תודה שביקרת ב-Nature.com.לגרסת הדפדפן שבה אתה משתמש יש תמיכת CSS מוגבלת.לקבלת החוויה הטובה ביותר, אנו ממליצים להשתמש בדפדפן מעודכן (או להשבית את מצב תאימות ב-Internet Explorer).בינתיים, כדי להבטיח תמיכה מתמשכת, נעבד את האתר ללא סגנונות ו-JavaScript.
קרוסלה המציגה שלוש שקופיות בו זמנית.השתמש בלחצנים 'הקודם' וה'הבא' כדי לעבור בין שלוש שקופיות בכל פעם, או השתמש בלחצני המחוון שבקצה כדי לעבור בין שלוש שקופיות בכל פעם.
ייצור תוסף משנה את האופן שבו חוקרים ותעשיינים מתכננים ומייצרים מכשירים כימיים כדי לענות על הצרכים הספציפיים שלהם.במאמר זה, אנו מדווחים על הדוגמה הראשונה של כור זרימה שנוצר על ידי למינציה של ייצור תוסף קולי (UAM) של גיליון מתכת מוצק עם חלקים קטליטיים משולבים ישירות ואלמנטים חישה.טכנולוגיית UAM לא רק מתגברת על רבות מהמגבלות הקשורות כיום לייצור תוסף של כורים כימיים, אלא גם מרחיבה מאוד את היכולות של מכשירים כאלה.מספר תרכובות 1,2,3-טריאזול חשובות מבחינה ביולוגית 1,2,3-טריאזול עברו סינתזה ואופטימיזציה של ריאקציית Huisgen בתיווך Cu 1,3-dipolar cycloaddition באמצעות מתקן הכימיה של UAM.באמצעות המאפיינים הייחודיים של UAM ועיבוד זרימה מתמשכת, המכשיר מסוגל לזרז תגובות מתמשכות וכן לספק משוב בזמן אמת לניטור ואופטימיזציה של תגובות.
בשל יתרונותיה המשמעותיים על פני מקבילה בתפזורת, כימיית זרימה היא תחום חשוב וצומח במסגרות אקדמיות ותעשייתיות כאחד, בשל יכולתה להגביר את הסלקטיביות והיעילות של סינתזה כימית.זה משתרע מהיווצרות של מולקולות אורגניות פשוטות1 ועד תרכובות פרמצבטיות2,3 ומוצרים טבעיים4,5,6.למעלה מ-50% מהתגובות בתעשיות הכימיות והתרופות העדינות יכולות להפיק תועלת מזרימה מתמשכת7.
בשנים האחרונות, ישנה מגמה הולכת וגוברת של קבוצות המבקשות להחליף כלי זכוכית מסורתיים או ציוד כימיה זרימה ב"כורים" כימיים ניתנים להתאמה8.העיצוב האיטרטיבי, הייצור המהיר ויכולות התלת מימד (תלת מימד) של שיטות אלו שימושיות עבור אלה שרוצים להתאים אישית את המכשירים שלהם לקבוצה מסוימת של תגובות, מכשירים או תנאים.עד כה, עבודה זו התמקדה כמעט אך ורק בשימוש בטכניקות הדפסה תלת-ממדיות מבוססות פולימרים כגון סטריאוליטוגרפיה (SL)9,10,11, מודלים מתמזכים (FDM)8,12,13,14 והדפסת הזרקת דיו7,15., 16. חוסר המהימנות והיכולת של מכשירים כאלה לבצע מגוון רחב של תגובות/ניתוחים כימיים17, 18, 19, 20 הוא גורם מגביל עיקרי ליישום הרחב יותר של AM בתחום זה17, 18, 19, 20.
בשל השימוש הגובר בכימיה של זרימה והמאפיינים החיוביים הקשורים ל-AM, יש לחקור טכניקות טובות יותר שיאפשרו למשתמשים לייצר כלי תגובה לזרימה עם יכולות כימיה ואנליטיות משופרות.שיטות אלו צריכות לאפשר למשתמשים לבחור מתוך מגוון של חומרים בעלי חוזק גבוה או פונקציונלי המסוגלים לפעול במגוון רחב של תנאי תגובה, כמו גם להקל על צורות שונות של פלט אנליטי מהמכשיר כדי לאפשר ניטור ובקרה של התגובה.
תהליך ייצור תוסף אחד שניתן להשתמש בו לפיתוח כורים כימיים מותאמים אישית הוא ייצור תוסף אולטראסוני (UAM).שיטת הלמינציה של יריעות מוצק זו מיישמת רעידות קוליות על רדיד מתכת דק כדי לחבר אותם שכבה אחר שכבה עם חימום נפחי מינימלי ודרגה גבוהה של זרימה פלסטית 21, 22, 23. בניגוד לרוב טכנולוגיות AM האחרות, UAM יכול להיות משולב ישירות עם ייצור חיסור, המכונה תהליך ייצור היברידי, שבו צורת הבקרה התקופתית של שכבת הלייזר המתחברת במקום (C NC numer) קובעת את צורת הבקרה התקופתית של חומר הליזר ב-situ. 24, 25. משמעות הדבר היא שהמשתמש אינו מוגבל לבעיות הקשורות להסרת שאריות של חומר בניין מקורי מתעלות נוזל קטנות, מה שקורה לרוב במערכות אבקה ונוזל AM26,27,28.חופש עיצוב זה משתרע גם על הבחירה של חומרים זמינים - UAM יכול לקשר שילובים של חומרים דומים תרמית ולא דומים בשלב תהליך אחד.הבחירה בשילובי חומרים מעבר לתהליך ההיתוך פירושה שניתן לענות טוב יותר על הדרישות המכניות והכימיות של יישומים ספציפיים.בנוסף להדבקה מוצקה, תופעה נוספת המתרחשת בהתקשרות קולית היא נזילות גבוהה של חומרים פלסטיים בטמפרטורות נמוכות יחסית29,30,31,32,33.תכונה ייחודית זו של UAM מאפשרת למקם אלמנטים מכניים/תרמיים בין שכבות מתכת ללא נזק.חיישני UAM משובצים יכולים להקל על מסירת מידע בזמן אמת מהמכשיר למשתמש באמצעות ניתוח משולב.
עבודה קודמת של המחברים32 הדגימה את היכולת של תהליך UAM ליצור מבנים מיקרופלואידיים תלת מימדיים מתכתיים עם יכולות חישה משובצות.מכשיר זה מיועד למטרות ניטור בלבד.מאמר זה מציג את הדוגמה הראשונה לכור כימי מיקרופלואידי המיוצר על ידי UAM, מכשיר פעיל שלא רק שולט אלא גם משרה סינתזה כימית עם חומרים קטליטיים משולבים מבניים.המכשיר משלב מספר יתרונות הקשורים לטכנולוגיית UAM בייצור התקנים כימיים תלת מימדיים, כגון: היכולת להמיר עיצוב תלת מימדי שלם ישירות מדגם תכנון בעזרת מחשב (CAD) למוצר;ייצור רב-חומרי לשילוב של מוליכות תרמית גבוהה וחומרים קטליטיים, כמו גם חיישנים תרמיים המוטבעים ישירות בין זרמי המגיבים לשליטה וניהול מדויקים של טמפרטורת התגובה.כדי להדגים את הפונקציונליות של הכור, ספרייה של תרכובות 1,2,3-טריאזול חשובות מבחינה פרמצבטית סונתזה על ידי ציקלואדדיציית Huisgen 1,3-dipolar מזורזת נחושת.עבודה זו מדגישה כיצד השימוש במדעי החומרים ועיצוב בעזרת מחשב יכול לפתוח אפשרויות והזדמנויות חדשות לכימיה באמצעות מחקר בין-תחומי.
כל הממיסים והריאגנטים נרכשו מסיגמא-אלדריך, אלפא איסר, TCI או פישר סיינטיפיק והשתמשו בהם ללא טיהור מוקדם.ספקטרום 1H ו-13C NMR שנקלטו ב-400 ו-100 מגה-הרץ, בהתאמה, התקבלו בספקטרומטר JEOL ECS-400 400 מגה-הרץ או בספקטרומטר Bruker Avance II 400 מגה-הרץ עם CDCl3 או (CD3)2SO כממס.כל התגובות בוצעו באמצעות פלטפורמת הכימיה של Uniqsis FlowSyn.
UAM שימש לייצור כל המכשירים במחקר זה.הטכנולוגיה הומצאה בשנת 1999 וניתן ללמוד את פרטיה הטכניים, פרמטרי הפעולה והפיתוחים מאז המצאתה באמצעות החומרים שפורסמו הבאים34,35,36,37.ההתקן (איור 1) יושם באמצעות מערכת SonicLayer 4000® UAM חזקה של 9 קילוואט (Fabrisonic, אוהיו, ארה"ב).החומרים שנבחרו להתקן הזרימה היו Cu-110 ו-Al 6061. ל-Cu-110 תכולת נחושת גבוהה (מינימום 99.9% נחושת), מה שהופך אותו למועמד טוב לתגובות מזורזות נחושת ולכן משמש כשכבה פעילה בתוך המיקרו-כור.Al 6061 O משמש כחומר "תפזורת"., כמו גם שכבת האינטרקלציה המשמשת לניתוח;שילוב של רכיבי סגסוגת עזר ומצב חישול בשילוב עם שכבת Cu-110.נמצא כימית יציב עם הריאגנטים המשמשים בעבודה זו.Al 6061 O בשילוב עם Cu-110 נחשב גם לשילוב חומרים תואם עבור UAM ולכן הוא חומר מתאים למחקר זה38,42.התקנים אלה מפורטים בטבלה 1 להלן.
שלבי ייצור הכור (1) מצע מסגסוגת אלומיניום 6061 (2) ייצור תעלה תחתונה מרדיד נחושת (3) הכנסת צמדים תרמיים בין שכבות (4) תעלה עליונה (5) כניסה ויציאה (6) כור מונוליטי.
פילוסופיית עיצוב תעלות הנוזלים היא להשתמש בנתיב מפותל כדי להגדיל את המרחק שעובר הנוזל בתוך השבב תוך שמירה על גודל שבב ניתן לניהול.הגדלת המרחק רצויה כדי להגדיל את זמן המגע של זרז-מגיב ולספק תפוקות מוצר מצוינות.השבבים משתמשים בכיפופים של 90 מעלות בקצוות של נתיב ישר כדי לגרום לערבוב סוער בתוך המכשיר44 ולהגדיל את זמן המגע של הנוזל עם פני השטח (זרז).כדי לשפר עוד יותר את הערבוב שניתן להשיג, עיצוב הכור כולל שני כניסות מגיבים המשולבים בחיבור Y לפני הכניסה לקטע סליל הערבוב.הכניסה השלישית, שחוצה את הזרימה באמצע מקום מגוריה, כלולה בתוכנית לתגובות סינתזה רב-שלביות עתידיות.
לכל הערוצים יש פרופיל מרובע (ללא זוויות מתחדדות), שהיא תוצאה של כרסום CNC תקופתי המשמש ליצירת גיאומטריית הערוץ.מימדי התעלה נבחרים כדי לספק תשואה נפחית גבוהה (עבור מיקרו-כור), אך עדיין קטנה מספיק כדי להקל על אינטראקציה עם פני השטח (זרזים) עבור רוב הנוזלים שהוא מכיל.הגודל המתאים מבוסס על ניסיון העבר של המחברים עם התקני תגובה מתכת-נוזל.הממדים הפנימיים של התעלה הסופית היו 750 מיקרומטר על 750 מיקרון ונפח הכור הכולל היה 1 מ"ל.מחבר מובנה (1/4 אינץ'-28 חוט UNF) כלול בעיצוב כדי לאפשר התממשקות קלה של המכשיר עם ציוד מסחרי לכימיה של זרימה.גודל התעלה מוגבל על ידי עובי חומר נייר הכסף, תכונותיו המכניות ופרמטרי ההתקשרות המשמשים עם אולטרסאונד.ברוחב מסוים עבור חומר נתון, החומר "יצנח" לתוך התעלה שנוצרה.כרגע אין מודל ספציפי לחישוב זה, ולכן רוחב התעלה המרבי עבור חומר ועיצוב נתון נקבע בניסוי, ובמקרה זה רוחב של 750 מיקרומטר לא יגרום לצניחת.
הצורה (ריבוע) של התעלה נקבעת באמצעות חותך מרובע.ניתן לשנות את הצורה והגודל של התעלות במכונות CNC באמצעות כלי חיתוך שונים כדי לקבל קצבי זרימה ומאפיינים שונים.דוגמה ליצירת ערוץ מעוקל עם כלי של 125 מיקרומטר ניתן למצוא ב-Monaghan45.כאשר שכבת נייר הכסף מיושמת שטוחה, היישום של חומר נייר הכסף על התעלות יהיה בעל משטח שטוח (מרובע).בעבודה זו נעשה שימוש בקו מתאר מרובע לשימור סימטריית התעלה.
במהלך הפסקה מתוכנתת בייצור, חיישני טמפרטורה של צמד תרמי (סוג K) מובנים ישירות במכשיר בין קבוצת הערוצים העליונה והתחתונה (איור 1 - שלב 3).צמדים תרמיים אלה יכולים לשלוט בשינויי טמפרטורה בין -200 ל-1350 מעלות צלזיוס.
תהליך שקיעת המתכת מתבצע על ידי צופר UAM באמצעות רדיד מתכת ברוחב 25.4 מ"מ ובעובי 150 מיקרון.שכבות אלו של נייר כסף מחוברות בסדרה של רצועות צמודות לכיסוי כל שטח הבנייה;גודל החומר שהופקד גדול מהתוצר הסופי שכן תהליך החיסור יוצר את הצורה הנקייה הסופית.עיבוד CNC משמש לעיבוד קווי המתאר החיצוניים והפנימיים של הציוד, וכתוצאה מכך גימור פני השטח של הציוד והתעלות התואם לכלי הנבחר ולפרמטרים של תהליך CNC (בדוגמה זו, כ-1.6 מיקרומטר Ra).מחזורי ריסוס ועיבוד חומרים מתמשכים ומתמשכים על-קוליים משמשים לאורך תהליך הייצור של המכשיר כדי להבטיח שהדיוק הממדים נשמר והחלק המוגמר עומד ברמות דיוק של כרסום עדין CNC.רוחב התעלה המשמשת למכשיר זה קטן מספיק כדי להבטיח שחומר נייר הכסף לא "יצנח" בתעלת הנוזל, ולכן לתעלה יש חתך מרובע.פערים אפשריים בחומר נייר הכסף והפרמטרים של תהליך UAM נקבעו בניסוי על ידי שותף הייצור (Fabrisonic LLC, ארה"ב).
מחקרים הראו שבממשק 46, 47 של מתחם UAM יש מעט דיפוזיה של אלמנטים ללא טיפול חום נוסף, ולכן עבור המכשירים בעבודה זו שכבת Cu-110 נשארת שונה משכבת ​​Al 6061 ומשתנה באופן דרמטי.
התקן וסת לחץ גב (BPR) מכויל מראש ב-250 psi (1724 kPa) במורד הכור ושאב מים דרך הכור בקצב של 0.1 עד 1 מ"ל דקה-1.לחץ הכור נוטר באמצעות מתמר הלחץ FlowSyn המובנה במערכת כדי להבטיח שהמערכת תוכל לשמור על לחץ יציב קבוע.שיפועים פוטנציאליים של טמפרטורה בכור הזרימה נבדקו על ידי חיפוש אחר הבדלים בין הצמדים התרמיים המובנים בכור לבין הצמדים התרמיים המובנים בצלחת החימום של שבב FlowSyn.הדבר מושג על ידי שינוי טמפרטורת הפלטה המתוכנתת בין 100 ל-150 מעלות צלזיוס במרווחים של 25 מעלות צלזיוס וניטור כל הבדלים בין הטמפרטורות המתוכנתות והטמפרטורות המתועדות.זה הושג באמצעות לוגר הנתונים tc-08 (PicoTech, Cambridge, בריטניה) ותוכנת PicoLog הנלווה.
התנאים לתגובת ה-cycloaddition של phenylacetylene ו-iodoethane עוברים אופטימיזציה (Scheme 1-Cycloaddition of phenylacetylene and iodoethane, Scheme 1-Cycloaddition of phenylacetylene and iodoethane).אופטימיזציה זו בוצעה באמצעות גישת תכנון פקטוריאלי מלא של ניסויים (DOE), תוך שימוש בטמפרטורה ובזמן שהייה כמשתנים תוך קביעת יחס אלקין:אזיד על 1:2.
הוכנו תמיסות נפרדות של נתרן אזיד (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), יודואתאן (0.25 M, DMF) ופנילאצטילן (0.125 M, DMF).מנה של 1.5 מ"ל של כל תמיסה עורבבו ושואבו דרך הכור בקצב הזרימה והטמפרטורה הרצויים.התגובה של המודל נלקחה כיחס בין שטח השיא של מוצר הטריאזול לחומר המוצא של פנילאצטילן ונקבעה באמצעות כרומטוגרפיה נוזלית בעלת ביצועים גבוהים (HPLC).לצורך עקביות הניתוח, כל התגובות נלקחו מיד לאחר שתערובת התגובה יצאה מהכור.טווחי הפרמטרים שנבחרו לאופטימיזציה מוצגים בטבלה 2.
כל הדגימות נותחו באמצעות מערכת Chromaster HPLC (VWR, PA, ארה"ב) המורכבת ממשאבה רבעונית, תנור עמודה, גלאי UV באורך גל משתנה ודגימה אוטומטית.העמודה הייתה אקוויוולנטית 5 C18 (VWR, PA, ארה"ב), 4.6 x 100 מ"מ, גודל חלקיקים של 5 מיקרומטר, נשמר ב-40 מעלות צלזיוס.הממס היה מתנול:מים איזוקרטי 50:50 בקצב זרימה של 1.5 מ"ל·min-1.נפח ההזרקה היה 5 μl ואורך הגל של הגלאי היה 254 ננומטר.% שטח השיא עבור דגימת DOE חושב משטחי השיא של שאריות מוצרי האלקין והטריאזול בלבד.הכנסת חומר המוצא מאפשרת לזהות את הפסגות המתאימות.
שילוב התוצאות של ניתוח הכור עם תוכנת MODDE DOE (Umetrics, Malmö, שוודיה) אפשר ניתוח מגמה יסודי של התוצאות וקביעת תנאי התגובה האופטימליים עבור cycloaddition זה.הפעלת האופטימיזציה המובנית ובחירת כל מונחי המודל החשובים יוצרת קבוצה של תנאי תגובה שנועדו למקסם את שטח השיא של המוצר תוך הקטנת שטח השיא של חומרי הזינה האצטילן.
חמצון של פני הנחושת בתא התגובה הקטליטי הושג באמצעות תמיסת מי חמצן (36%) שזורמת דרך תא התגובה (קצב זרימה = 0.4 מ"ל min-1, זמן שהייה = 2.5 דקות) לפני הסינתזה של כל תרכובת טריאזול.סִפְרִיָה.
לאחר שנקבעה מערכת התנאים האופטימלית, הם יושמו על מגוון של נגזרות של אצטילן והלואלקן כדי לאפשר הידור של ספריית סינתזה קטנה, ובכך לבסס את האפשרות להחיל תנאים אלה על מגוון רחב יותר של ריאגנטים פוטנציאליים (איור 1).2).
הכן תמיסות נפרדות של אזיד נתרן (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), הלואלקנים (0.25 M, DMF) ואלקנים (0.125 M, DMF).מנות של 3 מ"ל מכל תמיסה עורבבו ונשאבו דרך הכור בקצב של 75 μl/דקה וטמפרטורה של 150 מעלות צלזיוס.כל הנפח נאסף בבקבוקון ומדולל ב-10 מ"ל אתיל אצטט.תמיסה המדגם נשטפה עם 3 x 10 מ"ל מים.השכבות המימיות שולבו וחולצו עם 10 מ"ל אתיל אצטט, לאחר מכן שולבו השכבות האורגניות, נשטפו עם 3×10 מ"ל מי מלח, יובשו מעל MgSO 4 וסוננים, לאחר מכן הוסר הממס בוואקום.דגימות טוהרו על ידי כרומטוגרפיה של עמודת סיליקה ג'ל באמצעות אתיל אצטט לפני ניתוח על ידי שילוב של HPLC, 1H NMR, 13C NMR וספקטרומטריית מסה ברזולוציה גבוהה (HR-MS).
כל הספקטרום התקבלו באמצעות ספקטרומטר מסה Thermofischer Precision Orbitrap עם ESI כמקור היינון.כל הדגימות הוכנו באמצעות אצטוניטריל כממס.
ניתוח TLC בוצע על לוחות סיליקה עם מצע אלומיניום.הצלחות הוצגו עם אור UV (254 ננומטר) או צביעה וחימום ונילין.
כל הדגימות נותחו באמצעות מערכת VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, בריטניה) המצוידת בדגימה אוטומטית, משאבה בינארית עם תנור עמודה וגלאי אורך גל יחיד.נעשה שימוש בעמודת ACE Equivalence 5 C18 (150 x 4.6 מ"מ, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, סקוטלנד).
הזרקות (5 μl) נעשו ישירות מתערובת התגובה הגולמית המדוללת (דילול 1:10) ונותחו עם מים:מתנול (50:50 או 70:30), למעט דגימות מסוימות באמצעות מערכת ממס 70:30 (מסומנת כמספר כוכבים) בקצב זרימה של 1.5 מ"ל לדקה.העמוד נשמר ב-40 מעלות צלזיוס.אורך הגל של הגלאי הוא 254 ננומטר.
אחוז שטח השיא של המדגם חושב משטח השיא של האלקין השיורי, תוצר הטריאזול בלבד, והחדרת חומר המוצא אפשרה לזהות את הפסגות התואמות.
כל הדגימות נותחו באמצעות Thermo iCAP 6000 ICP-OES.כל תקני הכיול הוכנו באמצעות תמיסה סטנדרטית של 1000 ppm Cu ב-2% חומצה חנקתית (SPEX Certi Prep).כל התקנים הוכנו בתמיסה של 5% DMF ו-2% HNO3, וכל הדגימות דוללו 20 פעמים בתמיסת דגימה של DMF-HNO3.
UAM משתמשת בריתוך מתכת קולי כשיטה לחיבור רדיד המתכת המשמש ליצירת ההרכבה הסופית.ריתוך מתכת אולטראסוני משתמש בכלי מתכת רוטט (הנקרא קרן או קרן אולטראסונית) כדי להפעיל לחץ על נייר הכסף/השכבה שגובשה בעבר שיש להדביק/לגבש קודם לכן על ידי רטט החומר.עבור פעולה רציפה, הסונוטרוד יש צורה גלילית ומתגלגל על ​​פני החומר, מדביק את כל האזור.כאשר מופעלים לחץ ורטט, התחמוצות על פני החומר עלולות להיסדק.לחץ ורטט מתמידים יכולים להוביל להרס של החספוס של החומר 36 .מגע קרוב עם חום ולחץ מקומיים מוביל אז לקשר פאזה מוצקה בממשקי החומר;זה יכול גם לקדם לכידות על ידי שינוי אנרגיית פני השטח48.אופיו של מנגנון ההדבקה מתגבר על רבות מהבעיות הקשורות לטמפרטורת ההיתוך המשתנה והשפעות הטמפרטורה הגבוהות המוזכרות בטכנולוגיות ייצור תוספים אחרות.זה מאפשר חיבור ישיר (כלומר ללא שינוי פני השטח, חומרי מילוי או דבקים) של מספר שכבות של חומרים שונים למבנה אחד מאוחד.
הגורם השני המועדף עבור CAM הוא הדרגה הגבוהה של זרימת פלסטיק הנצפית בחומרים מתכתיים אפילו בטמפרטורות נמוכות, כלומר הרבה מתחת לנקודת ההתכה של חומרים מתכתיים.השילוב של רעידות ולחץ קולי גורם לרמה גבוהה של נדידת גבול גרגר מקומית והתגבשות מחדש ללא עליית הטמפרטורה המשמעותית הקשורה באופן מסורתי לחומרים בתפזורת.במהלך יצירת ההרכבה הסופית, ניתן להשתמש בתופעה זו כדי להטמיע רכיבים אקטיביים ופסיביים בין שכבות של רדיד מתכת, שכבה אחר שכבה.אלמנטים כגון סיב אופטי 49, חיזוק 46, אלקטרוניקה 50 וצמדים תרמיים (עבודה זו) שולבו בהצלחה במבני UAM כדי ליצור מכלולים מרוכבים אקטיביים ופסיביים.
בעבודה זו נעשה שימוש גם ביכולות שונות של חיבור חומרים וגם ביכולות אינטרקלציה של UAM ליצירת מיקרו-כור אידיאלי לבקרת טמפרטורה קטליטית.
בהשוואה לפלדיום (Pd) וזרזי מתכת נפוצים אחרים, לקטליזה של Cu יש מספר יתרונות: (i) מבחינה כלכלית, Cu זולה יותר ממתכות רבות אחרות המשמשות בקטליזה ולכן היא אופציה אטרקטיבית עבור התעשייה הכימית (ii) מגוון תגובות ההצמדה הצולבות המזוזרות Cu מתרחב ונראה כמו P2515, מתודולוגיות משלימות במקצת (515, Cu). תגובות מזורזות פועלות היטב בהיעדר ליגנדים אחרים.ליגנדים אלה הם לרוב פשוטים מבחינה מבנית וזולים.אם תרצה, בעוד שאלו המשמשים בכימיה של Pd הם לרוב מורכבים, יקרים ורגישים לאוויר (iv) Cu, הידועה במיוחד ביכולתו לקשר אלקינים בסינתזה, כגון הצימוד המזוזז הדו-מתכתי של Sonogashira והציקלו-הוספה עם אזידים (כימיה של קליק) (v) Cu יכול גם לקדם את התגובה של נוקלמנפילציה של Uclemannophilation מסוימים.
לאחרונה, הוכחו דוגמאות להטרוגניזציה של כל התגובות הללו בנוכחות Cu(0).הדבר נובע בעיקר מתעשיית התרופות וההתמקדות ההולכת וגוברת בשחזור ושימוש חוזר בזרזי מתכת55,56.
תגובת הציקלואדיציה ה-1,3-דיפולרית בין אצטילן ואזיד ל-1,2,3-טריאזול, שהוצעה לראשונה על ידי Huisgen בשנות ה-6057, נחשבת לתגובת הדגמה סינרגטית.שברי הטריאזול 1,2,3 המתקבלים הם בעלי עניין מיוחד כפרמקפור בגילוי תרופות בשל היישומים הביולוגיים שלהם והשימוש בהם בחומרים טיפוליים שונים 58 .
תגובה זו קיבלה תשומת לב מחודשת כאשר Sharpless ואחרים הציגו את המושג "כימיה של קליקים"59.המונח "כימיה של קליקים" משמש לתיאור קבוצה חזקה וסלקטיבית של תגובות לסינתזה מהירה של תרכובות חדשות וספריות קומבינטוריות תוך שימוש בקשר הטרואטומי (CXC)60.המשיכה הסינתטית של תגובות אלו נובעת מהתשואות הגבוהות הקשורות בהן.התנאים פשוטים, עמידות לחמצן ומים, והפרדת מוצרים פשוטה61.
ה-Huisgen cycloaddition הקלאסית 1,3-דיפול אינה נכנסת לקטגוריית "כימיה של קליקים".עם זאת, Medal ו-Sharpless הדגימו שאירוע צימוד אזיד-אלקין זה עובר 107-108 בנוכחות Cu(I) בהשוואה להאצה משמעותית בקצב של ציקלואדוסציה 1,3-דיפולרית לא קטליטית 62,63.מנגנון תגובה מתקדם זה אינו מצריך קבוצות הגנה או תנאי תגובה קשים ומספק המרה וסלקטיביות כמעט מלאה ל-1,4-ל-1,2,3-טריאזולים (אנטי-1,2,3-טריאזולים) לאורך זמן (איור 3).
תוצאות איזומטריות של תוספות ציקלו של Huisgen קונבנציונליות וזרזות נחושת.תוספות ציקלו-זוז'ן מזורזות של Cu(I) נותנות רק 1,4-לא-חולפים 1,2,3-טריאזולים, בעוד שתוספות ה-Huisgen המושרות תרמית נותנות בדרך כלל 1,4- ו-1,5-טריאזולים תערובת של 1:1 של סטריאואיזומרים של אזול.
רוב הפרוטוקולים כוללים הפחתת מקורות יציבים של Cu(II), כגון הפחתת CuSO4 או תרכובת Cu(II)/Cu(0) בשילוב עם מלחי נתרן.בהשוואה לתגובות מזורזות מתכת אחרות, לשימוש ב-Cu(I) יש את היתרונות העיקריים של היותו זול וקל לטיפול.
מחקרים קינטיים ואיזוטופיים של Worrell et al.65 הראו שבמקרה של אלקנים סופניים, שתי מקבילות של נחושת מעורבות בהפעלת התגובתיות של כל מולקולה ביחס לאזיד.המנגנון המוצע ממשיך דרך טבעת מתכת נחושת בעלת שישה איברים שנוצרת על ידי תיאום של אזיד לאצטיליד נחושת קשור σ עם נחושת קשורה ל-π כליגנד תורם יציב.נגזרות טריאזוליל של נחושת נוצרות כתוצאה מהתכווצות הטבעת ואחריה פירוק פרוטונים ליצירת תוצרי טריאזול וסגירת המעגל הקטליטי.
בעוד היתרונות של התקני כימיה של זרימה מתועדים היטב, היה רצון לשלב כלים אנליטיים במערכות אלו לניטור תהליכים בזמן אמת במקום66,67.UAM הוכיחה את עצמה כשיטה מתאימה לתכנון וייצור כורי זרימה תלת-ממדיים מורכבים מאוד מחומרים פעילים קטליטית ומוליכים תרמית עם אלמנטי חישה מוטבעים ישירות (איור 4).
כור זרימת אלומיניום-נחושת מיוצר על ידי ייצור תוסף אולטראסוני (UAM) עם מבנה תעלה פנימי מורכב, צמדים תרמיים מובנים ותא תגובה קטליטי.כדי לדמיין את נתיבי הנוזל הפנימיים, מוצג גם אב טיפוס שקוף שנעשה באמצעות סטריאוליטוגרפיה.
כדי להבטיח שכורים ייעשו לתגובות אורגניות עתידיות, יש לחמם את הממיסים בבטחה מעל נקודת הרתיחה שלהם;הם נבדקים בלחץ ובטמפרטורה.בדיקת הלחץ הראתה שהמערכת שומרת על לחץ יציב וקבוע גם בלחץ מוגבר במערכת (1.7 מגפ"ס).בדיקות הידרוסטטיות בוצעו בטמפרטורת החדר תוך שימוש ב-H2O כנוזל.
חיבור הצמד התרמי המובנה (איור 1) ללוגר נתוני הטמפרטורה הראה שטמפרטורת הצמד התרמי הייתה 6 מעלות צלזיוס (± 1 מעלות צלזיוס) מתחת לטמפרטורה המתוכנתת במערכת FlowSyn.בדרך כלל, עלייה של 10 מעלות צלזיוס בטמפרטורה מכפילה את קצב התגובה, כך שהפרש טמפרטורה של כמה מעלות בלבד יכול לשנות את קצב התגובה באופן משמעותי.הבדל זה נובע מאובדן הטמפרטורה לאורך ה-RPV עקב הדיפוזיה התרמית הגבוהה של החומרים המשמשים בתהליך הייצור.סחיפה תרמית זו קבועה ולכן ניתן לקחת אותה בחשבון בעת ​​הגדרת הציוד כדי להבטיח הגעה וטמפרטורות מדויקות במהלך התגובה.לפיכך, כלי ניטור מקוון זה מאפשר שליטה הדוקה של טמפרטורת התגובה ותורם לאופטימיזציה מדויקת יותר של תהליך ופיתוח תנאים אופטימליים.חיישנים אלה יכולים לשמש גם כדי לזהות תגובות אקסותרמיות ולמנוע תגובות בריחה במערכות בקנה מידה גדול.
הכור המוצג במאמר זה הוא הדוגמה הראשונה ליישום טכנולוגיית UAM לייצור כורים כימיים ומתייחס למספר מגבלות עיקריות הקשורות כיום להדפסת AM/3D של התקנים אלה, כגון: (i) התגברות על הבעיות המצוינות הקשורות לעיבוד של נחושת או סגסוגת אלומיניום (ii) שיפור ברזולוציה של תעלות פנימיות בהשוואה להמסת חומרי אבקה (PBM25) כמו המסת חומר באבקת (PBM25) כמו המסת חומרי לייזר סלקטיבית (PBM9). texture26 (iii) טמפרטורת עיבוד נמוכה יותר, המאפשרת חיבור ישיר של חיישנים, מה שלא אפשרי בטכנולוגיית מיטת אבקה, (v) התגברות על התכונות המכניות העניות והרגישות של רכיבים מבוססי פולימר לממסים אורגניים נפוצים שונים17,19.
הפונקציונליות של הכור הוכחה על ידי סדרה של תגובות ציקלואדדיציית אלקינאזיד מזורזת נחושת בתנאי זרימה רציפה (איור 2).כור נחושת מודפס קולי המוצג באיור.4 שולב עם מערכת זרימה מסחרית ושימש לסנתז ספריית אזידים של 1,4-טריאזולים בלתי-מוחלפים שונים תוך שימוש בתגובה מבוקרת טמפרטורה של הלידים של אצטילן וקבוצת אלקיל בנוכחות נתרן כלורי (איור 3).השימוש בגישת הזרימה הרציפה מפחית את בעיות הבטיחות שיכולות להתעורר בתהליכים אצווה, שכן תגובה זו מייצרת תוצרי ביניים אזידים תגובתיים ומסוכנים ביותר [317], [318].בתחילה, התגובה עברה אופטימיזציה להוספת ציקלו של פנילאצטילן ויודואתן (סכמה 1 - ציקלודציה של פנילאצטילן ויודואתן) ​​(ראה איור 5).
(משמאל למעלה) סכימה של ההתקנה המשמשת לשילוב כור 3DP במערכת זרימה (מימין למעלה) המתקבלת מהסכימה האופטימלית (התחתונה) של ערכת ה-Huisgen 57 cycloaddition בין פנילאצטילן ליודואתאן לצורך אופטימיזציה והצגת פרמטרי קצב ההמרה האופטימליים של התגובה.
על ידי שליטה בזמן השהייה של המגיבים במקטע הקטליטי של הכור וניטור קפדני של טמפרטורת התגובה עם חיישן צמד תרמי משולב ישירות, ניתן לייעל את תנאי התגובה במהירות ובדייקנות במינימום זמן וחומרים.מהר מאוד נמצא שההמרה הגבוהה ביותר הושגה תוך שימוש בזמן שהייה של 15 דקות וטמפרטורת תגובה של 150 מעלות צלזיוס.ניתן לראות מתרשים המקדם של תוכנת MODDE שגם זמן השהייה וגם טמפרטורת התגובה נחשבים לתנאים חשובים של המודל.הפעלת האופטימיזר המובנה תוך שימוש בתנאים נבחרים אלה יוצרת סט של תנאי תגובה שנועדו למקסם את שטחי השיא של המוצר תוך הפחתת שטחי השיא של חומר המוצא.אופטימיזציה זו הניבה המרה של 53% למוצר הטריאזול, שהתאימה בדיוק לתחזית המודל של 54%.