässä tutkimuksessa kaikkien laitteiden valmistukseen.Teknologia keksittiin vuonna 1999, ja sen teknisiä yksityiskohtia, toimintaparametreja ja kehitystä sen keksinnöstä lähtien voi tutkia seuraavien julkaistujen materiaalien kautta34,35,36,37.Laite (kuva 1) toteutettiin käyttämällä ultrasuuritehoista, 9kW:n SonicLayer 4000® Cu, UAM-materiaalia, (valittu USA:n virtaus-UAM-järjestelmä). 10:ssä ja Al 6061.Cu-110:ssä on korkea kuparipitoisuus (vähintään 99,9 % kuparia), mikä tekee siitä hyvän ehdokkaan kuparin katalysoimiin reaktioihin, ja siksi sitä käytetään "aktiivisena kerroksena mikroreaktorissa".Al 6061 O:ta käytetään "bulkkimateriaalina", myös analyysissä käytetty upotuskerros;Seoksen apukomponenttien upotus ja hehkutettu kunto yhdistettynä Cu-110-kerrokseen.Al 6061 O on materiaali, jonka on osoitettu olevan erittäin yhteensopiva UAM-prosessien38, 39, 40, 41 kanssa ja joka on testattu ja todettu kemiallisesti stabiiliksi tässä työssä käytettyjen reagenssien kanssa.Al 6061 O:n ja Cu-110:n yhdistelmää pidetään myös UAM:n kanssa yhteensopivana materiaaliyhdistelmänä, joten se on sopiva materiaali tähän tutkimukseen.38,42 Nämä laitteet on lueteltu alla olevassa taulukossa 1.
Reaktorin valmistusvaiheet (1) Al 6061 -substraatti (2) Pohjakanavan valmistus kuparikalvoon (3) Termoparien upottaminen kerrosten väliin (4) Yläkanava (5) Tulo- ja ulostulo (6) Monoliittireaktori.
Nestereitin suunnittelufilosofia on käyttää kierrettyä polkua lisäämään nesteen kulkua sirun sisällä pitäen samalla siru hallittavissa olevassa koossa. Tämä etäisyyden lisääminen on toivottavaa pidentämään katalyytin/reagenssin vuorovaikutusaikaa ja tarjoamaan erinomaiset tuotesaannot. Sirut käyttävät 90° taivutuksia suoran reitin päissä ja lisäävät nesteen turbulenttia kosketusajan sisällä44. Lisää saavutettavaa sekoittumista, reaktorin suunnittelussa on kaksi reagenssin sisääntuloa, jotka on yhdistetty Y-risteyksessä ennen sisääntuloa serpentiinisekoitusosaan. Kolmas sisääntulo, joka leikkaa virran puolivälissä sen residenssissä, sisältyy tulevien monivaiheisten reaktiosynteesien suunnitteluun.
Kaikilla kanavilla on neliömäinen profiili (ei vetokulmia), joka on seurausta kanavageometrian luomiseen käytetystä jaksoittaisesta CNC-jyrsimisestä. Kanavan mitat on valittu siten, että saadaan suuri (mikroreaktorille) tilavuusteho, mutta ne ovat riittävän pieniä helpottamaan pintavuorovaikutusta (katalyytit) suurimmalle osalle sisältyvistä nesteistä. Sopiva koko perustuu tekijöiden aiempiin kokemuksiin metalli-50µm lopullisista reaktiokanavasta. 50 µm ja reaktorin kokonaistilavuus oli 1 ml. Suunnitteluun sisältyy integroitu liitin (1/4″—28 UNF-kierre), joka mahdollistaa laitteen yksinkertaisen liittämisen kaupallisiin virtauskemiallisiin laitteisiin.Kanavan kokoa rajoittavat kalvomateriaalin paksuus, sen mekaaniset ominaisuudet ja ultraäänellä käytetyt sidosparametrit.Tietylle materiaalille tietyllä leveydellä materiaali "vajoaa" luotuun kanavaan.Tällä hetkellä ei ole olemassa erityistä mallia tälle laskennalle, joten kanavan enimmäisleveys tietylle materiaalille ja suunnittelulle määritetään kokeellisesti;tässä tapauksessa 750 μm:n leveys ei aiheuta painumista.
Kanavan muoto (neliö) määritetään nelikulmaisella leikkurilla. Kanavien muotoa ja kokoa voidaan muuttaa CNC-koneilla eri leikkaustyökaluilla eri virtausnopeuksien ja ominaisuuksien saamiseksi. Esimerkki kaarevan muotoisen kanavan luomisesta 125 μm:n työkalulla löytyy Monaghanin työstä45. Kun foliokerros on kerrostettu tämän tasaisen tasomaisen kalvon päälle, pintakerros pinnoitetaan. Työssä käytettiin neliömäistä ääriviivaa kanavan symmetrian säilyttämiseksi.
Valmistuksen esiohjelmoidun tauon aikana lämpöparin lämpötila-anturit (tyyppi K) upotetaan suoraan laitteeseen ylemmän ja alemman kanavaryhmän väliin (Kuva 1 – Vaihe 3). Nämä termoparit voivat valvoa lämpötilan muutoksia -200 - 1350 °C.
Metallin pinnoitusprosessi suoritetaan UAM-sarvella käyttäen 25,4 mm leveää, 150 mikronia paksua metallikalvoa. Nämä kalvokerrokset on liitetty sarjaan vierekkäisiä nauhoja peittämään koko rakennusalueen;kerrostetun materiaalin koko on suurempi kuin lopputuotteen, koska vähennysprosessi tuottaa lopullisen nettomuodon.CNC-työstöä käytetään laitteen ulkoisten ja sisäisten ääriviivojen koneistamiseen, jolloin laitteiston ja kanavien pinnan viimeistely on yhtä suuri kuin valitun työkalun ja CNC-prosessin parametrit (tässä esimerkissä noin 1,6 μm Ra koko valmistusprosessin ajan takaavat jatkuvan, jatkuvan materiaalin mittausprosessin ja ultraäänisen koneistuksen). säilytetään ja valmis osa täyttää CNC-viimeistelyn jyrsinnän tarkkuustasot.Tässä laitteessa käytetty kanavan leveys on riittävän pieni varmistamaan, että foliomateriaali ei "vajoa" nestekanavaan, joten kanava säilyttää neliömäisen poikkileikkauksen. Mahdolliset aukot foliomateriaalissa ja UAM-prosessiparametrit määritti kokeellisesti valmistuskumppani (Fabrisonic LLC, USA).
Tutkimukset ovat osoittaneet, että UAM-sidosrajapinnassa 46, 47 tapahtuu vähän alkuainediffuusiota ilman lisälämpökäsittelyä, joten tässä työssä oleville laitteille Cu-110-kerros pysyy erossa Al 6061 -kerroksesta ja muuttuu äkillisesti.
Asenna esikalibroitu 250 psi:n (1724 kPa) vastapainesäädin (BPR) reaktorin ulostuloaukkoon ja pumppaa vettä reaktorin läpi nopeudella 0,1–1 ml min-1. Reaktorin painetta tarkkailtiin käyttämällä sisäänrakennettua FlowSyn-järjestelmän paineanturia, jotta varmistettiin, että järjestelmä pystyi ylläpitämään vakiolämpötilan ja tasaisen paine-eron koko reaktorissa. reaktoriin upotettujen termoparien ja FlowSyn-sirun lämpölevyyn upotettujen lämpöparien välillä.Tämä saavutetaan vaihtelemalla ohjelmoitavaa keittolevyn lämpötilaa 100 ja 150 °C:n välillä 25 °C:n välein ja huomioimalla ohjelmoitujen ja tallennettujen lämpötilojen väliset erot. Tämä saavutettiin käyttämällä tc-08-ohjelmistoa.
Fenyyliasetyleenin ja jodietaanin sykloadditioreaktio-olosuhteet optimoitiin (Kaavio 1 - Fenyyliasetyleenin ja jodietaanin sykloadditio Kaavio 1 - Fenyyliasetyleenin ja jodietaanin sykloadditio). Tämä optimointi suoritettiin kokeiden täydellisellä tekijäsuunnittelulla (DOE) käyttämällä muuttuvaa lämpötila- ja parametrisuhteen viipymisaikaa (DOE) -lähestymistapana: atsidea. 1:2.
Natriumatsidista (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), jodietaanista (0,25 M, DMF) ja fenyyliasetyleenistä (0,125 M, DMF) valmistettiin erilliset liuokset. Kutakin liuosta sekoitettiin 1,5 ml:n alikvootti ja pumpattiin reaktorin läpi halutulla mallin virtausnopeudella ja triaseteeni-lämpötilasuhteella triasetyylin ja herneen herneen suhteen. määritetty korkean erotuskyvyn nestekromatografialla (HPLC). Analyysin johdonmukaisuuden vuoksi kaikista reaktioista otettiin näytteet juuri 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. Kolonni oli Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA), kooltaan 4,6 × 100 mm, 5 µm. ol:vesi virtausnopeudella 1,5 ml.min-1. Injektiotilavuus oli 5 ui ja detektorin aallonpituus oli 254 nm. DOE-näytteen piikin pinta-ala % laskettiin vain jäljelle jääneiden alkyyni- ja triatsolituotteiden piikkien pinta-aloista. Lähtöaineen injektio mahdollistaa relevanttien piikien tunnistamisen.
Reaktorin analyysin tuotoksen kytkeminen MODDE DOE -ohjelmistoon (Umetrics, Malmö, Ruotsi) mahdollisti tulosten suuntausten perusteellisen analyysin ja optimaalisten reaktio-olosuhteiden määrittämisen tälle sykloadditiolle. Sisäänrakennetun optimoijan suorittaminen ja kaikkien tärkeiden mallitermien valitseminen tuottaa joukon reaktio-olosuhteita, jotka on suunniteltu maksimoimaan tuotteen piikin pinta-ala ja samalla vähentämään asetyleenin piikin lähtöainepinta-alaa.
Pintakuparin hapetus katalyyttisen reaktiokammion sisällä saavutettiin käyttämällä vetyperoksidiliuosta (36 %), joka virtasi reaktiokammion läpi (virtausnopeus = 0,4 ml min-1, viipymäaika = 2,5 min) ennen kunkin triatsoliyhdistekirjaston synteesiä.
Kun optimaalinen olosuhteiden joukko oli tunnistettu, niitä sovellettiin useisiin asetyleeni- ja haloalkaanijohdannaisiin pienen kirjaston synteesin kokoamisen mahdollistamiseksi, mikä varmisti kyvyn soveltaa näitä olosuhteita laajempaan valikoimaan mahdollisia reagensseja (kuva 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 µl.min-1 ja laimennettiin yhteensä 150 ml:lla. Näyteliuos pestiin 3 x 10 ml:lla vettä. Vesipitoiset kerrokset yhdistettiin ja uutettiin 10 ml:lla etyyliasetaattia;orgaaniset kerrokset yhdistettiin sitten, pestiin 3 x 10 ml:lla suolaliuosta, kuivattiin MgS04:lla ja suodatettiin, sitten liuotin poistettiin tyhjössä. Näytteet puhdistettiin pylväskromatografialla silikageelillä käyttäen etyyliasetaattia ennen analyysiä HPLC:n,1H NMR:n,13C NMR:n ja korkean erotuskyvyn massaspektrometrian (HR-MS) yhdistelmällä.
Kaikki spektrit hankittiin käyttämällä Thermofischerin tarkkuus Orbitrap -resoluutiomassaspektrometriä ESI:n kanssa ionisaatiolähteenä. Kaikki näytteet valmistettiin käyttämällä asetonitriiliä liuottimena.
TLC-analyysi suoritettiin alumiinitaustaisilla piidioksidilevyillä. Levyt visualisoitiin UV-valolla (254 nm) tai vanilliinivärjäyksellä ja kuumentamalla.
Kaikki näytteet analysoitiin käyttämällä VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) -järjestelmää, joka oli varustettu automaattisella näytteenottimella, kolonniuunin binaaripumpulla ja yhden aallonpituuden detektorilla. Käytetty kolonni oli ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4,6 mm, Advanced Chromatography, Scotland Technologies, Ltd.).
Injektiot (5 µL) tehtiin suoraan laimennetusta raakareaktioseoksesta (1:10 laimennus) ja analysoitiin vesi:metanolilla (50:50 tai 70:30), lukuun ottamatta joitakin näytteitä käyttäen 70:30 liuotinjärjestelmää (merkitty tähtinumerolla) virtausnopeudella 1,5 ml/min. Kolonni pidettiin 4 tai 2 °C:ssa.
Näytteen piikin pinta-ala % laskettiin jäännösalkyynin, vain triatsolituotteen, piikin pinta-alasta, ja lähtöaineen injektio mahdollisti asiaankuuluvien piikien tunnistamisen.
Kaikki näytteet analysoitiin käyttämällä Thermo iCAP 6000 ICP-OES -laitetta. Kaikki kalibrointistandardit valmistettiin käyttämällä 1000 ppm Cu-standardiliuosta 2-prosenttisessa typpihapossa (SPEX Certi Prep). Kaikki standardit valmistettiin 5-prosenttisessa DMF- ja 2-prosenttisessa HNO3-liuoksessa, ja kaikki näytteet laimennettiin näyte-DMF-NO3-kertaisesti.
UAM käyttää ultraäänimetallihitsausta kiinnitystekniikana metallikalvomateriaalille, jota käytetään lopullisen kokoonpanon rakentamiseen. Ultraäänimetallihitsauksessa käytetään tärisevää metallityökalua (kutsutaan sarviksi tai ultraäänitorveksi), joka kohdistaa painetta kalvokerrokseen/aiemmin lujitettuun kerrokseen, joka liimataan samalla kun materiaali värisee. tärinää käytetään, materiaalin pinnalla olevat oksidit voivat halkeilla. Jatkuva paine ja tärinä voivat aiheuttaa materiaalin epäpuhtauksien romahtamista 36. Läheinen kosketus paikallisesti aiheutetun lämmön ja paineen kanssa johtaa sitten kiinteään tilaan materiaalin rajapinnoilla;se voi myös auttaa adheesiota pintaenergian muutoksilla48.Sidontamekanismin luonne ratkaisee monet ongelmat, jotka liittyvät vaihtelevaan sulamislämpötilaan ja korkean lämpötilan jälkivaikutuksiin, jotka mainitaan muissa lisäainevalmistustekniikoissa. Tämä mahdollistaa useiden eri materiaalien kerrosten suoran liittämisen (eli ilman pintamuutoksia, täyteaineita tai liimoja) yhdeksi kiinteäksi rakenteeksi.
Toinen UAM:lle suotuisa tekijä on metallimateriaaleissa havaittu korkea muovivirtaus jopa matalissa lämpötiloissa, eli selvästi metallimateriaalien sulamispisteen alapuolella. Ultraäänivärähtelyn ja paineen yhdistelmä saa aikaan korkean paikallisen raerajojen kulkeutumisen ja uudelleenkiteytymisen ilman suurta lämpötilan nousua, joka perinteisesti liittyy bulkkimateriaaleihin. Rakentamisen aikana metallikerrosten rakennusvaiheen aikana tämä ilmiö voidaan aktivoida läpivientikerrosten ja kerroksen välillä. Elementit, kuten optiset kuidut 49, vahvistukset 46, elektroniikka 50 ja termoparit (tämä työ), on kaikki onnistuneesti upotettu UAM-rakenteisiin aktiivisten ja passiivisten komposiittikokoonpanojen luomiseksi.
Tässä työssä sekä UAM:n eri materiaalisidonta- että interkalaatiomahdollisuuksia on käytetty äärimmäisen katalyyttisen lämpötilanvalvontamikroreaktorin luomiseen.
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. s toimivat hyvin muiden ligandien puuttuessa. Nämä ligandit ovat usein rakenteeltaan yksinkertaisia ​​ja haluttaessa edullisia, kun taas Pd-kemiassa käytetyt ovat usein monimutkaisia, kalliita ja ilmaherkkiä (iv) Cu, joka tunnetaan erityisesti kyvystään sitoa alkyynejä synteesissä, Esimerkiksi bimetallikatalysoitua Sonogashiraa (myös atsosykloaditiivistumista) useiden nukleofiilien arylaatio Ullmann-tyyppisissä reaktioissa.
Esimerkkejä kaikkien näiden reaktioiden heterogenisoinnista on äskettäin osoitettu Cu(0) läsnäollessa. Tämä johtuu suurelta osin lääketeollisuudesta ja kasvavasta keskittymisestä metallikatalyytin talteenottoon ja uudelleenkäyttöön55,56.
Huisgenin edelläkävijä 1960-luvulla57 asetyleenin ja atsidin välistä 1,2,3-triatsoliksi muodostuvaa 1,3-dipolaarista sykloadditioreaktiota pidetään synergistisenä demonstraatioreaktiona. Tuloksena saadut 1,2,3-triatsoliosat ovat erityisen kiinnostavia farmakoforeina terapeuttisten aineiden 5 käyttösovelluksissa ja biologisten aineiden keksinnöissä8.
Tämä reaktio keskittyi jälleen, kun Sharpless ja muut esittelivät ”Click Chemistry” -konseptin 59. Termiä “napsauta kemia” käytetään kuvaamaan vankkaa, luotettavaa ja selektiivistä reaktiojoukkoa uusien yhdisteiden ja yhdistelmäkirjastojen nopeaan synteesiin (CXC) 60 60 näiden reaktioiden synteettisen vetovoiman ja vedenkestävyyden synteettisen vetovoiman ja vedenkestävyyden ja tuotteen erottelun avulla.
Klassinen Huisgenin 1,3-dipolisykloadditio ei kuulu "napsautuskemian" luokkaan. Medal ja Sharpless kuitenkin osoittivat, että tämä atsidi-alkyynikytkentätapahtuma käy läpi 107-108 Cu(I):n läsnäollessa verrattuna katalysoimattomaan 1,3-dipolaariseen mekanismiin. ryhmien tai ankarissa reaktio-olosuhteissa ja tuottaa lähes täydellisen konversion ja selektiivisyyden 1,4-disubstituoiduiksi 1,2,3-triatsoliksi (anti-1,2,3-triatsoli) aika-asteikolla (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 lämpö-indusoidut Huisgen-sykloadditiot tuottavat tyypillisesti 1,4- ja 1,1:-triatsolien stereoisomien seosta.
Useimmat protokollat ​​sisältävät stabiilien Cu(II)-lähteiden vähentämisen, kuten CuSO4:n tai Cu(II)/Cu(0)-lajin pelkistyksen yhdessä natriumsuolojen kanssa. Muihin metallikatalysoimiin reaktioihin verrattuna Cu(I):n käytön tärkeimmät edut ovat edullinen ja helppo käsitellä.
Worrell et ai.:n kineettiset ja isotooppiset leimaustutkimukset.65 osoitti, että terminaalisten alkyynien tapauksessa kaksi ekvivalenttia kuparia osallistuu kunkin molekyylin reaktiivisuuden aktivointiin atsidia kohtaan. Ehdotettu mekanismi etenee kuusijäsenisen kuparimetallirenkaan kautta, joka muodostuu koordinoimalla atsidi σ-sidokseksi kupariasetylidiksi, jonka jälkeen muodostuu π-sidottu kupari kutistuvana kutistuvana kupariligandina. triatsolituotteet ja sulje katalyyttisykli.
Vaikka virtauskemiallisten laitteiden edut on dokumentoitu hyvin, näihin järjestelmiin on haluttu integroida analyyttisiä työkaluja in-line-, in situ-, prosessinvalvontaan66,67.UAM osoittautui sopivaksi menetelmäksi suunnitella ja valmistaa erittäin monimutkaisia ​​3D-virtausreaktoreita, jotka on valmistettu katalyyttisesti aktiivisista, lämpöä johtavista materiaaleista, joissa on suoraan upotettuja elementtejä4.
Alumiini-kuparivirtausreaktori, joka on valmistettu ultraääni-lisäainevalmistuksessa (UAM), jossa on monimutkainen sisäinen kanavarakenne, upotetut termoparit ja katalyyttinen reaktiokammio. Sisäisten nestereittien visualisoimiseksi on myös esitetty stereolitografiaa käyttäen valmistettu läpinäkyvä prototyyppi.
Sen varmistamiseksi, että reaktorit valmistetaan tulevia orgaanisia reaktioita varten, liuottimet on lämmitettävä turvallisesti kiehumispisteen yläpuolelle;ne on paine- ja lämpötilatestattu. Painetesti osoitti, että järjestelmä säilyttää vakaan ja vakiopaineen myös kohonneella järjestelmäpaineella (1,7 MPa). Hydrostaattinen testi suoritettiin huoneenlämpötilassa käyttämällä nesteenä H2O:ta.
Upotetun (Kuva 1) termoparin liittäminen lämpötilatietologgeriin osoitti, että termopari oli 6 °C (± 1 °C) viileämpi kuin FlowSyn-järjestelmän ohjelmoitu lämpötila. Yleensä 10 °C lämpötilan nousu johtaa reaktionopeuden kaksinkertaistumiseen, joten vain muutaman asteen lämpötilaero koko ajan voi muuttaa reaktionopeuden suurempaa lämpötilaeroa merkittävästi. valmistusprosessissa käytettyjen materiaalien tehokkuus.Tämä lämpöpoikkeama on johdonmukainen, ja siksi se voidaan ottaa huomioon laitteiston asetuksissa, jotta varmistetaan, että reaktion aikana saavutetaan ja mitataan tarkkoja lämpötiloja. Siksi tämä online-seurantatyökalu helpottaa reaktion lämpötilan tiukkaa hallintaa ja helpottaa prosessin tarkempaa optimointia ja optimaalisten olosuhteiden kehittämistä. Näitä antureita voidaan käyttää myös reaktion eksotermien tunnistamiseen ja karanneiden järjestelmien reaktioiden estämiseen suurissa järjestelmissä.
Tässä työssä esitelty reaktori on ensimmäinen esimerkki UAM-teknologian 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 raportoitujen ongelmien ratkaiseminen (ii) parannettu sisäinen kanavaresoluutio verrattuna jauhepetifuusioon (PBF) materiaalin sulatustekniikkaan (S6 tai Poker flow -laser2). (iii) Alennettu käsittelylämpötila, joka helpottaa antureiden suoraa liittämistä, mikä ei ole mahdollista jauhepetiteknologiassa, (v) voittaa polymeeripohjaisten komponenttien huonot mekaaniset ominaisuudet ja herkkyyden useille yleisille orgaanisille liuottimille17,19.
Reaktorin toimivuus osoitettiin sarjalla kuparikatalysoituja alkyyniatsidi-sykloadditioreaktioita jatkuvassa virtausolosuhteissa (kuva 2). Kuvassa 4 kuvattu ultraäänipainettu kuparireaktori integroitiin kaupalliseen virtausjärjestelmään ja sitä käytettiin syntetisoimaan erilaisten 1,4-disubstituoitujen halogenoitujen 1,2-halogeniatsoliryhmien kirjastoatsidit ja lämpötilasäätelyreaktioiden kautta. natriumkloridia (kuva 3). Jatkuvan virtauksen käyttö lieventää panosprosesseissa mahdollisesti syntyviä turvallisuusongelmia, koska tämä reaktio tuottaa erittäin reaktiivisia ja vaarallisia atsidivälituotteita [317], [318]. Alun perin reaktio optimoitiin fenyyliasetyleenin ja jodiasetyleenin (Sykemidoetanyyli) -sykemioetaneeni) (katso kuva 5).
(Ylävasemmalla) Kaavio kokoonpanosta, jota käytettiin 3DP-reaktorin liittämiseen virtausjärjestelmään (ylhäällä oikealla), joka on saatu Huisgenin sykloaddition 57 -kaavion optimoidussa (alhaalla) kaaviossa fenyyliasetyleenin ja jodietaanin välillä optimointia varten ja näyttää optimoitujen parametrien reaktion muuntonopeus.
Säätämällä reagenssien viipymisaikaa reaktorin katalyyttisessä osassa ja tarkkailemalla reaktiolämpötilaa suoraan integroidulla termoparisäätimellä reaktio-olosuhteet voidaan optimoida nopeasti ja tarkasti minimaalisella ajan- ja materiaalinkulutuksella. Nopeasti selvisi, että suurimmat konversiot saatiin, kun viipymäaikaa 15 minuuttia ja reaktiolämpötilaa 150 °C käytettiin, sekä reaktioaikamallin että reaktiolämpötilan kuvaajaa, sekä reaktiolämpötilamallia että MODDE-ohjelmistoa voidaan pitää tärkeänä. .Sisäänrakennetun optimoijan käyttäminen näitä valittuja termejä käyttäen luo sarjan reaktio-olosuhteita, jotka on suunniteltu maksimoimaan tuotteen huippualueita ja samalla vähentämään lähtöaineen piikin alueita. Tämä optimointi tuotti triatsolituotteen 53 %:n konversion, mikä vastasi tarkasti mallin ennustetta 54 %.
Kirjallisuuden perusteella, joka osoittaa, että kupari(I)oksidi (Cu2O) voi toimia tehokkaana katalyyttinä näissä reaktioissa nollaarvoisilla kuparipinnoilla, tutkittiin kykyä esihapettaa reaktorin pinta ennen reaktion suorittamista virtauksessa. lähtöaineen konversiossa, jonka laskettiin olevan > 99%. HPLC-seuranta kuitenkin osoitti, että tämä konversio lyhensi merkittävästi liian pitkää reaktioaikaa noin 90 minuuttiin asti, jolloin aktiivisuus näytti tasaantuvan ja saavuttavan "vakaan tilan". Tämä havainto viittaa siihen, että katalyyttisen aktiivisuuden lähde saadaan pinnalla hapettuvasta kuparioksidista ja CuO-substraatista, joka on helposti huoneenlämpötilassa kupari-kuparioksidi. jotka eivät ole itsesuojaavia kerroksia. Tämä eliminoi tarpeen lisätä kupari(II)-apulähdettä yhteiskoostumukseen71.