Tankewol foar jo besite oan Nature.com. De browserferzje dy't jo brûke hat beheinde CSS-stipe. Foar de bêste ûnderfining riede wy jo oan om in bywurke browser te brûken (of kompatibiliteitsmodus yn Internet Explorer út te skeakeljen). Yn 'e tuskentiid, om trochgeande stipe te garandearjen, sille wy de side sûnder stilen en JavaScript werjaan.
In draaiblêd dat trije dia's tagelyk sjen lit. Brûk de knoppen Foarige en Folgjende om troch trije dia's tagelyk te gean, of brûk de skúfknoppen oan 'e ein om troch trije dia's tagelyk te gean.
Additive manufacturing feroaret de manier wêrop ûndersikers en yndustrialisten gemyske apparaten ûntwerpe en produsearje om te foldwaan oan har spesifike behoeften. Yn dit artikel rapportearje wy it earste foarbyld fan in streamreaktor foarme troch ultrasone additive manufacturing (UAM) laminaasje fan in fêste metalen plaat mei direkt yntegreare katalytyske ûnderdielen en sensoreleminten. UAM-technology oerwint net allinich in protte fan 'e beheiningen dy't op it stuit ferbûn binne mei de additive manufacturing fan gemyske reaktors, mar wreidet ek de mooglikheden fan sokke apparaten sterk út. In oantal biologysk wichtige 1,4-disubstituearre 1,2,3-triazoolferbiningen binne mei súkses synthetisearre en optimalisearre troch in Cu-bemiddelde 1,3-dipolare Huisgen cycloaddysjereaksje mei de UAM-gemyfasiliteit. Mei help fan 'e unike eigenskippen fan UAM en trochgeande streamferwurking is it apparaat yn steat om oanhâldende reaksjes te katalysearjen en real-time feedback te jaan om reaksjes te kontrolearjen en te optimalisearjen.
Troch syn wichtige foardielen boppe syn bulk-tsjinhinger is streamgemy in wichtich en groeiend fjild yn sawol akademyske as yndustriële omjouwings fanwegen syn fermogen om de selektiviteit en effisjinsje fan gemyske synteze te ferheegjen. Dit giet fan 'e foarming fan ienfâldige organyske molekulen1 oant farmaseutyske ferbiningen2,3 en natuerlike produkten4,5,6. Mear as 50% fan 'e reaksjes yn 'e fyngemyske en farmaseutyske yndustry kinne profitearje fan trochgeande stream7.
Yn 'e ôfrûne jierren is der in groeiende trend west fan groepen dy't besykje tradisjoneel glêswurk of streamchemy-apparatuer te ferfangen troch oanpasbere gemyske "reaktors"8. It iterative ûntwerp, rappe produksje en trijediminsjonale (3D) mooglikheden fan dizze metoaden binne nuttich foar dyjingen dy't har apparaten oanpasse wolle foar in bepaalde set reaksjes, apparaten of omstannichheden. Oant no ta hat dit wurk him hast allinich rjochte op it gebrûk fan polymeer-basearre 3D-printtechniken lykas stereolithografy (SL)9,10,11, Fused Deposition Modeling (FDM)8,12,13,14 en inkjetprintsjen7,15,16. It gebrek oan betrouberens en fermogen fan sokke apparaten om in breed skala oan gemyske reaksjes/analyses út te fieren17, 18, 19, 20 is in wichtige beheinde faktor foar de bredere tapassing fan AM yn dit fjild17, 18, 19, 20.
Troch it tanimmende gebrûk fan streamgemy en de geunstige eigenskippen dy't ferbûn binne mei AM, moatte bettere techniken ûndersocht wurde dy't brûkers tastean om streamreaksjefetten te meitsjen mei ferbettere skiekunde en analytyske mooglikheden. Dizze metoaden moatte brûkers tastean om te kiezen út in oanbod fan hege sterkte of funksjonele materialen dy't by steat binne om te operearjen ûnder in breed skala oan reaksjebetingsten, en ek ferskate foarmen fan analytyske útfier fan it apparaat fasilitearje om tafersjoch en kontrôle fan 'e reaksje mooglik te meitsjen.
Ien addityf produksjeproses dat brûkt wurde kin om oanpaste gemyske reaktors te ûntwikkeljen is Ultrasone Additive Manufacturing (UAM). Dizze fêste-steat plaatlaminaasjemetoade past ultrasone trillingen ta op tinne metalen folies om se laach foar laach oaninoar te binen mei minimale volumetryske ferwaarming en in hege mjitte fan plestike stream 21, 22, 23. Oars as de measte oare AM-technologyen kin UAM direkt yntegrearre wurde mei subtraktive produksje, bekend as in hybride produksjeproses, wêrby't periodyk in-situ numerike kontrôle (CNC) frezen of laserferwurking de netto foarm fan 'e laach fan bonded materiaal bepaalt 24, 25. Dit betsjut dat de brûker net beheind is ta de problemen dy't ferbûn binne mei it fuortheljen fan oerbleaune orizjinele boumateriaal út lytse floeistofkanalen, wat faak it gefal is yn poeier- en floeistofsystemen AM26,27,28. Dizze ûntwerpfrijheid wreidet him ek út nei de kar fan beskikbere materialen - UAM kin kombinaasjes fan termysk ferlykbere en ferskillende materialen yn ien prosesstap binen. De kar fan materiaalkombinaasjes bûten it smeltproses betsjut dat better foldien wurde kin oan 'e meganyske en gemyske easken fan spesifike tapassingen. Neist fêste bonding is in oar ferskynsel dat foarkomt by ultrasone bonding de hege floeiberens fan plestik materialen by relatyf lege temperatueren29,30,31,32,33. Dizze unike funksje fan UAM makket it mooglik om meganyske/termyske eleminten tusken metalen lagen te pleatsen sûnder skea. Ynbêde UAM-sensoren kinne de levering fan real-time ynformaasje fan it apparaat nei de brûker fasilitearje fia yntegreare analyses.
Earder wurk fan 'e auteurs32 demonstrearre it fermogen fan it UAM-proses om metallyske 3D mikrofluidyske struktueren te meitsjen mei ynbêde sensormooglikheden. Dit apparaat is allinich foar monitoringdoelen. Dit artikel presintearret it earste foarbyld fan in mikrofluidyske gemyske reaktor produsearre troch UAM, in aktyf apparaat dat net allinich gemyske synteze kontrolearret, mar ek ynducearret mei struktureel yntegreare katalytyske materialen. It apparaat kombinearret ferskate foardielen dy't ferbûn binne mei UAM-technology by de fabrikaazje fan 3D-gemyske apparaten, lykas: de mooglikheid om in folslein 3D-ûntwerp direkt fan in kompjûter-stipe ûntwerp (CAD) model om te setten yn in produkt; fabrikaazje fan meardere materialen foar in kombinaasje fan hege termyske geliedingsfermogen en katalytyske materialen, lykas termyske sensoren ynbêde direkt tusken de reaktantstreamen foar krekte kontrôle en behear fan 'e reaksjetemperatuer. Om de funksjonaliteit fan 'e reaktor te demonstrearjen, waard in bibleteek fan farmaseutyske wichtige 1,4-disubstituearre 1,2,3-triazoolferbiningen synthetisearre troch koper-katalysearre 1,3-dipolare Huisgen cycloaddysje. Dit wurk beklammet hoe't it gebrûk fan materiaalkunde en kompjûter-stipe ûntwerp nije mooglikheden en kânsen foar skiekunde kin iepenje troch ynterdissiplinêr ûndersyk.
Alle oplosmiddels en reagentia waarden kocht fan Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI, of Fischer Scientific en brûkt sûnder foarôfgeande suvering. 1H- en 13C-NMR-spektra opnommen by 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 oplosmiddel. Alle reaksjes waarden útfierd mei it Uniqsis FlowSyn-streamchemyplatfoarm.
UAM waard brûkt om alle apparaten yn dizze stúdzje te meitsjen. De technology waard útfûn yn 1999 en de technyske details, wurkingsparameters en ûntwikkelingen sûnt de útfining kinne bestudearre wurde mei de folgjende publisearre materialen34,35,36,37. It apparaat (Fig. 1) waard ymplementearre mei in swier 9 kW SonicLayer 4000® UAM-systeem (Fabrisonic, Ohio, Feriene Steaten). De materialen dy't keazen waarden foar it streamapparaat wiene Cu-110 en Al 6061. Cu-110 hat in hege koperynhâld (minimaal 99,9% koper), wêrtroch it in goede kandidaat is foar koperkatalysearre reaksjes en wurdt dêrom brûkt as in "aktive laach yn 'e mikroreaktor. Al 6061O wurdt brûkt as it "bulk" materiaal. , lykas de ynterkalaasjelaach dy't brûkt wurdt foar analyze; ynterkalaasje fan helplegearingskomponinten en gegloeide steat yn kombinaasje mei Cu-110-laach. fûn gemysk stabyl te wêzen mei de reagentia dy't yn dit wurk brûkt binne. Al 6061O yn kombinaasje mei Cu-110 wurdt ek beskôge as in kompatibel materiaalkombinaasje foar UAM en is dêrom in geskikt materiaal foar dizze stúdzje 38,42. Dizze apparaten binne neamd yn tabel 1 hjirûnder.
Reaktorfabrikaazjestappen (1) 6061 aluminiumlegeringsubstraat (2) Fabrikaasje fan it ûnderste kanaal fan koperfolie (3) Ynfoegjen fan termokoppels tusken lagen (4) Boppeste kanaal (5) Ynlaat en útlaat (6) Monolityske reaktor.
De ûntwerpfilosofy fan it floeistofkanaal is om in kronkelich paad te brûken om de ôfstân dy't de floeistof yn 'e chip ôfleit te fergrutsjen, wylst in behearsbere chipgrutte behâlden wurdt. Dizze ferheging fan ôfstân is winsklik om de kontakttiid tusken katalysator en reaktant te fergrutsjen en poerbêste produktopbringsten te leverjen. De chips brûke 90° bochten oan 'e einen fan in rjocht paad om turbulinte minging yn it apparaat te indusearjen44 en de kontakttiid fan 'e floeistof mei it oerflak (katalysator) te fergrutsjen. Om de berikte minging fierder te ferbetterjen, omfettet it ûntwerp fan 'e reaktor twa reaktantinileinen kombineare yn in Y-ferbining foardat se de mingspiraalseksje yngien. De tredde yngong, dy't de stream healwei syn ferbliuw krúst, is opnommen yn it plan foar takomstige mearfaze synteze-reaksjes.
Alle kanalen hawwe in fjouwerkant profyl (gjin tapse hoeken), wat it resultaat is fan it periodike CNC-frezen dat brûkt wurdt om de kanaalgeometrie te meitsjen. De kanaalôfmjittings binne keazen om in hege (foar in mikroreaktor) volumetryske opbringst te leverjen, mar lyts genôch om ynteraksje mei it oerflak (katalysatoren) te fasilitearjen foar de measte floeistoffen dy't it befettet. De passende grutte is basearre op 'e eardere ûnderfining fan' e auteurs mei metaal-floeistofreaksjeapparaten. De ynterne ôfmjittings fan it definitive kanaal wiene 750 µm x 750 µm en it totale reaktorvolume wie 1 ml. In ynboude ferbining (1/4″-28 UNF-tried) is opnommen yn it ûntwerp om maklike ynterfacing fan it apparaat mei kommersjele streamchemyske apparatuer mooglik te meitsjen. De kanaalgrutte wurdt beheind troch de dikte fan it foliemateriaal, syn meganyske eigenskippen, en de bondingparameters dy't brûkt wurde mei ultrasone apparaten. By in bepaalde breedte foar in bepaald materiaal sil it materiaal "sakje" yn it makke kanaal. Der is op it stuit gjin spesifyk model foar dizze berekkening, dus de maksimale kanaalbreedte foar in bepaald materiaal en ûntwerp wurdt eksperiminteel bepaald, yn dat gefal sil in breedte fan 750 µm gjin sag feroarsaakje.
De foarm (fjouwerkant) fan it kanaal wurdt bepaald mei in fjouwerkante snijder. De foarm en grutte fan 'e kanalen kinne feroare wurde op CNC-masines mei ferskate snijgereedschappen om ferskillende streamsnelheden en skaaimerken te krijen. In foarbyld fan it meitsjen fan in bûgd kanaal mei in ark fan 125 µm is te finen yn Monaghan45. As de folielaach flak oanbrocht wurdt, sil de tapassing fan it foliemateriaal op 'e kanalen in flak (fjouwerkant) oerflak hawwe. Yn dit wurk waard in fjouwerkante kontoer brûkt om de symmetry fan it kanaal te behâlden.
Tidens in programmearre pauze yn 'e produksje wurde thermokoppeltemperatuersensors (type K) direkt yn it apparaat ynboud tusken de boppeste en ûnderste kanaalgroepen (Fig. 1 - stadium 3). Dizze thermokoppels kinne temperatuerferoarings kontrolearje fan -200 oant 1350 °C.
It metaalôfsettingsproses wurdt útfierd troch de UAM-hoarn mei metaalfolie fan 25,4 mm breed en 150 mikron dik. Dizze lagen folie binne ferbûn yn in searje neistlizzende strips om it heule bougebiet te dekken; de grutte fan it ôfsette materiaal is grutter as it einprodukt, om't it subtraksjeproses de definitive skjinne foarm makket. CNC-ferwurking wurdt brûkt om de eksterne en ynterne kontoeren fan 'e apparatuer te ferwurkjen, wat resulteart yn in oerflaktefinish fan' e apparatuer en kanalen dy't oerienkomt mei de selekteare ark- en CNC-prosesparameters (yn dit foarbyld sawat 1,6 µm Ra). Kontinu, trochgeande ultrasone materiaalspuit- en ferwurkingssyklusen wurde brûkt yn it heule produksjeproses fan it apparaat om te soargjen dat de dimensjonele krektens behâlden wurdt en it ôfmakke ûnderdiel foldocht oan de presyzjenivo's fan CNC-fynfrezen. De breedte fan it kanaal dat foar dit apparaat brûkt wurdt, 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, Feriene Steaten).
Undersyk hat oantoand dat by de ynterface 46, 47 fan 'e UAM-ferbining der mar in bytsje diffúzje fan eleminten is sûnder ekstra waarmtebehanneling, dus foar de apparaten yn dit wurk bliuwt de Cu-110-laach oars as de Al 6061-laach en feroaret dramatysk.
Ynstallearje in foarkalibrearre tsjindrukregulator (BPR) op 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 kontroleare mei de FlowSyn-druktransducer dy't yn it systeem ynboud wie om te soargjen dat it systeem in konstante, fêste druk koe behâlde. Potinsjele temperatuergradiënten yn 'e streamreaktor waarden hifke troch te sykjen nei ferskillen tusken de termokoppels dy't yn 'e reaktor ynboud wiene en de termokoppels dy't yn 'e ferwaarmingsplaat fan 'e FlowSyn-chip ynboud wiene. Dit wurdt berikt troch de programmearre temperatuer fan 'e ferwaarmingsplaat te feroarjen tusken 100 en 150 °C yn stappen fan 25 °C en alle ferskillen tusken de programmearre en registrearre temperatueren te kontrolearjen. Dit waard berikt mei de tc-08 datalogger (PicoTech, Cambridge, UK) en de begeliedende PicoLog-software.
De betingsten foar de sykloaddysjereaksje fan fenylacetyleen en jodoethaan binne optimalisearre (Skema 1-Sykloaddysje fan fenylacetyleen en jodoethaan, Skema 1-Sykloaddysje fan fenylacetyleen en jodoethaan). Dizze optimalisaasje waard útfierd mei in folsleine faktoriale ûntwerp fan eksperiminten (DOE) oanpak, mei temperatuer en ferbliuwstiid as fariabelen, wylst de alkyn:azideferhâlding fêststeld waard op 1:2.
Separate oplossingen fan natriumazide (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), jodoetaan (0.25 M, DMF), en fenylacetyleen (0.125 M, DMF) waarden taret. In aliquot fan 1.5 ml fan elke oplossing waard mingd en troch de reaktor pompt mei de winske streamsnelheid en temperatuer. De reaksje fan it model waard nommen as de ferhâlding fan it peakgebiet fan it triazoolprodukt ta it útgongsmateriaal fan fenylacetyleen en waard bepaald mei help fan hege prestaasjes floeistofchromatografy (HPLC). Foar analysekonsistinsje waarden alle reaksjes direkt nei't it reaksjemingsel de reaktor ferliet, nommen. De parameterberiken selektearre foar optimalisaasje wurde werjûn yn tabel 2.
Alle samples waarden analysearre mei in Chromaster HPLC-systeem (VWR, PA, Feriene Steaten) besteande út in kwaternêre pomp, kolomoven, UV-detektor mei fariabele golflingte en autosampler. De kolom wie in Equivalence 5 C18 (VWR, PA, Feriene Steaten), 4,6 x 100 mm, dieltsjegrutte fan 5 µm, hâlden op 40 °C. It oplosmiddel wie isokratysk metanol:wetter 50:50 mei in streamingsnelheid fan 1,5 ml·min-1. It ynjeksjevolume wie 5 μl en de golflingte fan 'e detektor wie 254 nm. It % piekgebiet foar it DOE-sample waard allinich berekkene út 'e piekgebieten fan 'e oerbleaune alkyn- en triazoolprodukten. De ynfiering fan it útgongsmateriaal makket it mooglik om de oerienkommende pieken te identifisearjen.
Troch de resultaten fan 'e reaktoranalyse te kombinearjen mei de MODDE DOE-software (Umetrics, Malmö, Sweden) koe in yngeande trendanalyse fan 'e resultaten en bepaling fan 'e optimale reaksjebetingsten foar dizze sykloadysje útfierd wurde. It útfieren fan 'e ynboude optimizer en it selektearjen fan alle wichtige modeltermen makket in set reaksjebetingsten ûntworpen om it peakgebiet fan it produkt te maksimalisearjen, wylst it peakgebiet foar de asetyleen-feedmateriaal fermindere wurdt.
Oksidaasje fan it koperoerflak yn 'e katalytyske reaksjekeamer waard berikt mei in wetterstofperokside-oplossing (36%) dy't troch de reaksjekeamer streamde (streamsnelheid = 0,4 ml min-1, ferbliuwstiid = 2,5 min) foarôfgeand oan de synteze fan elke triazoolferbining. bibleteek.
Sadree't de optimale set betingsten bepaald wie, waarden se tapast op in ferskaat oan asetyleen- en haloalkaanderivaten om de gearstalling fan in lytse syntezebibleteek mooglik te meitsjen, wêrtroch't de mooglikheid ûntstie om dizze betingsten ta te passen op in breder skala oan potinsjele reagentia (Fig. 1).
Meitsje aparte oplossingen fan natriumazide (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), haloalkanen (0.25 M, DMF), en alkynen (0.125 M, DMF). Porties 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 folsleine folume waard sammele yn in fleske en ferdund mei 10 ml etylacetaat. De stekproefoplossing waard wosken mei 3 x 10 ml wetter. De wetterige lagen waarden kombinearre en ekstrahearre mei 10 ml etylacetaat, doe waarden de organyske lagen kombinearre, wosken mei 3 × 10 ml pekel, droege oer MgSO4 en filtere, doe waard it oplosmiddel yn fakuüm fuorthelle. De stekproeven waarden suvere troch silikagelkolomchromatografy mei etylacetaat foarôfgeand oan analyze troch in kombinaasje fan HPLC, 1H NMR, 13C NMR en hege resolúsje massaspektrometry (HR-MS).
Alle spektra waarden krigen mei in Thermofischer Precision Orbitrap massaspektrometer mei ESI as ionisaasjeboarne. Alle samples waarden taret mei asetonitril as oplosmiddel.
TLC-analyze waard útfierd op silikaplaten mei in aluminiumsubstraat. De platen waarden visualisearre mei UV-ljocht (254 nm) of vanillinekleuring en ferwaarming.
Alle samples waarden analysearre mei in VWR Chromaster-systeem (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) foarsjoen fan in autosampler, in binêre pomp mei in kolomoven en in detektor mei ien golflingte. 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 út it ferdunde rûge reaksjemingsel (1:10 ferdunning) en analysearre mei wetter:methanol (50:50 of 70:30), útsein foar guon samples mei in 70:30 oplosmiddelsysteem (oanjûn as stjergetal) by in streamingsnelheid fan 1,5 ml/min. De kolom waard op 40 °C hâlden. De golflingte fan 'e detektor is 254 nm.
It % piekoppervlakte fan it stekproef waard berekkene út it piekoppervlakte fan it oerbleaune alkyn, allinich it triazoolprodukt, en de ynfiering fan it útgongsmateriaal makke it mooglik om de oerienkommende pieken te identifisearjen.
Alle samples waarden analysearre mei Thermo iCAP 6000 ICP-OES. Alle kalibraasjestanderts waarden taret mei in 1000 ppm Cu-standertoplossing yn 2% salpetersoer (SPEX Certi Prep). Alle standerts waarden taret yn in oplossing fan 5% DMF en 2% HNO3, en alle samples waarden 20 kear ferdund mei in sampleoplossing fan DMF-HNO3.
UAM brûkt ultrasone metaallassen as in metoade foar it gearfoegjen fan 'e metalen folie dy't brûkt wurdt om de definitive gearstalling te meitsjen. Ultrasone metaallassen brûkt in triljend metaalark (in hoarn of ultrasone hoarn neamd) om druk út te oefenjen op 'e folie/earder konsolidearre laach dy't ferbûn/earder konsolidearre wurde moat troch it materiaal te triljen. Foar trochgeande operaasje hat de sonotrode in silindryske foarm en rôlet oer it oerflak fan it materiaal, wêrtroch it heule gebiet lijmd wurdt. As druk en trilling tapast wurde, kinne de oksiden 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 liedt dan ta in fêste fazebining by de materiaalynterfaces; it kin ek kohesje befoarderje troch de oerflakenerzjy te feroarjen 48. De aard fan it bondingmeganisme oerwint in protte fan 'e problemen dy't ferbûn binne mei de fariabele smelttemperatuer en hege temperatuereffekten neamd yn oare additive produksjetechnologyen. Dit makket direkte ferbining mooglik (d.w.s. sûnder oerflakmodifikaasje, fillers of lijmen) fan ferskate lagen fan ferskate materialen yn ien konsolidearre struktuer.
De twadde geunstige faktor foar CAM is de hege mjitte fan plestike stream dy't waarnommen wurdt yn metalen materialen, sels by lege temperatueren, d.w.s. fier ûnder it smeltpunt fan metalen materialen. De kombinaasje fan ultrasone trillingen en druk feroarsaket in hege mjitte fan lokale kerrelgrinsmigraasje en rekristallisaasje sûnder de wichtige temperatuerferheging dy't tradisjoneel assosjeare wurdt mei bulkmaterialen. Tidens it meitsjen fan 'e definitive gearstalling kin dit ferskynsel brûkt wurde om aktive en passive komponinten tusken lagen fan metaalfolie yn te bouwen, laach foar laach. Eleminten lykas optyske glêstried 49, fersterking 46, elektroanika 50 en thermokoppels (dit wurk) binne mei súkses yntegrearre yn UAM-struktueren om aktive en passive gearstalde gearstallingen te meitsjen.
Yn dit wurk waarden sawol ferskillende materiaalbinende mooglikheden 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-katalyse ferskate foardielen: (i) Ekonomysk sjoen is Cu goedkeaper as in protte oare metalen dy't brûkt wurde yn katalyse en is dêrom in oantreklike opsje foar de gemyske yndustry (ii) it oanbod fan Cu-katalysearre krúskoppelingsreaksjes wreidet him út en liket wat komplementêr te wêzen oan Pd51, 52, 53-basearre metodologyen (iii) Cu-katalysearre reaksjes wurkje goed yn 'e ôfwêzigens fan oare liganden. Dizze liganden binne faak struktureel ienfâldich en goedkeap. As winske, wylst dyjingen dy't brûkt wurde yn Pd-skiekunde faak kompleks, djoer en gefoelich foar loft binne (iv) Cu, benammen bekend om syn fermogen om alkynen te binen yn synteze, lykas Sonogashira's bimetallyske katalysearre koppeling en cycloaddysje mei aziden (klikskiekunde) (v) Cu kin ek de arylaasje fan guon nukleofilen yn Ullmann-type reaksjes befoarderje.
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 'e farmaseutyske yndustry en de tanimmende fokus op it weromwinnen en opnij brûken fan metaalkatalysatoren55,56.
De 1,3-dipoal sykloadysjereaksje tusken asetyleen en azide oan 1,2,3-triazool, earst foarsteld troch Huisgen yn 'e jierren 196057, wurdt beskôge as in synergistyske demonstraasjereaksje. De resultearjende 1,2,3-triazoolfragminen binne fan bysûnder belang as in farmakofoar yn medisynûntdekking fanwegen har biologyske tapassingen en gebrûk yn ferskate terapeutyske aginten 58.
Dizze reaksje krige fernijde oandacht doe't Sharpless en oaren it konsept fan "klikchemie" yntrodusearren59. De term "klikchemie" wurdt brûkt om in robuuste en selektive set reaksjes te beskriuwen foar de rappe synteze fan nije ferbiningen en kombinatoryske bibleteken mei gebrûk fan heteroatomyske binding (CXC)60. De synthetyske oantrekkingskrêft fan dizze reaksjes is te tankjen oan de hege opbringsten dy't dermei ferbûn binne. De omstannichheden binne ienfâldich, de wjerstân tsjin soerstof en wetter, en de produktskieding is ienfâldich61.
De klassike 1,3-dipoal Huisgen sykloadysje falt net yn 'e kategory "klikchemie". Medal en Sharpless hawwe lykwols oantoand dat dizze azide-alkyn-koppeling ûndergiet 107–108 yn 'e oanwêzigens fan Cu(I) yn ferliking mei in wichtige fersnelling yn 'e snelheid fan net-katalytyske 1,3-dipoal sykloadysje 62,63. Dit avansearre reaksjemeganisme fereasket gjin beskermjende groepen of rûge reaksjeomstannichheden en soarget foar hast folsleine konverzje en selektiviteit nei 1,4-disubstituearre 1,2,3-triazolen (anti-1,2,3-triazolen) oer tiid (Fig. 3).
Isometryske resultaten fan konvinsjonele en koper-katalysearre Huisgen-sykloaddysjes. Cu(I)-katalysearre Huisgen-sykloaddysjes jouwe allinich 1,4-disubstituearre 1,2,3-triazolen, wylst termysk ynducearre Huisgen-sykloaddysjes typysk 1,4- en 1,5-triazolen in 1:1-mingsel fan azoolstereoisomeren jouwe.
De measte protokollen omfetsje de reduksje fan stabile boarnen fan Cu(II), lykas de reduksje fan CuSO4 of de Cu(II)/Cu(0)-ferbining yn kombinaasje mei natriumsâlt. Yn ferliking mei oare metaalkatalysearre reaksjes hat it gebrûk fan Cu(I) de wichtichste foardielen dat it goedkeap en maklik te behanneljen is.
Kinetyske en isotopyske stúdzjes troch Worrell et al. 65 hawwe oantoand dat yn it gefal fan terminale alkynen twa ekwivalinten koper belutsen binne by it aktivearjen fan 'e reaktiviteit fan elk molekule mei respekt foar azide. It foarstelde meganisme giet troch in seislidige kopermetaalring dy't foarme wurdt troch de koördinaasje fan azide oan σ-bûn koperacetylide mei π-bûn koper as in stabile donorligand. Kopertriazolylderivaten wurde foarme as gefolch fan ringkontraksje folge troch protonûntleding om triazoolprodukten te foarmjen en de katalytyske syklus te sluten.
Hoewol de foardielen fan streamgemy-apparaten goed dokumintearre binne, is der in winsk west om analytyske ark yn dizze systemen te yntegrearjen foar real-time prosesmonitoring in situ66,67. UAM hat bliken dien in gaadlike metoade te wêzen foar it ûntwerpen en produsearjen fan heul komplekse 3D-streamreaktors fan katalytysk aktive, termysk geleidende materialen mei direkt ynbêde sensoreleminten (Fig. 4).
Aluminium-koper streamreaktor produsearre troch ultrasone additive manufacturing (UAM) mei in komplekse ynterne kanaalstruktuer, ynboude thermokoppels en in katalytyske reaksjekeamer. Om de ynterne floeistofpaden te visualisearjen, wurdt ek in transparant prototype werjûn makke mei stereolitografy.
Om te garandearjen dat reaktors makke binne foar takomstige organyske reaksjes, moatte oplosmiddels feilich boppe har siedpunt ferwaarme wurde; se wurde druk- en temperatuertests útfierd. De druktests lieten sjen dat it systeem in stabile en konstante druk behâldt, sels by ferhege druk yn it systeem (1,7 MPa). Hydrostatyske testen waarden útfierd by keamertemperatuer mei H2O as floeistof.
It ferbinen fan it ynboude (figuer 1) thermokoppel mei de temperatuerdatalogger liet sjen dat de temperatuer fan it thermokoppel 6 °C (± 1 °C) ûnder de programmearre temperatuer yn it FlowSyn-systeem lei. 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 heule RPV fanwegen de hege termyske diffusiviteit fan 'e materialen dy't brûkt wurde yn it produksjeproses. Dizze termyske drift is konstant en kin dêrom rekken mei holden wurde by it ynstellen fan 'e apparatuer om te soargjen dat krekte temperatueren berikt en metten wurde tidens de reaksje. Sa makket dizze online monitoringtool in strakke kontrôle fan 'e reaksjetemperatuer mooglik en draacht by oan krekter prosesoptimalisaasje en ûntwikkeling fan optimale omstannichheden. Dizze sensoren kinne ek brûkt wurde om eksotermyske reaksjes te detektearjen en útrinne-reaksjes yn grutskalige systemen te foarkommen.
De reaktor dy't yn dit artikel presintearre wurdt, is it earste foarbyld fan 'e tapassing fan UAM-technology op 'e fabrikaazje fan gemyske reaktors en pakt ferskate wichtige beheiningen oan dy't op it stuit ferbûn binne mei AM/3D-printsjen fan dizze apparaten, lykas: (i) It oerwinnen fan 'e neamde problemen dy't ferbûn binne mei de ferwurking fan koper- of aluminiumlegering (ii) ferbettere ynterne kanaalresolúsje yn ferliking mei metoaden foar it smelten fan poeierbêd (PBF) lykas selektyf lasersmelten (SLM)25,69 Minne materiaalstream en rûge oerflaktekstuer26 (iii) legere ferwurkingstemperatuer, wat direkte ferbining fan sensoren fasilitearret, wat net mooglik is yn poeierbêdtechnology, (v) it oerwinnen fan 'e minne meganyske eigenskippen en gefoelichheid fan polymeer-basearre komponinten foar ferskate mienskiplike organyske oplosmiddels17,19.
De funksjonaliteit fan 'e reaktor waard demonstrearre troch in searje koper-katalysearre alkinazide-sykloaddysjereaksjes ûnder trochgeande streamomstannichheden (Fig. 2). De ultrasone printe koperreaktor werjûn yn fig. 4 waard yntegrearre mei in kommersjeel streamsysteem en brûkt om in azidebibleteek fan ferskate 1,4-disubstituearre 1,2,3-triazolen te synthetisearjen mei in temperatuerkontroleare reaksje fan asetyleen en alkylgroephalogeniden yn 'e oanwêzigens fan natriumchloride (Fig. 3). It gebrûk fan 'e trochgeande streambenadering ferminderet de feiligensproblemen dy't kinne ûntstean yn batchprosessen, om't dizze reaksje tige reaktive en gefaarlike azide-tuskenprodukten produseart [317], [318]. Yn it earstoan waard de reaksje optimalisearre foar de sykloaddysje fan fenylacetyleen en jodoethaan (Skema 1 - Sykloloaddysje fan fenylacetyleen en jodoethaan) (sjoch Fig. 5).
(Linksboppe) Skematyske foarstelling fan 'e opset dy't brûkt wurdt om in 3DP-reaktor yn in streamsysteem (rjochtsboppe) op te nimmen, krigen fan it optimalisearre (ûnder) skema fan it Huisgen 57 sykloadysjeskema tusken fenylacetyleen en jodoetaan foar optimalisaasje en toant de optimalisearre konverzjeparameters fan 'e reaksje.
Troch de ferbliuwstiid fan 'e reaktanten yn 'e katalytyske seksje fan 'e reaktor te kontrolearjen en de reaksjetemperatuer sekuer te kontrolearjen mei in direkt yntegreare thermokoppelsensor, kinne de reaksjebetingsten fluch en sekuer optimalisearre wurde mei in minimum oan tiid en materialen. It waard al 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 'e koëffisjintplot fan' e MODDE-software dat sawol de ferbliuwstiid as de reaksjetemperatuer as wichtige betingsten fan it model beskôge wurde. It útfieren fan 'e ynboude optimalisator mei dizze selektearre betingsten makket in set reaksjebetingsten ûntworpen om produktpeakgebieten te maksimalisearjen, wylst de peakgebieten fan it útgongsmateriaal ferminderje. Dizze optimalisaasje levere in konverzje fan 53% fan it triazoolprodukt op, wat krekt oerienkomt mei de foarsizzing fan it model fan 54%.