Köszönjük, hogy meglátogatta a Nature.com webhelyet. Az Ön által használt böngészőverzió korlátozottan támogatja a CSS-t. A legjobb élmény érdekében javasoljuk, hogy használjon frissített böngészőt (vagy kapcsolja ki a kompatibilitási módot az Internet Explorerben). Addig is a folyamatos támogatás érdekében a webhelyet stílusok és JavaScript nélkül jelenítjük meg.
Az additív gyártás megváltoztatja a kutatók és iparosok sajátos igényeiknek megfelelő vegyi eszközök tervezését és gyártását. Ebben a munkában bemutatjuk az ultrahangos additív gyártás (UAM) szilárdtest fémlemez laminálási technikával kialakított áramlási reaktorának első példáját, amely közvetlenül integrált katalitikus részekkel és érzékelő elemekkel rendelkezik. Az UAM technológia nemcsak jelentősen legyőzi az ilyen eszközök gyártási kapacitásának számos korlátját, hanem az ilyen eszközök gyártási kapacitásának növelését is. .Biológiailag fontos 1,4-diszubsztituált 1,2,3-triazol vegyület sorozatát sikeresen szintetizálták és optimalizálták Cu-mediált Huisgen 1,3-dipoláris cikloaddíciós reakcióval UAM kémiai elrendezést alkalmazva. Az UAM egyedi tulajdonságainak kiaknázásával és a folyamatos áramlási feldolgozással a készülék képes a reakciók valós visszacsatolási optimalizálására és a reakcióidő katalizálására is.
Az ömlesztett megfelelőjével szembeni jelentős előnyei miatt az áramlási kémia fontos és egyre növekvő terület mind az akadémiai, mind az ipari környezetben, mivel képes növelni a kémiai szintézis szelektivitását és hatékonyságát. Ez az egyszerű szerves molekulaképzéstől1 a gyógyszervegyületekig2,3 és természetes termékekig4,5,6.A finom vegyiparban és a gyógyszeriparban a reakciók több mint 50%-a profitálhat a folyamatos áramlású feldolgozásból7.
Az elmúlt években egyre nagyobb tendencia tapasztalható azon csoportok körében, amelyek a hagyományos üvegedényeket vagy áramlástechnikai berendezéseket testre szabható additív gyártású (AM) kémiai „reakcióedényekre” kívánják cserélni.8 E technikák iteratív tervezése, gyors gyártása és 3-dimenziós (3D) képességei azok számára előnyösek, akik az eszközöket, eszközöket vagy reakciókörülményeket szinte kizárólagos polimerhasználatra, vagy reakciókörülményekre kívánják szabni. D nyomtatási technikák, mint például a sztereolitográfia (SL)9, 10, 11, a fused deposition modeling (FDM)8, 12, 13, 14 és a tintasugaras nyomtatás 7, 15, 16. Az ilyen eszközök robusztusságának és képességének hiánya a kémiai reakciók/elemzések széles skálájának elvégzésére 19, 20 .
Az áramlási kémia növekvő használata és az AM-hez kapcsolódó kedvező tulajdonságok miatt olyan fejlettebb technikák feltárására van szükség, amelyek lehetővé teszik a felhasználók számára, hogy fokozott kémiai és analitikai képességekkel rendelkező áramlási reakcióedényeket készítsenek. Ezeknek a technikáknak lehetővé kell tenniük a felhasználók számára, hogy a reakciókörülmények széles skáláját kezelni képes, rendkívül robusztus vagy funkcionális anyagok közül válasszanak, miközben lehetővé teszik a különböző reakciók vezérlését és kimeneti formáit is.
Az egyik olyan additív gyártási folyamat, amely egyedi vegyi reaktorok kifejlesztésére kínál lehetőséget, az ultrahangos additív gyártás (UAM). Ez a szilárdtest-lemez laminálási technika ultrahangos oszcillációt alkalmaz vékony fémfóliákon, hogy rétegről rétegre egyesítse őket minimális ömlesztett melegítéssel és nagy fokú műanyagáramlással 21 , 22 , 23 , ellentétben a legtöbb más AM gyártási eljárással, az UAM közvetlenül integrálható. amely in situ periodikus számítógépes numerikus vezérlésű (CNC) marás vagy lézeres megmunkálás határozza meg a ragasztott anyagréteg nettó alakját 24, 25. Ez azt jelenti, hogy a felhasználót nem korlátozzák a maradék nyersanyag kis folyadékcsatornákból való eltávolításával kapcsolatos problémák, ami gyakran előfordul a por és a folyékony AM rendszerek esetében26, 27, 28 – a hasonló anyagválasztási szabadságot is kiterjeszti az AM rendszerekre. Egyetlen folyamatlépésben.Az anyagkombinációk megválasztása az olvasztási eljáráson túl azt jelenti, hogy az adott alkalmazások mechanikai és kémiai követelményei jobban kielégíthetők. A szilárdtest-kötés mellett az ultrahangos kötés során tapasztalható másik jelenség a műanyagok nagy áramlása viszonylag alacsony hőmérsékleten29,30,31,32,33.Az UAM ezen egyedülálló tulajdonsága megkönnyíti a fém mechanikai/hőmérsékleti információs rétegek közötti mechanikai/hőmérsékleti elemek közötti beágyazást. eszközt a felhasználóhoz az integrált analitika révén.
A szerzők korábbi munkái32 bemutatták az UAM-eljárás azon képességét, hogy fémes 3D-s mikrofluidikus struktúrákat hozzon létre integrált érzékelési képességekkel. Ez egy kizárólag megfigyelő eszköz. Ez a cikk az UAM által gyártott mikrofluidikus kémiai reaktor első példáját mutatja be;egy aktív eszköz, amely nemcsak figyeli, hanem indukálja is a kémiai szintézist szerkezetileg integrált katalizátoranyagokon keresztül.Az eszköz egyesíti az UAM technológiához kapcsolódó számos előnyt a 3D kémiai eszközök gyártásában, mint például: a teljes 3D-s tervek számítógéppel segített tervezési (CAD) modellekből közvetlenül termékekké való konvertálása;több anyagból álló gyártás a nagy hővezetőképességű és katalitikus anyagok kombinálására;és hőérzékelők beágyazása közvetlenül a reagensáramok közé a reakcióhőmérséklet precíz monitorozása és szabályozása érdekében. A reaktor működőképességének demonstrálására a rézkatalizált Huisgen 1,3-dipoláris cikloaddícióval szintetizáltak gyógyszerészetileg fontos 1,4-diszubsztituált 1,2,3-triazol vegyületek könyvtárát. multidiszciplináris kutatás.
Az összes oldószert és reagenst a Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI vagy Fischer Scientific cégtől szereztük be, és előzetes tisztítás nélkül használtuk. A 400 MHz-en, illetve 100 MHz-en felvett1H és 13C NMR-spektrumokat JEOL ECS-400 400 MHz spektrométerrel2 vagy Bruker0 ACD122 spektrométerrel vagy Bruker0 ACD0C13 spektrométerrel kaptuk. oldószerként.Minden reakciót a Uniqsis FlowSyn áramlási kémiai platform segítségével hajtottunk végre.
Ebben a tanulmányban az összes eszköz gyártásához az UAM-ot használtuk. A technológiát 1999-ben találták fel, műszaki részletei, működési paraméterei és a feltalálása óta történt fejlesztései az alábbi publikált anyagokon keresztül tanulmányozhatóak34,35,36,37.Az eszköz (1. ábra) ultranagy teljesítményű, 9kW-os SonicLayer 4000® Cu-féle anyagok felhasználásával valósult meg. A 10 és az Al 6061.Cu-110 magas réztartalmú (minimum 99,9% réz), így jó jelölt a réz által katalizált reakciókhoz, ezért „aktív rétegként használják a mikroreaktorban”.Az Al 6061 O-t „ömlesztett” anyagként használják, az elemzéshez használt beágyazóréteget is;Ötvözet segédkomponens beágyazás és izzított állapot Cu-110 réteggel kombinálva.Az Al 6061 O egy olyan anyag, amelyről bebizonyosodott, hogy nagyon kompatibilis az UAM-eljárásokkal38, 39, 40, 41, és amelyet teszteltek, és kémiailag stabilnak találták az ebben a munkában használt reagensekkel.Az Al 6061 O és a Cu-110 kombinációja szintén kompatibilis anyagkombinációnak tekinthető az UAM-hoz, ezért megfelelő anyag ehhez a vizsgálathoz.38,42 Ezeket az eszközöket az alábbi 1. táblázat tartalmazza.
A reaktor gyártási szakaszai (1) Al 6061 szubsztrát (2) Rézfóliára állított alsó csatorna gyártása (3) Hőelemek beágyazása a rétegek közé (4) Felső csatorna (5) Bemenet és kimenet (6) Monolit reaktor.
A folyadékút tervezési filozófiája az, hogy egy csavart útvonalat használjon a folyadék chipen belüli megtett távolságának növelésére, miközben a chip kezelhető méretben marad. A távolság növelése kívánatos a katalizátor/reagens kölcsönhatási idejének növelése és a kiváló termékhozam biztosítása érdekében. A chipek az egyenes út végén 90°-os hajlításokat használnak, hogy a felület turbulens keveredését tovább növeljék (az eszköz felületi keveredésének további növelése érdekében44). Az elérhető keveredés növelése érdekében a reaktor kialakítása két reagens bemenetet tartalmaz az Y-elágazásnál, mielőtt belépne a szerpentin keverőszakaszba. A harmadik bemenet, amely a patakot a tartózkodási ideje felénél metszi, a jövőbeni többlépéses reakciószintézisek tervezésében szerepel.
Minden csatorna négyzetes profilú (nincs behúzási szög), ami a csatornageometria kialakításához használt időszakos CNC marás eredménye. A csatorna méretei úgy vannak megválasztva, hogy biztosítsák a nagy (mikroreaktorhoz) térfogatteljesítményt, miközben elég kicsik ahhoz, hogy megkönnyítsék a felületi kölcsönhatásokat (katalizátorok) a legtöbb benne lévő folyadéknál. A megfelelő méret a szerzők korábbi belső tapasztalatain alapul a fém-50 µm-es végső reakciócsatorna x 70 mm-es belső méretein. 50 µm, és a teljes reaktortérfogat 1 ml volt. Egy integrált csatlakozó (1/4″-28 UNF menet) található a kialakításban, amely lehetővé teszi az eszköz és a kereskedelmi áramlási vegyi berendezések egyszerű csatlakoztatását.A csatorna méretét a fólia vastagsága, mechanikai tulajdonságai és az ultrahangos kötési paraméterek korlátozzák.Egy adott anyag adott szélességénél az anyag „beereszkedik” a létrehozott csatornába.Jelenleg nincs konkrét modell erre a számításra, ezért az adott anyaghoz és kialakításhoz tartozó maximális csatornaszélességet kísérleti úton határozzák meg;ebben az esetben a 750 μm-es szélesség nem okoz megereszkedést.
A csatorna alakját (négyzetét) négyzetvágó segítségével határozzuk meg. A csatornák alakja és mérete CNC gépekkel változtatható különböző forgácsolószerszámok segítségével, hogy különböző áramlási sebességeket és karakterisztikákat kapjunk. A 125 μm-es szerszámmal ívelt alakú csatorna létrehozására Monaghan45 munkájában találunk példát. Amikor a fóliaréteget egy lapos csatornára helyezik, akkor a felületet egy sík csatornába rakják le. munka során a csatorna szimmetriájának megőrzése érdekében négyzetes körvonalat alkalmaztunk.
A gyártás előre beprogramozott szüneteltetése alatt a hőelem hőmérséklet-szondák (K típusú) közvetlenül a készülékbe vannak beágyazva a felső és az alsó csatornacsoportok közé (1. ábra – 3. szakasz). Ezek a hőelemek –200 és 1350 °C között képesek figyelni a hőmérséklet-változásokat.
A fémleválasztási folyamatot UAM kürtök végzik, 25,4 mm széles, 150 mikron vastag fémfóliával. Ezeket a fóliarétegeket egy sor szomszédos csíkba kötik, hogy lefedjék a teljes építési területet;a lerakott anyag mérete nagyobb, mint a végterméké, mivel a kivonási eljárás hozza létre a végső háló formát. A CNC megmunkálást a berendezés külső és belső kontúrjainak megmunkálására használják, így a berendezés és a csatornák felülete megegyezik a kiválasztott szerszámmal és a CNC folyamat paramétereivel (ebben a példában kb. 1,6 μm Ra). karbantartják, és a kész alkatrész megfelel a CNC simítási marási pontossági szinteknek.Az ehhez az eszközhöz használt csatornaszélesség elég kicsi ahhoz, hogy a fóliaanyag ne „süllyedjen” a folyadékcsatornába, így a csatorna négyzetes keresztmetszetű marad. A fóliaanyag lehetséges hézagait és az UAM-folyamat paramétereit kísérleti úton határozta meg egy gyártó partner (Fabrisonic LLC, USA).
A vizsgálatok kimutatták, hogy az UAM 46, 47 kötési határfelületén csekély elemi diffúzió megy végbe további hőkezelés nélkül, így a jelen munkában szereplő eszközök esetében a Cu-110 réteg elkülönül az Al 6061 rétegtől, és hirtelen megváltozik.
Szereljen be egy előre kalibrált 250 psi (1724 kPa) ellennyomás-szabályozót (BPR) a reaktor kimenetére, és szivattyúzza át a vizet a reaktoron 0,1–1 ml/perc sebességgel. A reaktor nyomását a FlowSyn beépített rendszernyomás-érzékelővel figyelték, hogy ellenőrizzék, hogy a rendszer képes-e az állandó, állandó nyomáskülönbséget fenntartani a reaktoron keresztül. a reaktorba beágyazott hőelemek és a FlowSyn chip fűtőlapba ágyazott hőelemek között. Ezt úgy érik el, hogy a főzőlap programozható hőmérsékletét 100 és 150 °C között változtatják 25 °C-os lépésekben, és feljegyzik a programozott és rögzített hőmérsékletek közötti különbségeket. Ezt egy tc-08 szoftverrel érték el.
A fenil-acetilén és a jód-etán cikloaddíciós reakciókörülményeit optimalizáltuk (1. séma – Fenil-acetilén és jód-etán cikloaddíciója, 1. séma – Fenil-acetilén és jód-etán cikloaddíciója). Ezt az optimalizálást kísérletek teljes faktorális tervezésével (DOE) hajtottuk végre, változó hőmérsékleti és tartózkodási idővel (DOE) a tartózkodási idő függvényében. 1:2.
Nátrium-azidból (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), jód-etánból (0,25 M, DMF) és fenil-acetilénből (0,125 M, DMF) külön oldatokat állítottunk elő. Mindegyik oldat 1,5 ml-es aliquot részét összekevertük és átszivattyúztuk a reaktoron a kívánt áramlási sebességgel és a triacetén-hőmérsékleten. nagy teljesítményű folyadékkromatográfiával (HPLC) határozzuk meg.Az analízis következetessége érdekében minden reakcióból mintát vettünk közvetlenül azután, hogy a reakcióelegy elhagyta a reaktort.Az optimalizáláshoz kiválasztott paraméter-tartományokat a 2. táblázat tartalmazza.
Minden mintát Chromaster HPLC rendszerrel (VWR, PA, USA) elemeztünk, amely egy kvaterner szivattyúból, oszlopkemencéből, változtatható hullámhosszú UV-detektorból és automatikus mintavevőből állt. Az oszlop egy Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA), 4,6 × 100 mm méretű, 5 µm-es részecskeméret 40 °C. ol:víz 1,5 ml/perc áramlási sebességgel. Az injektált térfogat 5 µl, a detektor hullámhossza 254 nm. A DOE minta csúcsterületének %-át csak a maradék alkin- és triazoltermékek csúcsterületeiből számítottuk ki. A kiindulási anyag befecskendezése lehetővé teszi a releváns csúcsok azonosítását.
A reaktoranalízis kimenetének összekapcsolása a MODDE DOE szoftverrel (Umetrics, Malmö, Svédország) lehetővé tette az eredmények trendjeinek alapos elemzését és az optimális reakciókörülmények meghatározását ehhez a cikloaddícióhoz. A beépített optimalizáló futtatása és az összes fontos modellfeltétel kiválasztása olyan reakciókörülményeket eredményez, amelyek célja a termék csúcsterületének maximalizálása, miközben csökkenti az acetilén csúcsterületét.
A felületi réz oxidációját a katalitikus reakciókamrában hidrogén-peroxid (36%-os) oldatával végezték, amely a reakciókamrán keresztül áramlott (áramlási sebesség = 0,4 ml/min, tartózkodási idő = 2,5 perc) az egyes triazolvegyület-könyvtárak szintézise előtt.
Miután azonosították az optimális feltételeket, azokat egy sor acetilén- és halogén-alkán-származékra alkalmazták, hogy lehetővé tegyék egy kis könyvtár szintézisének összeállítását, ezáltal lehetővé téve, hogy ezeket a feltételeket a potenciális reagensek szélesebb körére alkalmazzuk (1. ábra).2.
Készítsen külön oldatot nátrium-azidból (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), halogén-alkánokból (0,25 M, DMF) és alkinekből (0,125 M, DMF). Mindegyik oldat 3 ml-es aliquotjait összekeverjük, és 75 µl.perc-1 sebességgel átszivattyúzzuk a reaktoron, majd az összes 15 ml térfogatú vízzel hígítjuk. A mintaoldatot 3x10 ml vízzel mostuk. A vizes fázisokat egyesítettük, és 10 ml etil-acetáttal extraháltuk;a szerves rétegeket egyesítettük, 3 x 10 ml sóoldattal mostuk, MgS04 felett szárítottuk és szűrtük, majd az oldószert vákuumban eltávolítottuk. A mintákat szilikagélen oszlopkromatográfiásan tisztítottuk, etil-acetátot használva, mielőtt HPLC,1H NMR,13C NMR és nagyfelbontású tömegspektrometria (HR-MS spektrometria) kombinációjával analizáltuk.
Az összes spektrumot Thermofischer precíziós Orbitrap felbontású tömegspektrométerrel vettük fel, ionizációs forrásként ESI-vel. Minden mintát acetonitril oldószerrel készítettünk.
A vékonyréteg-kromatográfiás analízist alumínium hátlapú szilícium-dioxid lemezeken végeztük. A lemezeket UV fénnyel (254 nm) vagy vanillin festéssel és melegítéssel tettük láthatóvá.
Az összes mintát VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, Egyesült Királyság) rendszerrel elemeztük, amely automatikus mintavevővel, oszlopkemencében bináris szivattyúval és egyetlen hullámhosszú detektorral van felszerelve. Az alkalmazott oszlop egy ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies, Scotland Technologies Ltd.) volt.
Az injekciókat (5 µL) közvetlenül a hígított nyers reakcióelegyből (1:10 hígítás) adtuk, és víz:metanol (50:50 vagy 70:30) eleggyel analizáltuk, kivéve néhány mintát a 70:30 oldószerrendszerrel (csillagszámmal jelölve), 1,5 ml/perc áramlási sebességgel. Az oszlopot 4 vagy 2 °C hullámhosszon tartottuk.
A minta %-os csúcsterületét a maradék alkin csúcsterületéből számítottuk, csak a triazol termék, és a kiindulási anyag injektálása tette lehetővé a releváns csúcsok azonosítását.
Minden mintát Thermo iCAP 6000 ICP-OES-sel elemeztünk. Minden kalibrációs standardot 1000 ppm Cu standardoldattal készítettünk 2%-os salétromsavban (SPEX Certi Prep). Minden standard 5%-os DMF és 2%-os HNO3 oldatban készült, és minden mintát DMF-NO3-szorosra hígítottunk.
Az UAM ultrahangos fémhegesztést alkalmaz a végső összeállításhoz használt fémfólia anyagának ragasztási technikájaként. Az ultrahangos fémhegesztés egy vibráló fémszerszámot (úgynevezett kürtöt vagy ultrahangos kürtöt) használ, hogy nyomást gyakoroljon a fóliarétegre/korábban megszilárdított rétegre, amelyet össze kell kötni, miközben az anyagot vibrálják. Folyamatos működéshez a szonotróda nyomása a tekercs felületén és az anyag felett. vibrációt alkalmaznak, az anyag felületén lévő oxidok megrepedhetnek. A folyamatos nyomás és vibráció az anyag asperitásait okozhatja.a felületi energia változásán keresztül is segítheti a tapadást
Az UAM másik kedvező tényezője a fémes anyagokban még alacsony hőmérsékleten, azaz jóval a fémes anyagok olvadáspontja alatti nagyfokú képlékeny áramlás. Az ultrahangos oszcilláció és nyomás kombinációja nagymértékű lokális szemcsehatár-vándorlást és átkristályosodást indukál anélkül, hogy az ömlesztett anyagokkal hagyományosan nagy hőmérséklet-növekedést okozna. A fémréteg felépítése során a fémrétegek végső összeszerelése és az összeillesztés révén létrejöhet a folyamat. Az olyan elemeket, mint a 49 optikai szálak, a 46 erősítések, az 50 elektronika és a hőelemek (ez a munka) mind sikeresen beágyazták az UAM szerkezetekbe, hogy aktív és passzív kompozit összeállításokat hozzanak létre.
Ebben a munkában az UAM különböző anyagkötési és interkalációs lehetőségeit egyaránt felhasználták a végső katalitikus hőmérséklet-figyelő mikroreaktor létrehozásához.
A palládiummal (Pd) és más általánosan használt fémkatalizátorokkal összehasonlítva a réz-katalízisnek számos előnye van: (i) Gazdaságilag a réz olcsóbb, mint sok más katalízisben használt fém, ezért vonzó lehetőség a vegyipari feldolgozóipar számára. (ii) A réz-katalizált keresztkapcsolási reakciók köre egyre növekszik, és úgy tűnik, hogy némileg kiegészítik a Cu-katalizátorral kiegészített módszereket2,5- jól működnek más ligandumok hiányában is. Ezek a ligandumok szerkezetileg gyakran egyszerűek és kívánság szerint olcsók, míg a Pd-kémiában használtak gyakran összetettek, drágák és levegőérzékenyek számos nukleofil arilezése Ullmann-típusú reakciókban.
Mindezen reakciók heterogenizálására a közelmúltban példákat mutattak be Cu(0) jelenlétében. Ez nagyrészt a gyógyszeriparnak köszönhető, valamint a fémkatalizátorok kinyerésére és újrafelhasználására irányuló növekvő figyelemnek55,56.
Az 1,3-dipoláris cikloaddíciós reakciót acetilén és azid 1,2,3-triazollá alakította ki Huisgen az 1960-as években57, szinergetikus demonstrációs reakciónak tekintik. Az így létrejövő 1,2,3-triazol-részek különösen érdekesek farmakofórként a gyógyszerkutatások területén és különféle biológiai ágensek felhasználása miatt5.
Ez a reakció ismét a hangsúlyba került, amikor a Sharpless és mások bevezették a „kattintás kémia” fogalmát. 59. A „kattintási kémia” kifejezést egy robusztus, megbízható és szelektív reakciókészlet leírására használják az új vegyületek és a kombinatorikus könyvtárak gyors szintézisére a Heteroatom összekapcsoláson keresztül (CXC).
A klasszikus Huisgen 1,3-dipólus cikloaddíció nem tartozik a „kattintásos kémia” kategóriájába. A Medal és Sharpless azonban kimutatta, hogy ez az azid-alkin kapcsolási esemény 107-108-on megy keresztül Cu(I) jelenlétében a nem katalizált 1,3-dipoláris mechanizmushoz képest. Ez a mechanizmus nem igényel jelentős reakciósebességet. 1,4-diszubsztituált 1,2,3-triazolokká (anti-1,2,3-triazol) közel teljes átalakulást és szelektivitást eredményez egy időskálán (3. ábra).
Hagyományos és rézkatalizált Huisgen cikloaddíciók izometrikus eredményei. A Cu(I)-katalizált Huisgen cikloaddíciók csak 1,4-diszubsztituált 1,2,3-triazolokat eredményeznek, míg a termikusan indukált Huisgen cikloaddíciók jellemzően 1,4- és 1,1-triazolok 1,1-triazolok keverékét eredményezik.
A legtöbb protokoll a stabil Cu(II)-források csökkentését foglalja magában, például a CuSO4 redukálását vagy a Cu(II)/Cu(0)-fajták nátriumsókkal való együttes kombinációját. Más fémkatalizált reakciókhoz képest a Cu(I) használatának az a fő előnye, hogy olcsó és könnyen kezelhető.
Worrell és munkatársai kinetikai és izotópos jelölési vizsgálatai.65 kimutatta, hogy a terminális alkinek esetében két ekvivalens réz vesz részt az egyes molekulák aziddal szembeni reaktivitásának aktiválásában. A javasolt mechanizmus egy hattagú réz fémgyűrűn keresztül megy végbe, amely azid és σ-kötésű réz-acetilid és π-kötésű réz-acetilid koordinációjával jön létre, majd π-kötésű réz gyűrűvel képződik stabil donor kopper ligandumként. triazol termékeket, és zárja be a katalitikus ciklust.
Noha az áramlási kémiai eszközök előnyei jól dokumentáltak, az volt a vágy, hogy analitikai eszközöket integráljanak ezekbe a rendszerekbe az in-line, in situ, folyamatfelügyelethez66,67. Az UAM megfelelő módszernek bizonyult katalitikusan aktív, hővezető anyagokból (közvetlenül beágyazott érzékelőkkel4) készült, rendkívül összetett 3D áramlási reaktorok tervezésére és gyártására.
Ultrahangos adalékanyaggyártással (UAM) gyártott alumínium-réz áramlási reaktor összetett belső csatornaszerkezettel, beágyazott hőelemekkel és katalitikus reakciókamrával. A belső folyadékpályák megjelenítéséhez egy sztereolitográfia segítségével készült átlátszó prototípus is látható.
Annak biztosítására, hogy a reaktorokat a jövőbeni szerves reakciókhoz gyártsák, az oldószereket biztonságosan forráspont fölé kell melegíteni;nyomást és hőmérsékletet tesztelnek. A nyomáspróba azt mutatta, hogy a rendszer stabil és állandó nyomást tart fenn megnövekedett rendszernyomás (1,7 MPa) mellett is. A hidrosztatikai vizsgálatot szobahőmérsékleten, H2O-val végeztük.
A beágyazott (1. ábra) hőelem csatlakoztatása a hőmérsékleti adatgyűjtőhöz azt mutatta, hogy a hőelem 6 °C-kal (± 1 °C-kal) hidegebb volt, mint a FlowSyn rendszer programozott hőmérséklete. Jellemzően 10 °C-os hőmérséklet-emelkedés a reakciósebesség megduplázódását eredményezi, így a mindössze néhány fokos hőmérséklet-különbség az egész testhőmérséklet-különbség miatt jelentősen megváltoztathatja a reakciósebességet. a gyártási folyamatban felhasznált anyagok vitális képessége.Ez a hőeltolódás konzisztens, és ezért figyelembe vehető a berendezés beállításánál, hogy biztosítva legyen a pontos hőmérséklet elérése és mérése a reakció során.Ezért ez az online megfigyelőeszköz lehetővé teszi a reakcióhőmérséklet szigorú szabályozását, valamint megkönnyíti a folyamatok pontosabb optimalizálását és az optimális feltételek kialakítását.Ezek az érzékelők a reakció exotermeinek azonosítására és a nagy léptékű rendszerek elszabadult reakcióinak megelőzésére is használhatók.
Az ebben a munkában bemutatott reaktor az első példa az UAM technológia alkalmazására kémiai reaktorok gyártásában, és számos, jelenleg az ilyen eszközök AM/3D nyomtatásával kapcsolatos fő korlátozással foglalkozik, mint például: (i) a réz- vagy alumíniumötvözet feldolgozásával kapcsolatos jelentett problémák leküzdése (ii) jobb belső csatornafelbontás a porágyas fúziós (PBF) anyagokhoz képest, mint pl. (iii) Csökkentett feldolgozási hőmérséklet, amely megkönnyíti az érzékelők közvetlen csatlakoztatását, ami a porágyas technológiában nem lehetséges, (v) legyőzi a polimer alapú komponensek rossz mechanikai tulajdonságait és érzékenységét számos általános szerves oldószerrel szemben17,19.
A reaktor működőképességét rézkatalizált alkin-azid cikloaddíciós reakciók sorozatával demonstrálták folyamatos áramlási körülmények között (2. ábra). A 4. ábrán bemutatott ultrahanggal nyomtatott rézreaktort egy kereskedelmi áramlási rendszerrel integrálták, és különféle 1,4-diszubsztituált 1,2-halogén-halogenidek és alkil-halogenidek jelenlétében hőmérséklet-szabályzó reakcióban lévő azidok szintetizálására használták. nátrium-klorid (3. ábra). A folyamatos áramlású megközelítés csökkenti a szakaszos folyamatok során felmerülő biztonsági aggályokat, mivel ez a reakció rendkívül reakcióképes és veszélyes azid köztitermékeket eredményez [317], [318]. Kezdetben a reakciót fenil-acetilén és jód-acetilén-pén-ciklo-acetilén-cikloaddícióra optimalizálták. (lásd 5. ábra).
(Fent balra) A 3DP reaktor áramlási rendszerbe való beépítéséhez használt elrendezés vázlata (jobbra fent), amelyet a Huisgen cikloaddíciós 57 séma optimalizált (lent) sémájában kaptunk fenil-acetilén és jód-etán között az optimalizáláshoz és az optimalizált paraméterek reakciókonverziós sebességének bemutatásához.
A reagensek tartózkodási idejének a reaktor katalitikus részében történő szabályozásával és a reakcióhőmérséklet szoros követésével egy közvetlenül integrált hőelemes szondával a reakciókörülmények gyorsan és pontosan optimalizálhatók minimális idő- és anyagfelhasználással. Gyorsan megállapították, hogy a legnagyobb konverziót 15 perces tartózkodási idő és 150 °C reakcióhőmérséklet esetén értük el. .A beépített optimalizáló futtatása ezekkel a kiválasztott kifejezésekkel olyan reakciókörülményeket generál, amelyek célja a termék csúcsterületeinek maximalizálása, miközben csökkenti a kiindulási anyag csúcsterületeit. Ez az optimalizálás a triazoltermék 53%-os konverzióját eredményezte, ami szorosan megfelel a modell 54%-os előrejelzésének.
A szakirodalmi adatok alapján, amelyek szerint a réz(I)-oxid (Cu2O) hatékony katalizátorként tud működni zéró vegyértékű rézfelületeken ezekben a reakciókban, megvizsgáltuk a reaktor felületének előoxidációs képességét az áramlási reakció végrehajtása előtt70,71. A fenil-acetilén és a jód-etán közötti reakciót összehasonlítva ezzel az optimális hozamnövekedéssel ismét a jód-etán. a kiindulási anyag átalakulásában, amely a számítások szerint >99%. A HPLC-vel végzett monitorozás azonban azt mutatta, hogy ez az átalakulás jelentősen lecsökkentette a túlságosan elhúzódó reakcióidőt, körülbelül 90 percig, ami után az aktivitás kiegyenlítődni látszott, és eléri az „egyensúlyi állapotot”. Ez a megfigyelés azt sugallja, hogy a katalitikus aktivitás forrása a felületi rézoxid oxidált réz-oxid formája, és nem a réz-2 szobahőmérsékleten könnyen oxidálható réz-oxid. amelyek nem önvédő rétegek.Ezáltal szükségtelenné válik a társkompozícióhoz segédréz(II)-forrás hozzáadása71.