გმადლობთ, რომ ეწვიეთ Nature.com-ს. თქვენს მიერ გამოყენებულ ბრაუზერის ვერსიას CSS-ის შეზღუდული მხარდაჭერა აქვს. საუკეთესო გამოცდილებისთვის გირჩევთ გამოიყენოთ განახლებული ბრაუზერი (ან გამორთოთ თავსებადობის რეჟიმი Internet Explorer-ში). ამასობაში, მხარდაჭერის უწყვეტი უზრუნველყოფის მიზნით, საიტს სტილებისა და JavaScript-ის გარეშე ვაჩვენებთ.
კარუსელი, რომელიც ერთდროულად სამ სლაიდს აჩვენებს. გამოიყენეთ წინა და შემდეგი ღილაკები ერთდროულად სამ სლაიდში გადასაადგილებლად, ან ბოლოში არსებული სლაიდერის ღილაკები ერთდროულად სამ სლაიდში გადასაადგილებლად.
დანამატური წარმოება ცვლის მკვლევარებისა და მრეწველების მიერ ქიმიური მოწყობილობების დიზაინისა და წარმოების მეთოდს მათი კონკრეტული საჭიროებების დასაკმაყოფილებლად. ამ ნაშრომში ჩვენ წარმოგიდგენთ ნაკადის რეაქტორის პირველ მაგალითს, რომელიც ჩამოყალიბებულია მყარი ლითონის ფურცლის ულტრაბგერითი დანამატური წარმოების (UAM) ლამინირებით პირდაპირ ინტეგრირებული კატალიზური ნაწილებითა და სენსორული ელემენტებით. UAM ტექნოლოგია არა მხოლოდ გადალახავს ქიმიური რეაქტორების დანამატურ წარმოებასთან ამჟამად დაკავშირებული მრავალი შეზღუდვის ნაწილს, არამედ მნიშვნელოვნად აფართოებს ასეთი მოწყობილობების შესაძლებლობებს. ბიოლოგიურად მნიშვნელოვანი 1,4-დისუბსტიტუირებული 1,2,3-ტრიაზოლის ნაერთების რაოდენობა წარმატებით სინთეზირდა და ოპტიმიზირებული იქნა Cu-განპირობებული 1,3-დიპოლარული Huisgen ციკლოდამატების რეაქციით UAM ქიმიური ობიექტის გამოყენებით. UAM-ის უნიკალური თვისებებისა და უწყვეტი ნაკადის დამუშავების გამოყენებით, მოწყობილობას შეუძლია მიმდინარე რეაქციების კატალიზაცია, ასევე რეალურ დროში უკუკავშირის მიწოდება რეაქციების მონიტორინგისა და ოპტიმიზაციისთვის.
ნაყარ ანალოგთან შედარებით მნიშვნელოვანი უპირატესობების გამო, ნაკადის ქიმია მნიშვნელოვანი და მზარდი დარგია როგორც აკადემიურ, ასევე სამრეწველო გარემოში, ქიმიური სინთეზის სელექციურობისა და ეფექტურობის გაზრდის უნარის გამო. ეს მოიცავს მარტივი ორგანული მოლეკულების1 ფორმირებას ფარმაცევტულ ნაერთებამდე2,3 და ბუნებრივ პროდუქტებამდე4,5,6. წვრილი ქიმიური და ფარმაცევტული ინდუსტრიების რეაქციების 50%-ზე მეტს შეუძლია ისარგებლოს უწყვეტი ნაკადით7.
ბოლო წლებში, იზრდება იმ ჯგუფების ტენდენცია, რომლებიც ცდილობენ ტრადიციული მინის ჭურჭლის ან ნაკადის ქიმიის აღჭურვილობის შეცვლას ადაპტირებადი ქიმიური „რეაქტორებით“8. ამ მეთოდების განმეორებითი დიზაინი, სწრაფი წარმოება და სამგანზომილებიანი (3D) შესაძლებლობები სასარგებლოა მათთვის, ვისაც სურს თავისი მოწყობილობების მორგება რეაქციების, მოწყობილობების ან პირობების კონკრეტული ნაკრებისთვის. დღემდე, ეს ნაშრომი თითქმის ექსკლუზიურად ფოკუსირებულია პოლიმერებზე დაფუძნებული 3D ბეჭდვის ტექნიკის გამოყენებაზე, როგორიცაა სტერეოლითოგრაფია (SL)9,10,11, შედუღებული დეპონირების მოდელირება (FDM)8,12,13,14 და ჭავლური ბეჭდვა7,15. , 16. ასეთი მოწყობილობების საიმედოობისა და ქიმიური რეაქციების/ანალიზების ფართო სპექტრის შესრულების უნარის ნაკლებობა17, 18, 19, 20 წარმოადგენს მთავარ შემზღუდველ ფაქტორს ამ სფეროში AM-ის უფრო ფართო გამოყენებისთვის17, 18, 19, 20.
ნაკადის ქიმიის მზარდი გამოყენებისა და AM-თან დაკავშირებული ხელსაყრელი თვისებების გამო, საჭიროა უკეთესი ტექნიკის შესწავლა, რაც მომხმარებლებს საშუალებას მისცემს შექმნან ნაკადის რეაქციის ჭურჭელი გაუმჯობესებული ქიმიური და ანალიტიკური შესაძლებლობებით. ეს მეთოდები მომხმარებლებს საშუალებას მისცემს აირჩიონ მაღალი სიმტკიცის ან ფუნქციური მასალების ფართო სპექტრიდან, რომლებიც შეიძლება მუშაობდნენ რეაქციის ფართო სპექტრში, ასევე ხელს შეუწყობს მოწყობილობიდან ანალიტიკური გამომავალი მონაცემების სხვადასხვა ფორმას, რათა შესაძლებელი იყოს რეაქციის მონიტორინგი და კონტროლი.
ერთ-ერთი დანამატური წარმოების პროცესი, რომლის გამოყენებაც შესაძლებელია ქიმიური რეაქტორების შემუშავებისთვის, არის ულტრაბგერითი დანამატური წარმოება (UAM). მყარი მდგომარეობის ფურცლის ლამინირების ეს მეთოდი იყენებს ულტრაბგერით ვიბრაციებს თხელ ლითონის ფოლგებზე, რათა ისინი ერთმანეთთან ფენა-ფენა შეერთდეს მინიმალური მოცულობითი გათბობით და მაღალი ხარისხის პლასტიკური ნაკადით 21, 22, 23. სხვა AM ტექნოლოგიების უმეტესობისგან განსხვავებით, UAM შეიძლება პირდაპირ ინტეგრირებული იყოს სუბტრაქციულ წარმოებასთან, რომელიც ცნობილია როგორც ჰიბრიდული წარმოების პროცესი, რომლის დროსაც პერიოდული ადგილზე რიცხვითი კონტროლი (CNC) ფრეზირება ან ლაზერული დამუშავება განსაზღვრავს შეკავშირებული მასალის ფენის წმინდა ფორმას 24, 25. ეს ნიშნავს, რომ მომხმარებელი არ შემოიფარგლება მხოლოდ მცირე თხევადი არხებიდან ნარჩენი ორიგინალური სამშენებლო მასალის მოცილებასთან დაკავშირებული პრობლემებით, რაც ხშირად ხდება ფხვნილისა და თხევადი სისტემების შემთხვევაში AM26,27,28. დიზაინის ეს თავისუფლება ასევე ვრცელდება ხელმისაწვდომი მასალების არჩევანზე - UAM-ს შეუძლია თერმულად მსგავსი და განსხვავებული მასალების კომბინაციების შეერთება ერთი პროცესის ეტაპზე. დნობის პროცესის მიღმა მასალების კომბინაციების არჩევანი ნიშნავს, რომ კონკრეტული აპლიკაციების მექანიკური და ქიმიური მოთხოვნები უკეთესად დაკმაყოფილდება. მყარი შეკავშირების გარდა, ულტრაბგერითი შეკავშირების დროს კიდევ ერთი ფენომენი არის პლასტიკური მასალების მაღალი სითხეობა შედარებით დაბალ ტემპერატურაზე29,30,31,32,33. UAM-ის ეს უნიკალური თვისება საშუალებას იძლევა მექანიკური/თერმული ელემენტები განთავსდეს ლითონის ფენებს შორის დაზიანების გარეშე. ჩაშენებული UAM სენსორები ხელს უწყობენ მოწყობილობიდან მომხმარებლისთვის რეალურ დროში ინფორმაციის მიწოდებას ინტეგრირებული ანალიტიკის საშუალებით.
ავტორების მიერ ჩატარებულმა წინა ნაშრომებმა32 აჩვენა UAM პროცესის შესაძლებლობა, შექმნას მეტალის 3D მიკროფლუიდური სტრუქტურები ჩაშენებული სენსორული შესაძლებლობებით. ეს მოწყობილობა მხოლოდ მონიტორინგის მიზნებისთვისაა. ეს სტატია წარმოადგენს UAM-ის მიერ წარმოებული მიკროფლუიდური ქიმიური რეაქტორის პირველ მაგალითს, აქტიურ მოწყობილობას, რომელიც არა მხოლოდ აკონტროლებს, არამედ იწვევს ქიმიურ სინთეზს სტრუქტურულად ინტეგრირებული კატალიზური მასალებით. მოწყობილობა აერთიანებს UAM ტექნოლოგიასთან დაკავშირებულ რამდენიმე უპირატესობას 3D ქიმიური მოწყობილობების წარმოებაში, როგორიცაა: სრული 3D დიზაინის პირდაპირ კომპიუტერული დიზაინის (CAD) მოდელიდან პროდუქტად გარდაქმნის შესაძლებლობა; მრავალმასალაიანი დამზადება მაღალი თბოგამტარობისა და კატალიზური მასალების კომბინაციისთვის, ასევე თერმული სენსორები, რომლებიც ჩაშენებულია პირდაპირ რეაქტანტთა ნაკადებს შორის რეაქციის ტემპერატურის ზუსტი კონტროლისა და მართვისთვის. რეაქტორის ფუნქციონალურობის დემონსტრირებისთვის, ფარმაცევტულად მნიშვნელოვანი 1,4-დისუბსტიტუირებული 1,2,3-ტრიაზოლის ნაერთების ბიბლიოთეკა სინთეზირებული იქნა სპილენძით კატალიზირებული 1,3-დიპოლარული Huisgen ციკლოდამატებით. ეს ნაშრომი ხაზს უსვამს, თუ როგორ შეუძლია მასალათმცოდნეობისა და კომპიუტერული დიზაინის გამოყენებას ქიმიისთვის ახალი შესაძლებლობებისა და შესაძლებლობების გახსნა ინტერდისციპლინარული კვლევის გზით.
ყველა გამხსნელი და რეაგენტი შეძენილი იქნა Sigma-Aldrich-ისგან, Alfa Aesar-ისგან, TCI-სგან ან Fischer Scientific-ისგან და გამოყენებული იქნა წინასწარი გაწმენდის გარეშე. 1H და 13C NMR სპექტრები, რომლებიც ჩაწერილია შესაბამისად 400 და 100 MHz სიხშირეზე, მიღებული იქნა JEOL ECS-400 400 MHz სპექტრომეტრზე ან Bruker Avance II 400 MHz სპექტრომეტრზე, გამხსნელად CDCl3-ის ან (CD3)2SO4-ის გამოყენებით. ყველა რეაქცია ჩატარდა Uniqsis FlowSyn ნაკადის ქიმიის პლატფორმის გამოყენებით.
კვლევაში წარმოდგენილი ყველა მოწყობილობის დასამზადებლად გამოყენებული იქნა UAM. ტექნოლოგია გამოიგონეს 1999 წელს და მისი ტექნიკური დეტალები, ოპერაციული პარამეტრები და გამოგონების შემდგომი განვითარება შესაძლებელია შემდეგი გამოქვეყნებული მასალების გამოყენებით34,35,36,37. მოწყობილობა (სურ. 1) დანერგილი იქნა მძიმე დატვირთვის 9 კვტ სიმძლავრის SonicLayer 4000® UAM სისტემის გამოყენებით (Fabrisonic, ოჰაიო, აშშ). ნაკადის მოწყობილობისთვის შერჩეული მასალები იყო Cu-110 და Al 6061. Cu-110-ს აქვს სპილენძის მაღალი შემცველობა (მინიმუმ 99.9% სპილენძი), რაც მას კარგ კანდიდატად აქცევს სპილენძით კატალიზებული რეაქციებისთვის და ამიტომ გამოიყენება როგორც „აქტიური ფენა მიკრორეაქტორში“. Al 6061O გამოიყენება როგორც „ნაყარი“ მასალა. , ასევე ანალიზისთვის გამოყენებული ინტერკალაციური ფენა; დამხმარე შენადნობის კომპონენტების ინტერკალაცია და გახურებული მდგომარეობა Cu-110 ფენასთან კომბინაციაში. აღმოჩნდა, რომ ქიმიურად სტაბილურია ამ ნაშრომში გამოყენებულ რეაგენტებთან. Al 6061O Cu-110-თან კომბინაციაში ასევე ითვლება UAM-ისთვის თავსებად მასალათა კომბინაციად და შესაბამისად, წარმოადგენს შესაფერის მასალას ამ კვლევისთვის38,42. ეს მოწყობილობები ჩამოთვლილია ქვემოთ მოცემულ ცხრილში 1.
რეაქტორის დამზადების ეტაპები (1) 6061 ალუმინის შენადნობის სუბსტრატი (2) ქვედა არხის დამზადება სპილენძის ფოლგისგან (3) თერმოწყვილების ჩასმა ფენებს შორის (4) ზედა არხი (5) შესასვლელი და გამოსასვლელი (6) მონოლითური რეაქტორი.
სითხის არხის დიზაინის ფილოსოფია გულისხმობს დაკლაკნილი გზის გამოყენებას ჩიპში სითხის მიერ გავლილი მანძილის გასაზრდელად, ჩიპის მართვადი ზომის შენარჩუნებით. მანძილის ეს ზრდა სასურველია კატალიზატორ-რეაქტანტის კონტაქტის დროის გასაზრდელად და პროდუქტის შესანიშნავი მოსავლიანობის უზრუნველსაყოფად. ჩიპები იყენებენ 90°-იან მოხრილობას სწორი გზის ბოლოებში, რათა გამოიწვიონ ტურბულენტური შერევა მოწყობილობაში44 და გაზარდონ სითხის კონტაქტის დრო ზედაპირთან (კატალიზატორთან). მიღწეული შერევის კიდევ უფრო გასაუმჯობესებლად, რეაქტორის დიზაინი მოიცავს რეაქტიანტის ორ შესასვლელს, რომლებიც გაერთიანებულია Y-შეერთებით, შემრევი ხვეულის განყოფილებაში შესვლამდე. მესამე შესასვლელი, რომელიც კვეთს ნაკადს მისი რეზიდენციის ნახევარზე, შედის მომავალი მრავალსაფეხურიანი სინთეზის რეაქციების გეგმაში.
ყველა არხს აქვს კვადრატული პროფილი (კონუსური კუთხეების გარეშე), რაც არხის გეომეტრიის შესაქმნელად გამოყენებული პერიოდული CNC ფრეზირების შედეგია. არხის ზომები შერჩეულია მაღალი (მიკრორეაქტორისთვის) მოცულობითი გამოსავლის უზრუნველსაყოფად, თუმცა საკმარისად მცირე, რათა ხელი შეუწყოს ზედაპირთან (კატალიზატორებთან) ურთიერთქმედებას მასში შემავალი სითხეების უმეტესობისთვის. შესაბამისი ზომა ეფუძნება ავტორების წარსულ გამოცდილებას ლითონ-სითხე რეაქციის მოწყობილობებთან. საბოლოო არხის შიდა ზომები იყო 750 µm x 750 µm, ხოლო რეაქტორის საერთო მოცულობა - 1 მლ. დიზაინში შედის ჩაშენებული კონექტორი (1/4″-28 UNF ხრახნი), რათა მოწყობილობა მარტივად დაუკავშირდეს კომერციულ ნაკადის ქიმიის აღჭურვილობას. არხის ზომა შეზღუდულია ფოლგის მასალის სისქით, მისი მექანიკური თვისებებით და ულტრაბგერით გამოყენებული შემაკავშირებელი პარამეტრებით. მოცემული მასალისთვის გარკვეული სიგანის შემთხვევაში, მასალა „ჩაეშვება“ შექმნილ არხში. ამჟამად ამ გაანგარიშებისთვის კონკრეტული მოდელი არ არსებობს, ამიტომ მოცემული მასალისა და დიზაინის მაქსიმალური არხის სიგანე განისაზღვრება ექსპერიმენტულად, ამ შემთხვევაში 750 µm სიგანე არ გამოიწვევს ჩამოხრას.
არხის ფორმა (კვადრატული) განისაზღვრება კვადრატული საჭრელის გამოყენებით. არხების ფორმისა და ზომის შეცვლა შესაძლებელია CNC დანადგარებზე სხვადასხვა საჭრელი ხელსაწყოების გამოყენებით, სხვადასხვა ნაკადის სიჩქარისა და მახასიათებლების მისაღებად. 125 µm ხელსაწყოთი მოხრილი არხის შექმნის მაგალითი შეგიძლიათ იხილოთ Monaghan45-ში. როდესაც ფოლგის ფენა ბრტყლად არის დატანილი, ფოლგის მასალის არხებზე დატანას ექნება ბრტყელი (კვადრატული) ზედაპირი. ამ ნაშრომში არხის სიმეტრიის შესანარჩუნებლად გამოყენებული იქნა კვადრატული კონტური.
წარმოებაში დაპროგრამებული პაუზის დროს, თერმოწყვილების ტემპერატურის სენსორები (ტიპი K) პირდაპირ მოწყობილობაში ჩაშენებულია ზედა და ქვედა არხის ჯგუფებს შორის (სურ. 1 – ეტაპი 3). ამ თერმოწყვილებს შეუძლიათ ტემპერატურის ცვლილებების კონტროლი -200-დან 1350 °C-მდე.
ლითონის დალექვის პროცესი ხორციელდება UAM რქის მეშვეობით, 25.4 მმ სიგანისა და 150 მიკრონის სისქის ლითონის ფოლგის გამოყენებით. ფოლგის ეს ფენები ერთმანეთთან დაკავშირებულია მიმდებარე ზოლების სერიად, რათა დაფაროს მთელი აწყობის არეალი; დალექილი მასალის ზომა უფრო დიდია, ვიდრე საბოლოო პროდუქტი, რადგან გამოკლების პროცესი ქმნის საბოლოო სუფთა ფორმას. აღჭურვილობის გარე და შიდა კონტურების დასამუშავებლად გამოიყენება CNC დამუშავება, რის შედეგადაც აღჭურვილობისა და არხების ზედაპირის დასრულება ხდება შერჩეული ხელსაწყოსა და CNC პროცესის პარამეტრების შესაბამისად (ამ მაგალითში, დაახლოებით 1.6 µm Ra). მოწყობილობის წარმოების მთელი პროცესის განმავლობაში გამოიყენება უწყვეტი, უწყვეტი ულტრაბგერითი მასალის შესხურებისა და დამუშავების ციკლები, რათა უზრუნველყოფილი იყოს განზომილებიანი სიზუსტის შენარჩუნება და დასრულებული ნაწილი აკმაყოფილებდეს CNC წვრილი დაფქვის სიზუსტის დონეს. ამ მოწყობილობისთვის გამოყენებული არხის სიგანე საკმარისად მცირეა იმისათვის, რომ ფოლგის მასალა არ „ჩაიწიოს“ სითხის არხში, ამიტომ არხს აქვს კვადრატული განივი კვეთა. ფოლგის მასალაში შესაძლო ხარვეზები და UAM პროცესის პარამეტრები ექსპერიმენტულად განისაზღვრა მწარმოებელი პარტნიორის (Fabrisonic LLC, აშშ) მიერ.
კვლევებმა აჩვენა, რომ UAM ნაერთის ინტერფეისზე 46, 47 ელემენტების დიფუზია დამატებითი თერმული დამუშავების გარეშე მცირეა, ამიტომ ამ ნაშრომში გამოყენებული მოწყობილობებისთვის Cu-110 ფენა განსხვავდება Al 6061 ფენისგან და მკვეთრად იცვლება.
რეაქტორის ქვემოთ 250 psi (1724 კპა) წნევაზე დაამონტაჟეთ წინასწარ დაკალიბრებული უკუწნევის რეგულატორი (BPR) და რეაქტორში წყალი გადატუმბეთ 0.1-დან 1 მლ/წთ-1-მდე სიჩქარით. რეაქტორის წნევა კონტროლდებოდა სისტემაში ჩაშენებული FlowSyn წნევის გადამყვანის გამოყენებით, რათა უზრუნველყოფილიყო სისტემის მიერ მუდმივი სტაბილური წნევის შენარჩუნება. ნაკადის რეაქტორში პოტენციური ტემპერატურის გრადიენტები შემოწმდა რეაქტორში ჩაშენებულ თერმოწყვილებსა და FlowSyn ჩიპის გამათბობელ ფირფიტაში ჩაშენებულ თერმოწყვილებს შორის ნებისმიერი განსხვავების აღმოჩენით. ეს მიიღწევა დაპროგრამებული ცხელი ფილის ტემპერატურის 100-დან 150°C-მდე შეცვლით 25°C-იანი ნამატებით და დაპროგრამებულ და ჩაწერილ ტემპერატურებს შორის ნებისმიერი განსხვავების მონიტორინგით. ეს მიღწეული იქნა tc-08 მონაცემთა ლოგერის (PicoTech, კემბრიჯი, დიდი ბრიტანეთი) და თანმხლები PicoLog პროგრამული უზრუნველყოფის გამოყენებით.
ფენილაცეტილენისა და იოდოეთანის ციკლოდამატების რეაქციის პირობები ოპტიმიზირებულია (სქემა 1 - ფენილაცეტილენისა და იოდოეთანის ციკლოდამატება, სქემა 1 - ფენილაცეტილენისა და იოდოეთანის ციკლოდამატება). ეს ოპტიმიზაცია განხორციელდა ექსპერიმენტების სრული ფაქტორული დიზაინის (DOE) მიდგომის გამოყენებით, ტემპერატურისა და რეზიდენციის დროის ცვლადებად გამოყენებით, ალკინის:აზიდის თანაფარდობის 1:2-ზე დაფიქსირებით.
მომზადდა ნატრიუმის აზიდის (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), იოდოთანის (0.25 M, DMF) და ფენილაცეტილენის (0.125 M, DMF) ცალკეული ხსნარები. თითოეული ხსნარის 1.5 მლ ალიკვოტი შერეული იქნა და რეაქტორში გადაიტუმბა სასურველი ნაკადის სიჩქარითა და ტემპერატურით. მოდელის რეაქცია აღებული იყო ტრიაზოლის პროდუქტის პიკის ფართობის თანაფარდობით ფენილაცეტილენის საწყის მასალასთან და განისაზღვრა მაღალი ხარისხის თხევადი ქრომატოგრაფიის (HPLC) გამოყენებით. ანალიზის თანმიმდევრულობისთვის, ყველა რეაქცია ჩატარდა რეაქციის ნარევის რეაქტორიდან გამოსვლისთანავე. ოპტიმიზაციისთვის შერჩეული პარამეტრების დიაპაზონები ნაჩვენებია ცხრილში 2.
ყველა ნიმუში გაანალიზდა Chromaster HPLC სისტემის (VWR, PA, აშშ) გამოყენებით, რომელიც შედგება მეოთხეული ტუმბოსგან, სვეტის ღუმელისგან, ცვლადი ტალღის სიგრძის ულტრაიისფერი დეტექტორისგან და ავტოსემპლერისგან. სვეტი იყო Equivalence 5 C18 (VWR, PA, აშშ), 4.6 x 100 მმ, 5 µm ნაწილაკების ზომით, შენარჩუნებული 40°C ტემპერატურაზე. გამხსნელი იყო იზოკრატიული მეთანოლი:წყალი 50:50 თანაფარდობით 1.5 მლ·წთ-1 ნაკადის სიჩქარით. ინექციის მოცულობა იყო 5 μl და დეტექტორის ტალღის სიგრძე 254 ნმ. DOE ნიმუშისთვის პიკის ფართობის პროცენტული მაჩვენებელი გამოითვალა მხოლოდ ნარჩენი ალკინისა და ტრიაზოლის პროდუქტების პიკის ფართობიდან. საწყისი მასალის შეყვანა შესაძლებელს ხდის შესაბამისი პიკების იდენტიფიცირებას.
რეაქტორის ანალიზის შედეგების MODDE DOE პროგრამულ უზრუნველყოფასთან (Umetrics, მალმიო, შვედეთი) გაერთიანებამ შედეგების საფუძვლიანი ტენდენციის ანალიზისა და ამ ციკლოდამატებისთვის ოპტიმალური რეაქციის პირობების განსაზღვრის საშუალება მოგვცა. ჩაშენებული ოპტიმიზატორის გაშვება და ყველა მნიშვნელოვანი მოდელის ტერმინის შერჩევა ქმნის რეაქციის პირობების ერთობლიობას, რომელიც შექმნილია პროდუქტის პიკური ფართობის მაქსიმიზაციისთვის და აცეტილენის ნედლეულის პიკური ფართობის შემცირებისთვის.
კატალიზური რეაქციის კამერაში სპილენძის ზედაპირის დაჟანგვა მიღწეული იქნა წყალბადის ზეჟანგის ხსნარის (36%) გამოყენებით, რომელიც რეაქციის კამერაში გადიოდა (ნაკადის სიჩქარე = 0.4 მლ წთ-1, რეზიდენციის დრო = 2.5 წთ) თითოეული ტრიაზოლის ნაერთის სინთეზამდე. ბიბლიოთეკა.
ოპტიმალური პირობების განსაზღვრის შემდეგ, ისინი გამოყენებული იქნა აცეტილენისა და ჰალოალკანის წარმოებულების ფართო სპექტრზე, რათა შედგენილიყო მცირე სინთეზის ბიბლიოთეკა, რითაც დადგინდა ამ პირობების გამოყენების შესაძლებლობა პოტენციური რეაგენტების უფრო ფართო სპექტრზე (სურ. 1). 2).
მოამზადეთ ნატრიუმის აზიდის (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), ჰალოალკანების (0.25 M, DMF) და ალკინების (0.125 M, DMF) ცალკეული ხსნარები. თითოეული ხსნარის 3 მლ ალიკვოტები შერეული იქნა და გადატუმბეს რეაქტორში 75 µl/წთ სიჩქარით და 150°C ტემპერატურით. მთლიანი მოცულობა შეგროვდა ფლაკონში და განზავდა 10 მლ ეთილის აცეტატით. ნიმუშის ხსნარი გაირეცხა 3 x 10 მლ წყლით. წყლიანი ფენები გაერთიანდა და ექსტრაგირებული იქნა 10 მლ ეთილის აცეტატით, შემდეგ ორგანული ფენები გაერთიანდა, გაირეცხა 3×10 მლ მარილწყლით, გაშრა MgSO4-ზე და გაფილტრული იქნა, შემდეგ გამხსნელი ამოიღეს ვაკუუმში. ნიმუშები გაიწმინდა სილიციუმის გელის სვეტის ქრომატოგრაფიით ეთილის აცეტატის გამოყენებით ანალიზამდე HPLC, 1H NMR, 13C NMR და მაღალი გარჩევადობის მას-სპექტრომეტრიის (HR-MS) კომბინაციით.
ყველა სპექტრი მიღებული იქნა Thermofischer Precision Orbitrap მას-სპექტრომეტრის გამოყენებით, რომლის იონიზაციის წყაროც ESI იყო. ყველა ნიმუში მომზადდა აცეტონიტრილის, როგორც გამხსნელის გამოყენებით.
თხელფენოვანი ქრომატოგრაფიული ანალიზი ჩატარდა სილიციუმის ფირფიტებზე ალუმინის სუბსტრატით. ფირფიტები ვიზუალიზებული იქნა ულტრაიისფერი სხივებით (254 ნმ) ან ვანილინით შეღებვით და გაცხელებით.
ყველა ნიმუში გაანალიზდა VWR Chromaster სისტემის (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, დიდი ბრიტანეთი) გამოყენებით, რომელიც აღჭურვილია ავტოსემპლერით, ბინარული ტუმბოთი სვეტური ღუმელით და ერთი ტალღის სიგრძის დეტექტორით. გამოყენებული იქნა ACE Equivalence 5 C18 სვეტი (150 x 4.6 მმ, Advanced Chromatography Technologies Ltd., აბერდინი, შოტლანდია).
ინექციები (5 µლ) გაკეთდა უშუალოდ განზავებული ნედლი რეაქციის ნარევიდან (1:10 განზავება) და გაანალიზდა წყლით:მეთანოლით (50:50 ან 70:30), გარდა ზოგიერთი ნიმუშისა, რომლებიც იყენებდნენ 70:30 გამხსნელის სისტემას (აღნიშნულია როგორც ვარსკვლავის ნომერი) 1.5 მლ/წთ ნაკადის სიჩქარით. სვეტი ინახებოდა 40°C ტემპერატურაზე. დეტექტორის ტალღის სიგრძეა 254 ნმ.
ნიმუშის პიკური ფართობის პროცენტული მაჩვენებელი გამოითვალა მხოლოდ ნარჩენი ალკინის, ტრიაზოლის პროდუქტის, პიკური ფართობიდან და საწყისი მასალის შეყვანამ შესაძლებელი გახადა შესაბამისი პიკების იდენტიფიცირება.
ყველა ნიმუში გაანალიზდა Thermo iCAP 6000 ICP-OES-ის გამოყენებით. ყველა კალიბრაციის სტანდარტი მომზადდა 1000 ppm Cu სტანდარტული ხსნარის გამოყენებით 2%-იან აზოტმჟავაში (SPEX Certi Prep). ყველა სტანდარტი მომზადდა 5% DMF-ის და 2% HNO3-ის ხსნარში და ყველა ნიმუში 20-ჯერ განზავდა DMF-HNO3-ის ნიმუშის ხსნარით.
UAM იყენებს ულტრაბგერით ლითონის შედუღებას, როგორც ლითონის ფოლგის შეერთების მეთოდს, რომელიც გამოიყენება საბოლოო აწყობის შესაქმნელად. ულტრაბგერითი ლითონის შედუღება იყენებს ვიბრირებად ლითონის ხელსაწყოს (რქას ან ულტრაბგერით რქას), რათა მოახდინოს ზეწოლა ფოლგაზე/ადრე კონსოლიდირებულ ფენაზე, რომელიც უნდა შეერთდეს/ადრე კონსოლიდირებული იყოს მასალის ვიბრაციით. უწყვეტი მუშაობისთვის, სონოტროდს აქვს ცილინდრული ფორმა და ტრიალებს მასალის ზედაპირზე, აწებებს მთელ არეს. როდესაც წნევა და ვიბრაცია გამოიყენება, მასალის ზედაპირზე არსებული ოქსიდები შეიძლება გაიბზაროს. მუდმივმა წნევამ და ვიბრაციამ შეიძლება გამოიწვიოს მასალის უხეშობის განადგურება 36. ლოკალიზებულ სითბოსა და წნევასთან მჭიდრო კონტაქტი იწვევს მყარი ფაზის ბმას მასალის ინტერფეისებზე; მას ასევე შეუძლია ხელი შეუწყოს შეკავშირებას ზედაპირის ენერგიის შეცვლით 48. შემაკავშირებელი მექანიზმის ბუნება გადალახავს ცვლადი დნობის ტემპერატურასთან და მაღალი ტემპერატურის ეფექტებთან დაკავშირებულ ბევრ პრობლემას, რომლებიც ნახსენებია სხვა დანამატური წარმოების ტექნოლოგიებში. ეს საშუალებას იძლევა სხვადასხვა მასალის რამდენიმე ფენის პირდაპირ შეერთებას (ანუ ზედაპირის მოდიფიკაციის, შემავსებლების ან წებოვანი ნივთიერებების გარეშე) ერთ კონსოლიდირებულ სტრუქტურაში.
CAM-ის მეორე ხელსაყრელი ფაქტორია პლასტმასის ნაკადის მაღალი ხარისხი, რომელიც შეინიშნება მეტალის მასალებში დაბალ ტემპერატურაზეც კი, ანუ მეტალის მასალების დნობის წერტილზე გაცილებით დაბალ ტემპერატურაზე. ულტრაბგერითი ვიბრაციებისა და წნევის კომბინაცია იწვევს მარცვლების საზღვრის ადგილობრივი მიგრაციისა და რეკრისტალიზაციის მაღალ დონეს ტემპერატურის მნიშვნელოვანი ზრდის გარეშე, რაც ტრადიციულად ასოცირდება მოცულობით მასალებთან. საბოლოო აწყობის შექმნისას, ეს ფენომენი შეიძლება გამოყენებულ იქნას აქტიური და პასიური კომპონენტების ლითონის ფოლგის ფენებს შორის, ფენა-ფენა ჩასასმელად. ისეთი ელემენტები, როგორიცაა ოპტიკური ბოჭკო 49, გამაგრება 46, ელექტრონიკა 50 და თერმოწყვილები (ეს ნამუშევარი) წარმატებით იქნა ინტეგრირებული UAM სტრუქტურებში აქტიური და პასიური კომპოზიტური აწყობების შესაქმნელად.
ამ ნაშრომში, კატალიზური ტემპერატურის კონტროლისთვის იდეალური მიკრორეაქტორის შესაქმნელად გამოყენებული იქნა როგორც მასალის შეკავშირების სხვადასხვა შესაძლებლობები, ასევე UAM ინტერკალაციის შესაძლებლობები.
პალადიუმთან (Pd) და სხვა ხშირად გამოყენებულ ლითონის კატალიზატორებთან შედარებით, Cu კატალიზს რამდენიმე უპირატესობა აქვს: (i) ეკონომიკურად, Cu უფრო იაფია, ვიდრე კატალიზში გამოყენებული მრავალი სხვა ლითონი და, შესაბამისად, ქიმიური მრეწველობისთვის მიმზიდველი ვარიანტია (ii) Cu-კატალიზირებული ჯვარედინი შეერთების რეაქციების დიაპაზონი ფართოვდება და, როგორც ჩანს, გარკვეულწილად ავსებს Pd51, 52, 53-ზე დაფუძნებულ მეთოდოლოგიებს (iii) Cu-კატალიზირებული რეაქციები კარგად მუშაობს სხვა ლიგანდების არარსებობის შემთხვევაში. ეს ლიგანდები ხშირად სტრუქტურულად მარტივი და იაფია, თუ სასურველია, მაშინ როდესაც Pd ქიმიაში გამოყენებული ლიგანდები ხშირად რთული, ძვირი და ჰაერის მიმართ მგრძნობიარეა (iv) Cu, განსაკუთრებით ცნობილია სინთეზში ალკინების შეკავშირების უნარით, როგორიცაა სონოგაშირას ბიმეტალური კატალიზირებული შეერთება და ციკლოდამატება აზიდებთან (click chemistry) (v) Cu ასევე ხელს უწყობს ზოგიერთი ნუკლეოფილის არილაციას ულმანის ტიპის რეაქციებში.
ბოლო დროს, Cu(0)-ის თანაობისას ყველა ამ რეაქციის ჰეტეროგენიზაციის მაგალითები იქნა ნაჩვენები. ეს ძირითადად განპირობებულია ფარმაცევტული ინდუსტრიით და ლითონის კატალიზატორების აღდგენასა და ხელახალ გამოყენებაზე მზარდი აქცენტით55,56.
აცეტილენსა და აზიდს შორის 1,2,3-ტრიაზოლის 1,3-დიპოლარული ციკლოდამატების რეაქცია, რომელიც პირველად ჰაისგენმა შემოგვთავაზა 1960-იან წლებში57, სინერგიულ დემონსტრაციულ რეაქციად ითვლება. შედეგად მიღებული 1,2,3 ტრიაზოლის ფრაგმენტები განსაკუთრებით საინტერესოა, როგორც ფარმაკოფორი წამლების აღმოჩენაში, მათი ბიოლოგიური გამოყენებისა და სხვადასხვა თერაპიულ აგენტებში გამოყენების გამო58.
ამ რეაქციამ განახლებული ყურადღება მიიპყრო, როდესაც შარპლესმა და სხვებმა შემოიღეს „დაწკაპუნების ქიმიის“ კონცეფცია59. ტერმინი „დაწკაპუნების ქიმია“ გამოიყენება ჰეტეროატომური ბმების (CXC) გამოყენებით ახალი ნაერთებისა და კომბინატორული ბიბლიოთეკების სწრაფი სინთეზისთვის რეაქციების მყარი და შერჩევითი ნაკრების აღსაწერად60. ამ რეაქციების სინთეზური მიმზიდველობა განპირობებულია მათთან დაკავშირებული მაღალი მოსავლიანობით. პირობები მარტივია, ჟანგბადისა და წყლის მიმართ მდგრადობა და პროდუქტის გამოყოფა მარტივია61.
კლასიკური 1,3-დიპოლური ჰუისგენის ციკლოდამატება არ მიეკუთვნება „დაწკაპუნების ქიმიის“ კატეგორიას. თუმცა, მედალმა და შარპლესმა აჩვენეს, რომ აზიდ-ალკინის შეერთების ეს მოვლენა განიცდის 107–108 Cu(I)-ის თანაობისას, არაკატალიზური 1,3-დიპოლარული ციკლოდამატების სიჩქარის მნიშვნელოვან აჩქარებასთან შედარებით 62,63. ეს მოწინავე რეაქციის მექანიზმი არ საჭიროებს დამცავ ჯგუფებს ან მკაცრ რეაქციულ პირობებს და დროთა განმავლობაში უზრუნველყოფს თითქმის სრულ გარდაქმნას და სელექციურობას 1,4-დისუბსტიტუირებული 1,2,3-ტრიაზოლების (ანტი-1,2,3-ტრიაზოლების) მიმართ (სურ. 3).
ჩვეულებრივი და სპილენძით კატალიზირებული ჰაისგენის ციკლოდანამატების იზომეტრიული შედეგები. Cu(I)-კატალიზირებული ჰაისგენის ციკლოდანამატები იძლევა მხოლოდ 1,4-დისუბსტიტუირებულ 1,2,3-ტრიაზოლებს, ხოლო თერმულად ინდუცირებული ჰაისგენის ციკლოდანამატები, როგორც წესი, იძლევა 1,4- და 1,5-ტრიაზოლებს აზოლის სტერეოიზომერების 1:1 ნარევში.
პროტოკოლების უმეტესობა მოიცავს Cu(II)-ის სტაბილური წყაროების აღდგენას, როგორიცაა CuSO4-ის ან Cu(II)/Cu(0) ნაერთის აღდგენა ნატრიუმის მარილებთან კომბინაციაში. სხვა ლითონებით კატალიზებულ რეაქციებთან შედარებით, Cu(I)-ის გამოყენებას აქვს ძირითადი უპირატესობა, რომ არის იაფი და მარტივი.
ვორელის და სხვების65 მიერ ჩატარებულმა კინეტიკურმა და იზოტოპურმა კვლევებმა აჩვენა, რომ ტერმინალური ალკინების შემთხვევაში, სპილენძის ორი ეკვივალენტი მონაწილეობს თითოეული მოლეკულის აზიდთან მიმართებაში რეაქტიულობის გააქტიურებაში. შემოთავაზებული მექანიზმი მიმდინარეობს ექვსწევრიანი სპილენძის ლითონის რგოლის მეშვეობით, რომელიც წარმოიქმნება აზიდის σ-ბმიან სპილენძის აცეტილიდთან კოორდინაციით π-ბმიან სპილენძთან, როგორც სტაბილური დონორი ლიგანდით. სპილენძის ტრიაზოლილის წარმოებულები წარმოიქმნება რგოლის შეკუმშვის შედეგად, რასაც მოჰყვება პროტონის დაშლა ტრიაზოლის პროდუქტების წარმოქმნით და კატალიზური ციკლის დახურვით.
მიუხედავად იმისა, რომ ნაკადის ქიმიის მოწყობილობების სარგებელი კარგად არის დოკუმენტირებული, არსებობს სურვილი, რომ ანალიტიკური ინსტრუმენტები ინტეგრირებული იყოს ამ სისტემებში რეალურ დროში პროცესის ადგილზე მონიტორინგისთვის66,67. UAM აღმოჩნდა შესაფერისი მეთოდი ძალიან რთული 3D ნაკადის რეაქტორების დასაპროექტებლად და წარმოებისთვის კატალიზურად აქტიური, თერმულად გამტარი მასალებისგან პირდაპირ ჩაშენებული სენსორული ელემენტებით (სურ. 4).
ულტრაბგერითი დანამატებითი წარმოების (UAM) მეთოდით დამზადებული ალუმინ-სპილენძის ნაკადის რეაქტორი რთული შიდა არხის სტრუქტურით, ჩაშენებული თერმოწყვილებით და კატალიზური რეაქციის კამერით. სითხის შიდა ბილიკების ვიზუალიზაციისთვის ასევე ნაჩვენებია სტერეოლითოგრაფიის გამოყენებით დამზადებული გამჭვირვალე პროტოტიპი.
იმის უზრუნველსაყოფად, რომ რეაქტორები მზად იყოს მომავალი ორგანული რეაქციებისთვის, გამხსნელები უსაფრთხოდ უნდა გაცხელდეს დუღილის წერტილზე მაღლა; ისინი გადის წნევისა და ტემპერატურის ტესტირებას. წნევის ტესტირებამ აჩვენა, რომ სისტემა ინარჩუნებს სტაბილურ და მუდმივ წნევას სისტემაში მომატებული წნევის დროსაც კი (1.7 მპა). ჰიდროსტატიკური ტესტები ჩატარდა ოთახის ტემპერატურაზე, სითხის სახით H2O-ს გამოყენებით.
ჩაშენებული (სურათი 1) თერმოწყვილის ტემპერატურის მონაცემთა ლოგერთან შეერთებამ აჩვენა, რომ თერმოწყვილის ტემპერატურა FlowSyn სისტემაში დაპროგრამებულ ტემპერატურაზე 6 °C (± 1 °C) დაბალი იყო. როგორც წესი, ტემპერატურის 10°C-ით მატება რეაქციის სიჩქარეს ორმაგებს, ამიტომ ტემპერატურის რამდენიმე გრადუსით სხვაობამ შეიძლება მნიშვნელოვნად შეცვალოს რეაქციის სიჩქარე. ეს სხვაობა გამოწვეულია ტემპერატურის დაკარგვით RPV-ის განმავლობაში, წარმოების პროცესში გამოყენებული მასალების მაღალი თერმული დიფუზიურობის გამო. ეს თერმული დრიფტი მუდმივია და შესაბამისად, მისი გათვალისწინება შესაძლებელია აღჭურვილობის დაყენებისას, რათა უზრუნველყოფილი იყოს რეაქციის დროს ზუსტი ტემპერატურის მიღწევა და გაზომვა. ამრიგად, ეს ონლაინ მონიტორინგის ინსტრუმენტი ხელს უწყობს რეაქციის ტემპერატურის მჭიდრო კონტროლს და ხელს უწყობს პროცესის უფრო ზუსტ ოპტიმიზაციას და ოპტიმალური პირობების შემუშავებას. ეს სენსორები ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას ეგზოთერმული რეაქციების აღმოსაჩენად და დიდი მასშტაბის სისტემებში რეაქციების თავიდან ასაცილებლად.
ამ ნაშრომში წარმოდგენილი რეაქტორი წარმოადგენს UAM ტექნოლოგიის ქიმიური რეაქტორების წარმოებაში გამოყენების პირველ მაგალითს და განიხილავს ამ მოწყობილობების AM/3D ბეჭდვასთან დაკავშირებულ რამდენიმე ძირითად შეზღუდვას, როგორიცაა: (i) სპილენძის ან ალუმინის შენადნობის დამუშავებასთან დაკავშირებული აღნიშნული პრობლემების დაძლევა (ii) გაუმჯობესებული შიდა არხის გარჩევადობა ფხვნილის ფენის დნობის (PBF) მეთოდებთან შედარებით, როგორიცაა შერჩევითი ლაზერული დნობა (SLM)25,69 მასალის ცუდი ნაკადი და უხეში ზედაპირის ტექსტურა26 (iii) დამუშავების დაბალი ტემპერატურა, რაც ხელს უწყობს სენსორების პირდაპირ შეერთებას, რაც შეუძლებელია ფხვნილის ფენის ტექნოლოგიაში, (v) პოლიმერზე დაფუძნებული კომპონენტების ცუდი მექანიკური თვისებების და მგრძნობელობის დაძლევა სხვადასხვა გავრცელებული ორგანული გამხსნელების მიმართ17,19.
რეაქტორის ფუნქციონირება დემონსტრირებული იყო სპილენძით კატალიზირებული ალკინაზიდის ციკლოდამატების რეაქციების სერიით უწყვეტი ნაკადის პირობებში (სურ. 2). სურათ 4-ზე ნაჩვენები ულტრაბგერითი დაბეჭდილი სპილენძის რეაქტორი ინტეგრირებული იყო კომერციულ ნაკადის სისტემასთან და გამოყენებული იყო სხვადასხვა 1,4-დისუბსტიტუირებული 1,2,3-ტრიაზოლების აზიდური ბიბლიოთეკის სინთეზირებისთვის, აცეტილენისა და ალკილის ჯგუფის ჰალოგენიდების ტემპერატურულად კონტროლირებადი რეაქციის გამოყენებით ნატრიუმის ქლორიდის თანაობისას (სურ. 3). უწყვეტი ნაკადის მიდგომის გამოყენება ამცირებს უსაფრთხოების პრობლემებს, რომლებიც შეიძლება წარმოიშვას პარტიულ პროცესებში, რადგან ეს რეაქცია წარმოქმნის მაღალრეაქტიულ და საშიშ აზიდურ შუალედურ პროდუქტებს [317], [318]. თავდაპირველად, რეაქცია ოპტიმიზირებული იყო ფენილაცეტილენისა და იოდოეთანის ციკლოდამატებისთვის (სქემა 1 - ფენილაცეტილენისა და იოდოეთანის ციკლოდამატება) (იხ. სურ. 5).
(ზედა მარცხენა კუთხეში) 3DP რეაქტორის ნაკადის სისტემაში ჩართვისთვის გამოყენებული მოწყობილობის სქემა (ზედა მარჯვენა კუთხეში), რომელიც მიღებულია ფენილაცეტილენსა და იოდოთანს შორის Huisgen 57 ციკლოდამატების სქემის ოპტიმიზებული (ქვედა) სქემიდან ოპტიმიზაციისთვის და აჩვენებს რეაქციის ოპტიმიზებული გარდაქმნის სიჩქარის პარამეტრებს.
რეაქტორის კატალიზურ განყოფილებაში რეაქტანტების დაყოვნების დროის კონტროლით და პირდაპირ ინტეგრირებული თერმოწყვილის სენსორით რეაქციის ტემპერატურის ფრთხილად მონიტორინგით, რეაქციის პირობების სწრაფად და ზუსტად ოპტიმიზაცია შესაძლებელია მინიმალური დროისა და მასალების გამოყენებით. სწრაფად დადგინდა, რომ ყველაზე მაღალი გარდაქმნა მიღწეული იქნა 15 წუთიანი დაყოვნების დროისა და 150°C რეაქციის ტემპერატურის გამოყენებით. MODDE პროგრამული უზრუნველყოფის კოეფიციენტების დიაგრამიდან ჩანს, რომ როგორც დაყოვნების დრო, ასევე რეაქციის ტემპერატურა მოდელის მნიშვნელოვან პირობებად ითვლება. ჩაშენებული ოპტიმიზატორის ამ შერჩეული პირობების გამოყენებით გაშვება ქმნის რეაქციის პირობების ერთობლიობას, რომელიც შექმნილია პროდუქტის პიკური ფართობის მაქსიმიზაციისა და საწყისი მასალის პიკური ფართობის შემცირების მიზნით. ამ ოპტიმიზაციამ ტრიაზოლის პროდუქტის 53%-იანი გარდაქმნა გამოიღო, რაც ზუსტად ემთხვეოდა მოდელის პროგნოზს - 54%-ს.