Þakka þér fyrir að heimsækja Nature.com. Vafraútgáfan sem þú notar styður CSS takmarkað. Til að fá sem bestu upplifun mælum við með að þú notir uppfærðan vafra (eða slökkvir á samhæfingarstillingu í Internet Explorer). Á meðan, til að tryggja áframhaldandi stuðning, munum við birta síðuna án stíla og JavaScript.
Aukefnisframleiðsla er að breyta því hvernig vísindamenn og iðnfræðingar hanna og framleiða efnatæki til að mæta sérþörfum þeirra. Í þessari vinnu greinum við frá fyrsta dæminu um flæðishvarfefni sem er myndað með lagskiptingu á föstu formi málmplötum með ómskoðunaraukefnisframleiðslu (UAM) með beint samþættum hvatahlutum og skynjunarþáttum. UAM-tæknin yfirstígur ekki aðeins margar af þeim takmörkunum sem nú tengjast aukefnisframleiðslu efnahvarfa, heldur eykur hún einnig verulega getu slíkra tækja. Röð líffræðilega mikilvægra 1,4-tvískiptra 1,2,3-tríasólsambanda var með góðum árangri mynduð og fínstillt með Cu-miðlaðri Huisgen 1,3-tvípólar hringviðbótarviðbrögðum með því að nota UAM efnafræðilega uppsetningu. Með því að nýta einstaka eiginleika UAM og samfelldrar flæðisvinnslu er tækið fær um að hvata áframhaldandi viðbrögð og veita einnig rauntíma endurgjöf fyrir eftirlit og fínstillingu viðbragða.
Vegna mikilla yfirburða fram yfir hefðbundna flæðiefnafræði er hún mikilvægt og vaxandi svið, bæði í fræðasamfélaginu og iðnaðinum, vegna getu hennar til að auka sértækni og skilvirkni efnasmíða. Þetta nær frá myndun einfaldrar lífrænnar sameinda1 til lyfjasambanda2,3 og náttúruafurða4,5,6. Meira en 50% af efnahvörfum í fínefna- og lyfjaiðnaði geta notið góðs af notkun samfelldrar flæðisvinnslu7.
Á undanförnum árum hefur vaxandi tilhneiging verið til þess að hópar vilji skipta út hefðbundnum glervörum eða flæðiefnafræðibúnaði fyrir sérsniðin „hvarfsílát“ fyrir aukefnaframleiðslu (AM)8. Endurtekin hönnun, hröð framleiðsla og þrívíddargeta (3D) þessara aðferða eru gagnleg fyrir þá sem vilja aðlaga tæki sín að tilteknum viðbrögðum, tækjum eða skilyrðum. Hingað til hefur þetta verk nær eingöngu beinst að notkun þrívíddarprentunartækni sem byggir á fjölliðum eins og stereólitografíu (SL)9,10,11, samrunadreifingarlíkön (FDM)8,12,13,14 og bleksprautuprentun7, 15, 16. Skortur á traustleika og getu slíkra tækja til að framkvæma fjölbreytt úrval efnahvarfa/greininga17, 18, 19, 20 er mikilvægur takmarkandi þáttur fyrir víðtækari innleiðingu AM á þessu sviði17, 18, 19, 20.
Vegna aukinnar notkunar á flæðiefnafræði og hagstæðra eiginleika sem tengjast AM, er þörf á að kanna flóknari aðferðir sem gera notendum kleift að framleiða flæðisviðbragðsílát með auknum efna- og greiningargetu. Þessar aðferðir ættu að gera notendum kleift að velja úr úrvali af mjög sterkum eða hagnýtum efnum sem geta tekist á við fjölbreytt viðbragðsskilyrði, en jafnframt auðvelda ýmsar greiningarútgáfur úr tækinu til að gera kleift að fylgjast með og stjórna viðbrögðum.
Ein viðbótarframleiðsluaðferð sem hefur möguleika á að þróa sérsniðna efnahvörf er ómskoðunarframleiðsla (UAM). Þessi aðferð við lagskiptingu á föstu formi notar ómskoðunarsveiflur á þunnar málmþynnur til að sameina þær lag fyrir lag með lágmarks upphitun í magni og mikilli plastflæði 21, 22, 23. Ólíkt flestum öðrum AM-tækni er hægt að samþætta UAM beint við frádráttarframleiðslu, þekkt sem blendingsframleiðsluferli, þar sem reglubundin tölvustýrð (CNC) fræsun eða leysigeislun á staðnum skilgreinir nettóform lags af bundnu efni 24, 25. Þetta þýðir að notandinn er ekki takmarkaður af vandamálunum sem tengjast því að fjarlægja leifar af hráefni úr litlum vökvarásum, sem er oft raunin með duft- og fljótandi AM-kerfum 26,27,28. Þetta hönnunarfrelsi nær einnig til efnisvals sem er í boði - UAM getur bundið hitafræðilega svipaðar og ólíkar efnissamsetningar í einu ferlisþrepi. Val á efnissamsetningum umfram bræðsluferlið þýðir að hægt er að uppfylla betur vélrænar og efnafræðilegar kröfur tiltekinna nota. Auk fastra tenginga er annað fyrirbæri sem kemur upp... Við ómskoðunarlímingu er mikil flæði plastefna við tiltölulega lágt hitastig29,30,31,32,33. Þessi einstaki eiginleiki UAM getur auðveldað innfellingu vélrænna/varmaþátta milli málmlaga án þess að skemma. Innbyggðir UAM skynjarar geta auðveldað afhendingu rauntímaupplýsinga frá tækinu til notandans með samþættri greiningu.
Fyrri verk höfundanna32 sýndu fram á getu UAM-ferlisins til að búa til þrívíddar örvökvabyggingar úr málmi með samþættum skynjunarmöguleikum. Þetta er eingöngu tæki til eftirlits. Þessi grein kynnir fyrsta dæmið um örvökvaefnahvarf sem UAM hefur framleitt; virkt tæki sem ekki aðeins fylgist með heldur einnig örvar efnasmíði með byggingarlega samþættum hvataefnum. Tækið sameinar nokkra kosti sem tengjast UAM-tækni í framleiðslu þrívíddarefnatækja, svo sem: getu til að umbreyta fullum þrívíddarhönnunum beint úr tölvustýrðum hönnunarlíkönum (CAD) í vörur; fjölefnaframleiðsla til að sameina mikla varmaleiðni og hvataefni; og innfellingu varmaskynjara beint á milli hvarfefnastrauma fyrir nákvæma eftirlit og stjórnun á hvarfhita. Til að sýna fram á virkni hvarfefnisins var safn af lyfjafræðilega mikilvægum 1,4-tvískiptum 1,2,3-tríasól efnasamböndum myndað með kopar-hvötuðum Huisgen 1,3-tvípólar hringviðbót. Þessi vinna varpar ljósi á hvernig notkun efnisfræði og tölvustýrðrar hönnunar getur opnað ný tækifæri og möguleika fyrir efnafræði í gegnum fjölgreinarannsóknir.
Öll leysiefni og hvarfefni voru keypt frá Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI eða Fischer Scientific og voru notuð án undangenginnar hreinsunar. 1H og 13C NMR litróf skráð við 400 MHz og 100 MHz, talið í sömu röð, voru fengin með JEOL ECS-400 400 MHz litrófsmæli eða Bruker Avance II 400 MHz litrófsmæli og CDCl3 eða (CD3)2SO3 sem leysiefni. Öll efnahvörf voru framkvæmd með Uniqsis FlowSyn flæðiefnafræðipallinum.
UAM var notað til að framleiða öll tækin í þessari rannsókn. Tæknin var fundin upp árið 1999 og tæknilegar upplýsingar hennar, rekstrarbreytur og þróun frá uppfinningu hennar má skoða með eftirfarandi birtum gögnum34,35,36,37. Tækið (Mynd 1) var útfært með því að nota afar öflugt, 9kW SonicLayer 4000® UAM kerfi (Fabrisonic, OH, Bandaríkin). Efnin sem valin voru til framleiðslu á flæðitækinu voru Cu-110 og Al 6061. Cu-110 hefur hátt koparinnihald (lágmark 99,9% kopar), sem gerir það að góðum frambjóðanda fyrir kopar-hvataðar efnahvarfa og er því notað sem „virkt lag“ í örhvarfefni. Al 6061O er notað sem „lausu“ efni, einnig innfellingarlag notað til greiningar; innfelling hjálparefna úr málmblöndu og glóðað ástand ásamt Cu-110 lagi. Al 6061O er efni sem hefur reynst mjög samhæft við UAM ferli38, 39, 40, 41 og hefur verið prófað og reynst efnafræðilega stöðugt með hvarfefnunum sem notuð voru í þessari vinnu. Samsetning Al 6061O og Cu-110 er einnig talin samhæf efnissamsetning fyrir UAM og er því hentugt efni fyrir þessa rannsókn. 38,42 Þessi tæki eru talin upp í töflu 1 hér að neðan.
Smíðastig hvarfefnis (1) Al 6061 undirlag (2) Smíði neðri rásar sem fest er við koparþynnu (3) Innfelling hitaeininga milli laga (4) Efri rás (5) Inntak og úttak (6) Einhleypur hvarfefni.
Hönnunarheimspeki vökvaleiðarinnar er að nota flókna leið til að auka vegalengdina sem vökvinn ferðast innan örgjörvans, en um leið halda flögunni í viðráðanlegri stærð. Þessi aukning á vegalengd er æskileg til að auka víxlverkunartíma hvata/hvarfefnis og veita framúrskarandi afurðaafköst. Örgjörvarnir nota 90° beygjur í endum beinnar leiðar til að valda ókyrrð í blöndun innan tækisins44 og auka snertitíma vökvans við yfirborðið (hvata). Til að auka enn frekar þá blöndun sem hægt er að ná fram, er hönnun hvarfefnisins með tveimur hvarfefnisinntökum sem eru sameinaðar við Y-gatið áður en þær fara inn í snákablöndunarhlutann. Þriðja inntakið, sem sker strauminn á miðri leið í gegnum dvöl hans, er innifalið í hönnun framtíðar fjölþrepa hvarfmyndunar.
Allar rásir eru með ferkantað snið (engin drægnihorn), sem er afleiðing reglubundinnar CNC-fræsingar sem notaður er til að búa til rásarformið. Stærð rásanna er valin til að tryggja hátt (fyrir örhvarfefni) rúmmál, en samt nógu lítið til að auðvelda yfirborðsvíxlverkanir (hvata) fyrir flesta vökva sem eru í þeim. Viðeigandi stærð byggist á fyrri reynslu höfundanna af málm-vökvatækjum fyrir viðbrögðin. Innri stærð loka rásarinnar var 750 µm x 750 µm og heildarrúmmál hvarfefnisins var 1 ml. Innbyggt tengi (1/4″—28 UNF þráður) er innifalið í hönnuninni til að leyfa einfalda tengingu tækisins við viðskiptaflæðisefnafræðibúnað. Stærð rásarinnar er takmörkuð af þykkt filmuefnisins, vélrænum eiginleikum þess og tengibreytum sem notaðir eru með ómskoðun. Við ákveðna breidd fyrir tiltekið efni mun efnið „sigga“ inn í myndaða rásina. Það er engin sérstök líkan fyrir þessa útreikninga sem stendur, þannig að hámarksbreidd rásarinnar fyrir tiltekið efni og hönnun er ákvörðuð tilraunakennt; Í þessu tilfelli mun 750 μm breidd ekki valda sigi.
Lögun (ferningur) rásarinnar er ákvörðuð með því að nota ferkantaðan skera. Hægt er að breyta lögun og stærð rásanna með CNC-vélum sem nota mismunandi skurðarverkfæri til að fá mismunandi rennslishraða og eiginleika. Dæmi um að búa til sveigða rás með 125 μm verkfæri er að finna í verki Monaghan45. Þegar filmulagið er sett á sléttan hátt mun filmulagið yfir rásirnar hafa flata (ferkantaða) áferð. Í þessu verki, til að viðhalda samhverfu rásarinnar, var notað ferkantað útlínur.
Meðan á fyrirfram forritaðri framleiðsluhlé stendur eru hitamælir (tegund K) settir beint inn í tækið á milli efri og neðri rásahópanna (Mynd 1 - Stig 3). Þessir hitamælir geta fylgst með hitabreytingum frá −200 til 1350 °C.
Málmútfellingarferlið er framkvæmt með UAM-horni sem notar 25,4 mm breiða og 150 míkron þykka málmþynnu. Þessi þynnulög eru tengd saman í röð af aðliggjandi ræmum til að þekja allt smíðasvæðið; stærð efnisins sem er sett niður er stærri en lokaafurðin þar sem frádráttarferlið framleiðir loka nettóformið. CNC-vinnsla er notuð til að vinna ytri og innri útlínur búnaðarins, sem leiðir til yfirborðsáferðar búnaðarins og rásanna sem jafngildir völdum verkfæri og CNC-ferlisbreytum (u.þ.b. 1,6 μm Ra í þessu dæmi). Stöðugar, samfelldar ómskoðunar- og vinnslulotur fyrir efni eru notaðar í öllu framleiðsluferlinu til að tryggja að víddarnákvæmni sé viðhaldið og að fullunninn hlutinn uppfylli nákvæmniskröfur CNC-frágangsfræsingar. Rásarbreiddin sem notuð er fyrir þetta tæki er nógu lítil til að tryggja að þynnuefnið „siggi“ ekki niður í vökvarásina, þannig að rásin heldur ferköntuðum þversniði. Möguleg eyður í þynnuefni og UAM-ferlisbreytur voru ákvarðaðar tilraunakennt af framleiðsluaðila (Fabrisonic LLC, Bandaríkjunum).
Rannsóknir hafa sýnt að lítil dreifing frumefna á sér stað við tengifleti UAM 46, 47 án viðbótar hitameðferðar, þannig að fyrir tækin í þessari vinnu helst Cu-110 lagið aðgreint frá Al 6061 laginu og breytist skyndilega.
Setjið upp forstilltan 250 psi (1724 kPa) bakþrýstingsstilli (BPR) við úttak hvarfefnisins og dælið vatni í gegnum hvarfefnið á hraða sem er 0,1 til 1 ml á mínútu. Þrýstingurinn í hvarfefninu var fylgst með með innbyggðum FlowSyn kerfisþrýstingsskynjara til að staðfesta að kerfið gæti viðhaldið stöðugum, stöðugum þrýstingi. Mögulegir hitastigshalla yfir flæðishvarfefnið voru prófaðir með því að greina allan mun á hitaeiningunum sem eru innbyggðir í hvarfefnið og þeim sem eru innbyggðir í FlowSyn flísarhitaplötuna. Þetta er gert með því að breyta forritanlegum hitaplötuhita á milli 100 og 150 °C í 25 °C þrepum og taka eftir öllum mismun á forrituðu og skráðu hitastigi. Þetta var gert með því að nota tc-08 gagnaskráningartæki (PicoTech, Cambridge, Bretlandi) og meðfylgjandi PicoLog hugbúnaði.
Skilyrði fyrir sýklóviðbótarviðbrögðum fenýlasetýlens og joðóetans voru fínstillt (Skýringarmynd 1 - Sýklóviðbót fenýlasetýlens og joðóetans). Skýringarmynd 1 - Sýklóviðbót fenýlasetýlens og joðóetans). Þessi fínstilling var framkvæmd með aðferð sem byggir á heildarþáttahönnun tilrauna (DOE), þar sem hitastig og dvalartími voru notaðir sem breytur, en hlutfallið alkín:asíð var fastsett á 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 hvorri lausn var blandaður saman og dæltur í gegnum hvarfefnið við tilætlaðan rennslishraða og hitastig. Líkansvörunin var tekin sem hlutfall hámarksflatarmáls tríasólafurðar og fenýlasetýlens upphafsefnis og ákvörðuð með háafköstavökvaskiljun (HPLC). Til að tryggja samræmi í greiningunni voru öll efnahvörf tekin sýni af strax eftir að efnahvarfið fór úr hvarfefninu. Breytusviðin sem valin voru til bestun eru sýnd í töflu 2.
Öll sýni voru greind með Chromaster HPLC kerfi (VWR, PA, Bandaríkjunum) sem samanstóð af fjórgildri dælu, súluofni, útfjólubláum skynjara með breytilegri bylgjulengd og sjálfvirkum sýnatökubúnaði. Súlan var af gerðinni Equivalence 5 C18 (VWR, PA, Bandaríkjunum), 4,6 × 100 mm að stærð, 5 µm agnastærð, haldið við 40°C. Leysirinn var ísókratískt 50:50 metanól:vatn við rennslishraða 1,5 ml.mín-1. Inndælingarrúmmálið var 5 µL og bylgjulengd skynjarans var 254 nm. % tindaflatarmál DOE sýnisins var reiknað út frá tindaflatarmáli leifar af alkíni og tríasól afurðum eingöngu. Inndæling upphafsefnisins gerir kleift að bera kennsl á viðeigandi tinda.
Með því að tengja úttak greiningarinnar á hvarfefninu við MODDE DOE hugbúnaðinn (Umetrics, Malmö, Svíþjóð) var hægt að greina þróun niðurstaðna ítarlega og ákvarða bestu hvarfskilyrði fyrir þessa hringviðbót. Með því að keyra innbyggða fínstillinguna og velja öll mikilvæg líkanliði fæst sett af hvarfskilyrðum sem eru hönnuð til að hámarka flatarmál topps afurðarinnar en minnka flatarmál topps fyrir upphafsefni asetýlens.
Oxun yfirborðskopars innan hvataviðbragðsklefans var framkvæmd með því að nota lausn af vetnisperoxíði (36%) sem streymdi í gegnum viðbragðsklefann (rennslishraði = 0,4 ml á mínútu, dvalartími = 2,5 mínútur) áður en hvert tríasólefnasambandssafn var myndað.
Þegar bestu skilyrðin höfðu verið skilgreind voru þau notuð á fjölbreytt asetýlen- og halóalkanafleiður til að gera kleift að safna saman litlu bókasafni af myndun og þar með koma á fót möguleikum á að beita þessum skilyrðum á fjölbreyttari hvarfefni (Mynd 1).2).
Útbúið aðskildar lausnir af natríumazíði (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), halóalkönum (0,25 M, DMF) og alkýnum (0,125 M, DMF). 3 ml skammtar af hvorri lausn voru blandaðir saman og dælt í gegnum hvarfefnið við 75 µL.mín-1 og 150°C. Heildarrúmmálið var safnað í hettuglas og þynnt með 10 ml af etýlasetati. Sýnislausnin var þvegin með 3 × 10 ml af vatni. Vatnslögin voru sameinuð og dregin út með 10 ml af etýlasetati; lífrænu lögin voru síðan sameinuð, þvegin með 3 x 10 ml af saltvatni, þurrkuð yfir MgSO4 og síuð, síðan var leysirinn fjarlægður í lofttæmi. Sýnin voru hreinsuð með súluskiljun á kísilgeli með etýlasetati áður en þau voru greind með blöndu af HPLC, 1H NMR, 13C NMR og háskerpumassagreiningu (HR-MS).
Öll litróf voru tekin með Thermofischer nákvæmnis Orbitrap upplausnarmassagreini með ESI sem jónunargjafa. Öll sýni voru útbúin með asetónítríli sem leysi.
TLC greining var framkvæmd á kísilplötum með álbakgrunni. Plöturnar voru sýndar með útfjólubláu ljósi (254 nm) eða vanillínlitun og upphitun.
Öll sýni voru greind með VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, Bretlandi) kerfi sem er útbúið með sjálfvirkum sýnatökubúnaði, tvíundardælu fyrir súluofn og skynjara af einni bylgjulengd. Súlan sem notuð var var ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Skotlandi).
Inndælingar (5 µL) voru gerðar beint úr þynntri hráblöndu (1:10 þynning) og greindar með vatni:metanóli (50:50 eða 70:30), nema fyrir sum sýni sem notuðu 70:30 leysiefnakerfið (táknað sem stjörnutala) við rennslishraða 1,5 ml/mín. Súlan var geymd við 40°C. Bylgjulengd skynjarans er 254 nm.
% tindflatarmál sýnisins var reiknað út frá tindflatarmáli leifar alkínsins, aðeins tríasólafurðarinnar, og innspýting upphafsefnisins gerði kleift að bera kennsl á viðeigandi tinda.
Öll sýni voru greind með Thermo iCAP 6000 ICP-OES. Allir kvörðunarstaðlar voru útbúnir með 1000 ppm Cu staðlaðri lausn í 2% saltpéturssýru (SPEX Certi Prep). Allir staðlar voru útbúnir í 5% DMF og 2% HNO3 lausn og öll sýni voru þynnt 20-falt í DMF-HNO3 lausninni.
UAM notar ómsuðu með málmi sem límingutækni fyrir málmþynnuefnið sem notað er til að smíða lokasamsetninguna. Ómsuðu með málmi notar titrandi málmtól (kallað horn eða ómshorn) til að beita þrýstingi á þynnulagið/áður samþjappað lag sem á að binda saman á meðan efnið titrar. Fyrir samfellda notkun er sónótróðin sívalningslaga og rúllar yfir yfirborð efnisins og bindur allt svæðið saman. Þegar þrýstingur og titringur er beitt geta oxíð á yfirborði efnisins sprungið. Áframhaldandi þrýstingur og titringur getur valdið því að ójöfnur efnisins falla saman 36. Náin snerting við staðbundinn hita og þrýsting leiðir síðan til fastefnalíminga á efnisviðmótum; það getur einnig hjálpað til við viðloðun með breytingum á yfirborðsorku 48. Eðli límingakerfisins sigrast á mörgum af þeim vandamálum sem tengjast breytilegu bræðslumarki og eftirköstum við háan hita sem nefnd eru í öðrum aðferðum við aukefnisframleiðslu. Þetta gerir kleift að binda beint (þ.e. án yfirborðsbreytinga, fylliefna eða líma) margra laga af mismunandi efnum í eina samþjappaða uppbyggingu.
Annar hagstæður þáttur fyrir UAM er mikil plastflæði sem sést í málmefnum, jafnvel við lágt hitastig, þ.e. vel undir bræðslumarki málmefna. Samsetning ómskoðunarsveiflna og þrýstings veldur mikilli staðbundinni kornamörkaflutningi og endurkristöllun án þess að hitahækkunin sé mikil sem hefðbundið er tengd við lausu efni. Við smíði lokasamsetningarinnar er hægt að nýta þetta fyrirbæri til að fella virka og óvirka íhluti inn á milli laga af málmþynnu, lag fyrir lag. Þættir eins og ljósleiðarar 49, styrkingar 46, rafeindabúnaður 50 og hitaeiningar (þetta verk) hafa allir verið felld inn í UAM-mannvirki til að búa til virkar og óvirkar samsetningar.
Í þessari vinnu hafa bæði mismunandi efnisbindingar og innlimunarmöguleikar UAM verið notaðir til að búa til fullkomna örhvarfefni fyrir hvatahitamælingar.
Í samanburði við palladíum (Pd) og aðra algengt notaða málmhvata hefur Cu-hvötun nokkra kosti: (i) Efnahagslega er Cu ódýrara en margir aðrir málmar sem notaðir eru í hvötun og er því aðlaðandi kostur fyrir efnaiðnaðinn (ii) Úrval Cu-hvataðra krosstengingarviðbragða er að aukast og virðist vera nokkuð viðbót við Pd-byggðar aðferðir51,52,53 (iii) Cu-hvötuð viðbrögð virka vel í fjarveru annarra bindla. Þessir bindlar eru oft byggingarlega einfaldir og ódýrir ef þess er óskað, en þeir sem notaðir eru í Pd-efnafræði eru oft flóknir, dýrir og loftnæmir. (iv) Cu, sérstaklega þekktur fyrir getu sína til að binda alkýn í myndun. Til dæmis tvímálmhvatað Sonogashira-tenging og hringviðbót með azíðum (smellefnafræði). (v) Cu getur einnig stuðlað að arýleringu nokkurra núkleófíla í Ullmann-gerð viðbrögðum.
Dæmi um ólíkmyndun allra þessara efnahvarfa hafa nýlega verið sýnd fram á í viðurvist Cu(0). Þetta er að miklu leyti vegna lyfjaiðnaðarins og vaxandi áherslu á endurheimt og endurnotkun málmhvata55,56.
Huisgen var brautryðjandi í 1960-áratugnum57 og 1,3-tvípólar hringviðbótarviðbrögðin milli asetýlens og asíðs við 1,2,3-tríasól eru talin samverkandi sýniviðbrögð. 1,2,3 tríasól einingarnar sem myndast eru sérstaklega áhugaverðar sem lyfjafræðilegar upplýsingar á sviði lyfjaþróunar vegna líffræðilegra nota þeirra og notkunar í ýmsum meðferðarefnum58.
Þessi viðbrögð komu aftur í sviðsljósið þegar Sharpless og fleiri kynntu hugtakið „smellefnafræði“59. Hugtakið „smellefnafræði“ er notað til að lýsa öflugu, áreiðanlegu og sértæku safni viðbragða fyrir hraða myndun nýrra efnasambanda og samsettra bókasafna með heteróatómtengingu (CXC)60 Tilbúningsáhrif þessara viðbragða stafa af mikilli afrakstri, einföldum viðbragðsskilyrðum, súrefnis- og vatnsþoli og einföldum afurðaaðskilnaði61.
Klassíska 1,3-tvípól hringviðbótin samkvæmt Huisgen tilheyrir ekki flokknum „smellefnafræði“. Hins vegar sýndu Medal og Sharpless fram á að þessi azíð-alkín tenging gengst undir 107 til 108 í viðurvist Cu(I) samanborið við óhvataða 1,3-tvípól hringviðbótina 62,63 sem leiðir til marktækrar hraðahækkunar. Þessi bætti hvarfaðferð krefst ekki verndarhópa eða erfiðra hvarfskilyrða og gefur nærri fullkomna umbreytingu og sértækni í 1,4-tvískipt 1,2,3-tríasól (and-1,2,3-tríasól) á tímakvarða (Mynd 3).
Ísómetrískar niðurstöður hefðbundinna og kopar-hvataðra Huisgen hringviðbóta. Cu(I)-hvataðar Huisgen hringviðbótir gefa aðeins 1,4-tvískipt 1,2,3-tríasól, en hitauppörvaðar Huisgen hringviðbótir gefa venjulega 1,4- og 1,5-tríasól 1:1 blöndu af stereóísómerum af azólum.
Flestar aðferðir fela í sér afoxun á stöðugum Cu(II) uppsprettum, svo sem afoxun á CuSO4 eða Cu(II)/Cu(0) efnum í samtengingu við natríumsölt. Í samanburði við önnur málmhvatað efnahvörf hefur notkun Cu(I) þann helsta kost að vera ódýr og auðveld í meðförum.
Rannsóknir á hvarfhraða og samsætumerkingum eftir Worrell o.fl. 65 sýndu að í tilviki endaalkýna taka tvö jafngildi af kopar þátt í að virkja hvarfgirni hverrar sameindar gagnvart asíði. Tillögugerðin fer fram í gegnum sexliða koparmálmhring sem myndast við samhæfingu asíðs við σ-tengt koparasetýlíð með π-bundnu kopar sem stöðugum gjafabindi. Afleiður af tríasólýlkopar myndast við hringrýrnun, fylgt eftir af róteindaniðurbroti til að mynda tríasólafurðir og loka hvataferlinu.
Þótt ávinningur af flæðiefnafræðitækjum sé vel skjalfestur hefur verið löngun til að samþætta greiningartól í þessi kerfi til að fylgjast með ferlum á staðnum66,67. Einangruð flæðiefnafræðitækja (UAM) reyndist vera hentug aðferð til að hanna og framleiða mjög flókna þrívíddarflæðishvarfa úr hvatavirkum, varmaleiðandi efnum með beint innbyggðum skynjaraeiningum (Mynd 4).
Ál-kopar flæðihvarfefni framleitt með ómskoðunaraukefnisframleiðslu (UAM) með flókinni innri rásarbyggingu, innbyggðum hitaeiningum og hvataviðbragðsklefa. Til að sjá fyrir sér innri vökvaleiðir er einnig sýnd gegnsæ frumgerð sem smíðuð er með stereolithografíu.
Til að tryggja að hvarfarnir séu framleiddir fyrir framtíðar lífrænar efnahvarfa þarf að hita leysiefni á öruggan hátt yfir suðumark; þau eru þrýsti- og hitaprófuð. Þrýstiprófunin sýndi að kerfið viðheldur stöðugum og stöðugum þrýstingi jafnvel við aukinn kerfisþrýsting (1,7 MPa). Vatnsstöðugleikaprófunin var framkvæmd við stofuhita með H2O sem vökva.
Tenging innbyggða hitaeiningarinnar (mynd 1) við hitamælinn sýndi að hitaeiningin var 6 °C (± 1 °C) lægri en forritað hitastig í FlowSyn kerfinu. Venjulega leiðir 10 °C hækkun á hitastigi til tvöföldunar á viðbragðshraða, þannig að aðeins nokkurra gráða munur á hitastigi getur breytt viðbragðshraðanum verulega. Þessi munur stafar af hitastigstapi um allan hvarfefnið vegna mikillar varmadreifingar efnanna sem notuð eru í framleiðsluferlinu. Þessi hitadreifing er stöðug og því er hægt að taka tillit til hennar við uppsetningu búnaðarins til að tryggja að nákvæmt hitastig náist og sé mælt meðan á viðbrögðum stendur. Þess vegna auðveldar þetta neteftirlitstæki nákvæma stjórnun á viðbragðshita og auðveldar nákvæmari hagræðingu ferlisins og þróun bestu aðstæðna. Þessa skynjara er einnig hægt að nota til að bera kennsl á úthitaðar viðbrögð og koma í veg fyrir óstöðug viðbrögð í stórum kerfum.
Hvarfefnið sem kynnt er í þessari vinnu er fyrsta dæmið um notkun UAM-tækni við framleiðslu efnahvarfa og tekur á nokkrum helstu takmörkunum sem tengjast nú AM/3D prentun þessara tækja, svo sem: (i) að sigrast á tilkynntum vandamálum sem tengjast vinnslu kopar- eða álblöndu (ii) bættri innri rásaupplausn samanborið við duftbeðsbræðslutækni (PBF) eins og sértæka leysibræðslu (SLM)25,69 Lélegt efnisflæði og hrjúft yfirborð26 (iii) Lægra vinnsluhitastig, sem auðveldar beina tengingu skynjara, sem er ekki mögulegt í duftbeðstækni, (v) að sigrast á lélegum vélrænum eiginleikum og næmi íhluta sem byggja á fjölliðum fyrir ýmsum algengum lífrænum leysum17,19.
Virkni hvarfefnisins var sýnd fram á með röð koparhvataðra alkínasíð hringviðbótarviðbragða við samfellda flæðisskilyrði (Mynd 2). Ómskoðunarprentaða koparhvarfefnið, sem er lýst á mynd 4, var samþætt við hefðbundið flæðiskerfi og notað til að mynda bókasafnsazíð af ýmsum 1,4-tvískiptum 1,2,3-tríasólum með hitastýrðri viðbrögðum asetýlens og alkýlhópahalíða í viðurvist natríumklóríðs (Mynd 3). Notkun samfelldrar flæðisaðferðar dregur úr öryggisáhyggjum sem geta komið upp í lotuferlum, þar sem þessi viðbrögð framleiða mjög hvarfgjörn og hættuleg azíð milliefni [317], [318]. Upphaflega var viðbrögðin fínstillt fyrir hringviðbót fenýlasetýlens og joðóetans (Skýringarmynd 1 - Hringviðbót fenýlasetýlens og joðóetans) (sjá mynd 5).
(Efst til vinstri) Skýringarmynd af uppsetningunni sem notuð var til að fella 3DP hvarfefnið inn í flæðiskerfið (efst til hægri) sem fékkst í fínstilltu (neðst) kerfi Huisgen hringviðbótar 57 kerfisins milli fenýlasetýlens og joðetans til fínstillingar og sýnir fínstilltu breyturnar fyrir umbreytingarhraða hvarfsins.
Með því að stjórna dvalartíma hvarfefnanna í hvatahluta hvarfefnisins og fylgjast náið með hvarfhitanum með beint samþættum hitamæli er hægt að hámarka hvarfskilyrðin fljótt og nákvæmlega með lágmarks tíma- og efnisnotkun. Fljótt kom í ljós að hæstu umbreytingarnar fengust þegar dvalartími var 15 mínútur og hvarfhitinn 150°C. Af stuðulariti MODDE hugbúnaðarins má sjá að bæði dvalartími og hvarfhitinn eru talin mikilvæg líkanliðir. Keyrsla innbyggða fínstillingarinnar með þessum völdum liðum býr til safn hvarfskilyrða sem eru hönnuð til að hámarka flatarmál toppa afurðarinnar en draga úr flatarmáli toppa upphafsefnisins. Þessi fínstilling skilaði 53% umbreytingu tríasólafurðarinnar, sem samsvaraði vel spá líkansins um 54%.
Byggt á heimildum sem sýna að kopar(I)oxíð (Cu2O) getur virkað sem áhrifarík hvataefni á núllgildum koparyfirborðum í þessum viðbrögðum, var hæfni til að foroxa yfirborð hvarfefnisins áður en viðbrögðin voru framkvæmd í flæði rannsökuð70,71. Viðbrögðin milli fenýlasetýlens og joðóetans voru síðan framkvæmd aftur við bestu aðstæður og afraksturinn borinn saman. Það kom í ljós að þessi undirbúningur leiddi til verulegrar aukningar á umbreytingu upphafsefnisins, sem var reiknuð út sem >99%. Hins vegar sýndi eftirlit með HPLC að þessi umbreyting stytti verulega óhóflega langan viðbragðstímann þar til um það bil 90 mínútur, þar sem virknin virtist jafnast út og ná „stöðugu ástandi“. Þessi athugun bendir til þess að uppspretta hvatavirkni sé fengin frá koparoxíði yfirborðsins frekar en núllgilda koparundirlaginu. Cu málmur oxast auðveldlega við stofuhita til að mynda CuO og Cu2O sem eru ekki sjálfverndandi lög. Þetta útilokar þörfina á að bæta við auka kopar(II) uppsprettu fyrir samblöndun71.