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La fabrication additive modifie la façon dont les chercheurs et les industriels conçoivent et fabriquent des dispositifs chimiques pour répondre à leurs besoins spécifiques.Dans cet article, nous rapportons le premier exemple d'un réacteur à flux formé par stratification de fabrication additive ultrasonique (UAM) d'une tôle solide avec des pièces catalytiques et des éléments de détection directement intégrés.La technologie UAM surmonte non seulement bon nombre des limitations actuellement associées à la fabrication additive de réacteurs chimiques, mais élargit également considérablement les capacités de ces dispositifs.Un certain nombre de composés de 1,2,3-triazole 1,4-disubstitués biologiquement importants ont été synthétisés et optimisés avec succès par une réaction de cycloaddition de Huisgen 1,3-dipolaire médiée par Cu à l'aide de l'installation de chimie UAM.En utilisant les propriétés uniques de l'UAM et du traitement en flux continu, l'appareil est capable de catalyser les réactions en cours et de fournir une rétroaction en temps réel pour surveiller et optimiser les réactions.
En raison de ses avantages significatifs par rapport à son homologue en vrac, la chimie en flux est un domaine important et en pleine croissance dans les milieux académiques et industriels en raison de sa capacité à augmenter la sélectivité et l'efficacité de la synthèse chimique.Cela va de la formation de molécules organiques simples1 aux composés pharmaceutiques2,3 et aux produits naturels4,5,6.Plus de 50 % des réactions dans les industries de la chimie fine et de la pharmacie peuvent bénéficier d'un flux continu7.
Depuis quelques années, les groupes cherchent de plus en plus à remplacer la verrerie traditionnelle ou les équipements de chimie en flux par des « réacteurs » chimiques adaptables8.La conception itérative, la fabrication rapide et les capacités tridimensionnelles (3D) de ces méthodes sont utiles pour ceux qui souhaitent personnaliser leurs appareils pour un ensemble particulier de réactions, d'appareils ou de conditions.À ce jour, ces travaux se sont concentrés presque exclusivement sur l'utilisation de techniques d'impression 3D à base de polymères telles que la stéréolithographie (SL)9,10,11, la modélisation par dépôt de fil fondu (FDM)8,12,13,14 et l'impression à jet d'encre7,15., 16. Le manque de fiabilité et de capacité de ces dispositifs à effectuer une large gamme de réactions/analyses chimiques17, 18, 19, 20 est un facteur limitant majeur pour une application plus large de la FA dans ce domaine17, 18, 19, 20.
En raison de l'utilisation croissante de la chimie en flux et des propriétés favorables associées à la FA, de meilleures techniques doivent être explorées qui permettront aux utilisateurs de fabriquer des récipients de réaction en flux avec une chimie et des capacités analytiques améliorées.Ces méthodes doivent permettre aux utilisateurs de choisir parmi une gamme de matériaux à haute résistance ou fonctionnels capables de fonctionner dans une large gamme de conditions de réaction, ainsi que de faciliter diverses formes de sortie analytique de l'appareil pour permettre la surveillance et le contrôle de la réaction.
Un processus de fabrication additive qui peut être utilisé pour développer des réacteurs chimiques personnalisés est la fabrication additive par ultrasons (UAM).Cette méthode de laminage de feuilles à l'état solide applique des vibrations ultrasonores à des feuilles métalliques minces pour les lier couche par couche avec un chauffage volumétrique minimal et un degré élevé d'écoulement plastique 21, 22, 23. Contrairement à la plupart des autres technologies AM, l'UAM peut être directement intégré à la production soustractive, connue sous le nom de processus de fabrication hybride, dans lequel le fraisage périodique in situ (CNC) ou le traitement au laser détermine la forme nette de la couche de matériau collé 24, 25. Cela signifie que l'utilisateur n'est pas limité à la problèmes liés à l'élimination des matériaux de construction d'origine résiduels des petits canaux de liquide, ce qui est souvent le cas dans les systèmes de poudre et de liquide AM26,27,28.Cette liberté de conception s'étend également au choix des matériaux disponibles - UAM peut lier des combinaisons de matériaux thermiquement similaires et différents en une seule étape de processus.Le choix de combinaisons de matériaux au-delà du processus de fusion signifie que les exigences mécaniques et chimiques d'applications spécifiques peuvent être mieux satisfaites.En plus du collage solide, un autre phénomène qui se produit avec le collage par ultrasons est la fluidité élevée des matières plastiques à des températures relativement basses29,30,31,32,33.Cette caractéristique unique de l'UAM permet de placer des éléments mécaniques/thermiques entre des couches métalliques sans dommage.Les capteurs UAM intégrés peuvent faciliter la transmission d'informations en temps réel de l'appareil à l'utilisateur grâce à des analyses intégrées.
Des travaux antérieurs des auteurs32 ont démontré la capacité du processus UAM à créer des structures microfluidiques 3D métalliques avec des capacités de détection intégrées.Cet appareil est uniquement à des fins de surveillance.Cet article présente le premier exemple d'un réacteur chimique microfluidique fabriqué par UAM, un dispositif actif qui non seulement contrôle mais induit également la synthèse chimique avec des matériaux catalytiques structurellement intégrés.Le dispositif combine plusieurs avantages associés à la technologie UAM dans la fabrication de dispositifs chimiques 3D, tels que : la possibilité de convertir une conception 3D complète directement d'un modèle de conception assistée par ordinateur (CAO) en un produit ;fabrication multi-matériaux pour une combinaison de conductivité thermique élevée et de matériaux catalytiques, ainsi que des capteurs thermiques intégrés directement entre les flux de réactifs pour un contrôle et une gestion précis de la température de réaction.Pour démontrer la fonctionnalité du réacteur, une bibliothèque de composés 1,4-disubstitués 1,2,3-triazole pharmaceutiquement importants a été synthétisée par cycloaddition de Huisgen 1,3-dipolaire catalysée par le cuivre.Ce travail met en évidence comment l'utilisation de la science des matériaux et de la conception assistée par ordinateur peut ouvrir de nouvelles possibilités et opportunités pour la chimie grâce à la recherche interdisciplinaire.
Tous les solvants et réactifs ont été achetés auprès de Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI ou Fischer Scientific et utilisés sans purification préalable.Les spectres RMN 1H et 13C enregistrés respectivement à 400 et 100 MHz ont été obtenus sur un spectromètre JEOL ECS-400 400 MHz ou un spectromètre Bruker Avance II 400 MHz avec CDCl3 ou (CD3)2SO comme solvant.Toutes les réactions ont été réalisées à l'aide de la plateforme de chimie en flux Uniqsis FlowSyn.
UAM a été utilisé pour fabriquer tous les dispositifs de cette étude.La technologie a été inventée en 1999 et ses détails techniques, ses paramètres de fonctionnement et ses développements depuis son invention peuvent être étudiés à l'aide des documents publiés suivants34,35,36,37.L'appareil (Fig. 1) a été mis en œuvre à l'aide d'un système UAM SonicLayer 4000® à haut rendement de 9 kW (Fabrisonic, Ohio, États-Unis).Les matériaux choisis pour le dispositif d'écoulement étaient le Cu-110 et l'Al 6061. Le Cu-110 a une teneur élevée en cuivre (minimum 99,9 % de cuivre), ce qui en fait un bon candidat pour les réactions catalysées par le cuivre et est donc utilisé comme « couche active à l'intérieur du microréacteur.Al 6061 O est utilisé comme matériau « en vrac »., ainsi que la couche d'intercalation utilisée pour l'analyse ;intercalation de composants d'alliage auxiliaires et état recuit en combinaison avec une couche de Cu-110.trouvé chimiquement stable avec les réactifs utilisés dans ce travail.Al 6061 O en combinaison avec Cu-110 est également considéré comme une combinaison de matériaux compatible pour l'UAM et est donc un matériau approprié pour cette étude38,42.Ces dispositifs sont répertoriés dans le tableau 1 ci-dessous.
Étapes de fabrication du réacteur (1) Substrat en alliage d'aluminium 6061 (2) Fabrication du canal inférieur à partir d'une feuille de cuivre (3) Insertion de thermocouples entre les couches (4) Canal supérieur (5) Entrée et sortie (6) Réacteur monolithique.
La philosophie de conception du canal de fluide consiste à utiliser un chemin tortueux pour augmenter la distance parcourue par le fluide à l'intérieur de la puce tout en maintenant une taille de puce gérable.Cette augmentation de distance est souhaitable pour augmenter le temps de contact catalyseur-réactif et fournir d'excellents rendements de produit.Les puces utilisent des coudes à 90° aux extrémités d'un chemin rectiligne pour induire un mélange turbulent dans le dispositif44 et augmenter le temps de contact du liquide avec la surface (catalyseur).Pour améliorer encore le mélange qui peut être obtenu, la conception du réacteur comprend deux entrées de réactif combinées dans une connexion en Y avant d'entrer dans la section de serpentin de mélange.La troisième entrée, qui traverse le flux à mi-chemin de sa résidence, est incluse dans le plan des futures réactions de synthèse multi-étapes.
Tous les canaux ont un profil carré (pas d'angles coniques), qui est le résultat du fraisage CNC périodique utilisé pour créer la géométrie du canal.Les dimensions du canal sont choisies pour fournir un rendement volumétrique élevé (pour un microréacteur), mais suffisamment petit pour faciliter l'interaction avec la surface (catalyseurs) pour la plupart des liquides qu'il contient.La taille appropriée est basée sur l'expérience passée des auteurs avec des dispositifs de réaction métal-liquide.Les dimensions internes du canal final étaient de 750 um x 750 um et le volume total du réacteur était de 1 ml.Un connecteur intégré (filetage 1/4″-28 UNF) est inclus dans la conception pour permettre une interface facile de l'appareil avec un équipement de chimie en flux commercial.La taille du canal est limitée par l'épaisseur du matériau de la feuille, ses propriétés mécaniques et les paramètres de liaison utilisés avec les ultrasons.À une certaine largeur pour un matériau donné, le matériau « s'affaissera » dans le canal créé.Il n'existe actuellement aucun modèle spécifique pour ce calcul, de sorte que la largeur maximale du canal pour un matériau et une conception donnés est déterminée expérimentalement, auquel cas une largeur de 750 µm ne provoquera pas d'affaissement.
La forme (carrée) du canal est déterminée à l'aide d'une fraise carrée.La forme et la taille des canaux peuvent être modifiées sur des machines CNC à l'aide de différents outils de coupe pour obtenir différents débits et caractéristiques.Un exemple de création d'un canal courbe avec un outil de 125 µm peut être trouvé dans Monaghan45.Lorsque la couche de feuille est appliquée à plat, l'application du matériau de feuille sur les canaux aura une surface plate (carrée).Dans ce travail, un contour carré a été utilisé pour préserver la symétrie du canal.
Lors d'une pause programmée dans la production, des capteurs de température à thermocouple (type K) sont intégrés directement dans l'appareil entre les groupes de voies supérieur et inférieur (Fig. 1 – étape 3).Ces thermocouples peuvent contrôler les changements de température de -200 à 1350 °C.
Le processus de dépôt de métal est réalisé par le cornet UAM à l'aide d'une feuille métallique de 25,4 mm de large et de 150 microns d'épaisseur.Ces couches de feuille sont reliées en une série de bandes adjacentes pour couvrir toute la zone de construction ;la taille du matériau déposé est plus grande que le produit final car le processus de soustraction crée la forme nette finale.L'usinage CNC est utilisé pour usiner les contours externes et internes de l'équipement, résultant en une finition de surface de l'équipement et des canaux correspondant à l'outil sélectionné et aux paramètres de processus CNC (dans cet exemple, environ 1,6 µm Ra).Des cycles continus et continus de pulvérisation et d'usinage de matériaux par ultrasons sont utilisés tout au long du processus de fabrication de l'appareil pour garantir que la précision dimensionnelle est maintenue et que la pièce finie répond aux niveaux de précision de fraisage fin CNC.La largeur du canal utilisé pour ce dispositif est suffisamment petite pour garantir que le matériau de la feuille ne "s'affaisse" pas dans le canal de fluide, de sorte que le canal a une section transversale carrée.Les éventuelles lacunes dans le matériau de la feuille et les paramètres du processus UAM ont été déterminés expérimentalement par le partenaire de fabrication (Fabrisonic LLC, USA).
Des études ont montré qu'à l'interface 46, 47 du composé UAM, il y a peu de diffusion d'éléments sans traitement thermique supplémentaire, donc pour les dispositifs de ce travail, la couche Cu-110 reste différente de la couche Al 6061 et change radicalement.
Installer un régulateur de contre-pression pré-calibré (BPR) à 250 psi (1724 kPa) en aval du réacteur et pomper de l'eau à travers le réacteur à un débit de 0,1 à 1 ml min-1.La pression du réacteur a été surveillée à l'aide du transducteur de pression FlowSyn intégré au système pour s'assurer que le système pouvait maintenir une pression constante constante.Les gradients de température potentiels dans le réacteur à flux ont été testés en recherchant toute différence entre les thermocouples intégrés au réacteur et les thermocouples intégrés à la plaque chauffante de la puce FlowSyn.Ceci est réalisé en modifiant la température programmée de la plaque chauffante entre 100 et 150 °C par incréments de 25 °C et en surveillant toute différence entre les températures programmées et enregistrées.Ceci a été réalisé à l'aide de l'enregistreur de données tc-08 (PicoTech, Cambridge, Royaume-Uni) et du logiciel PicoLog qui l'accompagne.
Les conditions de la réaction de cycloaddition du phénylacétylène et de l'iodoéthane sont optimisées (Schéma 1-Cycloaddition du phénylacétylène et de l'iodoéthane, Schéma 1-Cycloaddition du phénylacétylène et de l'iodoéthane).Cette optimisation a été réalisée à l'aide d'une approche de conception factorielle complète des expériences (DOE), en utilisant la température et le temps de séjour comme variables tout en fixant le rapport alcyne:azide à 1:2.
Des solutions séparées d'azide de sodium (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), d'iodoéthane (0,25 M, DMF) et de phénylacétylène (0,125 M, DMF) ont été préparées.Une aliquote de 1,5 ml de chaque solution a été mélangée et pompée à travers le réacteur au débit et à la température souhaités.La réponse du modèle a été prise comme le rapport de la surface du pic du produit triazole au matériau de départ du phénylacétylène et a été déterminée à l'aide de la chromatographie liquide à haute performance (HPLC).Pour la cohérence de l'analyse, toutes les réactions ont été prises immédiatement après que le mélange réactionnel ait quitté le réacteur.Les plages de paramètres sélectionnées pour l'optimisation sont présentées dans le tableau 2.
Tous les échantillons ont été analysés à l'aide d'un système HPLC Chromaster (VWR, PA, USA) composé d'une pompe quaternaire, d'un four à colonne, d'un détecteur UV à longueur d'onde variable et d'un échantillonneur automatique.La colonne était une Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA), 4,6 x 100 mm, granulométrie 5 pm, maintenue à 40°C.Le solvant était un mélange isocratique méthanol:eau 50:50 à un débit de 1,5 ml.min-1.Le volume d'injection était de 5 µl et la longueur d'onde du détecteur était de 254 nm.Le % de surface de pic pour l'échantillon DOE a été calculé à partir des surfaces de pic des produits résiduels d'alcyne et de triazole uniquement.L'introduction du produit de départ permet d'identifier les pics correspondants.
La combinaison des résultats de l'analyse du réacteur avec le logiciel MODDE DOE (Umetrics, Malmö, Suède) a permis une analyse approfondie des tendances des résultats et la détermination des conditions de réaction optimales pour cette cycloaddition.L'exécution de l'optimiseur intégré et la sélection de tous les termes de modèle importants créent un ensemble de conditions de réaction conçues pour maximiser la surface de pic du produit tout en diminuant la surface de pic de la charge d'acétylène.
L'oxydation de la surface du cuivre dans la chambre de réaction catalytique a été réalisée à l'aide d'une solution de peroxyde d'hydrogène (36 %) traversant la chambre de réaction (débit = 0,4 ml min-1, temps de séjour = 2,5 min) avant la synthèse de chaque composé triazole.bibliothèque.
Une fois que l'ensemble optimal de conditions a été déterminé, elles ont été appliquées à une gamme de dérivés d'acétylène et d'haloalcane pour permettre la compilation d'une petite bibliothèque de synthèse, établissant ainsi la possibilité d'appliquer ces conditions à une gamme plus large de réactifs potentiels (Fig. 1).2).
Préparer des solutions séparées d'azide de sodium (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), haloalcanes (0,25 M, DMF) et alcynes (0,125 M, DMF).Des aliquotes de 3 ml de chaque solution ont été mélangées et pompées à travers le réacteur à un débit de 75 ul/min et à une température de 150°C.Le volume entier a été recueilli dans un flacon et dilué avec 10 ml d'acétate d'éthyle.La solution d'échantillon a été lavée avec 3 x 10 ml d'eau.Les couches aqueuses ont été combinées et extraites avec 10 ml d'acétate d'éthyle, puis les couches organiques ont été combinées, lavées avec 3 x 10 ml de saumure, séchées sur MgS04 et filtrées, puis le solvant a été éliminé sous vide.Les échantillons ont été purifiés par chromatographie sur colonne de gel de silice en utilisant de l'acétate d'éthyle avant analyse par une combinaison de HPLC, RMN 1H, RMN 13C et spectrométrie de masse haute résolution (HR-MS).
Tous les spectres ont été obtenus à l'aide d'un spectromètre de masse Thermofischer Precision Orbitrap avec ESI comme source d'ionisation.Tous les échantillons ont été préparés en utilisant de l'acétonitrile comme solvant.
L'analyse par CCM a été effectuée sur des plaques de silice avec un substrat en aluminium.Les plaques ont été visualisées avec une lumière UV (254 nm) ou une coloration et un chauffage à la vanilline.
Tous les échantillons ont été analysés à l'aide d'un système VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, Royaume-Uni) équipé d'un échantillonneur automatique, d'une pompe binaire avec un four à colonne et d'un détecteur à une seule longueur d'onde.Une colonne ACE Equivalence 5 C18 (150 x 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Écosse) a été utilisée.
Les injections (5 µl) ont été faites directement à partir du mélange réactionnel brut dilué (dilution 1:10) et analysées avec de l'eau: méthanol (50:50 ou 70:30), à l'exception de certains échantillons utilisant un système de solvant 70:30 (noté numéro d'étoile ) à un débit de 1,5 ml/min.La colonne a été maintenue à 40°C.La longueur d'onde du détecteur est de 254 nm.
Le % de surface de pic de l'échantillon a été calculé à partir de la surface de pic de l'alcyne résiduel, le produit triazole uniquement, et l'introduction du produit de départ a permis d'identifier les pics correspondants.
Tous les échantillons ont été analysés à l'aide du Thermo iCAP 6000 ICP-OES.Tous les étalons d'étalonnage ont été préparés à l'aide d'une solution étalon de Cu à 1000 ppm dans de l'acide nitrique à 2 % (SPEX Certi Prep).Tous les étalons ont été préparés dans une solution de 5 % de DMF et de 2 % de HNO3, et tous les échantillons ont été dilués 20 fois avec une solution d'échantillon de DMF-HNO3.
UAM utilise le soudage des métaux par ultrasons comme méthode d'assemblage de la feuille de métal utilisée pour créer l'assemblage final.Le soudage des métaux par ultrasons utilise un outil métallique vibrant (appelé cornet ou cornet à ultrasons) pour appliquer une pression sur la feuille/couche préalablement consolidée à coller/précédemment consolidée en faisant vibrer le matériau.Pour un fonctionnement continu, la sonotrode a une forme cylindrique et roule sur la surface du matériau, collant toute la zone.Lorsque la pression et les vibrations sont appliquées, les oxydes à la surface du matériau peuvent se fissurer.Une pression et des vibrations constantes peuvent entraîner la destruction de la rugosité du matériau 36 .Un contact étroit avec une chaleur et une pression localisées conduit alors à une liaison en phase solide aux interfaces des matériaux;il peut également favoriser la cohésion en modifiant l'énergie de surface48.La nature du mécanisme de liaison surmonte bon nombre des problèmes associés à la température de fusion variable et aux effets à haute température mentionnés dans d'autres technologies de fabrication additive.Cela permet une connexion directe (c'est-à-dire sans modification de surface, charges ou adhésifs) de plusieurs couches de matériaux différents en une seule structure consolidée.
Le deuxième facteur favorable à la CAM est le degré élevé d'écoulement plastique observé dans les matériaux métalliques même à basse température, c'est-à-dire bien en dessous du point de fusion des matériaux métalliques.La combinaison des vibrations ultrasonores et de la pression provoque un niveau élevé de migration locale des joints de grains et de recristallisation sans l'augmentation significative de la température traditionnellement associée aux matériaux en vrac.Lors de la création de l'assemblage final, ce phénomène peut être utilisé pour encastrer des composants actifs et passifs entre des couches de feuille métallique, couche par couche.Des éléments tels que la fibre optique 49, le renfort 46, l'électronique 50 et les thermocouples (ce travail) ont été intégrés avec succès dans les structures UAM pour créer des assemblages composites actifs et passifs.
Dans ce travail, différentes capacités de liaison de matériaux et capacités d'intercalation UAM ont été utilisées pour créer un microréacteur idéal pour le contrôle de la température catalytique.
Par rapport au palladium (Pd) et à d'autres catalyseurs métalliques couramment utilisés, la catalyse au Cu présente plusieurs avantages : (i) économiquement, le Cu est moins cher que de nombreux autres métaux utilisés en catalyse et constitue donc une option intéressante pour l'industrie chimique (ii) la gamme de réactions de couplage croisé catalysées par le Cu s'élargit et semble être quelque peu complémentaire aux méthodologies basées sur Pd51, 52, 53 (iii) les réactions catalysées par le Cu fonctionnent bien en l'absence d'autres ligands.Ces ligands sont souvent structurellement simples et peu coûteux.si on le souhaite, alors que ceux utilisés dans la chimie du Pd sont souvent complexes, coûteux et sensibles à l'air (iv) Cu, particulièrement connu pour sa capacité à lier des alcynes en synthèse, comme le couplage catalysé bimétallique de Sonogashira et la cycloaddition avec des azotures (chimie du clic) (v) Cu peut également favoriser l'arylation de certains nucléophiles dans les réactions de type Ullmann.
Récemment, des exemples d'hétérogénéisation de toutes ces réactions en présence de Cu(0) ont été mis en évidence.Cela est largement dû à l'industrie pharmaceutique et à l'attention croissante portée à la récupération et à la réutilisation des catalyseurs métalliques55,56.
La réaction de cycloaddition 1,3-dipolaire entre l'acétylène et l'azoture en 1,2,3-triazole, proposée pour la première fois par Huisgen dans les années 196057, est considérée comme une réaction de démonstration synergique.Les fragments de 1,2,3 triazole résultants présentent un intérêt particulier en tant que pharmacophore dans la découverte de médicaments en raison de leurs applications biologiques et de leur utilisation dans divers agents thérapeutiques 58 .
Cette réaction a reçu un regain d'attention lorsque Sharpless et d'autres ont introduit le concept de « chimie du clic »59.Le terme « chimie du clic » est utilisé pour décrire un ensemble robuste et sélectif de réactions pour la synthèse rapide de nouveaux composés et de bibliothèques combinatoires utilisant la liaison hétéroatomique (CXC)60.L'attrait synthétique de ces réactions est dû aux rendements élevés qui leur sont associés.les conditions sont simples, la résistance à l'oxygène et à l'eau, et la séparation des produits est simple61.
La cycloaddition Huisgen 1,3-dipôle classique n'entre pas dans la catégorie « chimie du clic ».Cependant, Medal et Sharpless ont démontré que cet événement de couplage azide-alcyne subit 107–108 en présence de Cu (I) par rapport à une accélération significative du taux de cycloaddition 1,3-dipolaire non catalytique 62,63.Ce mécanisme de réaction avancé ne nécessite pas de groupes protecteurs ni de conditions de réaction difficiles et fournit une conversion et une sélectivité presque complètes en 1,4-disubstitués 1,2,3-triazoles (anti-1,2,3-triazoles) au fil du temps (Fig. 3).
Résultats isométriques des cycloadditions de Huisgen conventionnelles et catalysées au cuivre.Les cycloadditions de Huisgen catalysées par Cu (I) ne donnent que des 1,4-disubstitués 1,2,3-triazoles, tandis que les cycloadditions de Huisgen induites thermiquement donnent généralement des 1,4- et 1,5-triazoles un mélange 1: 1 de stéréoisomères d'azole.
La plupart des protocoles impliquent la réduction de sources stables de Cu(II), telles que la réduction de CuSO4 ou du composé Cu(II)/Cu(0) en combinaison avec des sels de sodium.Par rapport à d'autres réactions catalysées par un métal, l'utilisation de Cu(I) présente les principaux avantages d'être peu coûteuse et facile à manipuler.
Les études cinétiques et isotopiques de Worrell et al.65 ont montré que dans le cas des alcynes terminaux, deux équivalents de cuivre interviennent dans l'activation de la réactivité de chaque molécule vis-à-vis de l'azoture.Le mécanisme proposé passe par un anneau métallique de cuivre à six chaînons formé par la coordination de l'azide à l'acétylure de cuivre à liaison σ avec du cuivre à liaison π comme ligand donneur stable.Les dérivés de triazolyle de cuivre sont formés à la suite d'une contraction du cycle suivie d'une décomposition de protons pour former des produits de triazole et fermer le cycle catalytique.
Alors que les avantages des dispositifs de chimie en flux sont bien documentés, il y a eu un désir d'intégrer des outils analytiques dans ces systèmes pour la surveillance des processus en temps réel in situ66,67.UAM s'est avéré être une méthode appropriée pour concevoir et fabriquer des réacteurs à flux 3D très complexes à partir de matériaux catalytiquement actifs et thermiquement conducteurs avec des éléments de détection directement intégrés (Fig. 4).
Réacteur à flux aluminium-cuivre fabriqué par fabrication additive ultrasonique (UAM) avec une structure de canal interne complexe, des thermocouples intégrés et une chambre de réaction catalytique.Pour visualiser les trajets internes des fluides, un prototype transparent réalisé par stéréolithographie est également présenté.
Pour s'assurer que les réacteurs sont faits pour de futures réactions organiques, les solvants doivent être chauffés en toute sécurité au-dessus de leur point d'ébullition;ils sont testés en pression et en température.Les tests de pression ont montré que le système maintient une pression stable et constante même à une pression élevée dans le système (1,7 MPa).Des tests hydrostatiques ont été effectués à température ambiante en utilisant H2O comme liquide.
La connexion du thermocouple intégré (Figure 1) à l'enregistreur de données de température a montré que la température du thermocouple était inférieure de 6 °C (± 1 °C) à la température programmée dans le système FlowSyn.En règle générale, une augmentation de température de 10 °C double la vitesse de réaction, de sorte qu'une différence de température de quelques degrés seulement peut modifier considérablement la vitesse de réaction.Cette différence est due à la perte de température dans l'ensemble de la RPV due à la forte diffusivité thermique des matériaux utilisés dans le processus de fabrication.Cette dérive thermique est constante et peut donc être prise en compte lors de la mise en place de l'équipement pour s'assurer que des températures précises sont atteintes et mesurées pendant la réaction.Ainsi, cet outil de surveillance en ligne facilite un contrôle strict de la température de réaction et contribue à une optimisation plus précise du processus et au développement de conditions optimales.Ces capteurs peuvent également être utilisés pour détecter les réactions exothermiques et prévenir les réactions d'emballement dans les systèmes à grande échelle.
Le réacteur présenté dans cet article est le premier exemple de l'application de la technologie UAM à la fabrication de réacteurs chimiques et répond à plusieurs limitations majeures actuellement associées à l'impression AM/3D de ces dispositifs, telles que : (i) Surmonter les problèmes notés associés au traitement du cuivre ou de l'alliage d'aluminium (ii) Amélioration de la résolution du canal interne par rapport aux méthodes de fusion sur lit de poudre (PBF) telles que la fusion laser sélective (SLM)25,69 Mauvais flux de matériau et texture de surface rugueuse technologie, (v) surmonter les mauvaises propriétés mécaniques et la sensibilité des composants à base de polymères à divers solvants organiques courants17,19.
La fonctionnalité du réacteur a été démontrée par une série de réactions de cycloaddition d'alkinazide catalysées par le cuivre dans des conditions d'écoulement continu (Fig. 2).Le réacteur en cuivre imprimé par ultrasons illustré à la fig.4 a été intégré à un système de flux commercial et utilisé pour synthétiser une bibliothèque d'azotures de divers 1,2,3-triazoles 1,4-disubstitués en utilisant une réaction à température contrôlée d'acétylène et d'halogénures de groupes alkyle en présence de chlorure de sodium (Fig. 3).L'utilisation de l'approche en flux continu réduit les problèmes de sécurité qui peuvent survenir dans les processus discontinus, car cette réaction produit des intermédiaires azide hautement réactifs et dangereux [317], [318].Initialement, la réaction a été optimisée pour la cycloaddition du phénylacétylène et de l'iodoéthane (Schéma 1 - Cycloaddition du phénylacétylène et de l'iodoéthane) (voir Fig. 5).
(En haut à gauche) Schéma de la configuration utilisée pour incorporer un réacteur 3DP dans un système d'écoulement (en haut à droite) obtenu à partir du schéma optimisé (en bas) du schéma de cycloaddition Huisgen 57 entre le phénylacétylène et l'iodoéthane pour l'optimisation et montrant les paramètres de taux de conversion optimisés de la réaction.
En contrôlant le temps de séjour des réactifs dans la section catalytique du réacteur et en surveillant attentivement la température de réaction avec un capteur thermocouple directement intégré, les conditions de réaction peuvent être optimisées rapidement et avec précision avec un minimum de temps et de matériaux.Il a été rapidement trouvé que la conversion la plus élevée était obtenue en utilisant un temps de séjour de 15 minutes et une température de réaction de 150°C.On peut voir à partir du graphique des coefficients du logiciel MODDE que le temps de séjour et la température de réaction sont considérés comme des conditions importantes du modèle.L'exécution de l'optimiseur intégré à l'aide de ces conditions sélectionnées crée un ensemble de conditions de réaction conçues pour maximiser les zones de pic du produit tout en diminuant les zones de pic du matériau de départ.Cette optimisation a donné une conversion de 53 % du produit triazole, ce qui correspondait exactement à la prédiction du modèle de 54 %.