תודה שביקרת ב-Nature.com.לגרסת הדפדפן שבה אתה משתמש יש תמיכה מוגבלת ב-CSS.לחוויה הטובה ביותר, אנו ממליצים להשתמש בדפדפן מעודכן (או לכבות את מצב התאימות ב-Internet Explorer). בינתיים, כדי להבטיח תמיכה מתמשכת, נציג את האתר ללא סגנונות ו-JavaScript.
ייצור תוסף משנה את הדרך שבה חוקרים ותעשיינים מתכננים ומייצרים מכשירים כימיים כדי לענות על הצרכים הספציפיים שלהם. בעבודה זו, אנו מדווחים על הדוגמה הראשונה של כור זרימה שנוצר על ידי טכניקת הלמינציה של גיליונות מתכת במצב מוצק Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM) עם חלקים קטליטיים משולבים ישירות ומרכיבי חישה. לא רק מגבלות טכנולוגיות כימיות הקשורות ל-UAM מוסיף כיום את המגבלות הכימיות של UAM. s, אבל זה גם מגדיל באופן משמעותי את היכולות של מכשירים כאלה. סדרה של תרכובות 1,2,3-טריאזול חשובות מבחינה ביולוגית 1,2,3-טריאזול סונתזו בהצלחה ואופטימיזו על ידי תגובת הוסגן 1,3-dipolar cycloaddition של Huisgen בתיווך Cu תוך שימוש במערך כימיה של UAM. על ידי מינוף התכונות הייחודיות של UAM ותגובה מתמשכת של תהליך הזרימה והקטגוריה. מתן משוב בזמן אמת לניטור תגובה ואופטימיזציה.
בשל יתרונותיה המשמעותיים על פני מקבילתה בתפזורת, כימיה זרימה היא תחום חשוב וצומח באקדמיה ובתעשייה כאחד בשל יכולתה להגביר את הסלקטיביות והיעילות של סינתזה כימית. זה משתרע מיצירת מולקולה אורגנית פשוטה1 ועד תרכובות פרמצבטיות2,3 ומוצרים טבעיים4,5,6.יותר מ-50% מהתגובות בתעשיות הכימיות והתרופות העדינות יכולות להפיק תועלת מהשימוש בעיבוד זרימה מתמשכת7.
בשנים האחרונות, ישנה מגמה הולכת וגוברת של קבוצות המעוניינות להחליף כלי זכוכית מסורתיים או ציוד כימי זרימה ב"כלי תגובה" כימיה הניתנים להתאמה אישית (AM) 8. העיצוב האיטרטיבי, הייצור המהיר ויכולות התלת מימד (תלת מימד) של טכניקות אלו מועילים למי שרוצה להתאים אישית את המכשירים שלהם לסט מותאם ספציפי של מכשיר, תנאי שימוש כמעט בלעדי של תאריך, או תנאי שימוש זה. טכניקות הדפסה תלת-ממדיות מבוססות פולימרים כגון סטריאוליטוגרפיה (SL)9,10,11, מודלים מתמזכים בתצהיר (FDM)8,12,13,14 והדפסת הזרקת דיו 7, 15, 16. היעדר החוסן והיכולת של מכשירים כאלה לבצע מגוון רחב של תגובות/ניתוחים כימיים 17, 18 גורם עיקרי של יישום AM,19, 19 גורם מרכזי זה, , 18, 19, 20 .
בשל השימוש הגובר בכימיה של זרימה והמאפיינים החיוביים הקשורים ל-AM, יש צורך לחקור טכניקות מתקדמות יותר המאפשרות למשתמשים לייצר כלי תגובה לזרימה עם יכולות כימיות ואנליטיות משופרות. טכניקות אלו צריכות לאפשר למשתמשים לבחור מתוך מגוון חומרים חזקים או פונקציונליים ביותר המסוגלים להתמודד עם מגוון רחב של תנאי תגובה, ובמקביל גם לאפשר צורות שונות של ניטור ושליטה בתגובה אנליטית של המכשיר.
תהליך ייצור תוסף אחד שיש לו פוטנציאל לפתח כורים כימיים מותאמים אישית הוא Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM). טכניקת למינציה של יריעות מוצק זו מיישמת תנודות קוליות על רדיד מתכת דק על מנת לחבר אותם שכבה אחר שכבה עם חימום מינימלי בתפזורת ורמה גבוהה של זרימת פלסטיק 21 , 22 .U משולבת ישירות עם U3 , 22 .U טכנולוגיות אחרות. turing, הידוע כתהליך ייצור היברידי, שבו כרסום בקרה מספרית (CNC) או עיבוד לייזר בשטח, מגדירים את הצורה נטו של שכבת חומר מלוכד 24, 25. משמעות הדבר היא שהמשתמש אינו מוגבל על ידי הבעיות הכרוכות בהסרת שאריות של חומר גלם מתעלות נוזלים קטנות, מה שלעתים קרובות מתאר את חומרי הבחירה החופשיים של AM28, 28, מערכות נוזלים זמינות גם ב-AM28. – UAM יכול לקשר שילובי חומרים דומים ושונים מבחינה תרמית בשלב תהליך אחד. הבחירה בשילובי חומרים מעבר לתהליך ההיתוך פירושה שניתן לענות טוב יותר על הדרישות המכאניות והכימיות של יישומים ספציפיים. בנוסף להדבקה במצב מוצק, תופעה נוספת שנתקלה במהלך החיבור האולטראסוני היא זרימה גבוהה של חומרים פלסטיים בטמפרטורות נמוכות יחסית של UAM, 332,32,30, 31,30, 19, 32, 32, 30, 31, 32, 32, 19, 32, 32, 32, 30, 29, 32, 30. אלמנטים תרמיים בין שכבות מתכת ללא נזק. חיישנים משובצים של UAM יכולים להקל על אספקת מידע בזמן אמת מהמכשיר למשתמש באמצעות אנליטיקה משולבת.
עבודתם בעבר של המחברים32 הדגימה את היכולת של תהליך UAM ליצור מבנים מיקרו-נוזליים מתכתיים בתלת-ממד עם יכולות חישה משולבות. זהו מכשיר ניטור בלבד. מאמר זה מציג את הדוגמה הראשונה לכור כימי מיקרו-נוזל המיוצר על ידי UAM;מכשיר פעיל שלא רק מנטר אלא גם משרה סינתזה כימית באמצעות חומרי זרז משולבים מבניים. המכשיר משלב מספר יתרונות הקשורים לטכנולוגיית UAM בייצור התקנים כימיים תלת מימדיים, כגון: היכולת להמיר עיצובי תלת מימד מלאים ישירות ממודלים של תכנון בעזרת מחשב (CAD) למוצרים;ייצור רב-חומרי לשילוב מוליכות תרמית גבוהה וחומרים קטליטיים;והטבעת חיישנים תרמיים ישירות בין זרמי מגיב לניטור ובקרה מדויקים של טמפרטורת התגובה. כדי להדגים את הפונקציונליות של הכור, ספרייה של תרכובות 1,4-טריאזול-1,4-לא-חלופיות חשובות מבחינה פרמצבטית סונתזה על ידי Huisgen 1,3-dipolar זרזת נחושת. הזדמנויות ואפשרויות לכימיה באמצעות מחקר רב תחומי.
כל הממיסים והריאגנטים נרכשו מ-Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI או Fischer Scientific והשתמשו בהם ללא טיהור מוקדם. ספקטרות 1H ו-13C NMR מתועדות במהירות 400 מגה-הרץ ו-100 מגה-הרץ, בהתאמה, הושגו באמצעות ספקטרומטר JEOL ECS-400 400 MHz 400 מגה-הרץ II 400 מגה-הרץ או 400 מגה-הרץ, Avspect II ו-CDSO2 400 MHz או ב-400 MHz. vent.כל התגובות בוצעו באמצעות פלטפורמת הכימיה של Uniqsis FlowSyn.
UAM שימש לייצור כל המכשירים במחקר זה. הטכנולוגיה הומצאה בשנת 1999, וניתן לחקור את הפרטים הטכניים, פרמטרי ההפעלה והפיתוחים מאז המצאתה באמצעות החומרים הבאים שפורסמו34,35,36,37. ההתקן (איור 1) יושם באמצעות הספק אולטרה-גבוה, 9kW SonicLayer 4000, מערכת החומרים של OHFabrisen, OHFabrisen 4000®, the flows. המכשירים 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 מיקרוכור.Al 6061 O משמש כחומר "בתפזורת", גם שכבת הטבעה המשמשת לניתוח;הטבעת רכיבי עזר מסגסוגת ומצב חישול בשילוב שכבת Cu-110.Al 6061 O הוא חומר שהוכח כתואם מאוד לתהליכי UAM38, 39, 40, 41 ונבדק ונמצא יציב מבחינה כימית עם הריאגנטים המשמשים בעבודה זו.השילוב של Al 6061 O עם Cu-110 נחשב גם לשילוב חומרים תואם עבור UAM ולכן הוא חומר מתאים למחקר זה.38,42 התקנים אלה מפורטים בטבלה 1 להלן.
שלבי ייצור הכור (1) מצע Al 6061 (2) ייצור תעלה תחתונה שהוגדרה לרדיד נחושת (3) הטבעה של צמדים תרמיים בין שכבות (4) תעלה עליונה (5) כניסה ויציאה (6) כור מונוליטי.
פילוסופיית התכנון של נתיב הנוזל היא להשתמש בנתיב מפותל כדי להגדיל את המרחק שהנוזל עובר בתוך השבב, תוך שמירה על השבב בגודל שניתן לניהול. הגדלת המרחק הזו רצויה כדי להגדיל את זמן האינטראקציה של זרז/ריאגנט ולספק תפוקות מוצר מצוינות. השבבים משתמשים בכיפופים של 90° בקצות הנתיב הישר של ההתקן כדי להגדיל את זמן המגע של ההתקן (4). כדי להגביר עוד יותר את הערבוב שניתן להשיג, תכנון הכור כולל שני פתחי מגיב המשולבים בצומת Y לפני הכניסה לקטע ערבוב סרפנטין. הכניסה השלישית, שחותכת את הנחל באמצע הדרך שלו, נכללת בתכנון של סינתזות תגובה רב-שלביות עתידיות.
לכל הערוצים יש פרופיל מרובע (ללא זוויות טיוטה), התוצאה של כרסום CNC התקופתי המשמש ליצירת גיאומטריית התעלה. ממדי התעלה נבחרים כדי להבטיח תפוקת נפח גבוהה (עבור מיקרוכור), תוך שהם קטנים מספיק כדי להקל על אינטראקציות פני השטח (זרזים) עבור רוב הנוזלים הכלולים. הגודל המתאים מבוסס על הממדים הסופיים של התעלות הפנימיות של התעלות המתכת-5 עם התעלות הפנימיות של המחבר עם ניסיון העבר הסופי של התעלות המתכת-5. מיקרומטר x 750 מיקרומטר ונפח הכור הכולל היה 1 מ"ל. מחבר משולב (1/4 אינץ' - חוט UNF 28) כלול בתכנון כדי לאפשר התממשקות פשוטה של ​​המכשיר עם ציוד כימיה מסחרי של זרימה.גודל הערוץ מוגבל על ידי עובי חומר נייר הכסף, תכונותיו המכניות ופרמטרי ההתקשרות המשמשים עם אולטרסאונד.ברוחב ספציפי עבור חומר נתון, החומר "יצנח" לתוך הערוץ שנוצר.כרגע אין מודל ספציפי לחישוב זה, כך שרוחב הערוץ המרבי עבור חומר ועיצוב נתון נקבע בניסוי;במקרה זה, רוחב של 750 מיקרומטר לא יגרום לצניחה.
הצורה (ריבוע) של התעלה נקבעת על ידי שימוש בחותך מרובע. ניתן לשנות את הצורה והגודל של התעלות על ידי מכונות CNC המשתמשות בכלי חיתוך שונים כדי להשיג קצבי זרימה ומאפיינים שונים. דוגמה ליצירת ערוץ צורה מעוקלת באמצעות הכלי 125 מיקרומטר ניתן למצוא בעבודה של Monaghan45. כאשר שכבת נייר הכסף תהיה מופקדת על תעלה שטוחה מעל תעלה שטוחה (השכבה השטוחה של התעלה תהיה מרובעת ) גימור.בעבודה זו, על מנת לשמור על הסימטריה של התעלה, נעשה שימוש בקו מתאר מרובע.
במהלך הפסקה מתוכנתת מראש בייצור, בדיקות טמפרטורה של צמד תרמי (סוג K) מוטמעות ישירות בתוך המכשיר בין קבוצות הערוצים העליונות והתחתונות (איור 1 - שלב 3). צמדים תרמיים אלה יכולים לעקוב אחר שינויי טמפרטורה מ-200 עד 1350 מעלות צלזיוס.
תהליך שקיעת המתכת מבוצע על ידי צופר UAM באמצעות רדיד מתכת ברוחב 25.4 מ"מ בעובי 150 מיקרון. שכבות נייר אלו מחוברות לסדרה של רצועות צמודות לכיסוי כל שטח הבנייה;גודל החומר שהופקד גדול מהתוצר הסופי שכן תהליך החיסור מייצר את הצורה הסופית נטו. עיבוד CNC משמש לעיבוד קווי המתאר החיצוניים והפנימיים של הציוד, וכתוצאה מכך גימור פני השטח של הציוד והתעלות שווה לכלי הנבחר ופרמטרי תהליך ה-CNC (בערך 1.6 מיקרומטר Ra בדוגמה זו). כדי להבטיח שהדיוק הממדים נשמר והחלק המוגמר יעמוד ברמות דיוק של כרסום גימור CNC. רוחב התעלה המשמש למכשיר זה קטן מספיק כדי להבטיח שחומר נייר הכסף לא "יצנח" לתוך תעלת הנוזל, כך שהתעלה שומרת על חתך רוחב מרובע. פערים אפשריים בחומר נייר כסף ופרמטרי תהליך UAM נקבעו בניסוי על ידי שותף יצרני LLC (USAFabrikonic LLC, USAFabrikonic LLC).
מחקרים הראו שדיפוזיה אלמנטרית מועטה מתרחשת בממשק החיבור UAM 46, 47 ללא טיפול תרמי נוסף, כך שלמכשירים בעבודה זו, שכבת Cu-110 נשארת נבדלת משכבת ​​Al 6061 ומשתנה באופן פתאומי.
התקן וסת לחץ אחורי (BPR) מכויל מראש של 250 psi (1724 kPa) ליציאת הכור ושואבת מים דרך הכור בקצב של 0.1 עד 1 מ"ל דקה-1. לחץ הכור נוטר באמצעות חיישן הלחץ המובנה במערכת FlowSyn כדי לוודא שהמערכת יכולה לשמור על הפרש טמפרטורת זרימה קבוע על פני כל הפרש טמפרטורת זרימה קבועה. בין הצמדים התרמיים המוטבעים בתוך הכור לאלו המוטבעים בתוך לוחית החימום של שבב FlowSyn. הדבר מושג על ידי שינוי טמפרטורת הפלטה הניתנת לתכנות בין 100 ל-150 מעלות צלזיוס במרווחים של 25 מעלות צלזיוס וציון הבדלים כלשהם בין הטמפרטורות המתוכנתות והרשומות. הדבר הושג באמצעות תוכנת tc-Log, UK, Cambridge, UK ו-Cambridge.
תנאי התגובה של cycloaddition של phenylacetylene ו-iodoethane עברו אופטימיזציה (Scheme 1- Cycloaddition of phenylacetylene and iodoethane Scheme 1- Cycloaddition of phenylacetylene and iodoethane). 1:2.
הוכנו תמיסות נפרדות של אזיד נתרן (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), יודואתאן (0.25 M, DMF) ופנילאצטילן (0.125 M, DMF). מנה של 1.5 מ"ל מכל תמיסה עורבבה ושואבה דרך הכור ונלקחה בקצב הזרימה הרצוי של מוצר הזרימה הרצוי. חומר מוצא אתילן ונקבע על ידי כרומטוגרפיה נוזלית בביצועים גבוהים (HPLC). לשם עקביות הניתוח, כל התגובות נדגמו 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 × 100 מ"מ בגודל, 5 מיקרומטר חלקיקי 50-50, נשמר ב-°50-methanol. קצב זרימה של 1.5 mL.min-1.נפח ההזרקה היה 5 μL ואורך הגל של הגלאי היה 254 ננומטר. אחוז שטח השיא של דגימת ה-DOE חושב משטחי השיא של שאריות מוצרי האלקין והטריאזול בלבד. הזרקת חומר מוצא מאפשרת זיהוי פסגות רלוונטיות.
צימוד פלט ניתוח הכור לתוכנת MODDE DOE (Umetrics, Malmö, שוודיה) אפשר ניתוח יסודי של מגמות תוצאות וקביעת תנאי תגובה אופטימליים עבור cycloaddition זה. הפעלת האופטימיזציה המובנית ובחירת כל מונחי המודל החשובים מניבה סט של תנאי תגובה שנועדו למקסם את שטח שיא המוצר תוך הפחתת שטח השיא של חומר המוצא לאצטילן.
החמצון של נחושת פני השטח בתוך תא התגובה הקטליטי הושג באמצעות תמיסה של מי חמצן (36%) שזורמת דרך תא התגובה (קצב זרימה = 0.4 מ"ל min-1, זמן שהייה = 2.5 דקות) לפני הסינתזה של כל ספריית תרכובת טריאזול.
לאחר שזוהתה מערכת תנאים אופטימלית, הם יושמו על מגוון של נגזרות של אצטילן והלואלקן כדי לאפשר הידור של סינתזה של ספרייה קטנה, ובכך לבסס את היכולת ליישם תנאים אלה על מגוון רחב יותר של ריאגנטים פוטנציאליים (איור 1).2).
הכן תמיסות נפרדות של נתרן אזיד (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), הלואלקנים (0.25 M, DMF) ואלקנים (0.125 M, DMF). מנתחים של 3 מ"ל של כל תמיסה עורבבו ונשאבו דרך הכור ב-75 µL.min-1 ו-15 מ"ל הכולל נפח דילול ו-10 מ"ל. של אתיל אצטט. תמיסה המדגם נשטפה עם 3 × 10 מ"ל מים. השכבות המימיות שולבו וחולצו עם 10 מ"ל אתיל אצטט;השכבות האורגניות שולבו לאחר מכן, נשטפו עם 3 x 10 מ"ל של מי מלח, יובשו מעל MgSO4 וסוננו, ואז הממס הוסר בוואקום. הדגימות טוהרו על ידי כרומטוגרפיה עמודה על סיליקה ג'ל באמצעות אתיל אצטט לפני אנליזה על ידי שילוב של HPLC,1H NMR,13C NMR ו-HRMS ברזולוציה גבוהה.
כל הספקטרום נרכשו באמצעות ספקטרומטר מסה ברזולוציית Thermofischer דיוק Orbitrap עם ESI כמקור היינון. כל הדגימות הוכנו באמצעות אצטוניטריל כממס.
ניתוח TLC בוצע על צלחות סיליקה מגובות אלומיניום. הלוחות הוצגו על ידי 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 בתנור עמודים וגלאי אורך גל בודד. העמודה שבה נעשה שימוש הייתה ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4.6 מ"מ, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Scotland).
הזרקות (5 μL) בוצעו ישירות מתערובת תגובה גולמית מדוללת (דילול 1:10) ונותחו עם מים:מתנול (50:50 או 70:30), למעט כמה דגימות באמצעות מערכת הממסים 70:30 (מסומנת כמספר כוכב) בקצב זרימה של 1.5 מ"ל/דקה. העמודה נשמרה ב-waven 40m.
אחוז שטח השיא של הדגימה חושב משטח השיא של האלקין השיורי, רק תוצר הטריאזול, והזרקת חומר המוצא אפשרה את זיהוי הפסגות הרלוונטיות.
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 בתמיסת 5% DMF ו-2% HNO3, וכל הדגימות דוללו פי 20-HNO3 בתמיסת DMF.
UAM משתמשת בריתוך מתכת אולטרסאונד כטכניקת מליטה עבור חומר רדיד המתכת המשמש לבניית המכלול הסופי. ריתוך מתכת אולטראסאוני משתמש בכלי מתכת רוטט (הנקרא קרן או קרן קולית) כדי להפעיל לחץ על שכבת נייר הכסף/שכבה מאוחדת בעבר שיש להדביק תוך כדי רטט של החומר. עבור פעולה רציפה, השטח הסונוטרודי של החומר והרטט הוא כל הלחץ על פני השטח והרוטט. יון מוחלים, התחמוצות על פני החומר עלולות להיסדק. לחץ ורטט מתמשכים עלולים לגרום לקריסות של החומר לקרוס 36. מגע אינטימי עם חום ולחץ המושרים מקומיים מוביל לאחר מכן לחיבור במצב מוצק בממשקי החומר;זה יכול גם לסייע בהדבקה באמצעות שינויים באנרגיית פני השטח48. אופיו של מנגנון ההדבקה מתגבר על רבות מהבעיות הקשורות לטמפרטורת ההיתוך המשתנה ותופעות לוואי של טמפרטורות גבוהות המוזכרות בטכניקות אחרות של ייצור תוספים. הדבר מאפשר הדבקה ישירה (כלומר, ללא שינוי פני השטח, חומרי מילוי או דבקים) של מספר רב של שכבות של חומרים שונים למבנה אחד מאוחד.
גורם חיובי שני עבור UAM הוא הדרגה הגבוהה של זרימת פלסטית הנצפית בחומרים מתכתיים, אפילו בטמפרטורות נמוכות, כלומר הרבה מתחת לנקודת ההיתוך של חומרים מתכתיים. השילוב של תנודה קולית ולחץ גורם לרמות גבוהות של נדידת גבול גרגר מקומית והתגבשות מחדש ללא עליית הטמפרטורה הגדולה הקשורה באופן מסורתי לחומרים בתפזורת. במהלך בניית השכבה הפסיבית של הרכיבים הפעילים של המתכת, ניתן לנצל את הרכיבים הפעילים של ההרכבה הסופית. נייר כסף, שכבה אחר שכבה. אלמנטים כגון סיבים אופטיים 49, חיזוקים 46, אלקטרוניקה 50 וצמדים תרמיים (עבודה זו) כולם הוטמעו בהצלחה במבני UAM כדי ליצור מכלולים מרוכבים אקטיביים ופסיביים.
בעבודה זו, נעשה שימוש באפשרויות החיבור והאינטרקלציה השונות של UAM ליצירת המיקרו-כור האולטימטיבי לניטור טמפרטורה קטליטי.
בהשוואה לפלדיום (Pd) וזרזי מתכת נפוץ אחרים, לקטליזה של Cu יש מספר יתרונות: (i) מבחינה כלכלית, Cu זולה יותר מהרבה מתכות אחרות המשמשות בקטליזה ולכן היא אופציה אטרקטיבית עבור תעשיית העיבוד הכימי. תגובות מנותחות פועלות היטב בהיעדר ליגנדים אחרים, ליגנדים אלו הם לרוב פשוטים מבחינה מבנית וזולים אם רוצים, בעוד שאלו המשמשים בכימיה של Pd הם לרוב מורכבים, יקרים ורגישים לאוויר (iv) Cu, ידוע במיוחד ביכולתו לקשור אלקינים בסינתזה, לדוגמה, ציקלודיות מזורזות עם סונוגאזיוויצ'יסטיות (ציקלודזיזיד) מזורזות עם ציקלו-כימיה. הוא גם מסוגל לקדם את הארילציה של מספר נוקלאופילים בתגובות מסוג אולמן.
דוגמאות להטרוגניזציה של כל התגובות הללו הוכחו לאחרונה בנוכחות Cu(0). הדבר נובע בעיקר מתעשיית התרופות וההתמקדות הגוברת בשחזור זרז מתכת ושימוש חוזר55,56.
חלוצה על ידי Huisgen בשנות ה-6057, תגובת ציקלואדדיציית 1,3 דו-קוטבית בין אצטילן ואזיד ל-1,2,3-טריאזול נחשבת לתגובת הדגמה סינרגיסטית. חלקי הטריאזול 1,2,3 המתקבלים מעוררים עניין מיוחד כפרמקפורה בתחום של יישומים תרופתיים ושימושים ביולוגיים שונים שלהם.
תגובה זו הגיעה שוב למוקד כאשר Sharpless ואחרים הציגו את המושג "כימיה של קליק" 59. המונח "כימיה של קליק" משמש לתיאור מערך חזק, אמין וסלקטיבי של תגובות לסינתזה מהירה של תרכובות חדשות וספריות קומבינטוריות באמצעות קישור הטרואטומי (CXC)60 המשיכה הסינתטית של התגובות הפשוטות שלהן ותגובת החמצן, נובעת מהתגובה הפשוטה של ​​התגובות וההפרדה שלהם עם חמצן. הוא פשוט61.
ה-Huisgen 1,3-dipole cycloaddition הקלאסית אינה שייכת לקטגוריה של "כימיה של קליקים". עם זאת, Medal and Sharpless הדגימו כי אירוע צימוד אזיד-אלקין זה עובר 107 עד 108 בנוכחות Cu(I) בהשוואה למנגנון 1,3-dipolar uncatalyzed 1,3-dipolar cycloaddition מגן זה לא משפר קבוצות תגובת האצה משמעותית של cycloaddiction זה. sh תנאי תגובה ותשואות כמעט המרה מלאה וסלקטיביות ל-1,4-dissubstituted 1,2,3-triazoles (אנטי-1,2,3-triazole) בסולם זמן (איור 3).
תוצאות איזומטריות של תוספות ציקלו של Huisgen קונבנציונליות וזרזות נחושת. תוספות ציקלו של Huisgen מזורזות ב-Cu(I) מניבות רק 1,4-לא-חולפים 1,2,3-טריאזולים, בעוד שציקלו-תוספות של Huisgen המושרה תרמית מניבות בדרך כלל 1,54-1 תערובת של 1,54- ו-1.
רוב הפרוטוקולים כוללים הפחתת מקורות Cu(II) יציבים, כגון הפחתת מיני CuSO4 או Cu(II)/Cu(0) בשילוב עם מלחי נתרן. בהשוואה לתגובות אחרות מזורזות מתכת, לשימוש ב-Cu(I) יש את היתרונות העיקריים של היותו זול וקל לטיפול.
מחקרי תיוג קינטי ואיזוטופיים על ידי Worrell et al.65 הראה שבמקרה של אלקינים סופניים, שתי מקבילות של נחושת מעורבות בהפעלת התגובתיות של כל מולקולה כלפי אזיד. המנגנון המוצע ממשיך באמצעות טבעת מתכת נחושת בעלת שישה איברים שנוצרת על ידי תיאום של אזיד לנחושת אצטיליד קשור ל-σ עם נחושת קשורה ל-π כתורמת טבעת יציבה ליגנדה, מלווה ב-Triazolylinked תורם יציב. פירוק פרוטונים כדי לספק מוצרי טריאזול ולסגור את המחזור הקטליטי.
בעוד היתרונות של התקני כימיה של זרימה מתועדים היטב, היה רצון לשלב כלים אנליטיים במערכות אלו לניטור תהליכים בתוך-ליין, באתרו66,67.UAM הוכיחה את עצמה כשיטה מתאימה לתכנון וייצור כורי זרימה תלת-ממדיים מורכבים ביותר העשויים מחומרים פעילים קטליטית, מוליכים תרמית עם אלמנטים מוטבעים ישירות (Fiegur).
כור זרימת אלומיניום-נחושת מיוצר על ידי ייצור תוסף קולי (UAM) עם מבנה ערוץ פנימי מורכב, צמדים תרמיים מוטבעים ותא תגובה קטליטי. כדי לדמיין מסלולי נוזל פנימיים, מוצג גם אב טיפוס שקוף המיוצר באמצעות סטריאוליטוגרפיה.
כדי להבטיח שהכורים ייוצרו לתגובות אורגניות עתידיות, יש לחמם את הממיסים בבטחה מעל נקודת הרתיחה;הם נבדקו בלחץ ובטמפרטורה. בדיקת הלחץ הראתה שהמערכת שומרת על לחץ יציב וקבוע גם עם לחץ מערכת מוגבר (1.7 MPa). הבדיקה ההידרוסטטית בוצעה בטמפרטורת החדר תוך שימוש ב-H2O כנוזל.
חיבור הצמד התרמי המוטבע (איור 1) ללוגר נתוני הטמפרטורה הראה שהצמד התרמי היה קריר ב-6 מעלות צלזיוס (± 1 מעלות צלזיוס) מהטמפרטורה המתוכנתת במערכת FlowSyn. בדרך כלל, עלייה של 10 מעלות צלזיוס בטמפרטורה גורמת להכפלת קצב התגובה, כך שהפרש טמפרטורה של כמה מעלות בלבד יכול לשנות משמעותית את קצב התגובה של הגוף. דיפוזיות לקויה של החומרים המשמשים בתהליך הייצור. סחיפה תרמית זו עקבית ולפיכך ניתן לתאר אותה במערך הציוד כדי להבטיח הגעה וטמפרטורות מדויקות במהלך התגובה. לכן, כלי ניטור מקוון זה מאפשר שליטה הדוקה על טמפרטורת התגובה ומאפשר אופטימיזציה מדויקת יותר של תהליך ופיתוח תנאים אופטימליים. חיישנים אלה יכולים לשמש גם כדי למנוע מערכות תגובה בקנה מידה גדול ולזהות מערכות תגובה בקנה מידה גדול.
הכור המוצג בעבודה זו 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 המדווחות הקשורות לעיבוד נחושת או סגסוגת אלומיניום (ii) שיפור רזולוציית ערוצים פנימיים בהשוואה לטכניקות התכה של חומרי לייזר במיטת אבקה (PBM9) וטכניקות להיתוך חומרי לייזר סלקטיביים (PBM9). 26 (iii) טמפרטורת עיבוד מופחתת, המאפשרת חיבור ישיר של חיישנים, דבר שאינו אפשרי בטכנולוגיית מיטת אבקה, (v) מתגבר על תכונות מכניות גרועות ורגישות של רכיבים מבוססי פולימר למגוון ממסים אורגניים נפוצים17,19.
הפונקציונליות של הכור הוכחה על ידי סדרה של תגובות אלקין אזיד מזורזות נחושת בתנאי זרימה רציפה (איור 2). כור הנחושת המודפס על-קולית המפורט באיור 4 שולב עם מערכת זרימה מסחרית ושימש לסינתזה של אזידי ספרייה של 1,4-1-2-די-אלקיל וטמפרטורה שונים של ריאקציית 1,4-1-disubstituted ו-acetylene. קבוצות הלידים בנוכחות נתרן כלורי (איור 3). השימוש בגישת זרימה מתמשכת מפחית את חששות הבטיחות שעלולים להתעורר בתהליכים אצווה, שכן תגובה זו מייצרת תוצרי ביניים אזידים תגובתיים ומסוכנים מאוד [317], [318]. בתחילה, התגובה עברה אופטימיזציה להוספה של cycloaddition של cyclodolacetylen ו- cydolacetylene 1 אתילן ויודואתן) ​​(ראה איור 5).
(למעלה משמאל) סכימה של ההתקנה המשמשת לשילוב הכור 3DP במערכת הזרימה (מימין למעלה) שהתקבלה בסכימה האופטימלית (התחתית) של סכימת Huisgen cycloaddition 57 בין פנילאצטילן ליודואתאן לצורך אופטימיזציה והצגה של שיעור המרת התגובה של הפרמטרים האופטימליים.
על ידי שליטה בזמן השהייה של הריאגנטים בחלק הקטליטי של הכור וניטור צמוד של טמפרטורת התגובה עם בדיקה משולבת ישירות של צמד תרמי, ניתן לבצע אופטימיזציה מהירה ומדויקת של תנאי התגובה במינימום זמן וצריכת חומר. מהר מאוד נקבע שההמרות הגבוהות ביותר התקבלו כאשר זמן שהייה של 15 דקות וטמפרטורת תגובה של 150 מעלות צלזיוס היו יעילים, בין התוכנה ל-MOD. טמפרטורת התגובה נחשבת למונחי מודל חשובים. הפעלת האופטימיזציה המובנית תוך שימוש במונחים נבחרים אלה מייצרת קבוצה של תנאי תגובה שנועדו למקסם את שטחי השיא של המוצר תוך הפחתת שטחי השיא של חומר המוצא. אופטימיזציה זו הניבה המרה של 53% של מוצר הטריאזול, שתאם באופן הדוק את חיזוי המודל של 54%.
בהתבסס על הספרות המראה כי תחמוצת נחושת(I) (Cu2O) יכולה לפעול כמין קטליטי יעיל על משטחי נחושת אפס ערכיים בתגובות אלו, נחקרה היכולת לחמצן מראש את פני הכור לפני ביצוע התגובה בזרימה70,71. התגובה בין פנילאצטילן ליודאתאן נצפתה שוב בתנאים אופטימליים ולאחר מכן נצפתה הכנה זו בתנאים אופטימליים. עלייה משמעותית בהמרה של חומר המוצא, שחושב ל->99%. עם זאת, ניטור ע"י HPLC הראה שהמרה זו הפחיתה באופן משמעותי את זמן התגובה הממושך עד כ-90 דקות, ולאחר מכן נראה היה שהפעילות מתייצבת ומגיעה ל"מצב יציב". תצפית זו מרמזת שמקור הפעילות הקטליטית מתקבל בטמפרטורת המתכת האפסית של הנחושת, במקום תחמוצת הנחושת המתכת-חמצנית. יוצרים CuO ו-Cu2O שאינן שכבות מגנות מעצמן. זה מבטל את הצורך להוסיף מקור נחושת עזר(II) לקומפוזיציה משותפת71.