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La fabrication additive transforme la façon dont les chercheurs et les industriels conçoivent et fabriquent des dispositifs chimiques pour répondre à leurs besoins spécifiques. Dans cet article, nous présentons le premier exemple d'un réacteur à flux formé par laminage par fabrication additive ultrasonique (FAU) d'une feuille métallique solide avec intégration directe de pièces catalytiques et d'éléments de détection. La technologie FAU permet non seulement de surmonter de nombreuses limitations actuellement associées à la fabrication additive de réacteurs chimiques, mais aussi d'élargir considérablement les capacités de ces dispositifs. Plusieurs composés 1,2,3-triazoles 1,4-disubstitués biologiquement importants ont été synthétisés et optimisés avec succès par une réaction de cycloaddition de Huisgen 1,3-dipolaire médiée par le cuivre, grâce à l'installation de chimie FAU. Grâce aux propriétés uniques de la FAU et au traitement en flux continu, le dispositif est capable de catalyser des réactions en cours et de fournir un retour d'information en temps réel pour surveiller et optimiser les réactions.
En raison de ses avantages significatifs par rapport à la chimie en vrac, la chimie en flux est un domaine important et en pleine expansion, tant dans les milieux universitaires qu'industriels, grâce à sa capacité à accroître la sélectivité et l'efficacité de la synthèse chimique. Cela s'étend 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 pharmaceutique peuvent bénéficier du flux continu7.
Ces dernières années, on observe une tendance croissante de groupes cherchant 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 à ceux qui souhaitent personnaliser leurs dispositifs pour un ensemble particulier de réactions, de dispositifs 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 par jet d'encre7,15, 16. Le manque de fiabilité et de capacité de ces dispositifs à réaliser un large éventail de réactions/analyses chimiques17, 18, 19, 20 constitue 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 avantageuses associées à la fabrication additive, il est nécessaire d'explorer de meilleures techniques pour fabriquer des réacteurs en flux aux performances chimiques et analytiques améliorées. Ces méthodes devraient permettre aux utilisateurs de choisir parmi une gamme de matériaux à haute résistance ou fonctionnels, capables de fonctionner dans un large éventail de conditions réactionnelles, et de faciliter diverses formes de résultats analytiques pour permettre le suivi et le contrôle de la réaction.
La fabrication additive par ultrasons (UAM) est un procédé de fabrication additive permettant de développer des réacteurs chimiques sur mesure. Cette méthode de laminage de feuilles à l'état solide applique des vibrations ultrasoniques à de fines feuilles métalliques pour les lier couche par couche avec un chauffage volumétrique minimal et un écoulement plastique élevé 21, 22, 23. Contrairement à la plupart des autres technologies de fabrication additive, l'UAM peut être directement intégrée à la production soustractive, appelée procédé de fabrication hybride, dans lequel l'usinage à commande numérique (CNC) ou le traitement laser périodique détermine la forme finale de la couche de matériau lié 24, 25. Ainsi, l'utilisateur n'est pas limité aux problèmes liés à l'élimination des résidus de matériau de construction d'origine dans les petits canaux liquides, ce qui est souvent le cas dans les systèmes poudre-liquide de fabrication additive 26, 27, 28. Cette liberté de conception s'étend également au choix des matériaux disponibles : l'UAM permet de lier des combinaisons de matériaux thermiquement similaires et différents en une seule étape. Le choix des combinaisons de matériaux au-delà du processus de fusion permet de mieux répondre aux exigences mécaniques et chimiques d'applications spécifiques. Outre le collage solide, le collage par ultrasons se caractérise également par la grande fluidité des matériaux 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 les endommager. Les capteurs UAM intégrés facilitent 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 procédé UAM à créer des structures microfluidiques métalliques 3D intégrant des capteurs. Ce dispositif est destiné uniquement à la surveillance. Cet article présente le premier exemple de 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. Ce dispositif combine plusieurs avantages associés à la technologie UAM pour la fabrication de dispositifs chimiques 3D, tels que : la possibilité de convertir une conception 3D complète directement à partir d'un modèle de conception assistée par ordinateur (CAO) en produit ; la fabrication multi-matériaux pour une combinaison de matériaux à haute conductivité thermique 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 1,2,3-triazoles 1,4-disubstitués d'importance pharmaceutique a été synthétisée par cycloaddition de Huisgen 1,3-dipolaire catalysée par le cuivre. Cet ouvrage 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 du 1H et du 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.
L'UAM a été utilisé pour fabriquer tous les dispositifs de cette étude. Cette 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. Le dispositif (Fig. 1) a été mis en œuvre à l'aide d'un système UAM SonicLayer 4000® de 9 kW (Fabrisonic, Ohio, États-Unis). Français 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 ». L'Al 6061O est utilisé comme matériau « en vrac ». , ainsi que la couche d'intercalation utilisée pour l'analyse ; l'intercalation des composants auxiliaires de l'alliage et l'état recuit en combinaison avec la couche de Cu-110. se sont avérés chimiquement stables avec les réactifs utilisés dans ce travail. L'Al 6061O en combinaison avec le 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.
Etapes 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 fluidique consiste à utiliser un chemin tortueux pour augmenter la distance parcourue par le fluide à l'intérieur de la puce tout en conservant une taille de puce gérable. Cette augmentation de la distance est souhaitable pour augmenter le temps de contact catalyseur-réactif et assurer d'excellents rendements. Les puces utilisent des coudes à 90° aux extrémités d'un chemin rectiligne pour induire un mélange turbulent au sein du dispositif44 et augmenter le temps de contact du liquide avec la surface (catalyseur). Pour améliorer encore le mélange possible, la conception du réacteur comprend deux entrées de réactif combinées en Y avant d'entrer dans la section du serpentin de mélange. La troisième entrée, qui traverse le flux à mi-chemin de son séjour, est prévue pour les futures réactions de synthèse multi-étapes.
Tous les canaux présentent un profil carré (sans angle de conicité), résultat de l'usinage CNC périodique utilisé pour créer la géométrie du canal. Les dimensions du canal sont choisies pour offrir un rendement volumétrique élevé (pour un microréacteur), tout en étant suffisamment petites pour faciliter l'interaction avec la surface (catalyseurs) de la plupart des liquides qu'il contient. La taille appropriée est basée sur l'expérience des auteurs avec les dispositifs de réaction métal-liquide. Les dimensions internes du canal final étaient de 750 µm x 750 µm et le volume total du réacteur était de 1 ml. Un connecteur intégré (filetage 1/4″-28 UNF) est inclus dans la conception pour faciliter l'interfaçage du dispositif avec les équipements de chimie en flux du commerce. La taille du canal est limitée par l'épaisseur du matériau en feuille, ses propriétés mécaniques et les paramètres de collage utilisés avec les ultrasons. À partir d'une certaine largeur pour un matériau donné, celui-ci s'affaissera dans le canal créé. Il n'existe actuellement aucun modèle spécifique pour ce calcul, donc 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 afin d'obtenir différents débits et caractéristiques. Un exemple de création d'un canal courbe avec un outil de 125 µm est présenté dans Monaghan45. Lorsque la couche de feuille est appliquée à plat, l'application du matériau sur les canaux présente une surface plane (carrée). Dans ce travail, un contour carré a été utilisé pour préserver la symétrie du canal.
Lors d'une pause programmée de la production, des capteurs de température à thermocouple (type K) sont intégrés directement dans l'appareil, entre les groupes de canaux supérieur et inférieur (Fig. 1 – étape 3). Ces thermocouples permettent de contrôler les variations de température de -200 à 1 350 °C.
Le processus de dépôt métallique est réalisé par la sonde UAM à l'aide d'une feuille métallique de 25,4 mm de large et de 150 microns d'épaisseur. Ces couches sont reliées en une série de bandes adjacentes pour couvrir toute la zone de fabrication ; la taille du matériau déposé est supérieure à celle du produit final, car le processus de soustraction crée la forme finale nette. L'usinage CNC est utilisé pour usiner les contours externes et internes de l'équipement, ce qui permet d'obtenir une finition de surface de l'équipement et des canaux correspondant à l'outil sélectionné et aux paramètres du processus CNC (dans cet exemple, environ 1,6 µm Ra). Des cycles continus de pulvérisation et d'usinage par ultrasons sont utilisés tout au long du processus de fabrication afin de garantir la précision dimensionnelle et la conformité de la pièce finie aux niveaux de précision du fraisage CNC. La largeur du canal utilisé pour cet appareil est suffisamment petite pour éviter que le matériau de la feuille ne s'affaisse dans le canal de fluide, ce qui lui confère une section carrée. Les éventuels espaces dans le matériau de la feuille et les paramètres du processus UAM ont été déterminés expérimentalement par le partenaire de fabrication (Fabrisonic LLC, États-Unis).
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.
Un régulateur de contre-pression (RBP) pré-étalonné a été installé à 250 psi (1 724 kPa) en aval du réacteur et l'eau a été pompée à un débit de 0,1 à 1 ml·min-1. La pression du réacteur a été surveillée à l'aide du capteur de pression FlowSyn intégré au système afin de garantir le maintien d'une pression constante. Les gradients de température potentiels dans le réacteur à flux ont été testés en recherchant les différences entre les thermocouples intégrés au réacteur et ceux de la plaque chauffante de la puce FlowSyn. Pour ce faire, la température programmée de la plaque chauffante a été modifiée entre 100 et 150 °C par paliers de 25 °C et les différences entre les températures programmées et enregistrées ont été surveillées. Cette mesure a été réalisée à l'aide de l'enregistreur de données tc-08 (PicoTech, Cambridge, Royaume-Uni) et du logiciel PicoLog associé.
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 plan d'expériences factoriel complet (DOE), utilisant la température et le temps de séjour comme variables tout en fixant le rapport alcyne:azide à 1:2.
Des solutions séparées d'azoture 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 considérée comme le rapport entre la surface du pic du produit triazole et le produit de départ, le phénylacétylène, et a été déterminée par chromatographie liquide haute performance (CLHP). Pour assurer la cohérence de l'analyse, toutes les réactions ont été effectuées immédiatement après la sortie du mélange réactionnel du 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, États-Unis) composé d'une pompe quaternaire, d'un four à colonne, d'un détecteur UV à longueur d'onde variable et d'un passeur d'échantillons. La colonne était une Equivalence 5 C18 (VWR, PA, États-Unis), de 4,6 x 100 mm, avec une granulométrie de 5 µm, maintenue à 40 °C. Le solvant était un mélange isocratique de méthanol et d'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 pourcentage de surface de pic pour l'échantillon DOE a été calculé à partir des surfaces de pic des produits résiduels alcyne et 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 et la détermination des conditions réactionnelles optimales pour cette cycloaddition. L'exécution de l'optimiseur intégré et la sélection de tous les termes importants du modèle créent un ensemble de conditions réactionnelles conçues pour maximiser l'aire du pic du produit tout en diminuant celle de l'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 %) circulant dans 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 l'ensemble optimal de conditions déterminé, elles ont été appliquées à une gamme de dérivés d'acétylène et d'haloalcanes 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'azoture de sodium (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), d'haloalcanes (0,25 M, DMF) et d'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 µl/min et à une température de 150 °C. Le volume total a été recueilli dans un flacon et dilué avec 10 ml d'acétate d'éthyle. La solution échantillon a été lavée avec 3 x 10 ml d'eau. Les phases aqueuses ont été combinées et extraites avec 10 ml d'acétate d'éthyle, puis les phases organiques ont été combinées, lavées avec 3 x 10 ml de saumure, séchées sur MgSO4 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 à haute résolution (HR-MS).
Tous les spectres ont été obtenus à l'aide d'un spectromètre de masse Thermofischer Precision Orbitrap avec l'ESI comme source d'ionisation. Tous les échantillons ont été préparés avec de l'acétonitrile comme solvant.
L'analyse CCM a été réalisée sur des plaques de silice avec un substrat en aluminium. Les plaques ont été visualisées par lumière UV (254 nm) ou par coloration à la vanilline et chauffage.
Tous les échantillons ont été analysés à l'aide d'un système VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, Royaume-Uni) équipé d'un passeur d'échantillons automatique, d'une pompe binaire avec four à colonne et d'un détecteur mono-longueur d'onde. Une colonne ACE Equivalence 5 C18 (150 x 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Écosse) a été utilisée.
Des injections (5 µl) ont été réalisées directement à partir du mélange réactionnel brut dilué (dilution 1:10) et analysées avec un mélange eau:méthanol (50:50 ou 70:30), à l'exception de certains échantillons utilisant un système de solvant 70:30 (indiqué par le 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.
La surface du pic % de l'échantillon a été calculée à partir de la surface du pic de l'alcyne résiduel, du produit triazole uniquement, et l'introduction du produit de départ a permis d'identifier les pics correspondants.
Tous les échantillons ont été analysés avec le Thermo iCAP 6000 ICP-OES. Tous les étalons ont été préparés avec une solution étalon de Cu à 1 000 ppm dans de l'acide nitrique à 2 % (SPEX Certi Prep). Tous les étalons ont été préparés dans une solution de DMF à 5 % et de HNO3 à 2 %, et tous les échantillons ont été dilués 20 fois avec une solution d'échantillon de DMF-HNO3.
L'UAM utilise le soudage par ultrasons des métaux pour assembler la feuille métallique utilisée pour créer l'assemblage final. Le soudage par ultrasons des métaux utilise un outil métallique vibrant (appelé cornet ou cornet à ultrasons) pour appliquer une pression sur la feuille/couche préalablement consolidée à coller/consolider en faisant vibrer le matériau. Pour un fonctionnement continu, la sonotrode est de forme cylindrique et roule sur la surface du matériau, collant toute la zone. Sous l'effet de la pression et des vibrations, 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 la chaleur et la pression localisées entraîne alors une liaison en phase solide aux interfaces du matériau ; il peut également favoriser la cohésion en modifiant l'énergie de surface 48 . La nature du mécanisme de liaison surmonte de nombreux problèmes liés à la température de fusion variable et aux effets des températures élevées mentionnés dans d'autres technologies de fabrication additive. Cela permet la 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 FAO est le degré élevé d'écoulement plastique observé dans les matériaux métalliques, même à basse température, c'est-à-dire bien en dessous de leur point de fusion. La combinaison des vibrations ultrasoniques et de la pression entraîne une forte migration locale des joints de grains et une recristallisation sans l'augmentation significative de température traditionnellement associée aux matériaux massifs. Lors de la création de l'assemblage final, ce phénomène peut être exploité pour intégrer des composants actifs et passifs entre des couches de feuilles métalliques, 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 des structures UAM pour créer des assemblages composites actifs et passifs.
Dans ce travail, différentes capacités de liaison de matériaux et des capacités d'intercalation UAM ont été utilisées pour créer un microréacteur idéal pour le contrôle catalytique de la température.
Français Comparé 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 des méthodologies basées sur le 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) Le Cu, particulièrement connu pour sa capacité à lier les alcynes en synthèse, comme le couplage catalysé bimétallique de Sonogashira et la cycloaddition avec les azotures (chimie click) (v) Le 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 démontrés. Ceci est dû en grande partie à l'industrie pharmaceutique et à l'intérêt croissant porté à la récupération et à la réutilisation des catalyseurs métalliques55,56.
La réaction de cycloaddition 1,3-dipolaire entre l'acétylène et l'azide 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 comme pharmacophore dans la découverte de médicaments en raison de leurs applications biologiques et de leur utilisation dans divers agents thérapeutiques58.
Cette réaction a connu un regain d'intérêt lorsque Sharpless et d'autres ont introduit le concept de « chimie click »59. Le terme « chimie click » est utilisé pour décrire un ensemble de réactions robustes et sélectives permettant la synthèse rapide de nouveaux composés et de bibliothèques combinatoires par 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 aisée61.
Français La cycloaddition classique de Huisgen 1,3-dipôle n'entre pas dans la catégorie de la « chimie click ». Cependant, Medal et Sharpless ont démontré que ce couplage azoture-alcyne subit 107–108 en présence de Cu(I) par rapport à une accélération significative de la vitesse de cycloaddition 1,3-dipolaire non catalytique 62,63. Ce mécanisme réactionnel avancé ne nécessite pas de groupes protecteurs ni de conditions de réaction difficiles et assure une conversion et une sélectivité quasi complètes en 1,2,3-triazoles 1,4-disubstitués (anti-1,2,3-triazoles) au fil du temps (Fig. 3).
Résultats isométriques des cycloadditions de Huisgen conventionnelles et catalysées par le cuivre. Les cycloadditions de Huisgen catalysées par le Cu(I) ne donnent que des 1,2,3-triazoles 1,4-disubstitués, tandis que les cycloadditions de Huisgen induites thermiquement donnent généralement des 1,4- et 1,5-triazoles, un mélange 1:1 de stéréoisomères d'azoles.
La plupart des protocoles impliquent la réduction de sources stables de Cu(II), comme la réduction de CuSO4 ou du composé Cu(II)/Cu(0) en combinaison avec des sels de sodium. Comparé à d'autres réactions catalysées par des métaux, l'utilisation de Cu(I) présente les principaux avantages d'être peu coûteuse et facile à manipuler.
Des études cinétiques et isotopiques menées par 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 repose sur un cycle métallique de cuivre à six chaînons formé par la coordination de l'azoture à l'acétylure de cuivre à liaison σ, le cuivre à liaison π servant de ligand donneur stable. Les dérivés triazolylés du cuivre se forment suite à la contraction du cycle suivie d'une décomposition du proton pour former des produits triazoles et clôturer le cycle catalytique.
Bien que les avantages des dispositifs de chimie en flux soient bien documentés, il existe un souhait d'intégrer des outils analytiques dans ces systèmes pour une surveillance des processus en temps réel in situ66,67. L'UAM s'est avérée être une méthode appropriée pour la conception et la fabrication de réacteurs à flux 3D très complexes à partir de matériaux catalytiquement actifs et thermoconducteurs avec des éléments de détection directement intégrés (Fig. 4).
Réacteur à flux aluminium-cuivre fabriqué par fabrication additive par ultrasons (UAM) avec une structure de canal interne complexe, des thermocouples intégrés et une chambre de réaction catalytique. Pour visualiser les circuits internes du fluide, un prototype transparent réalisé par stéréolithographie est également présenté.
Pour garantir la fiabilité des réacteurs destinés aux futures réactions organiques, les solvants doivent être chauffés en toute sécurité au-dessus de leur point d'ébullition ; ils sont ensuite soumis à des tests de pression et de température. Ces tests ont montré que le système maintient une pression stable et constante, même à pression élevée (1,7 MPa). Des essais hydrostatiques ont été réalisés à température ambiante avec de l'eau 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. Généralement, une augmentation de température de 10 °C double la vitesse de réaction ; une différence de température de quelques degrés seulement peut donc la modifier significativement. Cette différence est due à la perte de température dans la cuve réfrigérée (RPV) due à la forte diffusivité thermique des matériaux utilisés dans le procédé de fabrication. Cette dérive thermique est constante et peut donc être prise en compte lors de la configuration de l'équipement afin de garantir l'obtention et la mesure précises des températures pendant la réaction. Ainsi, cet outil de surveillance en ligne facilite un contrôle précis de la température de réaction et contribue à une optimisation plus précise du procédé et au développement de conditions optimales. Ces capteurs peuvent également être utilisés pour détecter les réactions exothermiques et prévenir les emballements dans les systèmes à grande échelle.
Français 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 constatés associés au traitement du cuivre ou de l'alliage d'aluminium (ii) une résolution de canal interne améliorée par rapport aux méthodes de fusion sur lit de poudre (PBF) telles que la fusion sélective par laser (SLM)25,69 Un mauvais écoulement du matériau et une texture de surface rugueuse26 (iii) une température de traitement plus basse, ce qui facilite la connexion directe des capteurs, ce qui n'est pas possible dans la technologie du lit de poudre, (v) surmonter les mauvaises propriétés mécaniques et la sensibilité des composants à base de polymères à divers solvants organiques courants17,19.
Français La fonctionnalité du réacteur a été démontrée par une série de réactions de cycloaddition d'alkinazides catalysées par le cuivre dans des conditions de flux 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'azides de divers 1,2,3-triazoles 1,4-disubstitués en utilisant une réaction à température contrôlée d'acétylène et d'halogénures de groupes alkyles 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 procédés par lots, car cette réaction produit des intermédiaires azotures hautement réactifs et dangereux [317], [318]. Initialement, la réaction a été optimisée pour la cycloaddition de phénylacétylène et d'iodoéthane (Schéma 1 – Cycloaddition de phénylacétylène et d'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 grâce à un capteur thermocouple directement intégré, les conditions de réaction peuvent être optimisées rapidement et précisément, avec un minimum de temps et de matériaux. Il a rapidement été constaté que la conversion la plus élevée était obtenue avec un temps de séjour de 15 minutes et une température de réaction de 150 °C. Le graphique des coefficients du logiciel MODDE montre que le temps de séjour et la température de réaction sont tous deux considérés comme des conditions importantes du modèle. L'exécution de l'optimiseur intégré avec ces conditions sélectionnées crée un ensemble de conditions de réaction conçues pour maximiser les surfaces des pics du produit tout en réduisant celles du produit de départ. Cette optimisation a permis d'obtenir une conversion de 53 % du produit triazole, ce qui correspond exactement à la prédiction du modèle de 54 %.