Mèsi paske ou te vizite Nature.com. Vèsyon navigatè w ap itilize a gen yon sipò CSS limite. Pou pi bon eksperyans lan, nou rekòmande pou w itilize yon navigatè ki ajou (oswa dezaktive Mòd Konpatibilite nan Internet Explorer). Antretan, pou asire sipò kontinyèl, nou pral rann sit la san estil ak JavaScript.
Yon karousèl k ap montre twa diapozitiv an menm tan. Sèvi ak bouton Presedan ak Pwochen pou w deplase nan twa diapozitiv alafwa, oubyen sèvi ak bouton kurseur yo nan fen an pou w deplase nan twa diapozitiv alafwa.
Fabrikasyon aditif ap chanje fason chèchè yo ak endistriyalis yo konsevwa ak fabrike aparèy chimik pou satisfè bezwen espesifik yo. Nan atik sa a, nou rapòte premye egzanp yon reaktè koule ki fòme pa laminasyon fabrikasyon aditif ultrasonik (UAM) nan yon fèy metal solid ak pati katalitik ak eleman deteksyon entegre dirèkteman. Teknoloji UAM pa sèlman simonte anpil nan limitasyon ki asosye kounye a ak fabrikasyon aditif reaktè chimik yo, men tou li elaji anpil kapasite aparèy sa yo. Yo te sentetize avèk siksè ak optimize yon kantite konpoze 1,2,3-triazol 1,4-disubstituye ki enpòtan byolojikman pa yon reyaksyon sikloadisyon Huisgen 1,3-dipolè medyatè Cu lè l sèvi avèk etablisman chimi UAM lan. Lè l sèvi avèk pwopriyete inik UAM ak pwosesis koule kontinyèl, aparèy la kapab katalize reyaksyon kontinyèl yo epi tou bay fidbak an tan reyèl pou kontwole ak optimize reyaksyon yo.
Akòz avantaj enpòtan li genyen sou tokay an gwo li a, chimi koule se yon domèn enpòtan k ap grandi nan anviwònman akademik ak endistriyèl akòz kapasite li pou ogmante selektivite ak efikasite sentèz chimik la. Sa a soti nan fòmasyon molekil òganik senp1 rive nan konpoze famasetik2,3 ak pwodwi natirèl4,5,6. Plis pase 50% nan reyaksyon nan endistri chimik amann ak famasetik yo ka benefisye de koule kontinyèl7.
Nan dènye ane sa yo, te gen yon tandans k ap grandi nan gwoup k ap chèche ranplase ekipman tradisyonèl an vè oswa chimi koule ak "reaktè" chimik adaptab8. Konsepsyon iteratif, fabrikasyon rapid, ak kapasite twa dimansyon (3D) metòd sa yo itil pou moun ki vle pèsonalize aparèy yo pou yon seri reyaksyon, aparèy, oswa kondisyon patikilye. Jiska prezan, travay sa a te konsantre prèske sèlman sou itilizasyon teknik enprime 3D ki baze sou polymère tankou estereolitografi (SL)9,10,11, Modèl Depozisyon Fizyon (FDM)8,12,13,14 ak enprime jè lank7,15., 16. Mank fyab ak kapasite aparèy sa yo pou fè yon pakèt reyaksyon/analiz chimik17, 18, 19, 20 se yon gwo faktè limitatif pou aplikasyon AM ki pi laj nan domèn sa a17, 18, 19, 20.
Akòz ogmantasyon nan itilizasyon chimi koule ak pwopriyete favorab ki asosye ak AM, yo bezwen eksplore pi bon teknik ki pral pèmèt itilizatè yo fabrike veso reyaksyon koule ak kapasite chimi ak analiz amelyore. Metòd sa yo ta dwe pèmèt itilizatè yo chwazi nan yon seri materyèl ki gen gwo rezistans oswa fonksyonèl ki kapab opere nan yon pakèt kondisyon reyaksyon, epi tou fasilite divès fòm rezilta analiz ki soti nan aparèy la pou pèmèt siveyans ak kontwòl reyaksyon an.
Yon pwosesis fabrikasyon aditif ki ka itilize pou devlope reaktè chimik koutim se Fabrikasyon Aditif Ultrasonik (UAM). Metòd laminasyon fèy solid sa a aplike vibrasyon ultrasonik sou papye metal mens pou kole yo ansanm kouch pa kouch ak yon chofaj volimik minimòm ak yon wo degre koule plastik 21, 22, 23. Kontrèman ak pifò lòt teknoloji AM, UAM ka entegre dirèkteman ak pwodiksyon soustraktif, ke yo rekonèt kòm yon pwosesis fabrikasyon ibrid, kote fraisaj kontwòl nimerik in-situ (CNC) peryodik oswa pwosesis lazè detèmine fòm nèt kouch materyèl kole a 24, 25. Sa vle di ke itilizatè a pa limite a pwoblèm ki asosye ak retire materyèl konstriksyon orijinal rezidyèl nan ti chanèl likid yo, ki souvan ka a nan sistèm poud ak likid AM26,27,28. Libète konsepsyon sa a pwolonje tou nan chwa materyèl ki disponib yo - UAM ka kole konbinezon materyèl tèmikman menm jan ak diferan nan yon sèl etap pwosesis. Chwa konbinezon materyèl ki depase pwosesis fizyon an vle di ke kondisyon mekanik ak chimik aplikasyon espesifik yo ka pi byen satisfè. Anplis lyezon solid, yon lòt fenomèn ki rive ak lyezon ultrasonik se gwo fluidite materyèl plastik nan tanperati relativman ba29,30,31,32,33. Karakteristik inik UAM sa a pèmèt eleman mekanik/tèmik yo dwe mete ant kouch metal yo san domaj. Detèktè UAM entegre yo ka fasilite livrezon enfòmasyon an tan reyèl soti nan aparèy la bay itilizatè a atravè analiz entegre.
Travay otè yo32 te fè anvan yo te demontre kapasite pwosesis UAM lan pou kreye estrikti mikwofluidik 3D metalik ak kapasite deteksyon entegre. Aparèy sa a se pou rezon siveyans sèlman. Atik sa a prezante premye egzanp yon reaktè chimik mikwofluidik UAM fabrike, yon aparèy aktif ki pa sèlman kontwole men tou pwovoke sentèz chimik ak materyèl katalitik entegre estriktirèlman. Aparèy la konbine plizyè avantaj ki asosye ak teknoloji UAM nan fabrikasyon aparèy chimik 3D, tankou: kapasite pou konvèti yon konsepsyon 3D konplè dirèkteman nan yon modèl konsepsyon asisté pa òdinatè (DAO) an yon pwodwi; fabrikasyon milti-materyèl pou yon konbinezon konduktivite tèmik ak materyèl katalitik ki wo, ansanm ak detèktè tèmik entegre dirèkteman ant kouran reyaktif yo pou kontwòl presi ak jesyon tanperati reyaksyon an. Pou demontre fonksyonalite reaktè a, yo te sentetize yon bibliyotèk konpoze 1,2,3-triazol 1,4-disubstituye ki enpòtan nan domèn famasetik pa sikloadisyon Huisgen 1,3-dipolè katalize pa kwiv. Travay sa a mete aksan sou kijan itilizasyon syans materyèl ak konsepsyon asisté pa òdinatè ka louvri nouvo posiblite ak opòtinite pou chimi atravè rechèch entèdisiplinè.
Tout solvan ak reyaktif yo te achte nan men Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI, oubyen Fischer Scientific epi yo te itilize san pirifikasyon alavans. Espèk 1H ak 13C NMR ki te anrejistre respektivman nan 400 ak 100 MHz yo te jwenn sou yon espektwomèt JEOL ECS-400 400 MHz oubyen yon espektwomèt Bruker Avance II 400 MHz avèk CDCl3 oubyen (CD3)2SO kòm solvan. Tout reyaksyon yo te fèt lè l sèvi avèk platfòm chimi koule Uniqsis FlowSyn.
Yo te itilize UAM pou fabrike tout aparèy nan etid sa a. Yo te envante teknoloji a an 1999 epi nou ka etidye detay teknik li yo, paramèt fonksyònman li yo ak devlopman li yo depi envansyon li a lè nou itilize materyèl pibliye sa yo34,35,36,37. Yo te aplike aparèy la (Fig. 1) lè l sèvi avèk yon sistèm SonicLayer 4000® UAM 9 kW pou gwo sèvis (Fabrisonic, Ohio, Etazini). Materyèl yo te chwazi pou aparèy koule a se te Cu-110 ak Al 6061. Cu-110 gen yon gwo kontni kwiv (minimòm 99.9% kwiv), sa ki fè li yon bon kandida pou reyaksyon katalize pa kwiv e poutèt sa yo itilize li kòm yon "kouch aktif andedan mikworeaktè a. Al 6061 O itilize kòm materyèl "an mas". , osi byen ke kouch entèkalasyon yo itilize pou analiz; entèkalasyon konpozan alyaj oksilyè ak eta rkui an konbinezon ak kouch Cu-110. yo te jwenn yo dwe chimikman estab ak reyaktif yo itilize nan travay sa a. Al 6061 O an konbinezon ak Cu-110 konsidere tou kòm yon konbinezon materyèl konpatib pou UAM e poutèt sa li se yon materyèl apwopriye pou etid sa a38,42. Aparèy sa yo ki nan lis nan Tablo 1 anba a.
Etap fabrikasyon reaktè (1) Substra alyaj aliminyòm 6061 (2) Fabrikasyon kanal ki pi ba a ak papye aliminyòm kwiv (3) Ensèsyon tèmokoupl ant kouch yo (4) Kanal anwo (5) Antre ak sòti (6) Reaktè monolitik.
Filozofi konsepsyon kanal likid la se sèvi ak yon chemen tortue pou ogmante distans likid la vwayaje andedan chip la pandan y ap kenbe yon gwosè chip ke yo ka jere. Ogmantasyon distans sa a dezirab pou ogmante tan kontak katalis-reyaktè a epi bay ekselan rannman pwodwi. Chip yo itilize koube 90° nan bout yon chemen dwat pou pwovoke yon melanj ajite nan aparèy la44 epi ogmante tan kontak likid la ak sifas la (katalizè). Pou amelyore melanj ki ka reyalize a, konsepsyon reaktè a gen ladan de antre reyaktif ki konbine nan yon koneksyon Y anvan yo antre nan seksyon bobin melanj lan. Twazyèm antre a, ki travèse koule a nan mitan rezidans li, enkli nan plan pou reyaksyon sentèz milti-etap nan lavni.
Tout kanal yo gen yon pwofil kare (pa gen ang konik), ki se rezilta fraisaj CNC peryodik ki itilize pou kreye jeyometri kanal la. Dimansyon kanal yo chwazi pou bay yon sede volimik ki wo (pou yon mikworeaktè), men ki piti ase pou fasilite entèraksyon ak sifas la (katalizè) pou pifò likid li genyen yo. Gwosè apwopriye a baze sou eksperyans sot pase otè yo ak aparèy reyaksyon metal-likid. Dimansyon entèn kanal final la te 750 µm x 750 µm epi volim total reaktè a te 1 ml. Yon konektè entegre (file 1/4″-28 UNF) enkli nan konsepsyon an pou pèmèt koneksyon fasil aparèy la ak ekipman chimi koule komèsyal yo. Gwosè kanal la limite pa epesè materyèl papye aliminyòm nan, pwopriyete mekanik li yo, ak paramèt lyezon yo itilize ak ultrasons yo. Nan yon sèten lajè pou yon materyèl bay, materyèl la pral "afese" nan kanal ki kreye a. Kounye a pa gen okenn modèl espesifik pou kalkil sa a, kidonk lajè maksimòm kanal la pou yon materyèl ak yon konsepsyon yo bay detèmine eksperimantalman, nan ka sa a yon lajè 750 µm pap lakòz afesman.
Yo detèmine fòm kanal la (kare) avèk yon kouto kare. Yo ka chanje fòm ak gwosè kanal yo sou machin CNC lè l sèvi avèk diferan zouti koupe pou jwenn diferan to koule ak karakteristik. Ou ka jwenn yon egzanp sou kreye yon kanal koube avèk yon zouti 125 µm nan Monaghan45. Lè kouch papye aliminyòm nan aplike plat, aplikasyon materyèl papye aliminyòm nan sou kanal yo ap gen yon sifas plat (kare). Nan travay sa a, yo te itilize yon kontou kare pou prezève simetri kanal la.
Pandan yon poz pwograme nan pwodiksyon an, detèktè tanperati tèmokoupl (tip K) yo entegre dirèkteman nan aparèy la ant gwoup kanal anwo ak anba yo (Fig. 1 – etap 3). Tèmokoupl sa yo ka kontwole chanjman tanperati soti nan -200 rive nan 1350 °C.
Pwosesis depozisyon metal la fèt pa kòn UAM lan lè l sèvi avèk yon papye metal ki gen 25.4 mm lajè ak 150 mikron epesè. Kouch papye sa yo konekte nan yon seri bann adjasan pou kouvri tout zòn konstriksyon an; gwosè materyèl depoze a pi gwo pase pwodwi final la pandan pwosesis soustraksyon an kreye fòm final pwòp la. Yo itilize machin CNC pou machin kontou ekstèn ak entèn ekipman an, sa ki bay yon fini sifas ekipman an ak chanèl ki koresponn ak zouti ki chwazi a ak paramèt pwosesis CNC yo (nan egzanp sa a, anviwon 1.6 µm Ra). Yo itilize sik kontinyèl flite materyèl ultrasonik ak machinasyon pandan tout pwosesis fabrikasyon aparèy la pou asire presizyon dimansyonèl la kenbe epi pyès fini an satisfè nivo presizyon fraisaj CNC yo. Lajè chanèl ki itilize pou aparèy sa a piti ase pou asire ke materyèl papye a pa "afese" nan chanèl likid la, kidonk chanèl la gen yon seksyon kare. Patnè fabrikasyon an (Fabrisonic LLC, USA) te detèmine eksperimantalman posib espas ki genyen nan materyèl papye a ak paramèt pwosesis UAM lan.
Etid yo montre ke nan entèfas 46, 47 konpoze UAM lan gen ti difizyon eleman yo san tretman chalè adisyonèl, kidonk pou aparèy ki nan travay sa a, kouch Cu-110 la rete diferan de kouch Al 6061 la epi li chanje dramatikman.
Enstale yon regilatè presyon dèyè (BPR) ki pre-kalibre a 250 psi (1724 kPa) an aval reaktè a epi ponpe dlo nan reaktè a nan yon vitès 0.1 a 1 ml min-1. Yo te kontwole presyon reaktè a lè l sèvi avèk transducteur presyon FlowSyn ki entegre nan sistèm nan pou asire ke sistèm nan te kapab kenbe yon presyon konstan. Yo te teste gradyan tanperati potansyèl nan reaktè koule a lè yo t ap chèche nenpòt diferans ant tèmokoupl ki entegre nan reaktè a ak tèmokoupl ki entegre nan plak chofaj chip FlowSyn lan. Sa a reyalize lè yo chanje tanperati plak cho ki pwograme a ant 100 ak 150 °C nan ogmantasyon 25 °C epi kontwole nenpòt diferans ant tanperati ki pwograme ak anrejistre yo. Sa a te reyalize lè l sèvi avèk anrejistreman done tc-08 la (PicoTech, Cambridge, UK) ak lojisyèl PicoLog ki akonpaye l la.
Kondisyon pou reyaksyon sikloadisyon fenilasetilèn ak iyodoetan an yo optimize (Scheme 1-Sikloadisyon fenilasetilèn ak iyodoetan, Scheme 1-Sikloadisyon fenilasetilèn ak iyodoetan). Optimizasyon sa a te fèt lè l sèvi avèk yon apwòch konsepsyon faktoryèl konplè nan eksperyans (DOE), lè l sèvi avèk tanperati ak tan rezidans kòm varyab pandan y ap fikse rapò alkin:azid la a 1:2.
Yo te prepare solisyon separe azid sodyòm (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), yodoetan (0.25 M, DMF), ak fenilasetilèn (0.125 M, DMF). Yo te melanje yon alikòt 1.5 ml nan chak solisyon epi yo te ponpe l nan reaktè a nan vitès koule ak tanperati ki te vle a. Yo te pran repons modèl la kòm rapò sifas pik pwodwi triazol la ak materyèl depa fenilasetilèn nan epi yo te detèmine l lè l sèvi avèk kromatografi likid pèfòmans segondè (HPLC). Pou konsistans analiz la, yo te pran tout reyaksyon yo imedyatman apre melanj reyaksyon an te kite reaktè a. Entèval paramèt yo chwazi pou optimize yo montre nan Tablo 2.
Tout echantiyon yo te analize lè l sèvi avèk yon sistèm Chromaster HPLC (VWR, PA, USA) ki gen ladan yon ponp kwatènè, yon fou kolòn, yon detektè UV longèdonn varyab ak yon oto-echantiyonè. Kolòn nan te yon Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA), 4.6 x 100 mm, gwosè patikil 5 µm, kenbe a 40°C. Solvan an te metanòl izokratik:dlo 50:50 nan yon vitès koule 1.5 ml·min-1. Volim enjeksyon an te 5 μl epi longèdonn detektè a te 254 nm. Pousantaj zòn pik pou echantiyon DOE a te kalkile sèlman apati zòn pik pwodui alkin rezidyèl ak triazol yo. Entwodiksyon materyèl depa a pèmèt idantifye pik korespondan yo.
Konbinezon rezilta analiz reaktè a avèk lojisyèl MODDE DOE a (Umetrics, Malmö, Syèd) te pèmèt yon analiz tandans apwofondi sou rezilta yo epi detèminasyon kondisyon reyaksyon optimal pou sikloadisyon sa a. Lè yo te egzekite optimizeur entegre a epi yo te chwazi tout tèm enpòtan nan modèl la, sa kreye yon seri kondisyon reyaksyon ki fèt pou maksimize sifas pik pwodwi a pandan y ap diminye sifas pik pou matyè premyè asetilèn lan.
Yo te reyalize oksidasyon sifas kwiv la nan chanm reyaksyon katalitik la lè l sèvi avèk yon solisyon oksijene idwojèn (36%) k ap koule nan chanm reyaksyon an (vitès = 0.4 ml min-1, tan rezidans = 2.5 min) anvan sentèz chak konpoze triazol. bibliyotèk.
Yon fwa yo te detèmine kondisyon optimal yo, yo te aplike yo sou yon seri dérivés asetilèn ak aloalkan pou pèmèt konpilasyon yon ti bibliyotèk sentèz, kidonk etabli posibilite pou aplike kondisyon sa yo sou yon pi gwo seri reyaktif potansyèl (Fig. 1). 2).
Prepare solisyon separe azid sodyòm (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), aloalkan (0.25 M, DMF), ak alkin (0.125 M, DMF). Yo melanje alikòt 3 ml nan chak solisyon epi yo ponpe yo nan reaktè a nan yon vitès 75 µl/min ak yon tanperati 150°C. Yo kolekte tout volim nan nan yon ti boutèy epi yo dilye l ak 10 ml asetat etilik. Yo lave solisyon echantiyon an ak 3 x 10 ml dlo. Yo konbine kouch akeuz yo epi yo ekstrè yo ak 10 ml asetat etilik, answit yo konbine kouch òganik yo, yo lave yo ak 3×10 ml sèl, yo seche yo sou MgSO4 epi yo filtre yo, answit yo retire solvan an anba vid. Yo pirifye echantiyon yo pa kromatografi kolòn silica jèl lè l sèvi avèk asetat etilik anvan analiz la pa yon konbinezon HPLC, 1H NMR, 13C NMR ak spektwometri mas rezolisyon segondè (HR-MS).
Tout spectre yo te jwenn lè l sèvi avèk yon espektwomèt mas Thermofischer Precision Orbitrap avèk ESI kòm sous iyonizasyon an. Tout echantiyon yo te prepare lè l sèvi avèk asetonitril kòm solvan.
Yo te fè analiz TLC sou plak silica ak yon substra aliminyòm. Yo te vizyalize plak yo avèk limyè UV (254 nm) oubyen koloran vanilin epi chofe.
Tout echantiyon yo te analize lè l sèvi avèk yon sistèm VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) ekipe ak yon oto-echantiyonè, yon ponp binè ak yon fou kolòn ak yon detektè longèdonn sèl. Yo te itilize yon kolòn ACE Equivalence 5 C18 (150 x 4.6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Scotland).
Yo te fè enjeksyon yo (5 µl) dirèkteman nan melanj reyaksyon brit dilye a (dilisyon 1:10) epi yo te analize yo avèk dlo:metanòl (50:50 oswa 70:30), eksepte pou kèk echantiyon ki te itilize yon sistèm sòlvan 70:30 (yo make li kòm nimewo zetwal) nan yon vitès koule 1.5 ml/min. Yo te kenbe kolòn nan a 40°C. Longèdonn detektè a se 254 nm.
Yo kalkile % sifas pik echantiyon an apati sifas pik alkin rezidyèl la, pwodui triazol la sèlman, epi entwodiksyon materyèl depa a te pèmèt idantifye pik korespondan yo.
Tout echantiyon yo te analize lè l sèvi avèk Thermo iCAP 6000 ICP-OES. Tout estanda kalibrasyon yo te prepare lè l sèvi avèk yon solisyon estanda Cu 1000 ppm nan 2% asid nitrique (SPEX Certi Prep). Tout estanda yo te prepare nan yon solisyon 5% DMF ak 2% HNO3, epi tout echantiyon yo te delye 20 fwa ak yon solisyon echantiyon DMF-HNO3.
UAM itilize soude metal ultrasonik kòm yon metòd pou konekte papye metal la pou kreye asanblaj final la. Soude metal ultrasonik itilize yon zouti metal ki vibre (yo rele yon kòn oswa kòn ultrasonik) pou aplike presyon sou papye metal la/kouch ki te konsolide anvan an pou kole/konsolide anvan an lè yo vibre materyèl la. Pou operasyon kontinyèl, sonotwòd la gen yon fòm silendrik epi li woule sou sifas materyèl la, li kole tout zòn nan. Lè yo aplike presyon ak vibrasyon, oksid ki sou sifas materyèl la ka fann. Presyon ak vibrasyon konstan ka mennen nan destriksyon aspè brital materyèl la 36. Kontak sere avèk chalè ak presyon lokalize mennen nan yon lyezon faz solid nan entèfas materyèl yo; li kapab tou ankouraje koyezyon lè li chanje enèji sifas la 48. Natirèl mekanis lyezon an simonte anpil nan pwoblèm ki asosye ak tanperati fizyon varyab ak efè tanperati ki wo yo mansyone nan lòt teknoloji fabrikasyon aditif. Sa pèmèt koneksyon dirèk (sa vle di san modifikasyon sifas, ranpli oswa adezif) plizyè kouch materyèl diferan nan yon sèl estrikti konsolide.
Dezyèm faktè favorab pou CAM se gwo degre koule plastik ki obsève nan materyèl metalik menm nan tanperati ki ba, sa vle di byen anba pwen fizyon materyèl metalik yo. Konbinezon vibrasyon ultrasonik ak presyon lakòz yon wo nivo migrasyon limit grenn lokal ak rekristalizasyon san ogmantasyon tanperati siyifikatif ki tradisyonèlman asosye ak materyèl an gwo. Pandan kreyasyon asanblaj final la, fenomèn sa a ka itilize pou entegre konpozan aktif ak pasif ant kouch papye metalik, kouch pa kouch. Eleman tankou fib optik 49, ranfòsman 46, elektwonik 50 ak tèmokoupl (travay sa a) yo te entegre avèk siksè nan estrikti UAM pou kreye asanblaj konpoze aktif ak pasif.
Nan travay sa a, yo te itilize tou de diferan kapasite lyezon materyèl ak kapasite entèkalasyon UAM pou kreye yon mikroreaktè ideyal pou kontwòl tanperati katalitik.
Konpare ak paladyòm (Pd) ak lòt katalis metal yo itilize souvan, kataliz Cu gen plizyè avantaj: (i) Ekonomikman, Cu pi bon mache pase anpil lòt metal yo itilize nan kataliz e pakonsekan li se yon opsyon atiran pou endistri chimik la (ii) seri reyaksyon kouplaj kwaze katalize pa Cu ap agrandi e li sanble yon ti jan konplemantè ak metodoloji ki baze sou Pd51, 52, 53 (iii) Reyaksyon katalize pa Cu yo fonksyone byen san lòt ligand. Ligand sa yo souvan senp estriktirèlman e yo pa chè si yo vle, tandiske sa yo itilize nan chimi Pd yo souvan konplèks, chè, e sansib a lè (iv) Cu, espesyalman li te ye pou kapasite li pou lye alkin nan sentèz, tankou kouplaj katalize bimetalik Sonogashira a ak sikloadisyon ak azid (chimi klike) (v) Cu kapab tou ankouraje arylasyon kèk nikleofil nan reyaksyon tip Ullmann.
Dènyèman, yo demontre egzanp eterojenizasyon tout reyaksyon sa yo an prezans Cu(0). Sa a se sitou akòz endistri famasetik la ak atansyon k ap grandi sou rekipere ak reitilize katalis metal yo55,56.
Reyaksyon sikloadisyon 1,3-dipolè ant asetilèn ak azid pou bay 1,2,3-triazol la, ke Huisgen te pwopoze pou premye fwa nan ane 1960 yo57, konsidere kòm yon reyaksyon demonstrasyon sinèjik. Fragman 1,2,3 triazol ki sòti yo patikilyèman enteresan kòm yon farmakofò nan dekouvèt dwòg akòz aplikasyon byolojik yo ak itilizasyon yo nan divès ajan terapetik 58.
Reyaksyon sa a te resevwa yon nouvo atansyon lè Sharpless ak lòt moun te prezante konsèp "chimi klike"59 la. Yo itilize tèm "chimi klike" a pou dekri yon seri reyaksyon solid ak selektif pou sentèz rapid nouvo konpoze ak bibliyotèk konbinatwa lè l sèvi avèk lyezon eteroatomik (CXC)60. Apèl sentetik reyaksyon sa yo se akòz gwo sede ki asosye avèk yo. Kondisyon yo senp, rezistans a oksijèn ak dlo, epi separasyon pwodwi a senp61.
Sikloadisyon klasik 1,3-dipol Huisgen an pa tonbe nan kategori "chimi klik" la. Sepandan, Medal ak Sharpless te demontre ke evènman kouplaj azid-alkin sa a sibi 107-108 an prezans Cu(I) konpare ak yon akselerasyon siyifikatif nan vitès sikloadisyon 1,3-dipolè ki pa katalitik la 62,63. Mekanis reyaksyon avanse sa a pa mande gwoup pwoteksyon oswa kondisyon reyaksyon difisil epi li bay yon konvèsyon ak selektivite prèske konplè pou 1,2,3-triazòl 1,4-disibstitye (anti-1,2,3-triazòl) sou tan (Fig. 3).
Rezilta izometrik sikloadisyon Huisgen konvansyonèl ak katalize pa kwiv. Sikloadisyon Huisgen katalize pa Cu(I) bay sèlman 1,2,3-triazòl 1,4-disibstitye, alòske sikloadisyon Huisgen pwovoke tèmikman tipikman bay 1,4- ak 1,5-triazòl yon melanj 1:1 nan estereyoizomè azol.
Pifò pwotokòl yo enplike rediksyon sous Cu(II) ki estab, tankou rediksyon CuSO4 oubyen konpoze Cu(II)/Cu(0) an konbinezon ak sèl sodyòm. Konpare ak lòt reyaksyon katalize pa metal, itilizasyon Cu(I) gen prensipal avantaj pou li pa chè epi fasil pou jere.
Etid sinetik ak izotopik pa Worrell et al. 65 te montre ke nan ka alkin tèminal yo, de ekivalan kwiv enplike nan aktivasyon reyaktivite chak molekil parapò ak azid. Mekanis pwopoze a kontinye atravè yon bag metal kwiv sis manm ki fòme pa kowòdinasyon azid ak asetilid kwiv ki lye ak σ ak kwiv ki lye ak π kòm yon ligand donatè ki estab. Derivatif triazolil kwiv yo fòme kòm rezilta kontraksyon bag ki te swiv pa dekonpozisyon pwoton pou fòme pwodwi triazol epi fèmen sik katalitik la.
Malgre ke benefis aparèy chimi koule yo byen dokimante, te gen yon dezi pou entegre zouti analiz nan sistèm sa yo pou siveyans pwosesis an tan reyèl in situ66,67. UAM te pwouve li se yon metòd apwopriye pou konsepsyon ak fabrike reaktè koule 3D trè konplèks ki soti nan materyèl katalitikman aktif, tèmikman kondiktif ak eleman deteksyon entegre dirèkteman (Fig. 4).
Reaktè koule aliminyòm-kwiv fabrike pa fabrikasyon aditif ultrasonik (UAM) ak yon estrikti kanal entèn konplèks, tèmokoupl entegre ak yon chanm reyaksyon katalitik. Pou vizyalize chemen likid entèn yo, yo montre tou yon pwototip transparan ki fèt lè l sèvi avèk estereolitografi.
Pou asire ke reaktè yo fèt pou reyaksyon òganik nan lavni, yo dwe chofe solvan yo san danje pi wo pase pwen ebulisyon yo; yo sibi tès presyon ak tanperati. Tès presyon an te montre ke sistèm nan kenbe yon presyon ki estab e konstan menm nan presyon ki wo nan sistèm nan (1.7 MPa). Tès idrostatik yo te fèt nan tanperati chanm lè l sèvi avèk H2O kòm likid.
Lè yo konekte tèmokoupl entegre a (Figi 1) ak anrejistreman done tanperati a, yo te montre ke tanperati tèmokoupl la te 6 °C (± 1 °C) anba tanperati pwograme nan sistèm FlowSyn lan. Tipikman, yon ogmantasyon 10°C nan tanperati double vitès reyaksyon an, kidonk yon diferans tanperati ki jis kèk degre ka chanje vitès reyaksyon an anpil. Diferans sa a akòz pèt tanperati a nan tout RPV a akòz gwo difizivite tèmik materyèl yo itilize nan pwosesis fabrikasyon an. Derivasyon tèmik sa a konstan e pakonsekan yo ka pran l an kont lè y ap mete ekipman an an plas pou asire ke tanperati egzak yo rive epi mezire pandan reyaksyon an. Kidonk, zouti siveyans anliy sa a fasilite yon kontwòl sere sou tanperati reyaksyon an epi li kontribye nan yon optimize pwosesis ki pi presi ak devlopman kondisyon optimal. Detèktè sa yo kapab tou itilize pou detekte reyaksyon ègzotèmik epi anpeche reyaksyon ki sove nan sistèm gwo echèl.
Reaktè ki prezante nan atik sa a se premye egzanp aplikasyon teknoloji UAM nan fabrikasyon reaktè chimik epi li adrese plizyè gwo limitasyon ki asosye kounye a ak enprime AM/3D aparèy sa yo, tankou: (i) Simonte pwoblèm yo note ki asosye ak pwosesis alyaj kwiv oswa aliminyòm (ii) amelyorasyon rezolisyon kanal entèn konpare ak metòd fizyon kabann poud (PBF) tankou fizyon lazè selektif (SLM)25,69 Pòv koule materyèl ak teksti sifas ki graj26 (iii) pi ba tanperati pwosesis, ki fasilite koneksyon dirèk detèktè yo, ki pa posib nan teknoloji kabann poud, (v) simonte pòv pwopriyete mekanik ak sansiblite konpozan ki baze sou polymère a divès solvang òganik komen17,19.
Yo te demontre fonksyonalite reaktè a pa yon seri reyaksyon sikloadisyon alkinazid katalize pa kwiv anba kondisyon koule kontinyèl (Fig. 2). Reaktè kwiv enprime ultrasonik ki montre nan fig. 4 la te entegre ak yon sistèm koule komèsyal epi yo te itilize li pou sentetize yon bibliyotèk azid ki gen divès 1,2,3-triazol 1,4-disubstituye lè l sèvi avèk yon reyaksyon kontwole tanperati nan asetilèn ak alil gwoup alkil an prezans klori sodyòm (Fig. 3). Itilizasyon apwòch koule kontinyèl la diminye pwoblèm sekirite ki ka rive nan pwosesis pakèt, piske reyaksyon sa a pwodui entèmedyè azid trè reyaktif ak danjere [317], [318]. Okòmansman, yo te optimize reyaksyon an pou sikloadisyon fenilasetilèn ak yodoetan (Scheme 1 - Sikloadisyon fenilasetilèn ak yodoetan) (gade Fig. 5).
(Anwo agòch) Dyagram konfigirasyon ki itilize pou enkòpore yon reaktè 3DP nan yon sistèm koule (anwo adwat) ki jwenn nan konplo optimize (anba) konplo sikloadisyon Huisgen 57 ant fenilasetilèn ak yodoetan pou optimize epi ki montre paramèt to konvèsyon optimize reyaksyon an.
Lè yo kontwole tan rezidans reyaktif yo nan seksyon katalitik reaktè a epi siveye tanperati reyaksyon an avèk atansyon avèk yon detèktè tèrmokoupl entegre dirèkteman, yo ka optimize kondisyon reyaksyon yo rapidman e avèk presizyon avèk yon minimòm tan ak materyèl. Yo te byen vit jwenn ke pi gwo konvèsyon an te reyalize lè l sèvi avèk yon tan rezidans 15 minit ak yon tanperati reyaksyon 150°C. Li ka wè nan graf koyefisyan lojisyèl MODDE a ke tou de tan rezidans lan ak tanperati reyaksyon an konsidere kòm kondisyon enpòtan nan modèl la. Lè yo egzekite optimizeur entegre a lè l sèvi avèk kondisyon sa yo chwazi, sa kreye yon seri kondisyon reyaksyon ki fèt pou maksimize zòn pik pwodwi yo pandan y ap diminye zòn pik materyèl depa a. Optimizasyon sa a te bay yon konvèsyon 53% nan pwodwi triazol la, ki te egzakteman koresponn ak prediksyon modèl la ki te 54%.