Grazas por visitar Nature.com.A versión do navegador que estás a usar ten soporte CSS limitado.Para obter a mellor experiencia, recomendámosche que utilices un navegador actualizado (ou que desactives o modo de compatibilidade en Internet Explorer).Mentres tanto, para garantir a asistencia continua, renderizaremos o sitio sen estilos e JavaScript.
Un carrusel que mostra tres diapositivas ao mesmo tempo.Use os botóns Anterior e Seguinte para moverse por tres diapositivas á vez, ou use os botóns deslizantes ao final para moverse por tres diapositivas á vez.
A fabricación aditiva está cambiando a forma en que os investigadores e industriais deseñan e fabrican dispositivos químicos para satisfacer as súas necesidades específicas.Neste artigo, informamos do primeiro exemplo dun reactor de fluxo formado pola laminación de fabricación aditiva ultrasónica (UAM) dunha chapa de metal sólida con pezas catalíticas e elementos sensores directamente integrados.A tecnoloxía UAM non só supera moitas das limitacións asociadas actualmente á fabricación aditiva de reactores químicos, senón que tamén amplía moito as capacidades destes dispositivos.Unha serie de compostos de 1,2,3-triazol 1,4-dissubstituídos bioloxicamente importantes foron sintetizados e optimizados con éxito mediante unha reacción de cicloadición de Huisgen 1,3-dipolar mediada por Cu mediante a instalación de química UAM.Usando as propiedades únicas do UAM e o procesamento de fluxo continuo, o dispositivo é capaz de catalizar as reaccións en curso, así como proporcionar comentarios en tempo real para supervisar e optimizar as reaccións.
Debido ás súas vantaxes significativas sobre a súa contraparte a granel, a química de fluxo é un campo importante e en crecemento tanto en ámbitos académicos como industriais debido á súa capacidade para aumentar a selectividade e a eficiencia da síntese química.Este esténdese 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 de 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 queiran 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, o modelado de 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 AM neste campo17, 18, 19, 20.
Debido ao crecente uso da química de fluxo e ás propiedades favorables asociadas á AM, 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 funcionais ou de alta resistencia capaces de funcionar nunha ampla gama de condicións de reacción, así como facilitar varias formas de saída analítica do dispositivo para permitir o seguimento e control da reacción.
Un proceso de fabricación aditiva que se pode usar para desenvolver reactores químicos personalizados é a fabricación de aditivos ultrasónicos (UAM).Este método de laminación de follas de estado sólido aplica vibracións ultrasónicas a láminas metálicas delgadas 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 AM, a UAM pódese integrar directamente coa produción subtractiva, coñecida como proceso de fabricación híbrido, no que o control numérico periódico ou o proceso de desinfección por láser determinan o control numérico de fresado por láser. material 24, 25. Isto significa que o usuario non se limita aos problemas asociados coa eliminación de material de construción orixinal residual de pequenas canles de líquido, que adoita ser o caso dos sistemas de po e líquido AM26,27,28.Esta liberdade de deseño tamén se estende á elección dos materiais dispoñibles: UAM pode unir combinacións de materiais térmicamente similares e disímiles nun único paso do proceso.A elección de combinacións de materiais máis aló 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 de UAM permite colocar elementos mecánicos/térmicos entre capas metálicas sen danos.Os sensores UAM integrados poden facilitar a entrega de información en tempo real do dispositivo ao usuario mediante análises integradas.
Traballos anteriores 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 vixilancia.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 desde un modelo de deseño asistido por ordenador (CAD) nun produto;fabricación multimaterial para unha combinación de alta condutividade térmica e materiais catalíticos, así como sensores térmicos embebidos directamente entre os fluxos 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-triazol 1,4-dissubstituídos de importancia farmacéutica mediante cicloadición Huisgen 1,3-dipolar catalizada por cobre.Este traballo destaca como o uso da ciencia de materiais e o deseño asistido por ordenador poden abrir novas posibilidades e oportunidades para a química a través da investigación interdisciplinar.
Todos os disolventes e reactivos foron adquiridos de Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI ou Fischer Scientific e utilizáronse sen purificación previa.Os espectros de RMN 1H e 13C rexistrados a 400 e 100 MHz, respectivamente, obtivéronse nun espectrómetro JEOL ECS-400 400 MHz ou nun espectrómetro Bruker Avance II 400 MHz con CDCl3 ou (CD3)2SO como disolvente.Todas as reaccións realizáronse mediante a plataforma de química de fluxo Uniqsis FlowSyn.
UAM utilizouse para fabricar todos os dispositivos neste estudo.A tecnoloxía foi inventada en 1999 e os seus detalles técnicos, parámetros de funcionamento e desenvolvementos desde a súa invención pódense estudar utilizando os seguintes materiais publicados34,35,36,37.O dispositivo (Fig. 1) implementouse mediante un sistema SonicLayer 4000® UAM 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), polo que é un bo candidato para reaccións catalizadas por cobre e, polo tanto, úsase como "capa activa dentro do microrreactor".O Al 6061 O úsase 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.atopouse químicamente estable cos reactivos empregados 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 están listados na táboa 1 a continuación.
Pasos de fabricación do reactor (1) Substrato de aliaxe de aluminio 6061 (2) Fabricación da canle inferior a partir de folla de cobre (3) Inserción de termopares entre capas (4) Canle superior (5) Entrada e saída (6) Reactor monolítico.
A filosofía do deseño da canle de fluído é utilizar un camiño tortuoso para aumentar a distancia percorrida polo fluído dentro do chip mantendo 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 dun camiño recto 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 bobina de mestura.A terceira entrada, que atravesa o caudal a metade da súa residencia, está incluída no plan de futuras reaccións de síntese en varias etapas.
Todas as canles teñen un perfil cadrado (sen ángulos cónicos), que é o resultado do fresado CNC periódico utilizado para crear a xeometría da canle.As dimensións da canle escóllense para proporcionar un alto rendemento volumétrico (para un microrreactor), aínda que o suficientemente pequeno como para facilitar a interacción coa superficie (catalizadores) para a maioría dos líquidos que contén.O tamaño adecuado baséase na experiencia pasada dos autores con dispositivos de reacción metal-líquido.As dimensións internas da canle final eran 750 µm x 750 µm e o volume total do reactor era de 1 ml.No deseño inclúese un conector incorporado (rosca 1/4″-28 UNF) para facilitar a conexión do dispositivo con equipos de química de fluxo comerciais.O tamaño da canle está limitado polo espesor do material da folla, as súas propiedades mecánicas e os parámetros de unión utilizados cos ultrasóns.A unha determinada anchura para un material determinado, o material "carase" na canle creada.Actualmente non existe un modelo específico para este cálculo, polo que a anchura máxima da canle para un determinado material e deseño determínase experimentalmente, nese caso un ancho de 750 µm non provocará caída.
A forma (cadrada) da canle determínase mediante un cortador cadrado.A forma e o tamaño das canles pódense modificar en máquinas CNC utilizando 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 folla se aplica plana, a aplicación do material de folla 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) incorpóranse directamente ao dispositivo entre os grupos de canles superior e inferior (Fig. 1 - etapa 3).Estes termopares poden controlar os cambios de temperatura de -200 a 1350 °C.
O proceso de deposición de metal realízao a trompa UAM utilizando unha lámina metálica de 25,4 mm de ancho e 150 micras de espesor.Estas capas de folla 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 limpa final.O mecanizado CNC utilízase para mecanizar os contornos externos e internos do equipo, obtendo un acabado superficial do equipo e das canles correspondentes á ferramenta seleccionada e aos parámetros do proceso CNC (neste exemplo, uns 1,6 µm Ra).Os ciclos de pulverización e mecanizado de material ultrasónico continuos e continuos úsanse durante todo o proceso de fabricación do dispositivo para garantir que se manteña a precisión dimensional e que a peza rematada cumpra os niveis de precisión de fresado fino CNC.A anchura da canle utilizada para este dispositivo é o suficientemente pequena como para garantir que o material da folla non se "caiga" na canle de fluído, polo que a canle ten unha sección transversal cadrada.Os posibles ocos no material da folla 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 segue sendo diferente da capa de Al 6061 e cambia drasticamente.
Instale un regulador de contrapresión (BPR) precalibrado a 250 psi (1724 kPa) augas abaixo do reactor e bombee 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 constante.Probáronse os gradientes de temperatura potenciais no reactor de fluxo buscando calquera diferenza entre os termopares incorporados no reactor e os termopares incorporados na placa de calefacción do chip FlowSyn.Isto conséguese cambiando a temperatura programada da placa de cocción entre 100 e 150 °C en incrementos de 25 °C e controlando calquera diferenza entre as temperaturas programadas e rexistradas.Isto conseguiuse mediante o rexistrador de datos tc-08 (PicoTech, Cambridge, Reino Unido) e o software que o acompaña PicoLog.
Optimízanse as condicións para a reacción de cicloadición de fenilacetileno e iodoetano (Esquema 1-Cicloadición de fenilacetileno e iodoetano, Esquema 1-Cicloadición de fenilacetileno e iodoetano).Esta optimización realizouse mediante un enfoque de deseño factorial completo de experimentos (DOE), utilizando a temperatura e o tempo de residencia como variables mentres se fixaba a relación alquino:azida en 1:2.
Preparáronse solucións separadas de azida sódica (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 temperatura desexados.A resposta do modelo tomouse como a relación entre a área do pico do produto triazol e o material de partida do fenilacetileno e determinouse mediante cromatografía líquida de alta resolución (HPLC).Para a coherencia da análise, todas as reaccións realizáronse inmediatamente despois de que a mestura de reacción abandonase o reactor.Os intervalos de parámetros seleccionados para a optimización móstranse na táboa 2.
Todas as mostras foron analizadas mediante un sistema Chromaster HPLC (VWR, PA, EUA) que consta dunha bomba cuaternaria, forno de columna, detector de UV de lonxitude de onda variable e mostrador automático.A columna era unha Equivalence 5 C18 (VWR, PA, EUA), 4,6 x 100 mm, tamaño de partícula de 5 µm, mantida a 40 °C.O disolvente foi metanol isocrático: auga 50:50 cun caudal de 1,5 ml·min-1.O volume de inxección foi de 5 μl e a lonxitude de onda do detector de 254 nm.O % de área de pico para a mostra DOE calculouse só a partir das áreas de pico 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 de tendencias exhaustiva dos resultados e a determinación das condicións de reacción óptimas para esta cicloadición.Executar o optimizador integrado e seleccionar todos os termos importantes do modelo crea un conxunto de condicións de reacción deseñadas para maximizar a área máxima do produto mentres se reduce a área máxima para a materia prima de acetileno.
A oxidación da superficie de cobre na cámara de reacción catalítica conseguiuse mediante unha solución de peróxido de hidróxeno (36%) que fluía pola cámara de reacción (caudal = 0,4 ml min-1, tempo de residencia = 2,5 min) antes da síntese de cada composto triazol.biblioteca.
Unha vez determinado o conxunto óptimo de condicións, 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 potenciais reactivos (Fig. 1).2).
Prepare solucións separadas de azida sódica (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.Todo o volume foi recollido nun vial e diluído con 10 ml de acetato de etilo.A solución da mostra foi lavada con 3 x 10 ml de auga.As capas acuosas combináronse e extraíronse 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, despois eliminouse o disolvente 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 usando un espectrómetro de masas Thermofischer Precision Orbitrap con ESI como fonte de ionización.Todas as mostras preparáronse usando acetonitrilo como disolvente.
A análise TLC realizouse en placas de sílice cun substrato de aluminio.As placas visualizáronse con luz UV (254 nm) ou tinción con vainillina e quentamento.
Todas as mostras foron analizadas mediante un 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.Utilizouse 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), excepto algunhas mostras utilizando un sistema de disolventes 70:30 (indicado 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.
O % de área de pico da mostra calculouse a partir da área de pico do alquino residual, só o produto triazol e a introdución do material de partida permitiu identificar os picos correspondentes.
Todas as mostras foron analizadas usando Thermo iCAP 6000 ICP-OES.Todos os patróns de calibración foron preparados usando unha solución estándar de 1000 ppm de Cu en ácido nítrico ao 2% (SPEX Certi Prep).Todos os patróns preparáronse nunha solución de 5% DMF e 2% HNO3, e todas as mostras diluíronse 20 veces cunha solución de mostra de DMF-HNO3.
UAM usa a soldadura ultrasónica de metal como método para unir a folla metálica utilizada para crear a montaxe final.A soldadura de metal por ultrasóns usa unha ferramenta metálica vibrante (chamada corno ou corno ultrasónico) para aplicar presión á lámina/capa previamente consolidada a unir/previamente consolidar facendo vibrar o material.Para un funcionamento continuo, o sonotrodo ten forma cilíndrica e rola sobre a superficie do material, pegando toda a área.Cando se aplica presión e vibración, os óxidos na superficie do material poden rachar.A presión e vibración constantes poden levar á destrución da rugosidade do material 36 .O contacto estreito coa calor e a presión localizadas conduce entón a un enlace de fase sólida nas interfaces do material;tamén pode promover a cohesión cambiando a enerxía superficial48.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 materiais diferentes nunha única estrutura consolidada.
O segundo factor favorable para a CAM é o alto grao de fluxo plástico observado nos 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 e recristalización do límite local dos grans sen o aumento significativo da temperatura asociado tradicionalmente aos materiais a granel.Durante a creación da montaxe final, este fenómeno pódese utilizar para incrustar compoñentes activos e pasivos entre capas de folla metálica, capa por capa.Elementos como a fibra óptica 49, o reforzo 46, a electrónica 50 e os termopares (este traballo) integráronse con éxito nas estruturas UAM para crear conxuntos compostos activos e pasivos.
Neste traballo, utilizáronse tanto capacidades de unión de materiais diferentes como capacidades de intercalación UAM para crear un microrreactor ideal para o control da temperatura catalítica.
En comparación co paladio (Pd) e outros catalizadores metálicos de uso común, a catálise de Cu ten varias vantaxes: (i) Económicamente, o Cu é máis barato que moitos outros metais usados ​​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 expandirse e parece ser algo complementaria á metodoloxía de Pdoloxía. as reaccións zed funcionan ben en ausencia doutros ligandos.Estes ligandos adoitan ser estruturalmente sinxelos e económicos.se se desexa, mentres que os que se usan na química do Pd son a miúdo complexos, caros e sensibles ao aire (iv) Cu, especialmente coñecido pola súa capacidade de unir alquinos na síntese, como o acoplamento bimetálico catalizado de Sonogashira e a cicloadición con azidas (química por clic) (v) O Cu tamén pode promover a arilación dalgúns nucleo-tipos de reaccións Ullmann.
Recentemente, demostráronse exemplos de heteroxeneización de todas estas reaccións en presenza de Cu(0).Isto débese en gran medida á industria farmacéutica e ao crecente enfoque na recuperación e reutilización de catalizadores metálicos55,56.
A reacción de cicloadición 1,3-dipolar entre acetileno e azida a 1,2,3-triazol, proposta por primeira vez por Huisgen na década de 196057, considérase que é 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 terapéuticos 58 .
Esta reacción recibiu unha atención renovada cando Sharpless e outros introduciron o concepto de “click chemistry”59.O termo "química de clic" úsase para describir un conxunto robusto e selectivo de reaccións para a síntese rápida de novos compostos e bibliotecas combinatorias mediante 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 clásica cicloadición de Huisgen 1,3-dipolo non entra na categoría de "química de 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 taxa de cicloadición 1,3-dipolar non catalítica 62,63.Este mecanismo de reacción avanzado non require grupos protectores nin condicións de reacción duras e proporciona unha conversión e selectividade case completa a 1,2,3-triazoles 1,4-dissubstituídos (anti-1,2,3-triazoles) ao longo do tempo (Fig. 3).
Resultados isométricos de cicloadicións Huisgen convencionais e catalizadas por cobre.As cicloadicións de Huisgen catalizadas por Cu(I) dan só 1,2,3-triazoles disubstituídos en 1,4, mentres que as cicloadicións de Huisgen inducidas térmicamente dan normalmente aos 1,4 e 1,5-triazoles unha mestura 1:1 de estereoisómeros 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 barato e fácil de manexar.
Estudos cinéticos e isotópicos de 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 avanza a través dun anel metálico de cobre de seis membros formado pola coordinación de azida ao acetiluro de cobre unido a σ con cobre unido a π como ligando doador estable.Os derivados de triazolilo de cobre fórmanse como resultado da contracción do anel seguida da descomposición de protóns para formar produtos triazol e pechar o ciclo catalítico.
Aínda que os beneficios dos dispositivos de química de fluxo están ben documentados, houbo un desexo de integrar ferramentas analíticas nestes sistemas para o seguimento de procesos en tempo real in situ66,67.UAM demostrou ser un método axeitado para deseñar e fabricar reactores de fluxo 3D moi complexos a partir de materiais catalíticamente activos e condutores térmicamente con elementos sensores directamente incorporados (Fig. 4).
Reactor de fluxo de aluminio-cobre fabricado mediante fabricación aditiva ultrasónica (UAM) cunha estrutura de canle interna complexa, termopares incorporados e unha cámara de reacción catalítica.Para visualizar as vías internas dos fluídos tamén se mostra un prototipo transparente realizado mediante estereolitografía.
Para garantir que os reactores están feitos para futuras reaccións orgánicas, os disolventes deben quentarse con seguridade por encima do seu punto de ebulición;son probados por presión e temperatura.As probas de presión mostraron que o sistema mantén unha presión estable e constante mesmo a presión elevada no sistema (1,7 MPa).Realizáronse probas hidrostáticas a temperatura ambiente usando H2O como líquido.
A conexión do termopar incorporado (Figura 1) ao rexistrador de datos de temperatura mostrou que a temperatura do termopar estaba 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 a velocidade de reacción significativamente.Esta diferenza débese á perda de temperatura en todo o RPV debido á alta difusividade térmica dos materiais empregados no proceso de fabricación.Esta deriva térmica é constante e, polo tanto, pódese ter en conta á hora de configurar o equipo para garantir que se alcancen e midan temperaturas precisas durante a reacción.Así, esta ferramenta de seguimento en liña facilita un control estrito da temperatura de reacción e contribúe a unha optimización máis precisa do proceso e ao desenvolvemento de condicións óptimas.Estes sensores tamén se poden usar para detectar reaccións exotérmicas e evitar reaccións desbocadas en sistemas a gran escala.
O reactor que se presenta neste artigo é o primeiro exemplo da aplicación da tecnoloxía UAM á fabricación de reactores químicos e aborda varias limitacións principais actualmente asociadas á impresión AM/3D destes dispositivos, como: (i) Superación dos problemas sinalados asociados ao procesamento de aliaxes de cobre ou aluminio (ii) mellora da resolución da canle interna en comparación cos métodos de fusión de fluxo de leito de po (PBSF) e láser de fusión selectiva (PBSF62). textura superficial rugosa26 (iii) temperatura de procesamento máis baixa, o que facilita a conexión directa de sensores, o que non é posible na tecnoloxía do leito en po, (v) superación das malas propiedades mecánicas e da sensibilidade dos compoñentes baseados en polímeros a varios disolventes orgánicos comúns17,19.
A funcionalidade do reactor foi demostrada por unha serie de reaccións de cicloadición de alquinazidas catalizadas por cobre en condicións de fluxo continuo (Fig. 2).O reactor de cobre impreso ultrasóns mostrado 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-dissubstituídos mediante unha reacción de temperatura controlada de haluros de acetileno e grupos alquilo en presenza de cloruro de sodio (Fig. 3).O uso do enfoque 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) (ver Fig. 5).
(Superior esquerda) Esquema da configuración empregada para incorporar un reactor 3DP nun sistema de fluxo (superior dereita) obtido a partir do esquema optimizado (inferior) do esquema de cicloadición Huisgen 57 entre fenilacetileno e iodoetano para a súa optimización e amosando os parámetros optimizados da taxa de conversión 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.Axiña comprobouse que a conversión máis alta conseguiuse cun tempo de residencia de 15 minutos e unha temperatura de reacción de 150 °C.A partir do gráfico de coeficientes do software MODDE pódese ver que tanto o tempo de residencia como a temperatura de reacción considéranse condicións importantes do modelo.Executar o optimizador integrado usando estas condicións seleccionadas crea un conxunto de condicións de reacción deseñadas para maximizar as áreas de pico do produto mentres diminúen as áreas de pico do material de partida.Esta optimización deu unha conversión do 53% do produto triazol, que coincidía exactamente coa predición do modelo do 54%.