Tankewol foar it besykjen fan Nature.com.De browserferzje dy't jo brûke hat beheinde CSS-stipe.Foar de bêste ûnderfining riede wy oan dat jo in bywurke browser brûke (of kompatibiliteitsmodus útskeakelje yn Internet Explorer).Yn 'e tuskentiid, om trochgeande stipe te garandearjen, sille wy de side werjaan sûnder stilen en JavaScript.
In karrousel mei trije dia's tagelyk.Brûk de knoppen Foarige en Folgjende om troch trije dia's tagelyk te bewegen, of brûk de sliderknoppen oan 'e ein om troch trije dia's tagelyk te bewegen.
Additive manufacturing feroaret de manier wêrop ûndersikers en yndustrialisten gemyske apparaten ûntwerpe en produsearje om oan har spesifike behoeften te foldwaan.Yn dit papier rapportearje wy it earste foarbyld fan in streamreaktor foarme troch ultrasone additive manufacturing (UAM) laminaasje fan in fêste metalen plaat mei direkt yntegreare katalytyske dielen en sensearjende eleminten.UAM-technology oerwint net allinich in protte fan 'e beheiningen dy't op it stuit ferbûn binne mei de additive fabrikaazje fan gemyske reaktors, mar wreidet ek de mooglikheden fan sokke apparaten út.In oantal biologysk wichtige 1,4-disubstituearre 1,2,3-triazole-ferbiningen binne mei súkses synthesized en optimisearre troch in Cu-mediated 1,3-dipolêre Huisgen cycloaddition-reaksje mei help fan de UAM-chemie-ynstallaasje.Mei de unike eigenskippen fan UAM en trochgeande streamferwurking is it apparaat yn steat om oanhâldende reaksjes te katalysearjen en ek realtime feedback te leverjen om reaksjes te kontrolearjen en te optimalisearjen.
Fanwegen syn wichtige foardielen boppe syn bulk-tsjinhinger, is streamchemie in wichtich en groeiend fjild yn sawol akademyske as yndustriële ynstellings fanwegen har fermogen om de selektiviteit en effisjinsje fan gemyske synteze te ferheegjen.Dit rint fan 'e foarming fan ienfâldige organyske molekulen1 oant farmaseutyske ferbiningen2,3 en natuerlike produkten4,5,6.Mear dan 50% fan reaksjes yn 'e fyn gemyske en farmaseutyske yndustry kinne profitearje fan trochgeande stream7.
Yn 'e ôfrûne jierren is d'r in groeiende trend west fan groepen dy't besykje tradisjonele glêswurk of apparatuer foar streamchemie te ferfangen mei oanpasbere gemyske "reaktors"8.It iterative ûntwerp, rappe fabrikaazje en trijediminsjonale (3D) mooglikheden fan dizze metoaden binne nuttich foar dyjingen dy't har apparaten wolle oanpasse foar in bepaalde set reaksjes, apparaten of betingsten.Oant no ta hat dit wurk hast allinich rjochte op it gebrûk fan polymeer-basearre 3D-printtechniken lykas stereolitografy (SL) 9,10,11, Fused Deposition Modeling (FDM) 8,12,13,14 en inkjetprintsjen7,15., 16. It ûntbrekken fan betrouberens en fermogen fan sokke apparaten om in breed oanbod fan gemyske reaksjes / analyzes út te fieren17, 18, 19, 20 is in wichtige beheinende faktor foar de bredere tapassing fan AM op dit fjild17, 18, 19, 20.
Fanwegen it tanimmende gebrûk fan streamchemie en de geunstige eigenskippen dy't ferbûn binne mei AM, moatte bettere techniken wurde ferkend dy't brûkers tastean om streamreaksjefetten te meitsjen mei ferbettere skiekunde en analytyske mooglikheden.Dizze metoaden moatte brûkers tastean om te selektearjen út in berik fan hege sterkte as funksjonele materialen dy't yn steat binne om te operearjen ûnder in breed oanbod fan reaksjebetingsten, en ek ferskate foarmen fan analytyske útfier fan it apparaat fasilitearje om tafersjoch en kontrôle fan 'e reaksje mooglik te meitsjen.
Ien additive manufacturingproses dat kin wurde brûkt om oanpaste gemyske reaktors te ûntwikkeljen is Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM).Dizze solid-state sheet laminaasjemetoade tapast ultrasone trillingen op tinne metalen folies om se laach foar laach te bondeljen mei minimale volumetryske ferwaarming en in hege graad fan plestik flow 21, 22, 23. Oars as de measte oare AM technologyen, UAM kin direkt yntegrearre wurde mei subtraktive produksje, bekend as in hybride manufacturing proses, wêryn periodyk in-situ-kontrôle laach materiaal (C NC numeryske foarm fan laser-kontrôle laach of millisyklus) 24, 25. Dit betsjut dat de brûker is net beheind ta de problemen ferbûn mei it fuortheljen fan oerbleaune orizjinele boumateriaal út lytse floeibere kanalen, dat is faak it gefal yn poeder en floeibere systemen AM26,27,28.Dizze ûntwerpfrijheid wreidet ek út nei de kar fan beskikbere materialen - UAM kin kombinaasjes fan thermysk ferlykbere en ûngelikbere materialen ferbine yn ien prosesstap.De kar fan materiaalkombinaasjes bûten it smeltproses betsjut dat de meganyske en gemyske easken fan spesifike applikaasjes better kinne wurde foldien.Neist fêste bonding is in oar ferskynsel dat foarkomt mei ultrasone bonding de hege fluiditeit fan plestik materialen by relatyf lege temperatueren29,30,31,32,33.Dit unike skaaimerk fan UAM lit meganyske / termyske eleminten wurde pleatst tusken metalen lagen sûnder skea.Ynbêde UAM-sensoren kinne de levering fan realtime ynformaasje fan it apparaat nei de brûker fasilitearje fia yntegreare analytiken.
Foarige wurk troch de auteurs32 toande it fermogen fan it UAM-proses oan om metallyske 3D-mikrofluidyske struktueren te meitsjen mei ynbêde sensingmooglikheden.Dit apparaat is allinich foar tafersjochdoelen.Dit artikel presintearret it earste foarbyld fan in mikrofluïdyske gemyske reaktor produsearre troch UAM, in aktyf apparaat dat net allinich kontrolearret, mar ek gemyske synteze induceert mei struktureel yntegreare katalytyske materialen.It apparaat kombinearret ferskate foardielen dy't ferbûn binne mei UAM-technology by it meitsjen fan 3D-gemyske apparaten, lykas: de mooglikheid om in folslein 3D-ûntwerp direkt fan in kompjûterstipe ûntwerp (CAD) model te konvertearjen yn in produkt;multi-materiaal fabrication foar in kombinaasje fan hege termyske conductivity en catalytic materialen, likegoed as termyske sensors ynbêde direkt tusken de reactant streamen foar sekuere kontrôle en behear fan de reaksje temperatuer.Om de funksjonaliteit fan 'e reaktor te demonstrearjen, waard in bibleteek fan farmaseutysk wichtige 1,4-disubstituearre 1,2,3-triazol-ferbiningen synthesisearre troch koper-katalysearre 1,3-dipolêre Huisgen-sykloaddysje.Dit wurk beljochtet hoe't it gebrûk fan materiaalwittenskip en kompjûterstipe ûntwerp nije mooglikheden en kânsen foar skiekunde kinne iepenje troch ynterdissiplinêr ûndersyk.
Alle solvents en reagents waarden kocht fan Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI, of Fischer Scientific en brûkt sûnder foarôfgeande suvering.1H en 13C NMR spektra opnommen op respektivelik 400 en 100 MHz, waarden krigen op in JEOL ECS-400 400 MHz spektrometer of in Bruker Avance II 400 MHz spektrometer mei CDCl3 of (CD3) 2SO as solvent.Alle reaksjes waarden útfierd mei it Uniqsis FlowSyn streamchemieplatfoarm.
UAM waard brûkt om alle apparaten yn dizze stúdzje te meitsjen.De technology waard útfûn yn 1999 en syn technyske details, bestjoeringssysteem parameters en ûntwikkelingen sûnt syn útfining kinne wurde bestudearre mei help fan de folgjende publisearre materialen34,35,36,37.It apparaat (fig. 1) waard útfierd mei help fan in swiere plicht 9 kW SonicLayer 4000® UAM systeem (Fabrisonic, Ohio, Feriene Steaten).De materialen keazen foar de flow apparaat wiene Cu-110 en Al 6061. Cu-110 hat in hege koper ynhâld (minimum 99,9% koper), wêrtroch't it in goede kandidaat foar koper katalysearre reaksjes en wurdt dêrom brûkt as in "aktive laach binnen de microreactor.Al 6061 O wurdt brûkt as it "bulk" materiaal., lykas de ynterkalaasjelaach brûkt foar analyse;intercalation fan auxiliary alloy komponinten en annealed steat yn kombinaasje mei Cu-110 laach.fûn te wêzen gemysk stabyl mei de reagents brûkt yn dit wurk.Al 6061 O yn kombinaasje mei Cu-110 wurdt ek beskôge as in kompatibel materiaal kombinaasje foar UAM en is dêrom in gaadlik materiaal foar dizze stúdzje38,42.Dizze apparaten wurde neamd yn tabel 1 hjirûnder.
Reactor fabrication stappen (1) 6061 aluminium alloy substraat (2) Fabrication fan legere kanaal út koperen folie (3) Ynfoegje fan thermocouples tusken lagen (4) Boppeste kanaal (5) Inlet en outlet (6) Monolithic reactor.
De filosofy fan it ûntwerp fan it floeistofkanaal is om in kronkelige paad te brûken om de ôfstân te fergrutsjen dy't troch de floeistof yn 'e chip reizge wurdt, wylst in behearbere chipgrutte behâldt.Dizze ferheging fan ôfstân is winsklik om de kontakttiid fan katalysator-reaktant te fergrutsjen en poerbêste produktopbringsten te leverjen.De chips brûke 90 ° bochten oan 'e ein fan in rjochte paad om turbulinte mingd te meitsjen binnen it apparaat44 en fergrutsje de kontakttiid fan' e floeistof mei it oerflak (katalysator).Om fierder te ferbetterjen it mingen dat kin wurde berikt, it ûntwerp fan de reaktor omfiemet twa reactant inlets kombinearre yn in Y-ferbining foardat it ynfieren fan de mixing coil seksje.De tredde yngong, dy't healwei syn wenplak de stream trochkrúst, is opnommen yn it plan foar takomstige meartalige syntezereaksjes.
Alle kanalen hawwe in fjouwerkant profyl (gjin taper hoeken), dat is it gefolch fan de periodike CNC milling brûkt foar it meitsjen fan it kanaal mjitkunde.De kanaaldiminsjes wurde keazen om in hege (foar in mikroreaktor) volumetryske opbringst te leverjen, mar lyts genôch om ynteraksje mei it oerflak (katalysators) te fasilitearjen foar de measte fan 'e floeistoffen dy't it befettet.De passende grutte is basearre op 'e eardere ûnderfining fan' e auteurs mei metaal-floeibere reaksjeapparaten.De ynterne dimensjes fan it definitive kanaal wiene 750 µm x 750 µm en it totale reaktorvolumint wie 1 ml.In ynboude ferbining (1/4 ″-28 UNF-thread) is opnommen yn it ûntwerp om maklike ynterfacing fan it apparaat mooglik te meitsjen mei kommersjele streamchemie-apparatuer.Kanaalgrutte wurdt beheind troch de dikte fan it foliemateriaal, har meganyske eigenskippen, en de bondingparameters dy't brûkt wurde mei ultrasoanen.Op in bepaalde breedte foar opjûn materiaal sil it materiaal "sakje" yn it oanmakke kanaal.D'r is op dit stuit gjin spesifyk model foar dizze berekkening, sadat de maksimale kanaalbreedte foar in opjûn materiaal en ûntwerp eksperiminteel bepaald wurdt, wêrby't in breedte fan 750 µm gjin saging feroarsaket.
De foarm (fjouwerkant) fan it kanaal wurdt bepaald mei in fjouwerkante cutter.De foarm en grutte fan 'e kanalen kinne wurde feroare op CNC-masines dy't ferskate cutting-ark brûke om ferskate streamtaten en skaaimerken te krijen.In foarbyld fan it meitsjen fan in kromme kanaal mei in 125 µm ark is te finen yn Monaghan45.As de folielaach flak oanbrocht wurdt, sil de tapassing fan it foliemateriaal op 'e kanalen in plat (fjouwerkant) oerflak hawwe.Yn dit wurk waard in fjouwerkante kontoer brûkt om de kanaalsymmetry te behâlden.
Tidens in programmearre pauze yn produksje, thermocouple temperatuer sensoren (type K) boud direkt yn it apparaat tusken de boppeste en legere kanaal groepen (figuer 1 - poadium 3).Dizze thermocouples kinne temperatuerferoaringen kontrolearje fan -200 oant 1350 °C.
It metaaldeposysjeproses wurdt útfierd troch de UAM-hoarn mei metalen folie 25,4 mm breed en 150 mikron dik.Dizze lagen fan folie binne ferbûn yn in searje neistlizzende strips om it hiele bougebiet te dekken;de grutte fan it ôfset materiaal is grutter as it úteinlike produkt as it subtraction proses skept de definitive skjinne foarm.CNC-ferwurkjen wurdt brûkt om de eksterne en ynterne kontoeren fan 'e apparatuer te bewurkjen, wat resulteart yn in oerflakfinish fan' e apparatuer en kanalen dy't oerienkomme mei it selektearre ark en CNC-prosesparameters (yn dit foarbyld, sawat 1,6 µm Ra).Trochrinnende, trochgeande syklusen foar spuiten en ferwurkjen fan ultrasone materiaal wurde brûkt yn it hiele produksjeproses fan it apparaat om te soargjen dat dimensjonele krektens wurdt behâlden en it ôfmakke diel foldocht oan CNC-fijnfrezen-presisjonsnivo's.De breedte fan it kanaal dat brûkt wurdt foar dit apparaat is lyts genôch om te soargjen dat it foliemateriaal net "sakket" yn it floeistofkanaal, sadat it kanaal in fjouwerkante dwerstrochsneed hat.Mooglike gatten yn it foliemateriaal en de parameters fan it UAM-proses waarden eksperiminteel bepaald troch de produksjepartner (Fabrisonic LLC, USA).
Stúdzjes hawwe oantoand dat op 'e ynterface 46, 47 fan' e UAM-ferbining d'r net folle diffusion fan eleminten is sûnder ekstra waarmtebehandeling, dus foar de apparaten yn dit wurk bliuwt de Cu-110-laach oars as de Al 6061-laach en feroaret dramatysk.
Ynstallearje in pre-kalibrearre efterdrukregulator (BPR) by 250 psi (1724 kPa) streamôfwerts fan 'e reaktor en pomp wetter troch de reaktor mei in snelheid fan 0,1 oant 1 ml min-1.De reaktordruk waard kontrolearre mei de FlowSyn-druktransducer dy't yn it systeem boud is om te soargjen dat it systeem in konstante konstante druk behâlde koe.Potinsjele temperatuergradienten yn 'e streamreaktor waarden hifke troch te sykjen nei eventuele ferskillen tusken de thermocouples dy't yn' e reaktor boud binne en de thermocouples dy't yn 'e ferwaarmingsplaat fan' e FlowSyn-chip boud binne.Dit wurdt berikt troch it feroarjen fan de programmearre hotplate temperatuer tusken 100 en 150 ° C yn stappen fan 25 ° C en it kontrolearjen fan alle ferskillen tusken de programmearre en opnommen temperatueren.Dit waard berikt mei de tc-08 datalogger (PicoTech, Cambridge, UK) en de byhearrende PicoLog-software.
De betingsten foar de cycloadditionreaksje fan phenylacetylene en iodoethane wurde optimalisearre (Skema 1-Cycloaddition fan phenylacetylene en iodoethane, Skema 1-Cycloaddition fan phenylacetylene en iodoethane).Dizze optimisaasje waard útfierd mei in oanpak fan folslein fakultatyf ûntwerp fan eksperiminten (DOE), mei help fan temperatuer en ferbliuwstiid as fariabelen, wylst de alkyne:azide-ferhâlding op 1:2 fêstige waard.
Separate oplossingen fan natriumazide (0,25 M, 4: 1 DMF: H2O), iodethane (0,25 M, DMF), en phenylacetylene (0,125 M, DMF) waarden taret.In 1,5 ml aliquot fan elke oplossing waard mingd en troch de reaktor pompt by de winske streamsnelheid en temperatuer.De reaksje fan it model waard nommen as de ferhâlding fan it pykgebiet fan it triazolprodukt oan it útgongsmateriaal fan phenylacetylene en waard bepaald mei hege prestaasjes floeistofchromatografy (HPLC).Foar analyse-konsistinsje waarden alle reaksjes fuortendaliks nommen nei't it reaksjegemik de reaktor ferliet.De parameterberiken dy't selekteare binne foar optimalisaasje wurde werjûn yn Tabel 2.
Alle samples waarden analysearre mei in Chromaster HPLC systeem (VWR, PA, USA) besteande út in quaternary pomp, kolom oven, fariabele golflingte UV detector en autosampler.De kolom wie in Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA), 4,6 x 100 mm, 5 µm partikelgrutte, bewarre op 40 ° C.It oplosmiddel wie isokratyske methanol:wetter 50:50 by in trochstreaming fan 1,5 ml·min-1.It ynjeksjevolume wie 5 μl en de detektorgolflingte wie 254 nm.It % peakgebiet foar it DOE-monster waard allinich berekkene út 'e peakgebieten fan 'e oerbliuwende alkyn- en triazolprodukten.De ynfiering fan it útgongsmateriaal makket it mooglik om de oerienkommende peaks te identifisearjen.
It kombinearjen fan 'e resultaten fan' e reaktoranalyse mei de MODDE DOE-software (Umetrics, Malmö, Sweden) koe in yngeande trendanalyse fan 'e resultaten en it bepalen fan' e optimale reaksjebetingsten foar dizze cycloaddition.It útfieren fan de ynboude optimizer en it selektearjen fan alle wichtige modelbetingsten skept in set reaksjebetingsten ûntworpen om it pykgebiet fan it produkt te maksimalisearjen, wylst it pykgebiet foar de acetylene-feedstof ferminderet.
Oxidaasje fan it koper oerflak yn 'e katalytyske reaksje keamer waard berikt mei help fan in wetterstof peroxide oplossing (36%) streamend troch de reaksje keamer (flow rate = 0,4 ml min-1, ferbliuw tiid = 2,5 min) foarôfgeand oan de synteze fan elke triazole ferbining.biblioteek.
Sadree't de optimale set fan betingsten wie bepaald, se waarden tapast op in oanbod fan acetylene en haloalkane derivaten te tastean de kompilaasje fan in lytse synteze bibleteek, dêrmei it fêststellen fan de mooglikheid fan it tapassen fan dizze betingsten oan in breder skala oan potinsjele reagents (figuer 1).2).
Meitsje aparte oplossingen fan natriumazide (0,25 M, 4:1 DMF: H2O), haloalkanen (0,25 M, DMF), en alkynen (0,125 M, DMF).Aliquots fan 3 ml fan elke oplossing waarden mingd en troch de reaktor pompt mei in snelheid fan 75 µl / min en in temperatuer fan 150 ° C.It hiele folume waard sammele yn in vial en verdund mei 10 ml ethyl acetate.De oplossing waard wosken mei 3 x 10 ml wetter.De wetterige lagen waarden kombinearre en ekstrahearre mei 10 ml ethylacetat, dan waarden de organyske lagen kombineare, wosken mei 3 × 10 ml pekel, droege oer MgSO 4 en filtrearre, dan waard it solvent yn fakuüm fuortsmiten.Samples waarden suvere troch silikagelkolomchromatografy mei etylacetat foarôfgeand oan analyse troch in kombinaasje fan HPLC, 1H NMR, 13C NMR en massaspektrometrie mei hege resolúsje (HR-MS).
Alle spektra waarden krigen mei in Thermofischer Precision Orbitrap massaspektrometer mei ESI as de ionisaasjeboarne.Alle samples waarden taret mei acetonitril as solvent.
TLC-analyse waard útfierd op silikaplaten mei in aluminiumsubstraat.De platen waarden fisualisearre mei UV-ljocht (254 nm) of vanilline kleuring en ferwaarming.
Alle samples waarden analysearre mei in VWR Chromaster systeem (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) útrist mei in autosampler, in binêre pomp mei in kolom oven en in inkele golflingte detektor.In ACE Equivalence 5 C18 kolom (150 x 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Skotlân) waard brûkt.
Ynjeksjes (5 µl) waarden direkt makke fan it verdunde rûge reaksjegemik (1:10-ferdunning) en analysearre mei wetter:methanol (50:50 of 70:30), útsein guon samples mei in 70:30 solventsysteem (oantsjutten as stjernûmer) by in streamsnelheid fan 1.5 ml / min.De kolom waard hâlden op 40 ° C.De golflingte fan de detektor is 254 nm.
It% pykgebiet fan 'e stekproef waard berekkene út it pykgebiet fan' e oerbliuwende alkyn, allinich it triazolprodukt, en de ynfiering fan it útgongsmateriaal makke it mooglik om de oerienkommende peaks te identifisearjen.
Alle samples waarden analysearre mei Thermo iCAP 6000 ICP-OES.Alle kalibraasjenoarmen waarden taret mei in 1000 ppm Cu standert oplossing yn 2% salpetersäure (SPEX Certi Prep).Alle noarmen waarden taret yn in oplossing fan 5% DMF en 2% HNO3, en alle samples waarden 20 kear verdund mei in probleemoplossing fan DMF-HNO3.
UAM brûkt ultrasone metalen welding as in metoade foar it ferbinen fan 'e metalen folie dy't brûkt wurdt om de definitive gearkomste te meitsjen.Ultrasone metalen welding brûkt in vibrearjend metalen ark (neamd in hoarn of ultrasone hoarn) om druk út te oefenjen op 'e folie / earder konsolidearre laach om te bondeljen / earder konsolidearre troch it materiaal te triljen.Foar trochgeande operaasje, de sonotrode hat in silindryske foarm en rôlet oer it oerflak fan it materiaal, lijm it hiele gebiet.As druk en trilling wurde tapast, kinne de oksides op it oerflak fan it materiaal barste.Konstante druk en trilling kinne liede ta de ferneatiging fan 'e rûchheid fan it materiaal 36.Nau kontakt mei lokale waarmte en druk dan liedt ta in fêste faze bân by de materiaal ynterfaces;it kin ek de gearhing befoarderje troch de oerflakenerzjy te feroarjen48.De aard fan it bondelmeganisme oerwint in protte fan 'e problemen ferbûn mei de fariabele smelttemperatuer en effekten op hege temperatuer neamd yn oare technologyen foar additive manufacturing.Dit soarget foar direkte ferbining (dus sûnder oerflakmodifikaasje, fillers of kleefstoffen) fan ferskate lagen fan ferskate materialen yn ien konsolidearre struktuer.
De twadde geunstige faktor foar CAM is de hege graad fan plestik streaming waarnommen yn metalen materialen sels by lege temperatueren, dus goed ûnder it raanpunt fan metalen materialen.De kombinaasje fan ultrasone trillings en druk feroarsaket in hege nivo fan lokale nôt grins migraasje en recrystallization sûnder de signifikante temperatuer ferheging tradisjoneel ferbûn mei bulk materialen.Tidens de oprjochting fan 'e definitive gearkomste kin dit ferskynsel brûkt wurde om aktive en passive komponinten yn te lizzen tusken lagen fan metaalfolie, laach foar laach.Eleminten lykas glêstried 49, fersterking 46, elektroanika 50 en thermocouples (dit wurk) binne mei súkses yntegrearre yn UAM struktueren te meitsjen aktive en passive gearstalde gearkomsten.
Yn dit wurk waarden sawol ferskillende materiaalbindingsmooglikheden as UAM-ynterkalaasjemooglikheden brûkt om in ideale mikroreaktor te meitsjen foar katalytyske temperatuerkontrôle.
Yn ferliking mei palladium (Pd) en oare faak brûkte metaalkatalysatoren hat Cu-katalysis ferskate foardielen: (i) Ekonomysk is Cu goedkeaper as in protte oare metalen dy't brûkt wurde yn katalysis en is dêrom in oantreklike opsje foar de gemyske yndustry (ii) it oanbod fan Cu-katalysearre cross-coupling-reaksjes wreidet út en liket in bytsje oanfolling te wêzen, 515, iii) katalysearre reaksjes wurkje goed yn it ûntbrekken fan oare liganden.Dizze liganden binne faak struktureel ienfâldich en goedkeap.as winske, wylst dy brûkt yn Pd skiekunde binne faak kompleks, djoer, en lucht gefoelich (iv) Cu, benammen bekend om syn fermogen om te binen alkynes yn synteze, lykas Sonogashira syn bimetallic katalysearre coupling en cycloaddition mei azides (klik skiekunde) (v) Cu kin ek befoarderje de nuclemannophilation reaksje yn guon Uclemannophiles reaksje.
Koartlyn binne foarbylden fan heterogenisaasje fan al dizze reaksjes yn 'e oanwêzigens fan Cu (0) oantoand.Dit is foar in grut part te tankjen oan de farmaseutyske yndustry en de tanimmende fokus op it weromheljen en opnij brûken fan metalen katalysatoren55,56.
De 1,3-dipolêre cycloaddysjereaksje tusken acetyleen en azide oan 1,2,3-triazol, foar it earst foarsteld troch Huisgen yn 'e 1960s57, wurdt beskôge as in synergistyske demonstraasjereaksje.De resultearjende 1,2,3 triazole fragminten binne fan bysûnder belang as in pharmacophore yn drug ûntdekking troch harren biologyske tapassingen en gebrûk yn ferskate therapeutyske aginten 58.
Dizze reaksje krige opnij omtinken doe't Sharpless en oaren it konsept fan "klikkemienskip" yntrodusearre59.De term "klik-chemie" wurdt brûkt om in robúste en selektive set fan reaksjes te beskriuwen foar de rappe synteze fan nije ferbiningen en kombinatoriale bibleteken mei heteroatomyske bonding (CXC) 60.De syntetyske berop fan dizze reaksjes is te tankjen oan de hege opbringsten dy't dêrmei ferbûn binne.betingsten binne ienfâldich, wjerstân tsjin soerstof en wetter, en produkt skieding is simpel61.
De klassike 1,3-dipoal Huisgen cycloaddition falt net yn 'e kategory "klikkemienskip".Medal and Sharpless demonstrearren lykwols dat dit azide-alkyn-keppelingsevenemint 107-108 ûndergiet yn 'e oanwêzigens fan Cu (I) yn ferliking mei in signifikante fersnelling yn' e taryf fan net-katalytyske 1,3-dipolêre cycloaddition 62,63.Dit avansearre reaksjemeganisme fereasket gjin beskermjende groepen of hurde reaksjebetingsten en leveret hast folsleine konverzje en selektiviteit oan 1,4-disubstituearre 1,2,3-triazolen (anti-1,2,3-triazolen) oer de tiid (figuer 3).
Isometryske resultaten fan konvinsjonele en koper-katalysearre Huisgen cycloadditions.Cu(I)-katalysearre Huisgen-cycloadditions jouwe allinich 1,4-disubstituearre 1,2,3-triazolen, wylst thermysk-induzearre Huisgen-cycloadditions typysk 1,4- en 1,5-triazolen in 1:1-minging fan azolstereoisomeren jouwe.
De measte protokollen befetsje de reduksje fan stabile boarnen fan Cu(II), lykas de reduksje fan CuSO4 of de Cu(II)/Cu(0)-ferbining yn kombinaasje mei natriumsâlten.Yn ferliking mei oare metalen katalysearre reaksjes hat it gebrûk fan Cu(I) de wichtichste foardielen fan goedkeap en maklik te behanneljen.
Kinetyske en isotopyske stúdzjes troch Worrell et al.65 hawwe sjen litten dat yn it gefal fan terminale alkynen, twa ekwivalinten fan koper binne belutsen by it aktivearjen fan de reaktiviteit fan elke molekule mei respekt foar azide.It foarstelde meganisme giet troch in seis-leaze kopermetaalring foarme troch de koördinaasje fan azide oan σ-bûn koperacetylide mei π-bûn koper as in stabile donorligand.Koper triazolyl derivaten wurde foarme as gefolch fan ring contraction folge troch proton ûntbining te foarmjen triazole produkten en slute de katalytyske syklus.
Wylst de foardielen fan apparaten foar streamchemie goed dokuminteare binne, hat d'r in winsk west om analytyske ark te yntegrearjen yn dizze systemen foar real-time prosesmonitoring yn situ66,67.UAM hat bewiisd in v wêze in geskikte metoade foar it ûntwerpen en produsearje hiel komplekse 3D flow reaktors út catalytical aktyf, termysk conductive materialen mei direkt ynbêde sensing eleminten (figuer 4).
Aluminium-koper streamreaktor makke troch ultrasone additive manufacturing (UAM) mei in komplekse ynterne kanaalstruktuer, ynboude thermocouples en in katalytyske reaksjekeamer.Om de ynterne fluidpaden te visualisearjen, wurdt ek in transparant prototype makke mei stereolitografy toand.
Om te soargjen dat reaktors wurde makke foar takomstige organyske reaksjes, solvents moatte feilich ferwaarme boppe harren siedpunt;se wurde druk en temperatuer hifke.De druk testen die bliken dat it systeem ûnderhâldt in stabile en konstante druk sels by ferhege druk yn it systeem (1,7 MPa).Hydrostatyske tests waarden útfierd by keamertemperatuer mei H2O as de floeistof.
It ferbinen fan it ynboude (figuer 1) thermocouple mei de temperatuerdatalogger liet sjen dat de thermocouple-temperatuer 6 °C (± 1 °C) ûnder de programmearre temperatuer yn it FlowSyn-systeem wie.Typysk ferdûbelet in temperatuerferheging fan 10 °C de reaksjesnelheid, sadat in temperatuerferskil fan mar in pear graden de reaksjesnelheid signifikant kin feroarje.Dit ferskil komt troch it temperatuerferlies yn 'e RPV troch de hege thermyske diffusiviteit fan' e materialen dy't brûkt wurde yn it produksjeproses.Dizze termyske drift is konstant en kin dêrom rekken holden wurde by it ynstellen fan de apparatuer om te soargjen dat krekte temperatueren wurde berikt en mjitten tidens de reaksje.Sa, dit online tafersjoch ark fasilitearret strakke kontrôle fan de reaksje temperatuer en draacht by oan mear krekte proses optimalisaasje en ûntwikkeling fan optimale omstannichheden.Dizze sensoren kinne ek brûkt wurde om eksotermyske reaksjes te detektearjen en runaway-reaksjes yn grutskalige systemen te foarkommen.
De reaktor presintearre yn dit papier is it earste foarbyld fan de tapassing fan UAM technology foar de fabrikaazje fan gemyske reaktors en adressen ferskate grutte beheinings op it stuit ferbûn mei AM / 3D printsjen fan dizze apparaten, lykas: (i) Oerwinnen fan de opmurken problemen ferbûn mei it ferwurkjen fan koper of aluminium alloy (ii) ferbettere ynterne kanaal resolúsje yn ferliking mei poeder bed smelten en smelten fan poeder bed materiaal lykas PBM25 of selekteare oerflak smelten (PBM25) texture26 (iii) legere ferwurkjen temperatuer, dy't fasilitearret direkte ferbinen sensoren, dat is net mooglik yn poeder bed technology, (v) oerwinnen de earme meganyske eigenskippen en gefoelichheid fan polymer-basearre komponinten oan ferskate mienskiplike organyske solvents17,19.
De funksjonaliteit fan de reaktor waard oantoand troch in rige fan koper-katalysearre alkinazide cycloaddition reaksjes ûnder trochgeande stream betingsten (figuer 2).De ultrasone printe koperreaktor werjûn yn fig.4 waard yntegrearre mei in kommersjeel flow systeem en brûkt om synthesize in azide bibleteek fan ferskate 1,4-disubstituted 1,2,3-triazoles mei help fan in temperatuer kontrolearre reaksje fan acetylene en alkyl groep halides yn 'e oanwêzigens fan natrium chloride (figuer 3).It gebrûk fan 'e oanpak fan trochgeande stream ferleget de feiligensproblemen dy't kinne ûntstean yn batchprosessen, om't dizze reaksje tige reaktive en gefaarlike azide-yntermediaten produseart [317], [318].Yn earste ynstânsje waard de reaksje optimisearre foar de cycloaddition fan phenylacetylene en iodoethane (Skema 1 - Cycladdition fan phenylacetylene en iodoethane) (sjoch Fig. 5).
(Linksboppe) Skematyk fan 'e opset dy't brûkt wurdt om in 3DP-reaktor yn te nimmen yn in streamsysteem (rjochtsboppe) krigen fan' e optimalisearre (leger) skema fan 'e Huisgen 57 cycloaddition-skema tusken phenylacetylene en iodoethane foar optimalisaasje en toant de optimalisearre konverzje-rate parameters fan 'e reaksje.
Troch de ferbliuwstiid fan 'e reaktanten yn' e katalytyske seksje fan 'e reaktor te kontrolearjen en de reaksjetemperatuer soarchfâldich te kontrolearjen mei in direkt yntegreare thermocouple-sensor, kinne reaksjebetingsten fluch en sekuer optimisearre wurde mei in minimum fan tiid en materialen.It waard gau fûn dat de heechste konverzje berikt waard mei in ferbliuwstiid fan 15 minuten en in reaksjetemperatuer fan 150 °C.It kin sjoen wurde út it koeffizientplot fan 'e MODDE-software dat sawol de ferbliuwstiid as de reaksjetemperatuer wurde beskôge as wichtige betingsten fan it model.It útfieren fan de ynboude optimizer mei dizze selekteare betingsten makket in set reaksjebetingsten ûntworpen om produktpykgebieten te maksimalisearjen, wylst pykgebieten fan begjinmateriaal ferminderje.Dizze optimalisaasje levere in konverzje fan 53% fan it triazolprodukt op, wat krekt oerienkomt mei de foarsizzing fan it model fan 54%.