Grazas por visitar Nature.com. A versión do navegador que estás a usar ten compatibilidade limitada con CSS. Para obter a mellor experiencia, recomendámosche que uses un navegador actualizado (ou que desactives o modo de compatibilidade en Internet Explorer). Mentres tanto, para garantir a compatibilidade continua, renderizaremos o sitio sen estilos nin JavaScript.
Un carrusel que mostra tres diapositivas ao mesmo tempo. Usa os botóns Anterior e Seguinte para moverte por tres diapositivas á vez ou usa os botóns deslizantes do final para moverte por tres diapositivas á vez.
A fabricación aditiva está a cambiar a forma en que os investigadores e os industriais deseñan e fabrican dispositivos químicos para satisfacer as súas necesidades específicas. Neste artigo, presentamos o primeiro exemplo dun reactor de fluxo formado por laminación por fabricación aditiva ultrasónica (UAM) dunha lámina metálica sólida con pezas catalíticas e elementos sensores integrados directamente. A tecnoloxía UAM non só supera moitas das limitacións actualmente asociadas coa fabricación aditiva de reactores químicos, senón que tamén amplía enormemente as capacidades destes dispositivos. Varios compostos de 1,2,3-triazol 1,4-disustituídos bioloxicamente importantes foron sintetizados e optimizados con éxito mediante unha reacción de cicloadición 1,3-dipolar de Huisgen mediada por Cu utilizando as instalacións químicas da UAM. Usando as propiedades únicas da UAM e o procesamento de fluxo continuo, o dispositivo é capaz de catalizar reaccións en curso, así como proporcionar retroalimentación en tempo real para monitorizar e optimizar as reaccións.
Debido ás súas significativas vantaxes sobre a súa contraparte a granel, a química de fluxo é un campo importante e en crecemento tanto nos entornos académicos como industriais debido á súa capacidade para aumentar a selectividade e a eficiencia da síntese química. Isto abrangue desde a formación de moléculas orgánicas simples1 ata compostos farmacéuticos2,3 e produtos naturais4,5,6. Máis do 50 % das reaccións nas industrias química fina e farmacéutica poden beneficiarse do fluxo continuo7.
Nos últimos anos, houbo unha tendencia crecente de grupos que buscan substituír os equipos tradicionais de vidro ou química de fluxo por "reactores" químicos adaptables8. O deseño iterativo, a fabricación rápida e as capacidades tridimensionais (3D) destes métodos son útiles para aqueles que queren personalizar os seus dispositivos para un conxunto particular de reaccións, dispositivos ou condicións. Ata a data, este traballo centrouse case exclusivamente no uso de técnicas de impresión 3D baseadas en polímeros como a estereolitografía (SL)9,10,11, a modelaxe por deposición fundida (FDM)8,12,13,14 e a impresión por inxección de tinta7,15,16. A falta de fiabilidade e capacidade destes dispositivos para realizar unha ampla gama de reaccións/análises químicas17,18,19,20 é un factor limitante importante para a aplicación máis ampla da fabricación aditiva neste campo17,18,19,20.
Debido ao uso crecente da química de fluxo e ás propiedades favorables asociadas á fabricación aditiva, é necesario explorar mellores técnicas que permitan aos usuarios fabricar recipientes de reacción de fluxo con capacidades químicas e analíticas melloradas. Estes métodos deberían permitir aos usuarios seleccionar entre unha gama de materiais de alta resistencia ou funcionais capaces de operar nunha ampla gama de condicións de reacción, así como facilitar diversas formas de saída analítica do dispositivo para permitir a monitorización e o control da reacción.
Un proceso de fabricación aditiva que se pode empregar para desenvolver reactores químicos personalizados é a fabricación aditiva por ultrasóns (MAU). Este método de laminación de láminas en estado sólido aplica vibracións ultrasónicas a láminas metálicas finas para unilas capa por capa cun quecemento volumétrico mínimo e un alto grao de fluxo plástico 21, 22, 23. A diferenza da maioría das outras tecnoloxías de fabricación aditiva, a MAU pódese integrar directamente coa produción subtractiva, coñecida como proceso de fabricación híbrida, no que o fresado periódico por control numérico in situ (CNC) ou o procesamento láser determinan a forma neta da capa de material unido 24, 25. Isto significa que o usuario non está limitado aos problemas asociados coa eliminación do material de construción orixinal residual de pequenos canais de líquido, o que adoita ser o caso nos sistemas de po e líquido AM26,27,28. Esta liberdade de deseño tamén se estende á elección dos materiais dispoñibles: a MAU pode unir combinacións de materiais termicamente similares e diferentes nun único paso do proceso. A elección de combinacións de materiais máis alá do proceso de fusión significa que se poden cumprir mellor os requisitos mecánicos e químicos de aplicacións específicas. Ademais da unión sólida, outro fenómeno que se produce coa unión ultrasónica é a alta fluidez dos materiais plásticos a temperaturas relativamente baixas29,30,31,32,33. Esta característica única da unión ultrasónica permite colocar elementos mecánicos/térmicos entre capas metálicas sen sufrir danos. Os sensores UAM integrados poden facilitar a entrega de información en tempo real desde o dispositivo ao usuario mediante análises integradas.
Traballos previos dos autores32 demostraron a capacidade do proceso UAM para crear estruturas microfluídicas metálicas 3D con capacidades de detección integradas. Este dispositivo é só para fins de monitorización. Este artigo presenta o primeiro exemplo dun reactor químico microfluídico fabricado por UAM, un dispositivo activo que non só controla senón que tamén induce a síntese química con materiais catalíticos estruturalmente integrados. O dispositivo combina varias vantaxes asociadas á tecnoloxía UAM na fabricación de dispositivos químicos 3D, como: a capacidade de converter un deseño 3D completo directamente dun modelo de deseño asistido por ordenador (CAD) nun produto; fabricación multimateriais para unha combinación de alta condutividade térmica e materiais catalíticos, así como sensores térmicos integrados directamente entre as correntes de reactivos para un control e xestión precisos da temperatura de reacción. Para demostrar a funcionalidade do reactor, sintetizouse unha biblioteca de compostos 1,2,3-triazólicos 1,4-disustituídos de importancia farmaceutica mediante cicloadición de Huisgen 1,3-dipolar catalizada por cobre. Este traballo destaca como o uso da ciencia dos materiais e o deseño asistido por ordenador poden abrir novas posibilidades e oportunidades para a química a través da investigación interdisciplinar.
Todos os solventes e reactivos foron adquiridos de Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI ou Fischer Scientific e empregáronse sen purificación previa. Os espectros de RMN de 1H e 13C rexistrados a 400 e 100 MHz, respectivamente, obtivéronse nun espectrómetro JEOL ECS-400 de 400 MHz ou nun espectrómetro Bruker Avance II de 400 MHz con CDCl3 ou (CD3)2SO4 como solvente. Todas as reaccións realizáronse empregando a plataforma de química de fluxo Uniqsis FlowSyn.
Empregouse UAM para fabricar todos os dispositivos deste estudo. A tecnoloxía inventouse en 1999 e os seus detalles técnicos, parámetros de funcionamento e desenvolvementos desde a súa invención pódense estudar empregando os seguintes materiais publicados34,35,36,37. O dispositivo (Fig. 1) implementouse empregando un sistema UAM SonicLayer 4000® de alta resistencia de 9 kW (Fabrisonic, Ohio, EUA). Os materiais escollidos para o dispositivo de fluxo foron Cu-110 e Al 6061. O Cu-110 ten un alto contido de cobre (mínimo 99,9 % de cobre), o que o converte nun bo candidato para reaccións catalizadas por cobre e, polo tanto, utilízase como "capa activa" dentro do microrreactor. O Al 6061 O utilízase como material "a granel", así como a capa de intercalación utilizada para a análise; intercalación de compoñentes de aliaxe auxiliar e estado recocido en combinación coa capa de Cu-110. resultou ser quimicamente estable cos reactivos utilizados neste traballo. O Al 6061 O en combinación con Cu-110 tamén se considera unha combinación de materiais compatible para UAM e, polo tanto, é un material axeitado para este estudo38,42. Estes dispositivos enuméranse na Táboa 1 a continuación.
Pasos de fabricación do reactor (1) Substrato de aliaxe de aluminio 6061 (2) Fabricación do canal inferior a partir de lámina de cobre (3) Inserción de termopares entre as capas (4) Canal superior (5) Entrada e saída (6) Reactor monolítico.
A filosofía de deseño de canles de fluído é usar unha traxectoria tortuosa para aumentar a distancia percorrida polo fluído dentro do chip, mantendo ao mesmo tempo un tamaño de chip manexable. Este aumento da distancia é desexable para aumentar o tempo de contacto catalizador-reactivo e proporcionar excelentes rendementos de produto. Os chips usan curvas de 90° nos extremos dunha traxectoria recta para inducir unha mestura turbulenta dentro do dispositivo44 e aumentar o tempo de contacto do líquido coa superficie (catalizador). Para mellorar aínda máis a mestura que se pode conseguir, o deseño do reactor inclúe dúas entradas de reactivos combinadas nunha conexión en Y antes de entrar na sección da serpentina de mestura. A terceira entrada, que cruza o fluxo a metade da súa residencia, está incluída no plan para futuras reaccións de síntese multietapa.
Todas as canles teñen un perfil cadrado (sen ángulos de conicidade), que é o resultado do fresado CNC periódico empregado para crear a xeometría da canle. As dimensións da canle escóllense para proporcionar un rendemento volumétrico alto (para un microrreactor), pero o suficientemente pequeno como para facilitar a interacción coa superficie (catalizadores) para a maioría dos líquidos que contén. O tamaño axeitado baséase na experiencia pasada dos autores con dispositivos de reacción metal-líquido. As dimensións internas da canle final foron de 750 µm x 750 µm e o volume total do reactor foi de 1 ml. No deseño inclúese un conector incorporado (rosca UNF de 1/4″-28) para permitir unha fácil interface do dispositivo con equipos comerciais de química de fluxo. O tamaño da canle está limitado polo grosor do material da lámina, as súas propiedades mecánicas e os parámetros de unión empregados cos ultrasóns. Cunha determinada anchura para un material determinado, o material "afundirase" na canle creada. Actualmente non existe un modelo específico para este cálculo, polo que a anchura máxima do canal para un material e deseño dados determínase experimentalmente, nese caso unha anchura de 750 µm non causará afundimento.
A forma (cadrada) da canle determínase usando unha cortadora cadrada. A forma e o tamaño das canles pódense cambiar en máquinas CNC usando diferentes ferramentas de corte para obter diferentes caudais e características. Un exemplo de creación dunha canle curva cunha ferramenta de 125 µm pódese atopar en Monaghan45. Cando a capa de lámina se aplica plana, a aplicación do material de lámina ás canles terá unha superficie plana (cadrada). Neste traballo, utilizouse un contorno cadrado para preservar a simetría da canle.
Durante unha pausa programada na produción, os sensores de temperatura de termopar (tipo K) están integrados directamente no dispositivo entre os grupos de canles superior e inferior (Fig. 1 – etapa 3). Estes termopar poden controlar os cambios de temperatura de -200 a 1350 °C.
O proceso de deposición de metal lévase a cabo pola corneta UAM utilizando unha lámina metálica de 25,4 mm de ancho e 150 micras de grosor. Estas capas de lámina están conectadas nunha serie de tiras adxacentes para cubrir toda a área de construción; o tamaño do material depositado é maior que o produto final, xa que o proceso de subtracción crea a forma final limpa. O mecanizado CNC utilízase para mecanizar os contornos externos e internos do equipo, o que resulta nun acabado superficial do equipo e as canles correspondente á ferramenta seleccionada e aos parámetros do proceso CNC (neste exemplo, aproximadamente 1,6 µm de Ra). Utilízanse ciclos continuos de pulverización e mecanizado de material ultrasónico durante todo o proceso de fabricación do dispositivo para garantir que se manteña a precisión dimensional e que a peza acabada cumpra os niveis de precisión de fresado fino CNC. O ancho da canle utilizada para este dispositivo é o suficientemente pequeno como para garantir que o material da lámina non se "afunde" na canle de fluído, polo que a canle ten unha sección transversal cadrada. Os posibles ocos no material da lámina e os parámetros do proceso UAM foron determinados experimentalmente polo socio de fabricación (Fabrisonic LLC, EUA).
Os estudos demostraron que na interface 46, 47 do composto UAM hai pouca difusión de elementos sen tratamento térmico adicional, polo que para os dispositivos deste traballo a capa de Cu-110 permanece diferente da capa de Al 6061 e cambia drasticamente.
Instalar un regulador de contrapresión (BPR) precalibrado a 250 psi (1724 kPa) augas abaixo do reactor e bombear auga a través do reactor a unha velocidade de 0,1 a 1 ml min-1. A presión do reactor monitorizouse mediante o transdutor de presión FlowSyn integrado no sistema para garantir que o sistema puidese manter unha presión constante e estable. Os posibles gradientes de temperatura no reactor de fluxo probáronse buscando calquera diferenza entre os termopares integrados no reactor e os termopares integrados na placa de quecemento do chip FlowSyn. Isto conséguese cambiando a temperatura programada da placa de quecemento entre 100 e 150 °C en incrementos de 25 °C e monitorizando calquera diferenza entre as temperaturas programadas e rexistradas. Isto conseguiuse mediante o rexistrador de datos tc-08 (PicoTech, Cambridge, Reino Unido) e o software PicoLog que o acompaña.
As condicións para a reacción de cicloadición de fenilacetileno e iodoetano están optimizadas (Esquema 1-Cicloadición de fenilacetileno e iodoetano, Esquema 1-Cicloadición de fenilacetileno e iodoetano). Esta optimización realizouse empregando un deseño factorial completo de experimentos (DOE), utilizando a temperatura e o tempo de residencia como variables e fixando a proporción alquino:azida en 1:2.
Preparáronse solucións separadas de azida de sodio (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), iodoetano (0,25 M, DMF) e fenilacetileno (0,125 M, DMF). Mesturouse unha alícuota de 1,5 ml de cada solución e bombeouse a través do reactor ao caudal e á temperatura desexados. A resposta do modelo tomouse como a relación entre a área do pico do produto triazol e o material de partida de fenilacetileno e determinouse mediante cromatografía líquida de alta resolución (HPLC). Para a consistencia da análise, todas as reaccións realizáronse inmediatamente despois de que a mestura de reacción saíse do reactor. Os rangos de parámetros seleccionados para a optimización móstranse na Táboa 2.
Todas as mostras analizáronse empregando un sistema Chromaster HPLC (VWR, PA, EUA) que consta dunha bomba cuaternaria, un forno de columna, un detector UV de lonxitude de onda variable e un mostrador automático. A columna era unha Equivalence 5 C18 (VWR, PA, EUA), de 4,6 x 100 mm, cun tamaño de partícula de 5 µm, mantida a 40 °C. O solvente era metanol isocrático:auga 50:50 a un caudal de 1,5 ml·min-1. O volume de inxección foi de 5 μl e a lonxitude de onda do detector foi de 254 nm. A porcentaxe de área do pico para a mostra DOE calculouse só a partir das áreas dos picos dos produtos residuais de alquino e triazol. A introdución do material de partida permite identificar os picos correspondentes.
A combinación dos resultados da análise do reactor co software MODDE DOE (Umetrics, Malmö, Suecia) permitiu unha análise exhaustiva das tendencias dos resultados e a determinación das condicións de reacción óptimas para esta cicloadición. A execución do optimizador integrado e a selección de todos os termos importantes do modelo crean un conxunto de condicións de reacción deseñadas para maximizar a área do pico do produto á vez que reducen a área do pico para a materia prima de acetileno.
A oxidación da superficie do cobre na cámara de reacción catalítica conseguiuse empregando unha solución de peróxido de hidróxeno (36 %) que fluía a través da cámara de reacción (caudal = 0,4 ml min-1, tempo de residencia = 2,5 min) antes da síntese de cada composto triazólico. biblioteca.
Unha vez determinado o conxunto óptimo de condicións, estas aplicáronse a unha gama de derivados de acetileno e haloalcanos para permitir a compilación dunha pequena biblioteca de síntese, establecendo así a posibilidade de aplicar estas condicións a unha gama máis ampla de reactivos potenciais (Fig. 1). 2).
Preparar solucións separadas de azida de sodio (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), haloalcanos (0,25 M, DMF) e alquinos (0,125 M, DMF). Mesturáronse alícuotas de 3 ml de cada solución e bombeáronse a través do reactor a unha velocidade de 75 µl/min e unha temperatura de 150 °C. Recolléuse o volume completo nun vial e diluíuse con 10 ml de acetato de etilo. A solución da mostra lavouse con 3 x 10 ml de auga. As capas acuosas combináronse e extraéronse con 10 ml de acetato de etilo, despois combináronse as capas orgánicas, laváronse con 3 x 10 ml de salmoira, secáronse sobre MgSO4 e filtráronse, e despois o disolvente eliminouse ao baleiro. As mostras purificáronse mediante cromatografía en columna de xel de sílice usando acetato de etilo antes da análise mediante unha combinación de HPLC, RMN 1H, RMN 13C e espectrometría de masas de alta resolución (HR-MS).
Todos os espectros obtivéronse empregando un espectrómetro de masas Thermofischer Precision Orbitrap con ESI como fonte de ionización. Todas as mostras preparáronse empregando acetonitrilo como disolvente.
A análise por TLC realizouse en placas de sílice cun substrato de aluminio. As placas visualizáronse con luz UV (254 nm) ou tinguidura con vainillina e quecemento.
Todas as mostras analizáronse cun sistema VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, Reino Unido) equipado cun automostrador, unha bomba binaria cun forno de columna e un detector de lonxitude de onda única. Empregouse unha columna ACE Equivalence 5 C18 (150 x 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Escocia).
As inxeccións (5 µl) realizáronse directamente a partir da mestura de reacción bruta diluída (dilución 1:10) e analizáronse con auga:metanol (50:50 ou 70:30), agás algunhas mostras que empregaron un sistema de solventes 70:30 (denotado como número de estrela) a un caudal de 1,5 ml/min. A columna mantívose a 40 °C. A lonxitude de onda do detector é de 254 nm.
A porcentaxe de área do pico da mostra calculouse a partir da área do pico do alquino residual, só do produto triazol, e a introdución do material de partida permitiu identificar os picos correspondentes.
Todas as mostras analizáronse empregando Thermo iCAP 6000 ICP-OES. Todos os estándares de calibración preparáronse empregando unha solución estándar de Cu de 1000 ppm en ácido nítrico ao 2 % (SPEX Certi Prep). Todos os estándares preparáronse nunha solución de DMF ao 5 % e HNO3 ao 2 %, e todas as mostras diluíronse 20 veces cunha solución de mostra de DMF-HNO3.
A soldadura ultrasónica de metal emprega a soldadura ultrasónica de metal como método para unir a lámina metálica que se emprega para crear o ensamblaxe final. A soldadura ultrasónica de metal emprega unha ferramenta metálica vibratoria (chamada bucina ou bucina ultrasónica) para aplicar presión á lámina/capa previamente consolidada que se vai unir/consolidar previamente mediante a vibración do material. Para un funcionamento continuo, o sonotrodo ten forma cilíndrica e roda sobre a superficie do material, pegando toda a área. Cando se aplica presión e vibración, os óxidos da superficie do material poden rachar. A presión e a vibración constantes poden levar á destrución da rugosidade do material 36. O contacto próximo coa calor e a presión localizadas leva a unha unión en fase sólida nas interfaces do material; tamén pode promover a cohesión ao cambiar a enerxía superficial 48. A natureza do mecanismo de unión supera moitos dos problemas asociados coa temperatura de fusión variable e os efectos da alta temperatura mencionados noutras tecnoloxías de fabricación aditiva. Isto permite a conexión directa (é dicir, sen modificación da superficie, recheos ou adhesivos) de varias capas de diferentes materiais nunha única estrutura consolidada.
O segundo factor favorable para a CAM é o alto grao de fluxo plástico observado en materiais metálicos mesmo a baixas temperaturas, é dicir, moi por debaixo do punto de fusión dos materiais metálicos. A combinación de vibracións ultrasónicas e presión provoca un alto nivel de migración local do límite de gran e recristalización sen o aumento significativo da temperatura tradicionalmente asociado cos materiais a granel. Durante a creación do conxunto final, este fenómeno pódese empregar para incrustar compoñentes activos e pasivos entre capas de lámina metálica, capa por capa. Elementos como a fibra óptica 49, o reforzo 46, a electrónica 50 e os termopares (este traballo) integráronse con éxito en estruturas UAM para crear conxuntos compostos activos e pasivos.
Neste traballo, empregáronse tanto diferentes capacidades de unión de materiais como capacidades de intercalación de UAM para crear un microrreactor ideal para o control catalítico da temperatura.
En comparación co paladio (Pd) e outros catalizadores metálicos de uso común, a catálise do Cu ten varias vantaxes: (i) Economicamente, o Cu é máis barato que moitos outros metais empregados na catálise e, polo tanto, é unha opción atractiva para a industria química (ii) a gama de reaccións de acoplamento cruzado catalizadas por Cu está a ampliarse e parece ser dalgún xeito complementaria ás metodoloxías baseadas no Pd51, 52, 53 (iii) As reaccións catalizadas por Cu funcionan ben en ausencia doutros ligandos. Estes ligandos adoitan ser estruturalmente simples e baratos se se desexa, mentres que os empregados na química do Pd adoitan ser complexos, caros e sensibles ao aire (iv) O Cu, especialmente coñecido pola súa capacidade para unir alquinos na síntese, como o acoplamento catalizado bimetálico de Sonogashira e a cicloadición con azidas (química Click) (v) O Cu tamén pode promover a arilación dalgúns nucleófilos en reaccións de tipo Ullmann.
Recentemente, demostráronse exemplos de heteroxenización de todas estas reaccións en presenza de Cu(0). Isto débese en gran parte á industria farmacéutica e ao crecente enfoque na recuperación e reutilización de catalizadores metálicos55,56.
A reacción de cicloadición 1,3-dipolar entre o acetileno e a azida para dar 1,2,3-triazol, proposta por primeira vez por Huisgen na década de 196057, considérase unha reacción de demostración sinérxica. Os fragmentos de 1,2,3 triazol resultantes son de especial interese como farmacóforo no descubrimento de fármacos debido ás súas aplicacións biolóxicas e ao seu uso en diversos axentes terapéuticos58.
Esta reacción recibiu renovada atención cando Sharpless e outros introduciron o concepto de «química clic»59. O termo «química clic» úsase para describir un conxunto robusto e selectivo de reaccións para a síntese rápida de novos compostos e bibliotecas combinatorias empregando enlaces heteroatómicos (CXC)60. O atractivo sintético destas reaccións débese aos altos rendementos asociados a elas. As condicións son sinxelas, a resistencia ao osíxeno e á auga e a separación do produto é sinxela61.
A cicloadición clásica de Huisgen con dipolo 1,3 non entra na categoría de "química clic". Non obstante, Medal e Sharpless demostraron que este evento de acoplamento azida-alquino sofre 107–108 en presenza de Cu(I) en comparación cunha aceleración significativa na velocidade da cicloadición 1,3-dipolar non catalítica 62,63. Este mecanismo de reacción avanzado non require grupos protectores nin condicións de reacción adversas e proporciona unha conversión e selectividade case completas a 1,2,3-triazoles 1,4-disustituídos (anti-1,2,3-triazoles) ao longo do tempo (Fig. 3).
Resultados isométricos das cicloadicións de Huisgen convencionais e catalizadas por cobre. As cicloadicións de Huisgen catalizadas por Cu(I) só dan 1,2,3-triazoles 1,4-disustituídos, mentres que as cicloadicións de Huisgen inducidas termicamente adoitan dar 1,4- e 1,5-triazoles unha mestura 1:1 de estereoisómeros de azol.
A maioría dos protocolos implican a redución de fontes estables de Cu(II), como a redución de CuSO4 ou o composto Cu(II)/Cu(0) en combinación con sales de sodio. En comparación con outras reaccións catalizadas por metais, o uso de Cu(I) ten as principais vantaxes de ser económico e doado de manexar.
Estudos cinéticos e isotópicos realizados por Worrell et al. 65 demostraron que, no caso dos alquinos terminais, dous equivalentes de cobre están implicados na activación da reactividade de cada molécula con respecto á azida. O mecanismo proposto procede a través dun anel metálico de cobre de seis membros formado pola coordinación da azida ao acetiluro de cobre con enlaces σ e cobre con enlaces π como ligando doante estable. Os derivados do triazolilo de cobre fórmanse como resultado da contracción do anel seguida da descomposición de protóns para formar produtos de triazol e pechar o ciclo catalítico.
Aínda que as vantaxes dos dispositivos de química de fluxo están ben documentadas, existe o desexo de integrar ferramentas analíticas nestes sistemas para a monitorización de procesos en tempo real in situ66,67. A UAM demostrou ser un método axeitado para deseñar e fabricar reactores de fluxo 3D moi complexos a partir de materiais catalíticamente activos e termicamente condutores con elementos sensores integrados directamente (Fig. 4).
Reactor de fluxo de aluminio-cobre fabricado por fabricación aditiva ultrasónica (UAM) cunha estrutura de canles internas complexas, termopares incorporados e unha cámara de reacción catalítica. Para visualizar as traxectorias internas do fluído, tamén se mostra un prototipo transparente feito mediante estereolitografía.
Para garantir que os reactores estean feitos para futuras reaccións orgánicas, os solventes deben quentarse de forma segura por riba do seu punto de ebulición; son sometidos a probas de presión e temperatura. As probas de presión demostraron que o sistema mantén unha presión estable e constante mesmo a presións elevadas no sistema (1,7 MPa). As probas hidrostáticas realizáronse a temperatura ambiente utilizando H2O como líquido.
Ao conectar o termopar incorporado (Figura 1) ao rexistrador de datos de temperatura, mostrou que a temperatura do termopar era 6 °C (± 1 °C) por debaixo da temperatura programada no sistema FlowSyn. Normalmente, un aumento de 10 °C na temperatura duplica a velocidade de reacción, polo que unha diferenza de temperatura de só uns poucos graos pode cambiar significativamente a velocidade de reacción. Esta diferenza débese á perda de temperatura en todo o RPV debido á alta difusividade térmica dos materiais utilizados no proceso de fabricación. Esta deriva térmica é constante e, polo tanto, pódese ter en conta ao configurar o equipo para garantir que se alcancen e midan temperaturas precisas durante a reacción. Así, esta ferramenta de monitorización en liña facilita un control rigoroso da temperatura de reacción e contribúe a unha optimización do proceso máis precisa e ao desenvolvemento de condicións óptimas. Estes sensores tamén se poden usar para detectar reaccións exotérmicas e evitar reaccións de fuxida en sistemas a grande escala.
O reactor presentado neste artigo é o primeiro exemplo da aplicación da tecnoloxía UAM á fabricación de reactores químicos e aborda varias limitacións importantes actualmente asociadas coa impresión AM/3D destes dispositivos, como: (i) Superación dos problemas sinalados asociados co procesamento de aliaxes de cobre ou aluminio (ii) mellora da resolución do canal interno en comparación cos métodos de fusión en leito de po (PBF), como a fusión selectiva por láser (SLM)25,69 Fluxo de material deficiente e textura superficial rugosa26 (iii) temperatura de procesamento máis baixa, o que facilita a conexión directa de sensores, o que non é posible na tecnoloxía de leito de po, (v) superación das malas propiedades mecánicas e a sensibilidade dos compoñentes baseados en polímeros a varios solventes orgánicos comúns17,19.
A funcionalidade do reactor demostrouse mediante unha serie de reaccións de cicloadición de alquinazidas catalizadas por cobre en condicións de fluxo continuo (Fig. 2). O reactor de cobre impreso por ultrasóns que se mostra na fig. 4 integrouse cun sistema de fluxo comercial e utilizouse para sintetizar unha biblioteca de azidas de varios 1,2,3-triazoles 1,4-disustituídos usando unha reacción de temperatura controlada de haluros de grupos acetileno e alquilo en presenza de cloruro de sodio (Fig. 3). O uso da aproximación de fluxo continuo reduce os problemas de seguridade que poden xurdir nos procesos por lotes, xa que esta reacción produce intermediarios de azida altamente reactivos e perigosos [317], [318]. Inicialmente, a reacción optimizouse para a cicloadición de fenilacetileno e iodoetano (Esquema 1: Cicloadición de fenilacetileno e iodoetano) (véxase a Fig. 5).
(Arriba á esquerda) Esquema da configuración empregada para incorporar un reactor 3DP nun sistema de fluxo (arriba á dereita) obtido a partir do esquema optimizado (inferior) do esquema de cicloadición Huisgen 57 entre fenilacetileno e iodoetano para a optimización e que mostra os parámetros de taxa de conversión optimizados da reacción.
Ao controlar o tempo de residencia dos reactivos na sección catalítica do reactor e monitorizar coidadosamente a temperatura de reacción cun sensor de termopar integrado directamente, as condicións de reacción pódense optimizar de forma rápida e precisa cun mínimo de tempo e materiais. Descubriuse rapidamente que a maior conversión se acadaba usando un tempo de residencia de 15 minutos e unha temperatura de reacción de 150 °C. Pódese ver no gráfico de coeficientes do software MODDE que tanto o tempo de residencia como a temperatura de reacción considéranse condicións importantes do modelo. A execución do optimizador integrado usando estas condicións seleccionadas crea un conxunto de condicións de reacción deseñadas para maximizar as áreas dos picos do produto á vez que reduce as áreas dos picos do material de partida. Esta optimización produciu unha conversión do 53 % do produto triazol, que coincidiu exactamente coa predición do modelo do 54 %.