Catalisi e analisi complementari all'interno di un reattore microfluidico metallico per la produzione additiva a stato solido

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La produzione additiva sta cambiando il modo in cui ricercatori e industriali progettano e producono dispositivi chimici per soddisfare le loro esigenze specifiche. In questo lavoro, riportiamo il primo esempio di un reattore a flusso formato dalla tecnica di laminazione di lamiere allo stato solido Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM) con parti catalitiche ed elementi sensori integrati direttamente. La tecnologia UAM non solo supera molte delle limitazioni attualmente associate alla produzione additiva di reattori chimici, ma aumenta anche significativamente le capacità di tali dispositivi. I composti 3-triazolici sono stati sintetizzati e ottimizzati con successo da una reazione di cicloaddizione 1,3-dipolare di Huisgen mediata da Cu utilizzando una configurazione chimica UAM.
Grazie ai suoi significativi vantaggi rispetto alla sua controparte di massa, la chimica del flusso è un campo importante e in crescita sia in ambito accademico che industriale grazie alla sua capacità di aumentare la selettività e l'efficienza della sintesi chimica. Ciò si estende dalla semplice formazione di molecole organiche1 ai composti farmaceutici2,3 e ai prodotti naturali4,5,6.Oltre il 50% delle reazioni nell'industria della chimica fine e farmaceutica può trarre vantaggio dall'uso dell'elaborazione a flusso continuo7.
Negli ultimi anni, c'è stata una tendenza crescente dei gruppi che cercano di sostituire la vetreria tradizionale o le apparecchiature per la chimica a flusso con "recipienti di reazione" chimici di produzione additiva personalizzabili (AM). d deposition modeling (FDM)8,12,13,14 e stampa a getto d'inchiostro7, 15, 16. La mancanza di robustezza e capacità di tali dispositivi di eseguire un'ampia gamma di reazioni/analisi chimiche17, 18, 19, 20 è un importante fattore limitante per una più ampia implementazione dell'AM in questo campo17, 18, 19, 20.
A causa del crescente utilizzo della chimica del flusso e delle proprietà favorevoli associate all'AM, è necessario esplorare tecniche più avanzate che consentano agli utenti di fabbricare recipienti di reazione del flusso con capacità chimiche e analitiche avanzate. Queste tecniche dovrebbero consentire agli utenti di scegliere tra una gamma di materiali altamente robusti o funzionali in grado di gestire un'ampia gamma di condizioni di reazione, facilitando al contempo varie forme di output analitico dal dispositivo per consentire il monitoraggio e il controllo della reazione.
Un processo di produzione additiva che ha il potenziale per sviluppare reattori chimici personalizzati è l'Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM). Questa tecnica di laminazione di lastre a stato solido applica oscillazioni ultrasoniche a sottili lamine metalliche per unirle strato dopo strato con un riscaldamento minimo e un elevato grado di flusso di plastica. La lavorazione a macchina definisce la forma netta di uno strato di materiale legato 24, 25. Ciò significa che l'utente non è limitato dai problemi associati alla rimozione del materiale di costruzione grezzo residuo da piccoli canali del fluido, come spesso accade con i sistemi AM a polvere e liquidi 26, 27, 28. all'incollaggio allo stato solido, un altro fenomeno riscontrato durante l'incollaggio a ultrasuoni è l'elevato flusso di materiali plastici a temperature relativamente basse29,30,31,32,33. Questa caratteristica unica di UAM può facilitare l'incorporamento di elementi meccanici/termici tra strati metallici senza danni. I sensori incorporati UAM possono facilitare la consegna di informazioni in tempo reale dal dispositivo all'utente attraverso l'analisi integrata.
Il lavoro passato degli autori32 ha dimostrato la capacità del processo UAM di creare strutture microfluidiche metalliche 3D con capacità di rilevamento integrate. Questo è un dispositivo di solo monitoraggio. Questo documento presenta il primo esempio di un reattore chimico microfluidico fabbricato da UAM;un dispositivo attivo che non solo monitora ma induce anche la sintesi chimica attraverso materiali catalizzatori strutturalmente integrati. Il dispositivo combina diversi vantaggi associati alla tecnologia UAM nella produzione di dispositivi chimici 3D, come ad esempio: la capacità di convertire progetti 3D completi direttamente da modelli di progettazione assistita da computer (CAD) in prodotti;fabbricazione multi-materiale per combinare alta conducibilità termica e materiali catalitici;e l'incorporamento di sensori termici direttamente tra i flussi di reagenti per il monitoraggio e il controllo precisi della temperatura di reazione.
Tutti i solventi e i reagenti sono stati acquistati da Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI o Fischer Scientific e sono stati utilizzati senza previa purificazione. Gli spettri NMR 1H e 13C registrati a 400 MHz e 100 MHz, rispettivamente, sono stati ottenuti utilizzando uno spettrometro JEOL ECS-400 400 MHz o uno spettrometro Bruker Avance II 400 MHz e CDCl3 o (CD3) 2SO come solvente. Tutte le reazioni sono state eseguite utilizzando Uniqsis Piattaforma di chimica a flusso FlowSyn.
UAM è stato utilizzato per fabbricare tutti i dispositivi in ​​questo studio. La tecnologia è stata inventata nel 1999 e i suoi dettagli tecnici, i parametri operativi e gli sviluppi dalla sua invenzione possono essere studiati attraverso i seguenti materiali pubblicati34,35,36,37. 61.Cu-110 ha un alto contenuto di rame (minimo 99,9% di rame), che lo rende un buon candidato per le reazioni catalizzate dal rame, ed è quindi utilizzato come “strato attivo all'interno di un microreattore.Al 6061 O viene utilizzato come materiale "sfuso", anche strato di inclusione utilizzato per l'analisi;Incorporamento di componenti ausiliari in lega e stato ricotto combinato con strato Cu-110.Al 6061 O è un materiale che ha dimostrato di essere altamente compatibile con i processi UAM38, 39, 40, 41 ed è stato testato e trovato chimicamente stabile con i reagenti utilizzati in questo lavoro.Anche la combinazione di Al 6061 O con Cu-110 è considerata una combinazione di materiale compatibile per UAM ed è quindi un materiale adatto per questo studio.38,42 Questi dispositivi sono elencati nella Tabella 1 di seguito.
Fasi di fabbricazione del reattore (1) Substrato Al 6061 (2) Fabbricazione del canale inferiore su lamina di rame (3) Inserimento di termocoppie tra gli strati (4) Canale superiore (5) Ingresso e uscita (6) Reattore monolitico.
La filosofia progettuale del percorso del fluido è quella di utilizzare un percorso contorto per aumentare la distanza percorsa dal fluido all'interno del chip, mantenendo il chip a dimensioni gestibili. Questo aumento della distanza è auspicabile per aumentare il tempo di interazione catalizzatore/reagente e fornire eccellenti rese del prodotto. I chip utilizzano curve a 90° alle estremità del percorso rettilineo per indurre una miscelazione turbolenta all'interno del dispositivo la giunzione a Y prima di entrare nella sezione di miscelazione a serpentina. Il terzo ingresso, che interseca il flusso a metà della sua residenza, è incluso nella progettazione delle future sintesi di reazione multifase.
Tutti i canali hanno un profilo quadrato (senza angoli di sformo), risultato della periodica fresatura CNC utilizzata per creare la geometria del canale. Le dimensioni del canale sono scelte per garantire un'uscita di volume elevata (per un microreattore), pur essendo abbastanza piccole da facilitare le interazioni superficiali (catalizzatori) per la maggior parte dei fluidi contenuti. La dimensione appropriata si basa sull'esperienza passata degli autori con dispositivi metallo-fluidici per la reazione. .Un connettore integrato (filettatura 1/4″—28 UNF) è incluso nel design per consentire un semplice interfacciamento del dispositivo con apparecchiature chimiche a flusso commerciali.La dimensione del canale è limitata dallo spessore del materiale del foglio, dalle sue proprietà meccaniche e dai parametri di incollaggio utilizzati con gli ultrasuoni.A una larghezza specifica per un dato materiale, il materiale si "abbasserà" nel canale creato.Attualmente non esiste un modello specifico per questo calcolo, quindi la larghezza massima del canale per un dato materiale e design viene determinata sperimentalmente;in questo caso, una larghezza di 750 μm non causerà sag.
La forma (quadrata) del canale è determinata utilizzando una taglierina quadrata. La forma e le dimensioni dei canali possono essere modificate da macchine CNC utilizzando diversi strumenti di taglio per ottenere portate e caratteristiche diverse. Un esempio di creazione di un canale di forma curva utilizzando lo strumento da 125 μm può essere trovato nel lavoro di Monaghan45. è stato utilizzato il contorno.
Durante una pausa pre-programmata nella produzione, le sonde di temperatura della termocoppia (Tipo K) sono incorporate direttamente all'interno del dispositivo tra i gruppi di canali superiore e inferiore (Figura 1 – Fase 3). Queste termocoppie possono monitorare le variazioni di temperatura da -200 a 1350 °C.
Il processo di deposizione del metallo viene eseguito da un corno UAM utilizzando una lamina metallica larga 25,4 mm e spessa 150 micron. Questi strati di lamina sono uniti in una serie di strisce adiacenti per coprire l'intera area di costruzione;la dimensione del materiale depositato è maggiore del prodotto finale in quanto il processo sottrattivo produce la forma netta finale. La lavorazione CNC viene utilizzata per lavorare i contorni esterni ed interni dell'apparecchiatura, risultando in una finitura superficiale dell'apparecchiatura e dei canali uguale all'utensile selezionato e ai parametri di processo CNC (circa 1,6 μm Ra in questo esempio). La deposizione continua e continua del materiale ad ultrasuoni e i cicli di lavorazione vengono utilizzati durante tutto il processo di produzione del dispositivo per garantire il mantenimento della precisione dimensionale e la parte finita soddisferà i livelli di precisione della fresatura di finitura CNC. La larghezza del canale utilizzata per questo dispositivo è abbastanza piccolo da garantire che il materiale del foglio non si "abbassi" nel canale del fluido, quindi il canale mantiene una sezione trasversale quadrata. Possibili lacune nel materiale del foglio e nei parametri di processo UAM sono stati determinati sperimentalmente da un partner di produzione (Fabrisonic LLC, USA).
Gli studi hanno dimostrato che si verifica poca diffusione elementare all'interfaccia di legame UAM 46, 47 senza ulteriore trattamento termico, quindi per i dispositivi in ​​questo lavoro, lo strato Cu-110 rimane distinto dallo strato Al 6061 e cambia bruscamente.
Installare un regolatore di contropressione (BPR) precalibrato da 250 psi (1724 kPa) all'uscita del reattore e pompare l'acqua attraverso il reattore a una velocità compresa tra 0,1 e 1 mL min-1. La pressione del reattore è stata monitorata utilizzando il sensore di pressione del sistema integrato FlowSyn per verificare che il sistema potesse mantenere una pressione costante e costante. piastra di riscaldamento del chip. Ciò si ottiene variando la temperatura della piastra riscaldante programmabile tra 100 e 150 ° C con incrementi di 25 ° C e rilevando eventuali differenze tra le temperature programmate e registrate. Ciò è stato ottenuto utilizzando un data logger tc-08 (PicoTech, Cambridge, Regno Unito) e il software PicoLog in dotazione.
Le condizioni di reazione di cicloaddizione di fenilacetilene e iodoetano sono state ottimizzate (Schema 1- Cycloaddition of phenylacetylene and iodoethane Scheme 1- Cycloaddition of phenylacetylene and iodoethane).
Sono state preparate soluzioni separate di sodio azide (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), iodoetano (0,25 M, DMF) e fenilacetilene (0,125 M, DMF). Un'aliquota di 1,5 mL di ciascuna soluzione è stata miscelata e pompata attraverso il reattore alla portata e alla temperatura desiderate. grafia (HPLC). Per la coerenza dell'analisi, tutte le reazioni sono state campionate subito dopo che la miscela di reazione ha lasciato il reattore. Gli intervalli dei parametri selezionati per l'ottimizzazione sono mostrati nella Tabella 2.
Tutti i campioni sono stati analizzati utilizzando un sistema HPLC Chromaster (VWR, PA, USA) costituito da una pompa quaternaria, un forno a colonna, un rivelatore UV a lunghezza d'onda variabile e un campionatore automatico. La colonna era una Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA), di dimensioni 4,6 × 100 mm, dimensione delle particelle di 5 µm, mantenuta a 40 °C. il volume di iniezione era di 5 µL e la lunghezza d'onda del rivelatore era di 254 nm. L'area di picco % per il campione DOE è stata calcolata solo dalle aree di picco dei prodotti alchinici e triazolici residui. L'iniezione del materiale di partenza consente l'identificazione dei picchi rilevanti.
L'accoppiamento dell'output dell'analisi del reattore al software MODDE DOE (Umetrics, Malmö, Svezia) ha consentito un'analisi approfondita delle tendenze dei risultati e la determinazione delle condizioni di reazione ottimali per questa cicloaddizione. L'esecuzione dell'ottimizzatore integrato e la selezione di tutti i termini del modello importanti produce una serie di condizioni di reazione progettate per massimizzare l'area di picco del prodotto riducendo al contempo l'area di picco per il materiale di partenza dell'acetilene.
L'ossidazione del rame superficiale all'interno della camera di reazione catalitica è stata ottenuta utilizzando una soluzione di perossido di idrogeno (36%) che scorre attraverso la camera di reazione (portata = 0,4 mL min-1, tempo di permanenza = 2,5 min) prima della sintesi di ciascuna libreria di composti triazolici.
Una volta identificato un insieme ottimale di condizioni, queste sono state applicate a una gamma di derivati ​​dell'acetilene e dell'aloalcano per consentire la compilazione di una piccola sintesi di libreria, stabilendo così la capacità di applicare queste condizioni a una gamma più ampia di potenziali reagenti (Figura 1).2).
Preparare soluzioni separate di sodio azide (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), aloalcani (0,25 M, DMF) e alchini (0,125 M, DMF). 3 mL di ciascuna soluzione sono stati miscelati e pompati attraverso il reattore a 75 µL.min-1 e 150 ° C. Il volume totale è stato raccolto in una fiala e diluito con 10 mL di acetato di etile. La soluzione del campione è stato lavato con 3 × 10 mL di acqua. Gli strati acquosi sono stati combinati ed estratti con 10 mL di acetato di etile;gli strati organici sono stati quindi combinati, lavati con 3 x 10 mL di salamoia, essiccati su MgSO4 e filtrati, quindi il solvente è stato rimosso sotto vuoto. I campioni sono stati purificati mediante cromatografia su colonna su gel di silice utilizzando acetato di etile prima dell'analisi mediante una combinazione di HPLC, 1H NMR, 13C NMR e spettrometria di massa ad alta risoluzione (HR-MS).
Tutti gli spettri sono stati acquisiti utilizzando uno spettrometro di massa con risoluzione Orbitrap di precisione Thermofischer con ESI come sorgente di ionizzazione. Tutti i campioni sono stati preparati utilizzando acetonitrile come solvente.
L'analisi TLC è stata eseguita su piastre di silice con supporto in alluminio. Le piastre sono state visualizzate mediante luce UV (254 nm) o colorazione e riscaldamento con vanillina.
Tutti i campioni sono stati analizzati utilizzando un sistema VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, Regno Unito) dotato di campionatore automatico, pompa binaria del forno a colonna e rivelatore a lunghezza d'onda singola. La colonna utilizzata era una ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Scozia).
Le iniezioni (5 µL) sono state effettuate direttamente dalla miscela di reazione grezza diluita (diluizione 1:10) e analizzate con acqua:metanolo (50:50 o 70:30), ad eccezione di alcuni campioni che utilizzavano il sistema solvente 70:30 (indicato come numero di stella) a una velocità di flusso di 1,5 mL/min. La colonna è stata mantenuta a 40 °C. La lunghezza d'onda del rivelatore è di 254 nm.
L'area di picco % del campione è stata calcolata dall'area di picco dell'alchino residuo, solo il prodotto triazolico, e l'iniezione del materiale di partenza ha permesso l'identificazione dei picchi rilevanti.
Tutti i campioni sono stati analizzati utilizzando un Thermo iCAP 6000 ICP-OES. Tutti gli standard di calibrazione sono stati preparati utilizzando una soluzione standard da 1000 ppm di Cu in acido nitrico al 2% (SPEX Certi Prep). Tutti gli standard sono stati preparati in una soluzione al 5% di DMF e al 2% di HNO3 e tutti i campioni sono stati diluiti 20 volte nella soluzione campione di DMF-HNO3.
UAM utilizza la saldatura a ultrasuoni del metallo come tecnica di incollaggio per il materiale della lamina metallica utilizzato per costruire l'assemblaggio finale. La saldatura a ultrasuoni del metallo utilizza uno strumento di metallo vibrante (chiamato corno o corno ultrasonico) per applicare pressione allo strato di lamina/strato precedentemente consolidato da unire durante la vibrazione del materiale. Per il funzionamento continuo, il sonotrodo è cilindrico e rotola sulla superficie del materiale, legando l'intera area. causare il collasso delle asperità del materiale 36 . Il contatto intimo con il calore e la pressione indotti localmente porta quindi al legame allo stato solido alle interfacce del materiale;può anche favorire l'adesione attraverso i cambiamenti nell'energia superficiale48. La natura del meccanismo di unione supera molti dei problemi associati alla temperatura di fusione variabile e ai postumi ad alta temperatura menzionati in altre tecniche di produzione additiva. Ciò consente l'unione diretta (cioè senza modifica della superficie, riempitivi o adesivi) di più strati di materiali diversi in un'unica struttura consolidata.
Un secondo fattore favorevole per UAM è l'alto grado di flusso plastico osservato nei materiali metallici, anche a basse temperature, cioè ben al di sotto del punto di fusione dei materiali metallici. La combinazione di oscillazione ultrasonica e pressione induce alti livelli di migrazione e ricristallizzazione del bordo di grano locale senza il grande aumento di temperatura tradizionalmente associato ai materiali sfusi. 50 e le termocoppie (questo lavoro) sono state tutte incorporate con successo nelle strutture UAM per creare assiemi compositi attivi e passivi.
In questo lavoro, sono state utilizzate sia le diverse possibilità di legame del materiale che di intercalazione dell'UAM per creare il microreattore catalitico definitivo per il monitoraggio della temperatura.
Rispetto al palladio (Pd) e ad altri catalizzatori metallici comunemente usati, la catalisi del Cu presenta diversi vantaggi: (i) Economicamente, il Cu è meno costoso di molti altri metalli utilizzati nella catalisi ed è quindi un'opzione interessante per l'industria di trasformazione chimica (ii) La gamma di reazioni di cross-coupling catalizzate dal Cu è in aumento e sembra essere in qualche modo complementare alle metodologie basate sul Pd51,52,53 (iii) Le reazioni catalizzate dal Cu funzionano bene in assenza di altri ligandi, strutturalmente semplice e poco costoso se lo si desidera, mentre quelli usati nella chimica del Pd sono spesso complessi, costosi e sensibili all'aria (iv) Cu, particolarmente noto per la sua capacità di legare gli alchini nella sintesi, ad esempio, l'accoppiamento Sonogashira catalizzato da bimetallo e la cicloaddizione con azidi (chimica del clic) (v) Cu è anche in grado di promuovere l'arilazione di diversi nucleofili nelle reazioni di tipo Ullmann.
Esempi di eterogeneizzazione di tutte queste reazioni sono stati recentemente dimostrati in presenza di Cu(0). Ciò è in gran parte dovuto all'industria farmaceutica e alla crescente attenzione al recupero e al riutilizzo di catalizzatori metallici55,56.
Introdotta da Huisgen negli anni '6057, la reazione di cicloaddizione 1,3-dipolare tra acetilene e azide a 1,2,3-triazolo è considerata una reazione dimostrativa sinergica.
Questa reazione è tornata alla ribalta quando Sharpless e altri hanno introdotto il concetto di "click chemistry"59. Il termine "click chemistry" è usato per descrivere un insieme di reazioni robusto, affidabile e selettivo per la sintesi rapida di nuovi composti e librerie combinatorie tramite collegamento eteroatomico (CXC)60.
La classica cicloaddizione 1,3-dipolo di Huisgen non appartiene alla categoria della "chimica del clic". Tuttavia, Medal e Sharpless hanno dimostrato che questo evento di accoppiamento azide-alchino subisce da 107 a 108 in presenza di Cu(I) rispetto alla cicloaddizione 1,3-dipolare non catalizzata 62,63. ,4-disostituiti 1,2,3-triazoli (anti-1,2,3-triazolo) su scala temporale (Figura 3).
Risultati isometrici di cicloaddizioni di Huisgen convenzionali e catalizzate da rame. Le cicloaddizioni di Huisgen catalizzate da Cu (I) producono solo 1,4-disostituiti 1,2,3-triazoli, mentre le cicloaddizioni di Huisgen indotte termicamente producono tipicamente una miscela 1,4- e 1,5-triazoli 1:1 di stereoisomeri di azoli.
La maggior parte dei protocolli prevede la riduzione di fonti stabili di Cu(II), come la riduzione della co-combinazione di specie CuSO4 o Cu(II)/Cu(0) con sali di sodio. Rispetto ad altre reazioni catalizzate da metalli, l'uso di Cu(I) presenta i principali vantaggi di essere poco costoso e facile da maneggiare.
Studi di etichettatura cinetica e isotopica di Worrell et al.65 ha mostrato che, nel caso degli alchini terminali, due equivalenti di rame sono coinvolti nell'attivazione della reattività di ciascuna molecola verso l'azide. Il meccanismo proposto procede attraverso un anello metallico di rame a sei membri formato dalla coordinazione dell'azide con l'acetiluro di rame legato σ con il rame legato π come ligando donatore stabile. ciclo.
Mentre i vantaggi dei dispositivi di chimica a flusso sono ben documentati, c'è stato il desiderio di integrare strumenti analitici in questi sistemi per il monitoraggio dei processi in linea, in situ66,67. L'UAM si è rivelato un metodo adatto per progettare e produrre reattori a flusso 3D altamente complessi realizzati con materiali cataliticamente attivi e termicamente conduttivi con elementi di rilevamento direttamente incorporati (Figura 4).
Reattore a flusso in alluminio-rame fabbricato mediante produzione additiva ad ultrasuoni (UAM) con complessa struttura del canale interno, termocoppie incorporate e camera di reazione catalitica. Per visualizzare i percorsi interni del fluido, viene anche mostrato un prototipo trasparente fabbricato utilizzando la stereolitografia.
Per garantire che i reattori siano fabbricati per future reazioni organiche, i solventi devono essere riscaldati in modo sicuro oltre il punto di ebollizione;sono sottoposti a test di pressione e temperatura. Il test di pressione ha dimostrato che il sistema mantiene una pressione stabile e costante anche con una pressione del sistema aumentata (1,7 MPa). Il test idrostatico è stato eseguito a temperatura ambiente utilizzando H2O come fluido.
Il collegamento della termocoppia incorporata (Figura 1) al data logger di temperatura ha dimostrato che la termocoppia era di 6 °C (± 1 °C) più fredda rispetto alla temperatura programmata sul sistema FlowSyn. Tipicamente, un aumento di 10 °C della temperatura si traduce in un raddoppio della velocità di reazione, quindi una differenza di temperatura di pochi gradi può alterare significativamente la velocità di reazione. Questa differenza è dovuta alla perdita di temperatura in tutto il corpo del reattore a causa dell'elevata diffusività termica dei materiali utilizzati nel processo di produzione. e può quindi essere tenuto in considerazione nella configurazione dell'apparecchiatura per garantire che durante la reazione vengano raggiunte e misurate temperature accurate. Pertanto, questo strumento di monitoraggio online facilita un controllo rigoroso della temperatura di reazione e facilita un'ottimizzazione del processo più accurata e lo sviluppo di condizioni ottimali. Questi sensori possono anche essere utilizzati per identificare esotermia di reazione e prevenire reazioni fuori controllo in sistemi su larga scala.
Il reattore presentato in questo lavoro è il primo esempio dell'applicazione della tecnologia UAM alla fabbricazione di reattori chimici e affronta diverse importanti limitazioni attualmente associate alla stampa AM/3D di questi dispositivi, come: (i) superamento dei problemi segnalati relativi alla lavorazione del rame o della lega di alluminio (ii) migliore risoluzione del canale interno rispetto alle tecniche di fusione a letto di polvere (PBF) come la fusione laser selettiva (SLM)25,69 , che non è possibile nella tecnologia del letto di polvere, (v) supera le scarse proprietà meccaniche e la sensibilità dei componenti dei componenti a base di polimeri a una varietà di comuni solventi organici17,19.
La funzionalità del reattore è stata dimostrata da una serie di reazioni di cicloaddizione alchino azide catalizzate da rame in condizioni di flusso continuo (Fig. 2). Il reattore di rame stampato ad ultrasuoni descritto in Figura 4 è stato integrato con un sistema di flusso commerciale e utilizzato per sintetizzare azidi di libreria di vari 1,4-disostituiti 1,2,3-triazoli tramite la reazione a temperatura controllata di alogenuri di acetilene e gruppi alchilici in presenza di cloruro di sodio (Figura 3). l'uso di un approccio a flusso continuo mitiga i problemi di sicurezza che possono sorgere nei processi batch, poiché questa reazione produce intermedi azidici altamente reattivi e pericolosi [317], [318].
(In alto a sinistra) Schema della configurazione utilizzata per incorporare il reattore 3DP nel sistema di flusso (in alto a destra) ottenuto nello schema ottimizzato (in basso) dello schema di cicloaddizione 57 di Huisgen tra fenilacetilene e iodoetano per l'ottimizzazione e che mostra i parametri ottimizzati velocità di conversione della reazione.
Controllando il tempo di permanenza dei reagenti nella parte catalitica del reattore e monitorando da vicino la temperatura di reazione con una sonda a termocoppia direttamente integrata, le condizioni di reazione possono essere ottimizzate in modo rapido e preciso con il minimo consumo di tempo e materiale. È stato rapidamente determinato che le conversioni più elevate si ottengono quando si utilizzano un tempo di permanenza di 15 minuti e una temperatura di reazione di 150 °C. un insieme di condizioni di reazione progettate per massimizzare le aree dei picchi del prodotto riducendo al contempo le aree dei picchi del materiale di partenza. Questa ottimizzazione ha prodotto una conversione del 53% del prodotto triazolico, che corrispondeva strettamente alla previsione del modello del 54%.
Sulla base della letteratura che mostra che l'ossido di rame (I) (Cu2O) può agire come una specie catalitica efficace su superfici di rame a valenza zero in queste reazioni, è stata studiata la capacità di pre-ossidare la superficie del reattore prima di eseguire la reazione in flusso70,71. La reazione tra fenilacetilene e iodoetano è stata quindi eseguita nuovamente in condizioni ottimali e le rese sono state confrontate. mediante HPLC ha mostrato che questa conversione ha ridotto significativamente il tempo di reazione eccessivamente prolungato fino a circa 90 minuti, dopodiché l'attività sembrava stabilizzarsi e raggiungere uno "stato stazionario". Questa osservazione suggerisce che la fonte dell'attività catalitica è ottenuta dall'ossido di rame superficiale piuttosto che dal substrato di rame a valenza zero. Il metallo Cu è facilmente ossidato a temperatura ambiente per formare CuO e Cu2O che non sono strati autoprotettivi.


Tempo di pubblicazione: 16-lug-2022