Þakka þér fyrir að heimsækja Nature.com.Vafraútgáfan sem þú notar hefur takmarkaðan CSS stuðning.Til að fá bestu upplifunina mælum við með því að þú notir uppfærðan vafra (eða slökkva á eindrægnistillingu í Internet Explorer).Í millitíðinni, til að tryggja áframhaldandi stuðning, munum við gera síðuna án stíla og JavaScript.
Hringekja sem sýnir þrjár glærur á sama tíma.Notaðu Fyrri og Næsta hnappana til að fara í gegnum þrjár skyggnur í einu, eða notaðu sleðahnappana í lokin til að fara í gegnum þrjár skyggnur í einu.
Aukaframleiðsla er að breyta því hvernig vísindamenn og iðnaðarmenn hanna og framleiða efnafræðileg tæki til að mæta sérstökum þörfum þeirra.Í þessari grein greinum við frá fyrsta dæminu um flæðisreactor sem myndast með ultrasonic additive manufacturing (UAM) lagskipun á föstu málmplötu með beint samþættum hvarfahlutum og skynjunarþáttum.UAM tæknin sigrar ekki aðeins margar takmarkanir sem nú eru tengdar við aukefnaframleiðslu efnakljúfa, heldur eykur einnig getu slíkra tækja til muna.Fjöldi líffræðilega mikilvægra 1,4-tvísetinna 1,2,3-tríazól efnasambanda hefur tekist að búa til og fínstilla með Cu-miðluðu 1,3 tvískauta Huisgen sýklóaviðbótarhvarfi með því að nota UAM efnafræðiaðstöðuna.Með því að nota einstaka eiginleika UAM og stöðugrar flæðisvinnslu er tækið fær um að hvetja áframhaldandi viðbrögð auk þess að veita rauntíma endurgjöf til að fylgjast með og hámarka viðbrögð.
Vegna umtalsverðra kosta sinna fram yfir magn hliðstæðu, er flæðisefnafræði mikilvægt og vaxandi svið bæði í fræðilegum og iðnaðarumhverfi vegna getu þess til að auka sértækni og skilvirkni efnafræðilegrar myndunar.Þetta nær frá myndun einfaldra lífrænna sameinda1 til lyfjaefnasambanda2,3 og náttúrulegra vara4,5,6.Yfir 50% viðbragða í fínum efna- og lyfjaiðnaði geta notið góðs af stöðugu flæði7.
Á undanförnum árum hefur verið vaxandi tilhneiging hópa sem leitast við að skipta út hefðbundnum glervöru eða flæðiefnafræðilegum búnaði fyrir aðlögunarhæfa efna „reactors“8.Endurtekin hönnun, hröð framleiðsla og þrívídd (3D) hæfileiki þessara aðferða er gagnlegur fyrir þá sem vilja sérsníða tæki sín fyrir tiltekið sett af viðbrögðum, tækjum eða aðstæðum.Hingað til hefur þessi vinna nánast eingöngu einbeitt sér að notkun fjölliða-undirstaða 3D prentunartækni eins og steríólithography (SL)9,10,11, Fused Deposition Modeling (FDM)8,12,13,14 og bleksprautuprentun7,15., 16. Skortur á áreiðanleika og getu slíkra tækja til að framkvæma margs konar efnahvörf/greiningar17, 18, 19, 20 er mikill takmarkandi þáttur fyrir víðtækari notkun AM á þessu sviði17, 18, 19, 20.
Vegna aukinnar notkunar flæðiefnafræði og hagstæðra eiginleika sem tengjast AM, þarf að kanna betri tækni sem gerir notendum kleift að búa til flæðiviðbragðsílát með bættri efnafræði og greiningargetu.Þessar aðferðir ættu að gera notendum kleift að velja úr úrvali af sterkum eða hagnýtum efnum sem geta starfað við margs konar hvarfaðstæður, auk þess að auðvelda ýmiss konar greiningarúttak frá tækinu til að gera eftirlit með og stjórna hvarfinu.
Eitt aukefnisframleiðsluferli sem hægt er að nota til að þróa sérsniðna efnakljúfa er Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM).Þessi aðferð við lagskipting í föstu formi beitir úthljóðs titringi á þunna málmþynnur til að tengja þær saman lag fyrir lag með lágmarkshitun og miklu plastflæði 21, 22, 23. Ólíkt flestum öðrum AM tækni, er hægt að samþætta UAM beint við frádráttarframleiðslu, þekkt sem blendingsframleiðsluferli, þar sem reglubundið in-situ stjórnun lags efnis (CNC númer) leysistýra leysilagsins (CNC tölu) 24, 25. Þetta þýðir að notandinn er ekki takmarkaður við vandamálin sem tengjast því að fjarlægja leifar af upprunalegu byggingarefni úr litlum vökvarásum, sem er oft raunin í duft- og vökvakerfum AM26,27,28.Þetta hönnunarfrelsi nær einnig til vals á tiltækum efnum - UAM getur tengt samsetningar af hitafræðilega svipuðum og ólíkum efnum í einu vinnsluþrepi.Val á efnissamsetningum umfram bræðsluferlið þýðir að hægt er að uppfylla vélrænar og efnafræðilegar kröfur tiltekinna nota betur.Til viðbótar við fasta tengingu er annað fyrirbæri sem á sér stað með ultrasonic tengingu mikil vökvi plastefna við tiltölulega lágt hitastig29,30,31,32,33.Þessi einstaka eiginleiki UAM gerir kleift að setja vélræna/varma þætti á milli málmlaga án þess að skemma.Innbyggðir UAM skynjarar geta auðveldað afhendingu rauntímaupplýsinga frá tækinu til notandans með samþættri greiningu.
Fyrri verk höfunda32 sýndu fram á getu UAM ferlisins til að búa til málmþrívíddar örflæðisbyggingar með innbyggðri skynjunargetu.Þetta tæki er eingöngu ætlað til eftirlits.Þessi grein sýnir fyrsta dæmið um örvökvaefnakljúf sem framleiddur er af UAM, virkt tæki sem ekki aðeins stjórnar heldur einnig framkallar efnamyndun með burðarvirkum samþættum hvataefnum.Tækið sameinar nokkra kosti sem tengjast UAM tækni við framleiðslu á 3D efnatækjum, svo sem: hæfni til að breyta fullkominni 3D hönnun beint úr tölvustýrðri hönnun (CAD) líkani í vöru;margefna tilbúningur fyrir blöndu af mikilli hitaleiðni og hvataefnum, svo og varmaskynjara sem eru felldir beint inn á milli hvarfefnastraumanna fyrir nákvæma stjórn og stjórnun á hvarfhitastigi.Til að sýna fram á virkni hvarfsins var safn af lyfjafræðilega mikilvægum 1,4-tvísetnum 1,2,3-tríasól efnasamböndum myndað með koparhvataðri 1,3 tvískauta Huisgen sýklóablöndu.Þessi vinna undirstrikar hvernig notkun efnisfræði og tölvustýrðrar hönnunar getur opnað nýja möguleika og tækifæri fyrir efnafræði með þverfaglegum rannsóknum.
Öll leysiefni og hvarfefni voru keypt frá Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI eða Fischer Scientific og notuð án undangenginnar hreinsunar.1H og 13C NMR litróf skráð við 400 og 100 MHz, í sömu röð, voru fengin á JEOL ECS-400 400 MHz litrófsmæli eða Bruker Avance II 400 MHz litrófsmæli með CDCl3 eða (CD3)2SO sem leysi.Öll viðbrögð voru framkvæmd með því að nota Uniqsis FlowSyn flæðisefnafræðivettvang.
UAM var notað til að búa til öll tæki í þessari rannsókn.Tæknin var fundin upp árið 1999 og hægt er að rannsaka tæknilegar upplýsingar hennar, rekstrarfæribreytur og þróun síðan uppfinning hennar með því að nota eftirfarandi birt efni34,35,36,37.Tækið (Mynd 1) var útfært með því að nota þungt 9 kW SonicLayer 4000® UAM kerfi (Fabrisonic, Ohio, Bandaríkjunum).Efnin sem voru valin í flæðisbúnaðinn voru Cu-110 og Al 6061. Cu-110 hefur hátt koparinnihald (lágmark 99,9% kopar), sem gerir það að verkum að það hentar vel fyrir koparhvötuð efnahvörf og er því notað sem „virkt lag inni í microreactor.Al 6061 O er notað sem „magn“ efni., sem og innskotslagið sem notað er til greiningar;innlimun á íhlutum hjálparblendis og glæðu ástandi ásamt Cu-110 lagi.reynst vera efnafræðilega stöðugt með hvarfefnum sem notuð eru í þessari vinnu.Al 6061 O ásamt Cu-110 er einnig talið vera samhæft efnissamsetning fyrir UAM og er því hentugt efni í þessa rannsókn38,42.Þessi tæki eru skráð í töflu 1 hér að neðan.
Framleiðsluþrep kjarnaofna (1) 6061 undirlag úr áli (2) Framleiðsla á neðri rás úr koparþynnu (3) Innsetning hitaeininga á milli laga (4) Efri rás (5) Inntak og úttak (6) Einhverfa reactor.
Hugmyndafræði vökvarásarhönnunar er að nota bugðótta leið til að auka vegalengdina sem vökvinn ferðast inni í flísinni en viðhalda viðráðanlegri flísastærð.Þessi aukning á fjarlægð er æskileg til að auka snertitíma hvata og hvarfefna og veita framúrskarandi afrakstur afurða.Flögurnar nota 90° beygjur á endum beinnrar leiðar til að framkalla ókyrrandi blöndun innan tækisins44 og auka snertingartíma vökvans við yfirborðið (hvata).Til að auka enn frekar þá blöndun sem hægt er að ná, felur hönnun hvarfefnisins í sér tvö hvarfefnisinntök sameinuð í Y-tengingu áður en farið er inn í blöndunarspóluhlutann.Þriðji inngangurinn, sem fer yfir rennslið hálfa leið í gegnum búsetu þess, er innifalinn í áætlun fyrir framtíðar fjölþrepa efnahvörf.
Allar rásir eru með ferningasnið (engin mjókkandi horn), sem er afleiðing af reglubundinni CNC mölun sem notuð er til að búa til rúmfræði rásarinnar.Rásmálin eru valin til að veita háa (fyrir örreactor) rúmmálsafrakstur, en samt nógu lítil til að auðvelda samskipti við yfirborðið (hvata) fyrir flesta vökva sem það inniheldur.Viðeigandi stærð er byggð á fyrri reynslu höfunda af málm-vökva hvarfbúnaði.Innri mál lokarásarinnar voru 750 µm x 750 µm og heildarrúmmál reactors var 1 ml.Innbyggt tengi (1/4″-28 UNF þráður) er innifalið í hönnuninni til að auðvelda tengingu tækisins við efnafræðilegan flæðisbúnað í atvinnuskyni.Rásastærð er takmörkuð af þykkt filmuefnisins, vélrænni eiginleika þess og tengibreytur sem notaðar eru við úthljóð.Við ákveðna breidd fyrir tiltekið efni mun efnið „siggja“ í rásina sem búin er til.Sem stendur er ekkert sérstakt líkan fyrir þennan útreikning, þannig að hámarksrásarbreidd fyrir tiltekið efni og hönnun er ákvörðuð með tilraunum, en þá veldur 750 µm breidd ekki sig.
Lögun (ferningur) rásarinnar er ákvörðuð með ferningaskera.Hægt er að breyta lögun og stærð rásanna á CNC vélum með mismunandi skurðarverkfærum til að fá mismunandi flæðishraða og eiginleika.Dæmi um að búa til bogna rás með 125 µm tóli er að finna í Monaghan45.Þegar filmulagið er borið á flatt, mun beiting filmuefnisins á rásirnar hafa flatt (ferningur) yfirborð.Í þessu verki var notað ferhyrnt útlínur til að varðveita samhverfu rásarinnar.
Meðan á forrituðu hléi stendur í framleiðslu eru hitaskynjarar (gerð K) innbyggðir beint í tækið á milli efri og neðri rásahópsins (mynd 1 – þrep 3).Þessar hitaeiningar geta stjórnað hitabreytingum frá -200 til 1350 °C.
Málmútfellingarferlið er framkvæmt af UAM horninu með því að nota málmþynnu 25,4 mm á breidd og 150 míkron á þykkt.Þessi lög af filmu eru tengd í röð af aðliggjandi ræmum til að ná yfir allt byggingarsvæðið;stærð efnisins sem sett er út er stærri en lokaafurðin þar sem frádráttarferlið skapar endanlega hreina lögun.CNC vinnsla er notuð til að vinna ytri og innri útlínur búnaðarins, sem leiðir til yfirborðsáferðar búnaðarins og rásanna sem samsvarar völdum verkfærum og CNC ferlibreytum (í þessu dæmi, um 1,6 µm Ra).Stöðug, samfelld ultrasonic efnisúðun og vinnslulotur eru notaðar í gegnum framleiðsluferli tækisins til að tryggja að víddarnákvæmni sé viðhaldið og fullunnin hlutinn uppfyllir CNC-fín mölunarnákvæmni.Breidd rásarinnar sem notuð er fyrir þetta tæki er nógu lítil til að tryggja að álpappírsefnið „sigji“ ekki í vökvarásinni, þannig að rásin hefur ferningslaga þversnið.Mögulegar eyður í filmuefninu og færibreytur UAM ferlisins voru ákvörðuð með tilraunum af framleiðsluaðilanum (Fabrisonic LLC, Bandaríkjunum).
Rannsóknir hafa sýnt að við tengi 46, 47 í UAM efnasambandinu er lítil dreifing frumefna án viðbótar hitameðhöndlunar, þannig að fyrir tækin í þessari vinnu er Cu-110 lagið áfram frábrugðið Al 6061 lagið og breytist verulega.
Settu upp forkvarðaðan bakþrýstingsjafnara (BPR) við 250 psi (1724 kPa) neðan við kjarnaofninn og dældu vatni í gegnum reactorinn á hraðanum 0,1 til 1 ml mín-1.Fylgst var með kjarnaþrýstingnum með því að nota FlowSyn þrýstimælirinn sem er innbyggður í kerfið til að tryggja að kerfið gæti haldið stöðugum stöðugum þrýstingi.Hugsanlegir hitastigar í reactornum voru prófaðir með því að leita að hvaða mun sem er á milli hitaeinanna sem eru innbyggð í reactorinn og hitaeinanna sem eru innbyggð í hitunarplötu FlowSyn flögunnar.Þetta er náð með því að breyta forrituðu hitastigi hitaplötunnar á milli 100 og 150 °C í 25 °C þrepum og fylgjast með öllum mismun á forrituðu og skráðu hitastigi.Þetta var náð með því að nota tc-08 gagnaskrárbúnaðinn (PicoTech, Cambridge, Bretlandi) og meðfylgjandi PicoLog hugbúnaði.
Skilyrði fyrir sýklóabótarhvarf fenýlasetýlens og joðetans eru fínstillt (Skema 1-Sýklóaviðbót á fenýlasetýleni og joðetani, Skema 1-Sýklasamsetning fenýlasetýlens og joðetans).Þessi hagræðing var framkvæmd með fullri þáttahönnun tilrauna (DOE) nálgun, þar sem hitastig og dvalartími var notaður sem breytur á meðan alkýn:azíð hlutfallið var ákveðið við 1:2.
Aðskildar lausnir af natríumazíði (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), joðetani (0,25 M, DMF) og fenýlasetýleni (0,125 M, DMF) voru útbúnar.1,5 ml skammtur af hverri lausn var blandaður og dælt í gegnum reactor við æskilegan flæðishraða og hitastig.Svörun líkansins var tekin sem hlutfall hámarksflatarmáls tríazólafurðarinnar við upphafsefni fenýlasetýlens og var ákvarðað með hágæða vökvaskiljun (HPLC).Til að greina samkvæmni voru öll hvarf tekin strax eftir að hvarfblandan fór úr reactor.Færusviðin sem valin eru til hagræðingar eru sýnd í töflu 2.
Öll sýni voru greind með Chromaster HPLC kerfi (VWR, PA, USA) sem samanstóð af fjórðungsdælu, súluofni, UV skynjara með breytilegri bylgjulengd og sjálfssýnistæki.Súlan var Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA), 4,6 x 100 mm, 5 µm kornastærð, haldið við 40°C.Leysirinn var ísókratískt metanól:vatn 50:50 við flæðihraða 1,5 ml·mín-1.Inndælingarrúmmál var 5 μl og bylgjulengd skynjara var 254 nm.% hámarksflatarmálið fyrir DOE sýnið var eingöngu reiknað út frá toppsvæðum afgangs alkýns og tríazólafurða.Innleiðing upphafsefnisins gerir það mögulegt að bera kennsl á samsvarandi toppa.
Með því að sameina niðurstöður reactorgreiningarinnar við MODDE DOE hugbúnaðinn (Umetrics, Malmö, Svíþjóð) var hægt að gera ítarlega leitnigreiningu á niðurstöðunum og ákvarða bestu hvarfskilyrði fyrir þessa hringrásarviðbót.Með því að keyra innbyggða fínstillinguna og velja öll mikilvæg líkanskilmála skapast mengi viðbragðsskilyrða sem eru hönnuð til að hámarka hámarksflatarmál vörunnar á sama tíma og toppsvæðið fyrir asetýlen hráefnið minnkar.
Oxun á koparyfirborðinu í hvarfahvarfahólfinu var náð með því að nota vetnisperoxíðlausn (36%) sem flæddi í gegnum hvarfhólfið (rennslishraði = 0,4 ml mín-1, dvalartími = 2,5 mín) fyrir myndun hvers tríasólefnasambands.bókasafn.
Þegar ákjósanlegur hópur skilyrða hafði verið ákvörðuð, voru þau beitt á úrval af asetýlen- og halóalkanafleiðum til að gera söfnun á litlu myndunarsafni, þannig að möguleiki var á að beita þessum skilyrðum fyrir fjölbreyttari möguleg hvarfefni (mynd 1).2).
Útbúið aðskildar lausnir af natríumazíði (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), halóalkanum (0,25 M, DMF) og alkýnum (0,125 M, DMF).Skammtum af 3 ml af hverri lausn var blandað saman og dælt í gegnum reactor með hraðanum 75 µl/mín og hitastigið 150°C.Öllu rúmmálinu var safnað í hettuglas og þynnt með 10 ml af etýlasetati.Sýnislausnin var þvegin með 3 x 10 ml af vatni.Vatnslögin voru sameinuð og dregin út með 10 ml af etýlasetati, síðan voru lífrænu lögin sameinuð, þvegin með 3x10 ml saltvatni, þurrkuð yfir MgS04 og síuð, síðan var leysirinn fjarlægður í lofttæmi.Sýni voru hreinsuð með kísilgelsúluskiljun með því að nota etýlasetat fyrir greiningu með blöndu af HPLC, 1H NMR, 13C NMR og háupplausnarmassagreiningu (HR-MS).
Öll litróf voru fengin með því að nota Thermofischer Precision Orbitrap massarófsmæli með ESI sem jónunargjafa.Öll sýni voru útbúin með asetónítríl sem leysi.
TLC greining var framkvæmd á kísilplötum með áli.Plöturnar voru sýndar með UV ljósi (254 nm) eða vanillínlitun og upphitun.
Öll sýnin voru greind með því að nota VWR Chromaster kerfi (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, Bretlandi) búið sjálfvirka sýnatökutæki, tvíundardælu með súluofni og einni bylgjulengdarskynjara.Notuð var ACE Equivalence 5 C18 súla (150 x 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Skotlandi).
Inndælingar (5 µl) voru gerðar beint úr þynntu hráu hvarfblöndunni (1:10 þynning) og greind með vatni:metanóli (50:50 eða 70:30), nema fyrir sum sýni með 70:30 leysikerfi (táknað sem stjörnunúmer ) við flæðihraða 1,5 ml/mín.Súlan var geymd við 40°C.Bylgjulengd skynjarans er 254 nm.
% toppflatarmál sýnisins var reiknað út frá toppflatarmáli afgangs alkýnsins, eingöngu tríasólafurðarinnar, og innleiðing upphafsefnisins gerði það mögulegt að bera kennsl á samsvarandi toppa.
Öll sýni voru greind með Thermo iCAP 6000 ICP-OES.Allir kvörðunarstaðlar voru útbúnir með því að nota 1000 ppm Cu staðallausn í 2% saltpéturssýru (SPEX Certi Prep).Allir staðlar voru útbúnir í lausn af 5% DMF og 2% HNO3 og öll sýni voru þynnt 20 sinnum með sýnislausn af DMF-HNO3.
UAM notar ultrasonic málmsuðu sem aðferð til að sameina málmþynnuna sem notuð er til að búa til lokasamsetninguna.Ultrasonic málmsuðu notar titrandi málmverkfæri (kallað horn eða ultrasonic horn) til að beita þrýstingi á filmuna / áður sameinað lag sem á að tengja / áður sameina með því að titra efnið.Fyrir stöðuga notkun hefur sonotrode sívalningslaga lögun og rúllar yfir yfirborð efnisins og límir allt svæðið.Þegar þrýstingur og titringur er beitt geta oxíð á yfirborði efnisins sprungið.Stöðugur þrýstingur og titringur getur leitt til eyðileggingar á grófleika efnisins 36 .Náin snerting við staðbundinn hita og þrýsting leiðir síðan til fastfasatengingar við efnisskilin;það getur einnig stuðlað að samheldni með því að breyta yfirborðsorku48.Eðli tengibúnaðarins sigrar mörg vandamálin sem tengjast breytilegu bræðsluhitastigi og háhitaáhrifum sem nefnd eru í annarri aukefnaframleiðslutækni.Þetta gerir beina tengingu (þ.e. án yfirborðsbreytinga, fylliefna eða lím) nokkurra laga af mismunandi efnum í eina sameinaða uppbyggingu.
Annar hagstæður þátturinn fyrir CAM er hið mikla plastflæði sem sést í málmefnum jafnvel við lágt hitastig, þ.e. langt undir bræðslumarki málmefna.Sambland af úthljóðs titringi og þrýstingi veldur mikilli staðbundnum kornmörkum flæði og endurkristöllun án verulegrar hitahækkunar sem venjulega tengist lausu efni.Við gerð lokasamsetningar er hægt að nota þetta fyrirbæri til að fella virka og óvirka íhluti inn á milli laga af málmþynnu, lag fyrir lag.Þættir eins og ljósleiðarar 49, styrking 46, rafeindatækni 50 og hitaeiningar (þetta verk) hafa verið samþættir í UAM mannvirki til að búa til virkar og óvirkar samsettar samsetningar.
Í þessari vinnu voru bæði mismunandi efnisbindingarmöguleikar og UAM-fléttunarhæfileikar notaðir til að búa til kjörinn örreactor fyrir hvarfahitastýringu.
Í samanburði við palladíum (Pd) og aðra almennt notaða málmhvata, hefur Cu hvata nokkra kosti: (i) Efnahagslega er Cu ódýrari en margir aðrir málmar sem notaðir eru í hvata og er því aðlaðandi valkostur fyrir efnaiðnaðinn (ii) úrval Cu-hvataðra krosstengingahvarfa er að stækka og virðist vera P2,513 aðferðir til að bæta við P2,513) hvötuð viðbrögð virka vel í fjarveru annarra bindla.Þessir bindlar eru oft byggingarlega einfaldir og ódýrir.ef þess er óskað, en þær sem notaðar eru í Pd efnafræði eru oft flóknar, dýrar og loftnæmar (iv) Cu, sérstaklega þekktar fyrir hæfni sína til að tengja alkýna við myndun, svo sem tvímálmhvataða tengingu Sonogashira og sýklóaviðbót við azíð (smellaefnafræði) (v) Cu getur einnig stuðlað að kjarnafælingu sumra kjarnafílunarhvarfa.
Nýlega hefur verið sýnt fram á dæmi um misskiptingu allra þessara viðbragða í nærveru Cu(0).Þetta er að miklu leyti vegna lyfjaiðnaðarins og vaxandi áherslu á endurheimt og endurnýtingu málmhvata55,56.
1,3-tvískauta sýklóaviðbótarhvarfið milli asetýlens og azíðs við 1,2,3-tríazól, sem Huisgen lagði fyrst fram á sjöunda áratugnum57, er talið vera samverkandi sýnisviðbrögð.1,2,3 tríazól bútarnir sem myndast eru sérstaklega áhugaverðir sem lyfjahugsun við uppgötvun lyfja vegna líffræðilegrar notkunar þeirra og notkunar í ýmsum meðferðarefnum 58 .
Þessi viðbrögð fengu endurnýjaða athygli þegar Sharpless og fleiri kynntu hugtakið „smellaefnafræði“59.Hugtakið „smellaefnafræði“ er notað til að lýsa öflugu og sértæku mengi viðbragða fyrir hraða myndun nýrra efnasambanda og samsettra bókasöfna með því að nota heteroatomic bonding (CXC)60.Tilbúið aðdráttarafl þessara viðbragða er vegna mikillar ávöxtunar sem tengist þeim.aðstæður eru einfaldar, viðnám gegn súrefni og vatni og aðskilnaður afurða er einfaldur61.
Klassíska 1,3-tvípóla Huisgen cycloaddition fellur ekki í "smellaefnafræði" flokkinn.Hins vegar, Medal og Sharpless sýndu fram á að þessi azíð-alkýn tengingartilvik gangast undir 107–108 í viðurvist Cu(I) samanborið við verulega hröðun á hraða óhvata 1,3 tvískauta sýklóaaukningar 62,63.Þetta háþróaða hvarfkerfi krefst ekki verndarhópa eða erfiðra hvarfskilyrða og veitir næstum fullkomna umbreytingu og sértækni yfir í 1,4-tvískipt 1,2,3-tríasól (and-1,2,3-tríasól) með tímanum (mynd 3).
Isómetrískar niðurstöður hefðbundinna og koparhvataðra Huisgen-sýklaviðbótar.Cu(I)-hvataðar Huisgen sýklóaviðbætur gefa aðeins 1,4-tvísetnar 1,2,3-tríazól, en hitaframkallaðar Huisgen sýklóaviðbætur gefa venjulega 1,4- og 1,5-tríazól 1:1 blöndu af asól stereóísómerum.
Flestar samskiptareglur fela í sér minnkun á stöðugum uppsprettum Cu(II), svo sem minnkun CuSO4 eða Cu(II)/Cu(0) efnasambandsins ásamt natríumsöltum.Í samanburði við önnur málmhvötuð efnahvörf hefur notkun Cu(I) helstu kosti þess að vera ódýr og auðveld í meðförum.
Hreyfi- og samsæturannsóknir Worrell o.fl.65 hafa sýnt að þegar um endanlega alkýna er að ræða, taka tvö jafngildi kopar þátt í að virkja hvarfgirni hverrar sameindar með tilliti til azíðs.Fyrirhugað kerfi gengur í gegnum sex hluta koparmálmhring sem myndast við samhæfingu azids við σ-tengt koparasetýlíð með π-tengdum kopar sem stöðugan gjafabindil.Kopartríasólýlafleiður myndast vegna hringsamdráttar sem fylgt er eftir með niðurbroti róteinda til að mynda tríazólafurðir og loka hvarfahringnum.
Þó að kostir flæðiefnafræðitækja séu vel skjalfestir, hefur verið vilji til að samþætta greiningartæki í þessi kerfi til að fylgjast með ferli í rauntíma á staðnum66,67.UAM hefur reynst hentug aðferð til að hanna og framleiða mjög flókna 3D flæðisofna úr hvatavirkum, varmaleiðandi efnum með beint innfelldum skynjunarþáttum (mynd 4).
Ál-kopar flæði reactor framleiddur með ultrasonic additive manufacturing (UAM) með flókinni innri rás uppbyggingu, innbyggðum hitaeiningum og hvarfahólf.Til að sjá innri vökvabrautir er einnig sýnd gagnsæ frumgerð sem gerð er með stereólitógrafíu.
Til að tryggja að reactors séu gerðir fyrir lífræn viðbrögð í framtíðinni, verður að hita leysiefni á öruggan hátt yfir suðumark þeirra;þau eru þrýsti- og hitaprófuð.Þrýstiprófunin sýndi að kerfið heldur stöðugum og stöðugum þrýstingi jafnvel við hækkaðan þrýsting í kerfinu (1,7 MPa).Vatnsstöðuprófanir voru gerðar við stofuhita með því að nota H2O sem vökva.
Að tengja innbyggða (Mynd 1) hitastigið við hitastigsgagnaskrárinn sýndi að hitastigið var 6 °C (± 1 °C) undir forritað hitastigi í FlowSyn kerfinu.Venjulega tvöfaldar 10°C hækkun á hitastigi hvarfhraða, þannig að hitamunur upp á örfáar gráður getur breytt hvarfhraðanum verulega.Þessi munur stafar af hitatapi í gegnum RPV vegna mikillar hitauppstreymis efna sem notuð eru í framleiðsluferlinu.Þetta varmadrif er stöðugt og því er hægt að taka tillit til þess þegar búnaðurinn er settur upp til að tryggja að nákvæmt hitastig sé náð og mælt meðan á hvarfinu stendur.Þannig auðveldar þetta vöktunartæki á netinu nákvæma stjórn á hvarfhitastigi og stuðlar að nákvæmari hagræðingu ferlisins og þróun bestu aðstæðna.Þessa skynjara er einnig hægt að nota til að greina útverma viðbrögð og koma í veg fyrir flóttaviðbrögð í stórum kerfum.
Kjarnaofninn sem kynntur er í þessari grein er fyrsta dæmið um beitingu UAM tækni við framleiðslu á efnakljúfum og tekur á nokkrum helstu takmörkunum sem nú eru tengdar AM/3D prentun þessara tækja, svo sem: (i) Að sigrast á þekktum vandamálum í tengslum við vinnslu á kopar eða álblöndu (ii) bætt innri rásupplausn samanborið við duftbeðsbræðsluefni eins og PBM25 yfirborðsbræðslu (PBM25) texture26 (iii) lægra vinnsluhitastig, sem auðveldar beina tengingu skynjara, sem er ekki mögulegt í duftbeðtækni, (v) að vinna bug á lélegum vélrænni eiginleikum og næmi fjölliða-undirstaða íhluta fyrir ýmsum algengum lífrænum leysum17,19.
Sýnt var fram á virkni reactorsins með röð koparhvataðra alkínazíðsýklóaukningarviðbragða við samfellt flæðisskilyrði (mynd 2).Úthljóðsprentað koparofninn sem sýndur er á mynd.4 var samþætt við verslunarflæðiskerfi og notað til að búa til asíðsafn ýmissa 1,4-tvísetinna 1,2,3-tríazóla með því að nota hitastýrða hvarf asetýlen og alkýl hóphalíða í viðurvist natríumklóríðs (mynd 3).Notkun samfelldu flæðisaðferðarinnar dregur úr öryggisvandamálum sem geta komið upp í lotuferli, þar sem þetta hvarf framleiðir mjög hvarfgjarnt og hættulegt azíð milliefni [317], [318].Upphaflega var hvarfið fínstillt fyrir sýklóablöndun fenýlasetýlens og joðetans (Skema 1 - Cyclloaddition fenýlasetýlens og joðetans) (sjá mynd 5).
(Efri til vinstri) Skýringarmynd af uppsetningunni sem notuð er til að fella 3DP reactor inn í flæðiskerfi (efri hægra megin) sem fæst úr bjartsýni (neðra) kerfi Huisgen 57 sýklasamsetningarkerfisins á milli fenýlasetýlens og joðetans til hagræðingar og sýnir hagræðingu umbreytingarhraða breytur hvarfsins.
Með því að stjórna dvalartíma hvarfefnanna í hvarfahluta reactorsins og fylgjast vandlega með hvarfhitastigi með beinum samþættum hitaeiningaskynjara, er hægt að fínstilla hvarfskilyrði fljótt og nákvæmlega með lágmarks tíma og efni.Það kom fljótt í ljós að mesta umbreytingin náðist með 15 mínútna dvalartíma og 150°C hvarfhita.Það má sjá af stuðlaplotti MODDE hugbúnaðarins að bæði dvalartími og hvarfhitastig eru talin mikilvæg skilyrði líkansins.Með því að keyra innbyggða fínstillinguna með þessum völdum skilyrðum skapast mengi hvarfskilyrða sem eru hönnuð til að hámarka toppsvæði vörunnar á sama tíma og upphafsefni toppsvæðisins minnkar.Þessi hagræðing skilaði 53% umbreytingu á tríazól vörunni, sem samsvaraði nákvæmlega spá líkansins um 54%.