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एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग शोधकर्ताओं और उद्योगपतियों द्वारा अपनी विशिष्ट आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए रासायनिक उपकरणों के डिजाइन और निर्माण के तरीके को बदल रही है।इस पेपर में, हम सीधे एकीकृत उत्प्रेरक भागों और सेंसिंग तत्वों के साथ एक ठोस धातु शीट के अल्ट्रासोनिक एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग (यूएएम) लेमिनेशन द्वारा गठित फ्लो रिएक्टर के पहले उदाहरण की रिपोर्ट करते हैं।यूएएम तकनीक न केवल रासायनिक रिएक्टरों के एडिटिव विनिर्माण से जुड़ी कई सीमाओं को पार करती है, बल्कि ऐसे उपकरणों की क्षमताओं का भी काफी विस्तार करती है।UAM रसायन विज्ञान सुविधा का उपयोग करके Cu-मध्यस्थता वाले 1,3-द्विध्रुवीय Huisgen साइक्लोडडिशन प्रतिक्रिया द्वारा कई जैविक रूप से महत्वपूर्ण 1,4-विस्थापित 1,2,3-ट्राईज़ोल यौगिकों को सफलतापूर्वक संश्लेषित और अनुकूलित किया गया है।यूएएम और निरंतर प्रवाह प्रसंस्करण के अद्वितीय गुणों का उपयोग करते हुए, डिवाइस चल रही प्रतिक्रियाओं को उत्प्रेरित करने के साथ-साथ प्रतिक्रियाओं की निगरानी और अनुकूलन के लिए वास्तविक समय प्रतिक्रिया प्रदान करने में सक्षम है।
अपने थोक समकक्ष पर इसके महत्वपूर्ण लाभों के कारण, रासायनिक संश्लेषण की चयनात्मकता और दक्षता को बढ़ाने की क्षमता के कारण प्रवाह रसायन विज्ञान शैक्षणिक और औद्योगिक दोनों सेटिंग्स में एक महत्वपूर्ण और बढ़ता हुआ क्षेत्र है।यह सरल कार्बनिक अणुओं1 के निर्माण से लेकर फार्मास्युटिकल यौगिकों2,3 और प्राकृतिक उत्पादों4,5,6 तक फैला हुआ है।बढ़िया रसायन और फार्मास्युटिकल उद्योगों में 50% से अधिक प्रतिक्रियाएं निरंतर प्रवाह से लाभान्वित हो सकती हैं7।
हाल के वर्षों में, पारंपरिक कांच के बर्तनों या प्रवाह रसायन विज्ञान उपकरणों को अनुकूलनीय रासायनिक "रिएक्टर"8 से बदलने की मांग करने वाले समूहों की प्रवृत्ति बढ़ रही है।इन विधियों की पुनरावृत्त डिज़ाइन, तीव्र विनिर्माण और त्रि-आयामी (3डी) क्षमताएं उन लोगों के लिए उपयोगी हैं जो अपने उपकरणों को प्रतिक्रियाओं, उपकरणों या स्थितियों के एक विशेष सेट के लिए अनुकूलित करना चाहते हैं।आज तक, यह कार्य लगभग विशेष रूप से पॉलिमर-आधारित 3डी प्रिंटिंग तकनीकों जैसे स्टीरियोलिथोग्राफी (एसएल)9,10,11, फ्यूज्ड डिपोजिशन मॉडलिंग (एफडीएम)8,12,13,14 और इंकजेट प्रिंटिंग7,15 के उपयोग पर केंद्रित है।, 16. रासायनिक प्रतिक्रियाओं/विश्लेषणों की एक विस्तृत श्रृंखला करने के लिए ऐसे उपकरणों की विश्वसनीयता और क्षमता की कमी17, 18, 19, 20 इस क्षेत्र में एएम के व्यापक अनुप्रयोग के लिए एक प्रमुख सीमित कारक है17, 18, 19, 20।
प्रवाह रसायन विज्ञान के बढ़ते उपयोग और एएम से जुड़े अनुकूल गुणों के कारण, बेहतर तकनीकों की खोज की जानी चाहिए जो उपयोगकर्ताओं को बेहतर रसायन विज्ञान और विश्लेषणात्मक क्षमताओं के साथ प्रवाह प्रतिक्रिया वाहिकाओं को बनाने की अनुमति देगी।इन तरीकों से उपयोगकर्ताओं को प्रतिक्रिया स्थितियों की एक विस्तृत श्रृंखला के तहत काम करने में सक्षम उच्च शक्ति या कार्यात्मक सामग्रियों की एक श्रृंखला से चयन करने की अनुमति मिलनी चाहिए, साथ ही प्रतिक्रिया की निगरानी और नियंत्रण को सक्षम करने के लिए डिवाइस से विश्लेषणात्मक आउटपुट के विभिन्न रूपों की सुविधा मिलनी चाहिए।
एक एडिटिव विनिर्माण प्रक्रिया जिसका उपयोग कस्टम रासायनिक रिएक्टरों को विकसित करने के लिए किया जा सकता है वह अल्ट्रासोनिक एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग (यूएएम) है।यह सॉलिड-स्टेट शीट लेमिनेशन विधि पतली धातु की पन्नी पर अल्ट्रासोनिक कंपन लागू करती है ताकि उन्हें न्यूनतम वॉल्यूमेट्रिक हीटिंग और उच्च स्तर के प्लास्टिक प्रवाह 21, 22, 23 के साथ परत दर परत एक साथ जोड़ा जा सके। अधिकांश अन्य एएम प्रौद्योगिकियों के विपरीत, यूएएम को सीधे घटाव उत्पादन के साथ एकीकृत किया जा सकता है, जिसे हाइब्रिड विनिर्माण प्रक्रिया के रूप में जाना जाता है, जिसमें आवधिक इन-सीटू संख्यात्मक नियंत्रण (सीएनसी) मिलिंग या लेजर प्रसंस्करण बंधी हुई सामग्री 24, 25 की परत का शुद्ध आकार निर्धारित करता है। इसका मतलब है कि उपयोगकर्ता नहीं है छोटे तरल चैनलों से अवशिष्ट मूल निर्माण सामग्री को हटाने से जुड़ी समस्याओं तक सीमित है, जो अक्सर पाउडर और तरल प्रणालियों AM26,27,28 में होता है।यह डिज़ाइन स्वतंत्रता उपलब्ध सामग्रियों की पसंद तक भी फैली हुई है - यूएएम एक ही प्रक्रिया चरण में थर्मल रूप से समान और असमान सामग्रियों के संयोजन को जोड़ सकता है।पिघलने की प्रक्रिया से परे सामग्री संयोजनों की पसंद का मतलब है कि विशिष्ट अनुप्रयोगों की यांत्रिक और रासायनिक आवश्यकताओं को बेहतर ढंग से पूरा किया जा सकता है।ठोस बॉन्डिंग के अलावा, अल्ट्रासोनिक बॉन्डिंग के साथ होने वाली एक और घटना अपेक्षाकृत कम तापमान 29,30,31,32,33 पर प्लास्टिक सामग्री की उच्च तरलता है।यूएएम की यह अनूठी विशेषता यांत्रिक/थर्मल तत्वों को बिना किसी क्षति के धातु की परतों के बीच रखने की अनुमति देती है।एंबेडेड यूएएम सेंसर एकीकृत एनालिटिक्स के माध्यम से डिवाइस से उपयोगकर्ता तक वास्तविक समय की जानकारी पहुंचाने की सुविधा प्रदान कर सकते हैं।
लेखकों32 के पिछले काम ने एम्बेडेड सेंसिंग क्षमताओं के साथ धात्विक 3डी माइक्रोफ्लुइडिक संरचनाएं बनाने के लिए यूएएम प्रक्रिया की क्षमता का प्रदर्शन किया।यह उपकरण केवल निगरानी उद्देश्यों के लिए है।यह लेख यूएएम द्वारा निर्मित माइक्रोफ्लुइडिक रासायनिक रिएक्टर का पहला उदाहरण प्रस्तुत करता है, एक सक्रिय उपकरण जो न केवल नियंत्रित करता है बल्कि संरचनात्मक रूप से एकीकृत उत्प्रेरक सामग्रियों के साथ रासायनिक संश्लेषण को प्रेरित भी करता है।यह उपकरण 3डी रासायनिक उपकरणों के निर्माण में यूएएम तकनीक से जुड़े कई फायदों को जोड़ता है, जैसे: कंप्यूटर-एडेड डिजाइन (सीएडी) मॉडल से सीधे एक पूर्ण 3डी डिजाइन को उत्पाद में बदलने की क्षमता;उच्च तापीय चालकता और उत्प्रेरक सामग्रियों के संयोजन के लिए बहु-सामग्री निर्माण, साथ ही प्रतिक्रिया तापमान के सटीक नियंत्रण और प्रबंधन के लिए प्रतिक्रियाशील धाराओं के बीच सीधे एम्बेडेड थर्मल सेंसर।रिएक्टर की कार्यक्षमता को प्रदर्शित करने के लिए, औषधीय रूप से महत्वपूर्ण 1,4-विस्थापित 1,2,3-ट्राईज़ोल यौगिकों की एक लाइब्रेरी को कॉपर-उत्प्रेरित 1,3-द्विध्रुवीय ह्यूजेन साइक्लोडडिशन द्वारा संश्लेषित किया गया था।यह कार्य इस बात पर प्रकाश डालता है कि कैसे सामग्री विज्ञान और कंप्यूटर-सहायता प्राप्त डिज़ाइन का उपयोग अंतःविषय अनुसंधान के माध्यम से रसायन विज्ञान के लिए नई संभावनाओं और अवसरों को खोल सकता है।
सभी सॉल्वैंट्स और अभिकर्मकों को सिग्मा-एल्ड्रिच, अल्फा एज़र, टीसीआई, या फिशर साइंटिफिक से खरीदा गया था और बिना पूर्व शुद्धिकरण के उपयोग किया गया था।क्रमशः 400 और 100 मेगाहर्ट्ज पर रिकॉर्ड किए गए 1एच और 13सी एनएमआर स्पेक्ट्रा, जेईओएल ईसीएस-400 400 मेगाहर्ट्ज स्पेक्ट्रोमीटर या ब्रूकर एवेंस II 400 मेगाहर्ट्ज स्पेक्ट्रोमीटर पर सीडीसीएल3 या (सीडी3)2एसओ के साथ विलायक के रूप में प्राप्त किए गए थे।सभी प्रतिक्रियाएं Uniqsis FlowSyn प्रवाह रसायन विज्ञान प्लेटफ़ॉर्म का उपयोग करके की गईं।
इस अध्ययन में सभी उपकरणों को बनाने के लिए यूएएम का उपयोग किया गया था।प्रौद्योगिकी का आविष्कार 1999 में किया गया था और इसके आविष्कार के बाद से इसके तकनीकी विवरण, संचालन मापदंडों और विकास का अध्ययन निम्नलिखित प्रकाशित सामग्रियों 34,35,36,37 का उपयोग करके किया जा सकता है।डिवाइस (छवि 1) को भारी शुल्क 9 किलोवाट सोनिकलेयर 4000® यूएएम सिस्टम (फैब्रिसोनिक, ओहियो, यूएसए) का उपयोग करके कार्यान्वित किया गया था।प्रवाह उपकरण के लिए चुनी गई सामग्रियां Cu-110 और Al 6061 थीं। Cu-110 में उच्च तांबे की सामग्री (न्यूनतम 99.9% तांबा) है, जो इसे तांबे उत्प्रेरित प्रतिक्रियाओं के लिए एक अच्छा उम्मीदवार बनाती है और इसलिए इसे "माइक्रोरिएक्टर के अंदर सक्रिय परत" के रूप में उपयोग किया जाता है।अल 6061 ओ का उपयोग "थोक" सामग्री के रूप में किया जाता है।, साथ ही विश्लेषण के लिए उपयोग की जाने वाली इंटरकलेशन परत;Cu-110 परत के साथ संयोजन में सहायक मिश्र धातु घटकों और annealed राज्य का अंतर्संबंध।इस कार्य में प्रयुक्त अभिकर्मकों के साथ रासायनिक रूप से स्थिर पाया गया।Cu-110 के साथ संयोजन में Al 6061 O को UAM के लिए एक संगत सामग्री संयोजन भी माना जाता है और इसलिए यह इस अध्ययन38,42 के लिए उपयुक्त सामग्री है।ये डिवाइस नीचे तालिका 1 में सूचीबद्ध हैं।
रिएक्टर निर्माण चरण (1) 6061 एल्यूमीनियम मिश्र धातु सब्सट्रेट (2) तांबे की पन्नी से निचले चैनल का निर्माण (3) परतों के बीच थर्मोकपल का सम्मिलन (4) ऊपरी चैनल (5) इनलेट और आउटलेट (6) मोनोलिथिक रिएक्टर।
द्रव चैनल डिज़ाइन दर्शन एक प्रबंधनीय चिप आकार को बनाए रखते हुए चिप के अंदर तरल पदार्थ द्वारा तय की गई दूरी को बढ़ाने के लिए एक टेढ़े-मेढ़े रास्ते का उपयोग करना है।दूरी में यह वृद्धि उत्प्रेरक-अभिकारक संपर्क समय को बढ़ाने और उत्कृष्ट उत्पाद उपज प्रदान करने के लिए वांछनीय है।डिवाइस44 के भीतर अशांत मिश्रण को प्रेरित करने और सतह (उत्प्रेरक) के साथ तरल के संपर्क समय को बढ़ाने के लिए चिप्स सीधे पथ के सिरों पर 90° मोड़ का उपयोग करते हैं।प्राप्त किए जा सकने वाले मिश्रण को और बढ़ाने के लिए, रिएक्टर के डिज़ाइन में मिक्सिंग कॉइल अनुभाग में प्रवेश करने से पहले वाई-कनेक्शन में संयुक्त दो प्रतिक्रियाशील इनलेट शामिल हैं।तीसरा प्रवेश द्वार, जो अपने निवास के आधे रास्ते में प्रवाह को पार करता है, भविष्य की बहु-चरण संश्लेषण प्रतिक्रियाओं की योजना में शामिल है।
सभी चैनलों में एक वर्गाकार प्रोफ़ाइल होती है (कोई टेपर कोण नहीं), जो चैनल ज्यामिति बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली आवधिक सीएनसी मिलिंग का परिणाम है।चैनल आयामों को उच्च (एक माइक्रोरिएक्टर के लिए) वॉल्यूमेट्रिक उपज प्रदान करने के लिए चुना जाता है, फिर भी इसमें मौजूद अधिकांश तरल पदार्थों के लिए सतह (उत्प्रेरक) के साथ बातचीत की सुविधा के लिए काफी छोटा होता है।उपयुक्त आकार धातु-तरल प्रतिक्रिया उपकरणों के साथ लेखकों के पिछले अनुभव पर आधारित है।अंतिम चैनल का आंतरिक आयाम 750 µm x 750 µm था और कुल रिएक्टर मात्रा 1 मिली थी।वाणिज्यिक प्रवाह रसायन विज्ञान उपकरण के साथ डिवाइस की आसान इंटरफेसिंग की अनुमति देने के लिए डिज़ाइन में एक अंतर्निहित कनेक्टर (1/4″-28 यूएनएफ थ्रेड) शामिल किया गया है।चैनल का आकार फ़ॉइल सामग्री की मोटाई, उसके यांत्रिक गुणों और अल्ट्रासोनिक्स के साथ उपयोग किए जाने वाले बॉन्डिंग मापदंडों द्वारा सीमित है।दी गई सामग्री के लिए एक निश्चित चौड़ाई पर, सामग्री बनाए गए चैनल में "शिथिल" हो जाएगी।इस गणना के लिए वर्तमान में कोई विशिष्ट मॉडल नहीं है, इसलिए किसी दी गई सामग्री और डिज़ाइन के लिए अधिकतम चैनल चौड़ाई प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित की जाती है, जिस स्थिति में 750 µm की चौड़ाई शिथिलता का कारण नहीं बनेगी।
चैनल का आकार (वर्ग) एक वर्गाकार कटर का उपयोग करके निर्धारित किया जाता है।विभिन्न प्रवाह दर और विशेषताओं को प्राप्त करने के लिए विभिन्न काटने वाले उपकरणों का उपयोग करके सीएनसी मशीनों पर चैनलों के आकार और आकार को बदला जा सकता है।125 µm उपकरण के साथ एक घुमावदार चैनल बनाने का एक उदाहरण मोनाघन45 में पाया जा सकता है।जब फ़ॉइल परत को सपाट लगाया जाता है, तो चैनलों पर फ़ॉइल सामग्री के अनुप्रयोग में एक सपाट (चौकोर) सतह होगी।इस कार्य में, चैनल समरूपता को संरक्षित करने के लिए एक वर्गाकार समोच्च का उपयोग किया गया था।
उत्पादन में एक क्रमादेशित ठहराव के दौरान, थर्मोकपल तापमान सेंसर (प्रकार K) सीधे ऊपरी और निचले चैनल समूहों के बीच डिवाइस में बनाए जाते हैं (चित्र 1 - चरण 3)।ये थर्मोकपल -200 से 1350 डिग्री सेल्सियस तक तापमान परिवर्तन को नियंत्रित कर सकते हैं।
धातु जमाव की प्रक्रिया यूएएम हॉर्न द्वारा 25.4 मिमी चौड़ी और 150 माइक्रोन मोटी धातु की पन्नी का उपयोग करके की जाती है।फ़ॉइल की ये परतें संपूर्ण निर्माण क्षेत्र को कवर करने के लिए आसन्न पट्टियों की एक श्रृंखला में जुड़ी हुई हैं;जमा की गई सामग्री का आकार अंतिम उत्पाद से बड़ा होता है क्योंकि घटाव प्रक्रिया अंतिम स्वच्छ आकार बनाती है।सीएनसी मशीनिंग का उपयोग उपकरण के बाहरी और आंतरिक आकृति को मशीन करने के लिए किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप चयनित उपकरण और सीएनसी प्रक्रिया मापदंडों (इस उदाहरण में, लगभग 1.6 µm Ra) के अनुरूप उपकरण और चैनलों की सतह खत्म हो जाती है।डिवाइस की निर्माण प्रक्रिया में निरंतर, निरंतर अल्ट्रासोनिक सामग्री छिड़काव और मशीनिंग चक्र का उपयोग किया जाता है ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि आयामी सटीकता बनी रहे और तैयार भाग सीएनसी फाइन मिलिंग परिशुद्धता स्तरों को पूरा करता है।इस उपकरण के लिए उपयोग किए जाने वाले चैनल की चौड़ाई यह सुनिश्चित करने के लिए काफी छोटी है कि फ़ॉइल सामग्री द्रव चैनल में "शिथिल" न हो, इसलिए चैनल में एक वर्गाकार क्रॉस सेक्शन है।फ़ॉइल सामग्री में संभावित अंतराल और यूएएम प्रक्रिया के मापदंडों को विनिर्माण भागीदार (फैब्रिसोनिक एलएलसी, यूएसए) द्वारा प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित किया गया था।
अध्ययनों से पता चला है कि यूएएम यौगिक के इंटरफ़ेस 46, 47 पर अतिरिक्त गर्मी उपचार के बिना तत्वों का थोड़ा प्रसार होता है, इसलिए इस काम में उपकरणों के लिए Cu-110 परत अल 6061 परत से अलग रहती है और नाटकीय रूप से बदलती है।
रिएक्टर के डाउनस्ट्रीम में 250 पीएसआई (1724 केपीए) पर प्री-कैलिब्रेटेड बैक प्रेशर रेगुलेटर (बीपीआर) स्थापित करें और रिएक्टर के माध्यम से 0.1 से 1 मिली मिनट-1 की दर से पानी पंप करें।यह सुनिश्चित करने के लिए कि सिस्टम निरंतर स्थिर दबाव बनाए रख सके, सिस्टम में निर्मित फ़्लोसिन दबाव ट्रांसड्यूसर का उपयोग करके रिएक्टर दबाव की निगरानी की गई थी।रिएक्टर में निर्मित थर्मोकपल और फ्लोसिन चिप की हीटिंग प्लेट में निर्मित थर्मोकपल के बीच किसी भी अंतर की तलाश करके प्रवाह रिएक्टर में संभावित तापमान ग्रेडिएंट का परीक्षण किया गया।यह प्रोग्राम किए गए हॉटप्लेट तापमान को 25 डिग्री सेल्सियस की वृद्धि में 100 और 150 डिग्री सेल्सियस के बीच बदलकर और प्रोग्राम किए गए और रिकॉर्ड किए गए तापमान के बीच किसी भी अंतर की निगरानी करके हासिल किया जाता है।यह टीसी-08 डेटा लॉगर (पिकोटेक, कैम्ब्रिज, यूके) और उसके साथ जुड़े पिकोलॉग सॉफ्टवेयर का उपयोग करके हासिल किया गया था।
फेनिलएसिटिलीन और आयोडोएथेन की साइक्लोडिशन प्रतिक्रिया के लिए स्थितियाँ अनुकूलित हैं (स्कीम 1-फेनिलएसिटिलीन और आयोडोएथेन का साइक्लोडिशन, स्कीम 1-फेनिलएसिटिलीन और आयोडोएथेन का साइक्लोडिशन)।यह अनुकूलन पूर्ण फैक्टोरियल डिज़ाइन ऑफ़ एक्सपेरिमेंट्स (डीओई) दृष्टिकोण का उपयोग करके किया गया था, जिसमें एल्काइन:एज़ाइड अनुपात को 1:2 पर तय करते समय तापमान और निवास समय को चर के रूप में उपयोग किया गया था।
सोडियम एजाइड (0.25 एम, 4:1 डीएमएफ:एच2ओ), आयोडोएथेन (0.25 एम, डीएमएफ) और फेनिलएसिटिलीन (0.125 एम, डीएमएफ) के अलग-अलग घोल तैयार किए गए।प्रत्येक घोल का 1.5 मिलीलीटर एलिकोट मिलाया गया और वांछित प्रवाह दर और तापमान पर रिएक्टर के माध्यम से पंप किया गया।मॉडल की प्रतिक्रिया को ट्राइज़ोल उत्पाद के शिखर क्षेत्र और फेनिलएसिटिलीन की शुरुआती सामग्री के अनुपात के रूप में लिया गया था और उच्च प्रदर्शन तरल क्रोमैटोग्राफी (एचपीएलसी) का उपयोग करके निर्धारित किया गया था।विश्लेषण की स्थिरता के लिए, प्रतिक्रिया मिश्रण के रिएक्टर छोड़ने के तुरंत बाद सभी प्रतिक्रियाएं ली गईं।अनुकूलन के लिए चयनित पैरामीटर श्रेणियाँ तालिका 2 में दिखाई गई हैं।
सभी नमूनों का विश्लेषण क्रोमैस्टर एचपीएलसी सिस्टम (वीडब्ल्यूआर, पीए, यूएसए) का उपयोग करके किया गया था जिसमें एक क्वाटरनेरी पंप, कॉलम ओवन, वैरिएबल वेवलेंथ यूवी डिटेक्टर और ऑटोसैंपलर शामिल थे।स्तंभ समतुल्यता 5 सी18 (वीडब्ल्यूआर, पीए, यूएसए), 4.6 x 100 मिमी, 5 µm कण आकार, 40 डिग्री सेल्सियस पर बनाए रखा गया था।विलायक लोकतांत्रिक मेथनॉल था: पानी 50:50 1.5 मिली·मिनट-1 की प्रवाह दर पर।इंजेक्शन की मात्रा 5 μl थी और डिटेक्टर तरंग दैर्ध्य 254 एनएम थी।डीओई नमूने के लिए % शिखर क्षेत्र की गणना केवल अवशिष्ट एल्काइन और ट्राईज़ोल उत्पादों के शिखर क्षेत्रों से की गई थी।प्रारंभिक सामग्री का परिचय संबंधित चोटियों की पहचान करना संभव बनाता है।
रिएक्टर विश्लेषण के परिणामों को MODDE DOE सॉफ्टवेयर (यूमेट्रिक्स, माल्मो, स्वीडन) के साथ जोड़कर इस साइक्लोडडिशन के लिए परिणामों के गहन प्रवृत्ति विश्लेषण और इष्टतम प्रतिक्रिया स्थितियों के निर्धारण की अनुमति दी गई।बिल्ट-इन ऑप्टिमाइज़र चलाने और सभी महत्वपूर्ण मॉडल शर्तों का चयन करने से एसिटिलीन फीडस्टॉक के लिए पीक क्षेत्र को कम करते हुए उत्पाद के पीक क्षेत्र को अधिकतम करने के लिए डिज़ाइन की गई प्रतिक्रिया स्थितियों का एक सेट तैयार होता है।
उत्प्रेरक प्रतिक्रिया कक्ष में तांबे की सतह का ऑक्सीकरण प्रत्येक ट्राईज़ोल यौगिक के संश्लेषण से पहले प्रतिक्रिया कक्ष (प्रवाह दर = 0.4 मिली मिनट-1, निवास समय = 2.5 मिनट) के माध्यम से बहने वाले हाइड्रोजन पेरोक्साइड समाधान (36%) का उपयोग करके प्राप्त किया गया था।पुस्तकालय।
एक बार स्थितियों का इष्टतम सेट निर्धारित हो जाने के बाद, उन्हें एक छोटे संश्लेषण पुस्तकालय के संकलन की अनुमति देने के लिए एसिटिलीन और हैलोऐल्केन डेरिवेटिव की एक श्रृंखला पर लागू किया गया, जिससे इन स्थितियों को संभावित अभिकर्मकों की एक विस्तृत श्रृंखला पर लागू करने की संभावना स्थापित हुई (चित्र 1)।2).
सोडियम एजाइड (0.25 एम, 4:1 डीएमएफ:एच2ओ), हैलोअल्केन्स (0.25 एम, डीएमएफ), और एल्काइन्स (0.125 एम, डीएमएफ) के अलग-अलग घोल तैयार करें।प्रत्येक घोल के 3 मिलीलीटर के अंशों को मिलाया गया और 75 μl/मिनट की दर और 150°C के तापमान पर रिएक्टर के माध्यम से पंप किया गया।पूरी मात्रा को एक शीशी में एकत्र किया गया और 10 मिलीलीटर एथिल एसीटेट के साथ पतला किया गया।नमूना घोल को 3 x 10 मिली पानी से धोया गया।जलीय परतों को मिलाया गया और 10 मिलीलीटर एथिल एसीटेट के साथ निकाला गया, फिर कार्बनिक परतों को जोड़ा गया, 3×10 मिलीलीटर नमकीन पानी से धोया गया, एमजीएसओ 4 पर सुखाया गया और फ़िल्टर किया गया, फिर विलायक को वेक्यूओ में हटा दिया गया।एचपीएलसी, 1एच एनएमआर, 13सी एनएमआर और उच्च रिज़ॉल्यूशन मास स्पेक्ट्रोमेट्री (एचआर-एमएस) के संयोजन द्वारा विश्लेषण से पहले एथिल एसीटेट का उपयोग करके नमूनों को सिलिका जेल कॉलम क्रोमैटोग्राफी द्वारा शुद्ध किया गया था।
सभी स्पेक्ट्रा आयनीकरण स्रोत के रूप में ईएसआई के साथ थर्मोफिशर प्रिसिजन ऑर्बिट्रैप मास स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग करके प्राप्त किए गए थे।सभी नमूने विलायक के रूप में एसीटोनिट्राइल का उपयोग करके तैयार किए गए थे।
टीएलसी विश्लेषण एल्यूमीनियम सब्सट्रेट के साथ सिलिका प्लेटों पर किया गया था।प्लेटों को यूवी प्रकाश (254 एनएम) या वैनिलिन धुंधलापन और हीटिंग के साथ देखा गया था।
सभी नमूनों का विश्लेषण एक ऑटोसैंपलर, एक कॉलम ओवन के साथ एक बाइनरी पंप और एक एकल तरंग दैर्ध्य डिटेक्टर से सुसज्जित वीडब्ल्यूआर क्रोममास्टर सिस्टम (वीडब्ल्यूआर इंटरनेशनल लिमिटेड, लीटन बज़र्ड, यूके) का उपयोग करके किया गया था।एक एसीई इक्विवेलेंस 5 सी18 कॉलम (150 x 4.6 मिमी, एडवांस्ड क्रोमैटोग्राफी टेक्नोलॉजीज लिमिटेड, एबरडीन, स्कॉटलैंड) का उपयोग किया गया था।
इंजेक्शन (5 μl) सीधे पतला कच्चे प्रतिक्रिया मिश्रण (1:10 कमजोर पड़ने) से बनाए गए थे और पानी के साथ विश्लेषण किया गया था: मेथनॉल (50:50 या 70:30), 1.5 मिलीलीटर / मिनट की प्रवाह दर पर 70:30 विलायक प्रणाली (स्टार संख्या के रूप में चिह्नित) का उपयोग करके कुछ नमूनों को छोड़कर।कॉलम को 40°C पर रखा गया था।डिटेक्टर की तरंग दैर्ध्य 254 एनएम है।
नमूने के % शिखर क्षेत्र की गणना केवल ट्राइज़ोल उत्पाद, अवशिष्ट एल्केनी के शिखर क्षेत्र से की गई थी, और प्रारंभिक सामग्री की शुरूआत ने संबंधित चोटियों की पहचान करना संभव बना दिया।
सभी नमूनों का विश्लेषण थर्मो iCAP 6000 ICP-OES का उपयोग करके किया गया।सभी अंशांकन मानक 2% नाइट्रिक एसिड (SPEX Certi Prep) में 1000 पीपीएम Cu मानक समाधान का उपयोग करके तैयार किए गए थे।सभी मानकों को 5% DMF और 2% HNO3 के घोल में तैयार किया गया था, और सभी नमूनों को DMF-HNO3 के नमूना घोल से 20 बार पतला किया गया था।
यूएएम अंतिम असेंबली बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली धातु की पन्नी को जोड़ने की एक विधि के रूप में अल्ट्रासोनिक धातु वेल्डिंग का उपयोग करता है।अल्ट्रासोनिक धातु वेल्डिंग सामग्री को कंपन करके बंधी/पहले से समेकित की जाने वाली फ़ॉइल/पहले से समेकित परत पर दबाव लागू करने के लिए एक कंपन धातु उपकरण (जिसे हॉर्न या अल्ट्रासोनिक हॉर्न कहा जाता है) का उपयोग करता है।निरंतर संचालन के लिए, सोनोट्रोड का आकार बेलनाकार होता है और यह सामग्री की सतह पर लुढ़कता है, जिससे पूरा क्षेत्र चिपक जाता है।जब दबाव और कंपन लगाया जाता है, तो सामग्री की सतह पर मौजूद ऑक्साइड टूट सकते हैं।लगातार दबाव और कंपन से सामग्री का खुरदरापन नष्ट हो सकता है 36।स्थानीय ताप और दबाव के साथ निकट संपर्क से सामग्री इंटरफेस पर एक ठोस चरण बंधन बनता है;यह सतह ऊर्जा48 को बदलकर सामंजस्य को भी बढ़ावा दे सकता है।बॉन्डिंग तंत्र की प्रकृति अन्य एडिटिव विनिर्माण प्रौद्योगिकियों में उल्लिखित परिवर्तनीय पिघल तापमान और उच्च तापमान प्रभावों से जुड़ी कई समस्याओं पर काबू पाती है।यह एक ही समेकित संरचना में विभिन्न सामग्रियों की कई परतों के सीधे कनेक्शन (यानी सतह संशोधन, भराव या चिपकने के बिना) की अनुमति देता है।
सीएएम के लिए दूसरा अनुकूल कारक धातु सामग्री में कम तापमान पर भी देखा जाने वाला प्लास्टिक प्रवाह का उच्च स्तर है, यानी धातु सामग्री के पिघलने बिंदु से काफी नीचे।अल्ट्रासोनिक कंपन और दबाव का संयोजन पारंपरिक रूप से थोक सामग्रियों से जुड़े महत्वपूर्ण तापमान वृद्धि के बिना उच्च स्तर के स्थानीय अनाज सीमा प्रवासन और पुन: क्रिस्टलीकरण का कारण बनता है।अंतिम असेंबली के निर्माण के दौरान, इस घटना का उपयोग परत दर परत धातु पन्नी की परतों के बीच सक्रिय और निष्क्रिय घटकों को एम्बेड करने के लिए किया जा सकता है।ऑप्टिकल फाइबर 49, सुदृढीकरण 46, इलेक्ट्रॉनिक्स 50 और थर्मोकपल (यह कार्य) जैसे तत्वों को सक्रिय और निष्क्रिय समग्र असेंबली बनाने के लिए यूएएम संरचनाओं में सफलतापूर्वक एकीकृत किया गया है।
इस कार्य में, उत्प्रेरक तापमान नियंत्रण के लिए एक आदर्श माइक्रोरिएक्टर बनाने के लिए विभिन्न सामग्री बाइंडिंग क्षमताओं और यूएएम इंटरकलेशन क्षमताओं दोनों का उपयोग किया गया था।
पैलेडियम (पीडी) और अन्य आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले धातु उत्प्रेरकों की तुलना में, Cu कैटेलिसिस के कई फायदे हैं: (i) आर्थिक रूप से, Cu कैटेलिसिस में उपयोग की जाने वाली कई अन्य धातुओं की तुलना में सस्ता है और इसलिए रासायनिक उद्योग के लिए एक आकर्षक विकल्प है। अन्य लिगेंड्स.ये लिगेंड अक्सर संरचनात्मक रूप से सरल और सस्ते होते हैं।यदि वांछित है, जबकि पीडी रसायन विज्ञान में उपयोग किए जाने वाले अक्सर जटिल, महंगे और वायु संवेदनशील होते हैं (iv) Cu, विशेष रूप से संश्लेषण में एल्काइन को बांधने की क्षमता के लिए जाना जाता है, जैसे सोनोगाशिरा के द्विधातु उत्प्रेरित युग्मन और एज़ाइड्स के साथ साइक्लोडडिशन (रसायन विज्ञान पर क्लिक करें) (v) Cu उल्मन-प्रकार की प्रतिक्रियाओं में कुछ न्यूक्लियोफाइल के एरिलेशन को भी बढ़ावा दे सकता है।
हाल ही में, Cu(0) की उपस्थिति में इन सभी प्रतिक्रियाओं के विषमकरण के उदाहरण प्रदर्शित किए गए हैं।यह मुख्य रूप से फार्मास्युटिकल उद्योग और धातु उत्प्रेरकों को पुनर्प्राप्त करने और पुन: उपयोग करने पर बढ़ते फोकस के कारण है।55,56।
एसिटिलीन और एज़ाइड से 1,2,3-ट्राईज़ोल के बीच 1,3-द्विध्रुवीय साइक्लोडडिशन प्रतिक्रिया, जिसे पहली बार 1960 के दशक57 में हुइसगेन द्वारा प्रस्तावित किया गया था, को एक सहक्रियात्मक प्रदर्शन प्रतिक्रिया माना जाता है।परिणामी 1,2,3 ट्राईज़ोल टुकड़े अपने जैविक अनुप्रयोगों और विभिन्न चिकित्सीय एजेंटों 58 में उपयोग के कारण दवा की खोज में फार्माकोफोर के रूप में विशेष रुचि रखते हैं।
जब शार्पलेस और अन्य लोगों ने "क्लिक केमिस्ट्री"59 की अवधारणा पेश की तो इस प्रतिक्रिया पर नए सिरे से ध्यान गया।शब्द "क्लिक केमिस्ट्री" का उपयोग हेटेरोएटोमिक बॉन्डिंग (सीएक्ससी) 60 का उपयोग करके नए यौगिकों और कॉम्बिनेटरियल लाइब्रेरीज़ के तेजी से संश्लेषण के लिए प्रतिक्रियाओं के एक मजबूत और चयनात्मक सेट का वर्णन करने के लिए किया जाता है।इन प्रतिक्रियाओं की सिंथेटिक अपील उनसे जुड़ी उच्च पैदावार के कारण है।स्थितियाँ सरल हैं, ऑक्सीजन और पानी के प्रति प्रतिरोध, और उत्पाद पृथक्करण सरल61 है।
शास्त्रीय 1,3-द्विध्रुव हुइजेन साइक्लोडडिशन "क्लिक केमिस्ट्री" श्रेणी में नहीं आता है।हालाँकि, मेडल और शार्पलेस ने प्रदर्शित किया कि गैर-उत्प्रेरक 1,3-द्विध्रुवीय साइक्लोडडिशन 62,63 की दर में एक महत्वपूर्ण त्वरण की तुलना में यह एज़ाइड-एल्केनी युग्मन घटना Cu (I) की उपस्थिति में 107-108 से गुजरती है।इस उन्नत प्रतिक्रिया तंत्र को सुरक्षा समूहों या कठोर प्रतिक्रिया स्थितियों की आवश्यकता नहीं होती है और समय के साथ 1,4-विस्थापित 1,2,3-ट्राईज़ोल्स (एंटी-1,2,3-ट्राईज़ोल्स) में लगभग पूर्ण रूपांतरण और चयनात्मकता प्रदान करता है (चित्र 3)।
पारंपरिक और तांबा-उत्प्रेरित हुइजेन साइक्लोडडिशन के आइसोमेट्रिक परिणाम।Cu(I)-उत्प्रेरित Huisgen साइक्लोडोडिशन केवल 1,4-विस्थापित 1,2,3-ट्रायज़ोल्स देते हैं, जबकि थर्मल रूप से प्रेरित Huisgen साइक्लोडोडिशन आमतौर पर 1,4- और 1,5-ट्रायज़ोल्स को एज़ोल स्टीरियोइसोमर्स का 1:1 मिश्रण देते हैं।
अधिकांश प्रोटोकॉल में Cu(II) के स्थिर स्रोतों को कम करना शामिल है, जैसे सोडियम लवण के साथ संयोजन में CuSO4 या Cu(II)/Cu(0) यौगिक की कमी।अन्य धातु उत्प्रेरित प्रतिक्रियाओं की तुलना में, Cu(I) के उपयोग का मुख्य लाभ यह है कि यह सस्ता और संभालने में आसान है।
वॉरेल एट अल द्वारा काइनेटिक और आइसोटोपिक अध्ययन।65 से पता चला है कि टर्मिनल एल्काइन्स के मामले में, तांबे के दो समकक्ष एज़ाइड के संबंध में प्रत्येक अणु की प्रतिक्रियाशीलता को सक्रिय करने में शामिल होते हैं।प्रस्तावित तंत्र छह-सदस्यीय तांबे की धातु की अंगूठी के माध्यम से आगे बढ़ता है जो एक स्थिर दाता लिगैंड के रूप में π-बंधित तांबे के साथ एज़ाइड के σ-बंधित तांबे एसिटाइलाइड के समन्वय से बनता है।कॉपर ट्राईज़ोलिल डेरिवेटिव रिंग संकुचन के परिणामस्वरूप बनते हैं, जिसके बाद प्रोटॉन अपघटन के बाद ट्राईज़ोल उत्पाद बनते हैं और उत्प्रेरक चक्र बंद हो जाता है।
जबकि प्रवाह रसायन विज्ञान उपकरणों के लाभों को अच्छी तरह से प्रलेखित किया गया है, सीटू66,67 में वास्तविक समय प्रक्रिया निगरानी के लिए इन प्रणालियों में विश्लेषणात्मक उपकरणों को एकीकृत करने की इच्छा रही है।यूएएम सीधे एम्बेडेड सेंसिंग तत्वों (छवि 4) के साथ उत्प्रेरक रूप से सक्रिय, थर्मल प्रवाहकीय सामग्री से बहुत जटिल 3 डी प्रवाह रिएक्टरों को डिजाइन और निर्माण करने के लिए एक उपयुक्त तरीका साबित हुआ है।
एक जटिल आंतरिक चैनल संरचना, अंतर्निर्मित थर्मोकपल और एक उत्प्रेरक प्रतिक्रिया कक्ष के साथ अल्ट्रासोनिक एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग (यूएएम) द्वारा निर्मित एल्यूमीनियम-तांबा प्रवाह रिएक्टर।आंतरिक द्रव पथों की कल्पना करने के लिए, स्टीरियोलिथोग्राफी का उपयोग करके बनाया गया एक पारदर्शी प्रोटोटाइप भी दिखाया गया है।
यह सुनिश्चित करने के लिए कि रिएक्टर भविष्य की कार्बनिक प्रतिक्रियाओं के लिए बनाए गए हैं, सॉल्वैंट्स को उनके क्वथनांक से ऊपर सुरक्षित रूप से गर्म किया जाना चाहिए;उनका दबाव और तापमान परीक्षण किया जाता है।दबाव परीक्षण से पता चला कि सिस्टम में ऊंचे दबाव (1.7 एमपीए) पर भी सिस्टम स्थिर और निरंतर दबाव बनाए रखता है।तरल के रूप में H2O का उपयोग करके कमरे के तापमान पर हाइड्रोस्टैटिक परीक्षण किए गए।
अंतर्निर्मित (चित्र 1) थर्मोकपल को तापमान डेटा लॉगर से जोड़ने से पता चला कि थर्मोकपल तापमान फ़्लोसिन सिस्टम में प्रोग्राम किए गए तापमान से 6 डिग्री सेल्सियस (± 1 डिग्री सेल्सियस) कम था।आमतौर पर, तापमान में 10 डिग्री सेल्सियस की वृद्धि प्रतिक्रिया दर को दोगुना कर देती है, इसलिए केवल कुछ डिग्री का तापमान अंतर प्रतिक्रिया दर को महत्वपूर्ण रूप से बदल सकता है।यह अंतर विनिर्माण प्रक्रिया में उपयोग की जाने वाली सामग्रियों की उच्च तापीय प्रसार क्षमता के कारण आरपीवी में तापमान के नुकसान के कारण है।यह थर्मल बहाव स्थिर है और इसलिए प्रतिक्रिया के दौरान सटीक तापमान तक पहुंचने और मापने को सुनिश्चित करने के लिए उपकरण स्थापित करते समय इसे ध्यान में रखा जा सकता है।इस प्रकार, यह ऑनलाइन निगरानी उपकरण प्रतिक्रिया तापमान के कड़े नियंत्रण की सुविधा प्रदान करता है और अधिक सटीक प्रक्रिया अनुकूलन और इष्टतम स्थितियों के विकास में योगदान देता है।इन सेंसरों का उपयोग एक्ज़ोथिर्मिक प्रतिक्रियाओं का पता लगाने और बड़े पैमाने पर प्रणालियों में आकस्मिक प्रतिक्रियाओं को रोकने के लिए भी किया जा सकता है।
इस पेपर में प्रस्तुत रिएक्टर रासायनिक रिएक्टरों के निर्माण के लिए यूएएम प्रौद्योगिकी के अनुप्रयोग का पहला उदाहरण है और वर्तमान में इन उपकरणों की एएम/3डी प्रिंटिंग से जुड़ी कई प्रमुख सीमाओं को संबोधित करता है, जैसे: (i) तांबे या एल्यूमीनियम मिश्र धातु के प्रसंस्करण से जुड़ी उल्लेखनीय समस्याओं पर काबू पाना (ii) चयनात्मक लेजर पिघलने (एसएलएम) जैसे पाउडर बेड पिघलने (पीबीएफ) तरीकों की तुलना में आंतरिक चैनल रिज़ॉल्यूशन में सुधार 25,69 खराब सामग्री प्रवाह और खुरदरी सतह बनावट 26 (iii) कम प्रसंस्करण तापमान, जो सीधे कनेक्टिंग सेंसर की सुविधा देता है, जो पाउडर बेड तकनीक में संभव नहीं है, (v) विभिन्न सामान्य कार्बनिक सॉल्वैंट्स17,19 के लिए पॉलिमर-आधारित घटकों की खराब यांत्रिक गुणों और संवेदनशीलता पर काबू पाना।
रिएक्टर की कार्यक्षमता को निरंतर प्रवाह स्थितियों (छवि 2) के तहत तांबा-उत्प्रेरित एल्किनाज़ाइड साइक्लोडडिशन प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला द्वारा प्रदर्शित किया गया था।अल्ट्रासोनिक मुद्रित कॉपर रिएक्टर अंजीर में दिखाया गया है।4 को एक वाणिज्यिक प्रवाह प्रणाली के साथ एकीकृत किया गया था और सोडियम क्लोराइड (छवि 3) की उपस्थिति में एसिटिलीन और एल्काइल समूह हैलाइड की तापमान नियंत्रित प्रतिक्रिया का उपयोग करके विभिन्न 1,4-विस्थापित 1,2,3-ट्राईज़ोल की एज़ाइड लाइब्रेरी को संश्लेषित करने के लिए उपयोग किया गया था।निरंतर प्रवाह दृष्टिकोण का उपयोग बैच प्रक्रियाओं में उत्पन्न होने वाले सुरक्षा मुद्दों को कम कर देता है, क्योंकि यह प्रतिक्रिया अत्यधिक प्रतिक्रियाशील और खतरनाक एज़ाइड मध्यवर्ती उत्पन्न करती है [317], [318]।प्रारंभ में, प्रतिक्रिया को फेनिलएसिटिलीन और आयोडोएथेन के साइक्लोडिशन के लिए अनुकूलित किया गया था (योजना 1 - फेनिलएसिटिलीन और आयोडोएथेन का साइक्लोडिशन) (चित्र 5 देखें)।
(ऊपरी बाएँ) अनुकूलन के लिए फेनिलएसिटिलीन और आयोडोएथेन के बीच हुइसजेन 57 साइक्लोडडिशन योजना की अनुकूलित (निचली) योजना से प्राप्त प्रवाह प्रणाली (ऊपरी दाएं) में एक 3डीपी रिएक्टर को शामिल करने के लिए उपयोग किए जाने वाले सेटअप का योजनाबद्ध और प्रतिक्रिया के अनुकूलित रूपांतरण दर मापदंडों को दिखाना।
रिएक्टर के उत्प्रेरक अनुभाग में अभिकारकों के निवास समय को नियंत्रित करके और सीधे एकीकृत थर्मोकपल सेंसर के साथ प्रतिक्रिया तापमान की सावधानीपूर्वक निगरानी करके, न्यूनतम समय और सामग्री के साथ प्रतिक्रिया स्थितियों को जल्दी और सटीक रूप से अनुकूलित किया जा सकता है।यह तुरंत पाया गया कि उच्चतम रूपांतरण 15 मिनट के निवास समय और 150 डिग्री सेल्सियस के प्रतिक्रिया तापमान का उपयोग करके प्राप्त किया गया था।MODDE सॉफ़्टवेयर के गुणांक प्लॉट से यह देखा जा सकता है कि निवास समय और प्रतिक्रिया तापमान दोनों को मॉडल की महत्वपूर्ण स्थितियाँ माना जाता है।इन चयनित स्थितियों का उपयोग करके अंतर्निर्मित ऑप्टिमाइज़र चलाने से प्रारंभिक सामग्री शिखर क्षेत्रों को कम करते हुए उत्पाद चरम क्षेत्रों को अधिकतम करने के लिए डिज़ाइन की गई प्रतिक्रिया स्थितियों का एक सेट तैयार होता है।इस अनुकूलन से ट्राइज़ोल उत्पाद का 53% रूपांतरण प्राप्त हुआ, जो मॉडल की 54% की भविष्यवाणी से बिल्कुल मेल खाता है।