გმადლობთ, რომ ეწვიეთ Nature.com-ს. ბრაუზერის ვერსიას, რომელსაც იყენებთ, აქვს შეზღუდული მხარდაჭერა CSS-ისთვის. საუკეთესო გამოცდილებისთვის, გირჩევთ გამოიყენოთ განახლებული ბრაუზერი (ან გამორთოთ თავსებადობის რეჟიმი Internet Explorer-ში). ამასობაში, მხარდაჭერის უზრუნველსაყოფად, ჩვენ გამოვაჩენთ საიტს სტილისა და JavaScript-ის გარეშე.
დანამატების წარმოება ცვლის მკვლევარების და მრეწველების დიზაინსა და წარმოებას ქიმიურ მოწყობილობებს მათი სპეციფიკური მოთხოვნილებების დასაკმაყოფილებლად. ამ ნაშრომში ჩვენ ვახსენებთ ნაკადის რეაქტორის პირველ მაგალითს, რომელიც წარმოიქმნება მყარი მდგომარეობის ლითონის ფურცლის ლამინირების ტექნიკით Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM) პირდაპირ ინტეგრირებული კატალიზური ნაწილებით და ზედმეტად დაკავშირებულია UAM ტექნოლოგიის სენსორული ელემენტებით. მსახიობები, მაგრამ ასევე მნიშვნელოვნად ზრდის ასეთი მოწყობილობების შესაძლებლობებს. ბიოლოგიურად მნიშვნელოვანი 1,4-ჩანაცვლებული 1,2,3-ტრიაზოლის ნაერთების სერია წარმატებით სინთეზირებული და ოპტიმიზირებულია Cu-შუამავლობით Huisgen 1,3-დიპოლარული ციკლოდამატების რეაქციით, UAM-ის ქიმიის დაყენების და UAM-ის უნიკალური ქიმიის დამუშავების უნიკალური თვისებების გამოყენებით. რეაქციები და ასევე რეალურ დროში უკუკავშირი რეაქციის მონიტორინგისა და ოპტიმიზაციისთვის.
მისი მნიშვნელოვანი უპირატესობების გამო, ნაკადის ქიმია მნიშვნელოვანი და მზარდი სფეროა როგორც აკადემიურ, ასევე სამრეწველო პირობებში, ქიმიური სინთეზის სელექციურობისა და ეფექტურობის გაზრდის უნარის გამო.მშვენიერი ქიმიური და ფარმაცევტული ინდუსტრიის რეაქციების 50%-ზე მეტს შეუძლია ისარგებლოს უწყვეტი ნაკადის დამუშავების გამოყენებით7.
ბოლო წლებში შეიმჩნევა ჯგუფების მზარდი ტენდენცია, რომლებიც ცდილობენ შეცვალონ ტრადიციული მინის ჭურჭელი ან ნაკადის ქიმიური აღჭურვილობა კონფიგურირებადი დანამატების წარმოების (AM) ქიმიური „რეაქციის ჭურჭლით“8. ამ ტექნიკის განმეორებითი დიზაინი, სწრაფი წარმოება და 3-განზომილებიანი (3D) შესაძლებლობები სასარგებლოა მათთვის, ვისაც სურს მათი მოწყობილობების მორგება, სპეციფიკური რეაქციის პირობების მორგება. პოლიმერებზე დაფუძნებული 3D ბეჭდვის ტექნიკის გამოყენებაზე, როგორიცაა სტერეოლითოგრაფია (SL)9,10,11, შერწყმული დეპონირების მოდელირება (FDM)8,12,13,14 და ჭავლური ბეჭდვა 7, 15, 16. ასეთი მოწყობილობების სიმტკიცის და უნარის ნაკლებობა არის 1,18 საზღვრავს ქიმიური რეაქციების ფართო სპექტრს1,18 აფერხებს1. AM-ის დანერგვა ამ სფეროში17, 18, 19, 20.
ნაკადის ქიმიის მზარდი გამოყენებისა და AM– სთან დაკავშირებული ხელსაყრელი თვისებების გამო, საჭიროა უფრო მოწინავე ტექნიკის შესწავლა, რაც მომხმარებლებს საშუალებას აძლევს აყალიბონ ნაკადის რეაქციის ჭურჭელი გაძლიერებული ქიმიური და ანალიტიკური შესაძლებლობებით. ეს ტექნიკამ უნდა მისცეს მომხმარებლებს აირჩიონ მაღალი გამძლე ან ფუნქციონალური მასალები, რომლებიც შეძლებენ რეაქციის პირობების ფართო სპექტრს, ასევე ხელს უწყობენ სხვადასხვა ფორმით გამოშვებას, ასევე ხელს უწყობენ მოწყობილობას, ასევე აანალიზებს ანალიზს, ასევე ხელს უწყობს მოწყობილობას, ასევე აანალიზებს რეაქციას, ასევე აანალიზებს ანალიზს, ასევე ხელს უწყობს მოწყობილობის სხვადასხვა ფორმას, ასევე ხელს უწყობს ანალიტიკის გამოშვებას, ასევე აანალიზებს ანალიზს, ასევე აანალიზებს ანალიზს, ასევე ხელს უწყობს მოწყობილობის სხვადასხვა ფორმას, ასევე ხელს უწყობს ანალიტიკის გამოყოფას, ასევე ხელს უწყობს მოწყობილობის სხვადასხვა ფორმას.
დანამატის წარმოების ერთი პროცესი, რომელსაც აქვს ინდივიდუალური ქიმიური რეაქტორების განვითარების პოტენციალი, არის ულტრაბგერითი დანამატის წარმოება (UAM). ეს მყარი მდგომარეობის ფურცლის ლამინირების ტექნიკა იყენებს ულტრაბგერით რხევებს თხელ ლითონის ფოლგაზე, რათა მათ ერთმანეთთან ფენა-ფენა შეუერთდეს მინიმალური მოცულობითი გათბობით და პლასტიკური ნაკადის მაღალი ხარისხით2AM, უმეტესობა ინტეგრირებული ტექნოლოგიებით 21,2AMn,21 სუბტრაქციული წარმოებით, რომელიც ცნობილია როგორც ჰიბრიდული წარმოების პროცესი, რომლის დროსაც ადგილზე პერიოდული კომპიუტერული ციფრული კონტროლის (CNC) დაფქვა ან ლაზერული დამუშავება განსაზღვრავს შეკრული მასალის ფენის წმინდა ფორმას 24, 25. ეს ნიშნავს, რომ მომხმარებელი არ შემოიფარგლება იმ პრობლემებით, რომლებიც დაკავშირებულია ხშირად ნარჩენი სითხის ამოღებასთან. დიზაინის ეს თავისუფლება ასევე ვრცელდება ხელმისაწვდომ მატერიალურ არჩევანზე - UAM-ს შეუძლია დააკავშიროს თერმულად მსგავსი და განსხვავებული მასალების კომბინაციები ერთი პროცესის საფეხურზე. მასალის კომბინაციების არჩევანი დნობის პროცესის მიღმა ნიშნავს, რომ კონკრეტული აპლიკაციების მექანიკური და ქიმიური მოთხოვნები უკეთესად დაკმაყოფილდება. შეუძლია ხელი შეუწყოს ლითონის ფენებს შორის მექანიკური/თერმული ელემენტების ჩანერგვას დაზიანების გარეშე. UAM ჩაშენებულ სენსორებს შეუძლიათ ხელი შეუწყონ მოწყობილობიდან მომხმარებლისთვის რეალურ დროში ინფორმაციის მიწოდებას ინტეგრირებული ანალიტიკის საშუალებით.
ავტორების წარსულმა ნაშრომმა32 აჩვენა UAM პროცესის უნარი შექმნას მეტალის 3D მიკროსთხევადი სტრუქტურები ინტეგრირებული სენსორული შესაძლებლობებით. ეს არის მხოლოდ მონიტორინგის მოწყობილობა. ეს ნაშრომი წარმოგიდგენთ UAM-ის მიერ შექმნილ მიკროფლუიდური ქიმიური რეაქტორის პირველ მაგალითს;აქტიური მოწყობილობა, რომელიც არა მხოლოდ აკონტროლებს, არამედ იწვევს ქიმიურ სინთეზს სტრუქტურულად ინტეგრირებული კატალიზატორის მასალების მეშვეობით. მოწყობილობა აერთიანებს UAM ტექნოლოგიასთან დაკავშირებულ რამდენიმე უპირატესობას 3D ქიმიური მოწყობილობების წარმოებაში, როგორიცაა: სრული 3D დიზაინის გადაქცევის შესაძლებლობა პირდაპირ კომპიუტერული დამხმარე დიზაინის (CAD) მოდელებიდან პროდუქტებად;მრავალმასალას დამზადება მაღალი თბოგამტარობისა და კატალიზური მასალების შერწყმისთვის;და თერმული სენსორების ჩასმა უშუალოდ რეაგენტის ნაკადებს შორის რეაქციის ტემპერატურის ზუსტი მონიტორინგისა და კონტროლისთვის. რეაქტორის ფუნქციონირების საჩვენებლად ფარმაცევტულად მნიშვნელოვანი 1,4-ჩანაცვლებული 1,2,3-ტრიაზოლის ნაერთების ბიბლიოთეკა სინთეზირებულია სპილენძის კატალიზირებული Huisgen 1,3-დიპოლარული მასალების გამოყენებით. მულტიდისციპლინური კვლევის მეშვეობით ქიმიის ახალი შესაძლებლობებისა და შესაძლებლობების შექმნა.
ყველა გამხსნელი და რეაგენტი შეძენილი იყო Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI ან Fischer Scientific-ისგან და გამოიყენებოდა წინასწარი გაწმენდის გარეშე. 1H და 13C NMR სპექტრები, ჩაწერილი 400 MHz და 100 MHz, შესაბამისად, მიღებული იქნა JEOL ECS-400 MHz Avspectometer II 0 400MHz. და CDCl3 ან (CD3)2SO გამხსნელად. ყველა რეაქცია განხორციელდა Uniqsis FlowSyn ნაკადის ქიმიური პლატფორმის გამოყენებით.
UAM გამოიყენეს ყველა მოწყობილობის დასამზადებლად ამ კვლევაში. ტექნოლოგია გამოიგონეს 1999 წელს და მისი ტექნიკური დეტალები, ოპერაციული პარამეტრები და განვითარებები მისი გამოგონების შემდეგ შეიძლება შეისწავლოს შემდეგი გამოქვეყნებული მასალებით34,35,36,37. მოწყობილობა (სურათი 1) განხორციელდა ულტრა მაღალი სიმძლავრის, 9 კვტ SonicLayer 4000F®, The UAM ნაკადის სისტემის გამოყენებით. Cu-110 და Al 6061.Cu-110 აქვს სპილენძის მაღალი შემცველობა (მინიმუმ 99,9% სპილენძი), რაც მას კარგ კანდიდატს ხდის სპილენძის კატალიზებული რეაქციებისთვის და ამიტომ გამოიყენება როგორც „აქტიური ფენა მიკრორეაქტორში.Al 6061 O გამოიყენება როგორც "ნაყარი" მასალა, ასევე ჩაშენებული ფენა გამოიყენება ანალიზისთვის;შენადნობის დამხმარე კომპონენტის ჩანერგვა და ანეილირების მდგომარეობა შერწყმულია Cu-110 ფენასთან.Al 6061 O არის მასალა, რომელიც დადასტურდა, რომ უაღრესად თავსებადია UAM პროცესებთან38, 39, 40, 41 და ტესტირება და აღმოჩნდა ქიმიურად სტაბილური ამ სამუშაოში გამოყენებულ რეაგენტებთან.Al 6061 O-ის კომბინაცია Cu-110-თან ასევე განიხილება თავსებადი მასალის კომბინაციად UAM-ისთვის და, შესაბამისად, შესაფერისი მასალაა ამ კვლევისთვის.38,42 ეს მოწყობილობები ჩამოთვლილია ცხრილში 1 ქვემოთ.
რეაქტორის წარმოების ეტაპები (1) Al 6061 სუბსტრატი (2) ქვედა არხის დაყენება სპილენძის ფოლგაზე (3) თერმოწყვილების ჩადგმა ფენებს შორის (4) ზედა არხი (5) შესასვლელი და გამოსასვლელი (6) მონოლითური რეაქტორი.
სითხის ბილიკის დიზაინის ფილოსოფია არის შერეული ბილიკის გამოყენება ჩიპში სითხის გავლის მანძილის გასაზრდელად, ჩიპის მართვადი ზომის შენარჩუნებაში. მანძილის ეს ზრდა სასურველია კატალიზატორის/რეაგენტის ურთიერთქმედების დროის გასაზრდელად და პროდუქტის შესანიშნავი გამოსავლიანობის უზრუნველსაყოფად. ).მიღწეული შერევის შემდგომი გაზრდის მიზნით, რეაქტორის დიზაინს აქვს ორი რეაგენტის შესასვლელი, რომლებიც გაერთიანებულია Y-შეერთებაზე სერპენტინის შერევის განყოფილებაში შესვლამდე. მესამე შესასვლელი, რომელიც კვეთს ნაკადს მისი რეზიდენციის შუა გზაზე, შედის მომავალი მრავალსაფეხურიანი რეაქციის სინთეზების დიზაინში.
ყველა არხს აქვს კვადრატული პროფილი (მწკრივის კუთხეების გარეშე), არხის გეომეტრიის შესაქმნელად გამოყენებული პერიოდული CNC დაფქვის შედეგი. არხის ზომები არჩეულია მაღალი (მიკრორეაქტორისთვის) მოცულობის გამომუშავების უზრუნველსაყოფად, ხოლო საკმარისად მცირეა, რათა ხელი შეუწყოს ზედაპირულ ურთიერთქმედებას (კატალიზატორები) შემავალი სითხეების უმრავლესობისთვის. შესაბამისი ზომა ეფუძნება არხის არხის ბოლო განზომილებას. 750 μm და რეაქტორის მთლიანი მოცულობა იყო 1 მლ. ინტეგრირებული კონექტორი (1/4″—28 UNF ძაფი) ჩართულია დიზაინში, რომელიც საშუალებას იძლევა მოწყობილობის მარტივი ინტერფეისი კომერციული ნაკადის ქიმიურ მოწყობილობასთან.არხის ზომა შემოიფარგლება ფოლგის მასალის სისქით, მისი მექანიკური თვისებებით და ულტრაბგერით გამოყენებული შემაკავშირებელი პარამეტრებით.მოცემული მასალის სპეციფიკურ სიგანეზე, მასალა "ჩამოვარდება" შექმნილ არხში.ამჟამად არ არსებობს კონკრეტული მოდელი ამ გაანგარიშებისთვის, ამიტომ არხის მაქსიმალური სიგანე მოცემული მასალისა და დიზაინისთვის განისაზღვრება ექსპერიმენტულად;ამ შემთხვევაში, 750 მკმ სიგანე არ გამოიწვევს ჩამოვარდნას.
არხის ფორმა (კვადრატი) განისაზღვრება კვადრატული საჭრელის გამოყენებით. არხების ფორმა და ზომა შეიძლება შეიცვალოს CNC მანქანებმა სხვადასხვა საჭრელი ხელსაწყოების გამოყენებით სხვადასხვა ნაკადის სიჩქარისა და მახასიათებლების მისაღებად. 125 მკმ ხელსაწყოს გამოყენებით მოხრილი ფორმის არხის შექმნის მაგალითი შეგიძლიათ ნახოთ Monaghan45-ის ნამუშევარში. .ამ ნამუშევარში არხის სიმეტრიის შესანარჩუნებლად გამოყენებული იქნა კვადრატული მოხაზულობა.
წარმოების წინასწარ დაპროგრამებული პაუზის დროს, თერმოწყვილების ტემპერატურის ზონდები (ტიპი K) ჩაშენებულია უშუალოდ მოწყობილობაში ზედა და ქვედა არხის ჯგუფებს შორის (სურათი 1 – ეტაპი 3). ამ თერმოწყვილებს შეუძლიათ ტემპერატურის ცვლილებების მონიტორინგი -200-დან 1350 °C-მდე.
ლითონის დეპონირების პროცესი ხორციელდება UAM რქის მიერ 25,4 მმ სიგანის, 150 მიკრონი სისქის ლითონის ფოლგის გამოყენებით. ეს კილიტა ფენები მიბმული ხდება მიმდებარე ზოლების სერიაში, რათა დაფაროს მთელი სამშენებლო არეალი;დეპონირებული მასალის ზომა უფრო დიდია, ვიდრე საბოლოო პროდუქტი, რადგან გამოკლების პროცესი აწარმოებს საბოლოო ბადის ფორმას. CNC დამუშავება გამოიყენება აღჭურვილობის გარე და შიდა კონტურების დასამუშავებლად, რის შედეგადაც აღჭურვილობისა და არხების ზედაპირის დასრულება შერჩეული ხელსაწყოს და CNC პროცესის პარამეტრების ტოლია (ამ მაგალითში დაახლოებით 1,6 μm Ra). დარწმუნდით, რომ შენარჩუნებულია განზომილებიანი სიზუსტე და დასრულებული ნაწილი დააკმაყოფილებს CNC ფირის დაფქვის სიზუსტის დონეს. ამ მოწყობილობისთვის გამოყენებული არხის სიგანე საკმარისად მცირეა იმისათვის, რომ ფოლგის მასალა არ „ჩამოვარდეს“ სითხის არხში, ამიტომ არხი ინარჩუნებს კვადრატულ კვეთას. ფოლგის მასალასა და UAM პროცესის პარამეტრების შესაძლო ხარვეზები განისაზღვრა ექსპერიმენტულად (USFabris LLC, მწარმოებელი პარტნიორი).
კვლევებმა აჩვენა, რომ მცირე ელემენტარული დიფუზია ხდება UAM-ის შემაკავშირებელ ინტერფეისზე 46, 47 დამატებითი თერმული დამუშავების გარეშე, ამიტომ ამ სამუშაოს მოწყობილობებისთვის Cu-110 ფენა განსხვავდება Al 6061 ფენისგან და მკვეთრად იცვლება.
დააინსტალირეთ წინასწარ კალიბრირებული 250 psi (1724 kPa) უკანა წნევის რეგულატორი (BPR) რეაქტორის გასასვლელში და გადატუმბეთ წყალი რეაქტორში 0,1-დან 1 მლ წთ-1 სიჩქარით. რეაქტორზე წნევა კონტროლდებოდა FlowSyn-ის ჩაშენებული სისტემის წნევის სენსორის გამოყენებით, რათა დადასტურდეს, რომ სისტემას შეუძლია შეინარჩუნოს წნევა მუდმივი ტემპერატურით. ნებისმიერი სხვაობის იდენტიფიცირება რეაქტორში ჩაშენებულ თერმოწყვილებსა და FlowSyn ჩიპის გამაცხელებელ ფირფიტაში ჩადგმულ თერმოწყვილებს შორის. ეს მიიღწევა პროგრამირებადი ცხელი ფირფიტის ტემპერატურის ცვლილებით 100-დან 150 °C-მდე 25 °C-მდე და აღნიშნავენ რაიმე განსხვავებას დაპროგრამებულ და დაფიქსირებულ ტემპერატურებს შორის. კომპანია PicoLog პროგრამული უზრუნველყოფა.
ფენილაცეტილენისა და იოდოეთანის ციკლოდამატების რეაქციის პირობები ოპტიმიზირებული იყო (სქემა 1- ფენილაცეტილენის და იოდოეთანის ციკლოდიტაცია სქემა 1- ფენილაცეტილენისა და იოდოეთანის ციკლოდამატება). ne:azide თანაფარდობა 1:2.
მომზადდა ნატრიუმის აზიდის (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), იოდოეთანის (0,25 M, DMF) და ფენილაცეტილენის (0,125 M, DMF) ცალკეული ხსნარები. თითოეული ხსნარის 1,5 მლ ალიქოტი შერეული იყო და გადატუმბული იქნა რეაქტორის მოდელის ტემპერატურაზე სასურველი სიჩქარით. ფენილაცეტილენის საწყისი მასალა და განისაზღვრება მაღალი ხარისხის თხევადი ქრომატოგრაფიით (HPLC). ანალიზის თანმიმდევრულობისთვის, ყველა რეაქციის ნიმუში იქნა აღებული მხოლოდ მას შემდეგ, რაც სარეაქციო ნარევი დატოვა რეაქტორიდან. ოპტიმიზაციისთვის შერჩეული პარამეტრების დიაპაზონი ნაჩვენებია ცხრილში 2.
ყველა ნიმუში გაანალიზდა Chromaster HPLC სისტემის გამოყენებით (VWR, PA, აშშ), რომელიც შედგებოდა მეოთხეული ტუმბოსგან, სვეტის ღუმელისგან, ცვლადი ტალღის სიგრძის UV დეტექტორისგან და ავტოსამპლერისგან. სვეტი იყო ეკვივალენტობა 5 C18 (VWR, PA, აშშ), 4.6 × 100 მმ. 0:50 მეთანოლი:წყალი ნაკადის სიჩქარით 1.5 მლ.წთ-1. ინექციის მოცულობა იყო 5 μL და დეტექტორის ტალღის სიგრძე იყო 254 ნმ. DOE ნიმუშის პიკის % ფართობი გამოითვლებოდა ნარჩენი ალკინისა და ტრიაზოლის პიკური უბნებიდან. მხოლოდ შესაბამისი მასალის დაწყების ინექციის საშუალებას იძლევა.
რეაქტორის ანალიზის შედეგების MODDE DOE პროგრამულ უზრუნველყოფასთან (Umetrics, Malmö, შვედეთი) დაკავშირებამ დაუშვა შედეგების ტენდენციების საფუძვლიანი ანალიზი და ოპტიმალური რეაქციის პირობების განსაზღვრა ამ ციკლოდანამატისთვის. ჩაშენებული ოპტიმიზატორის გაშვება და მოდელის ყველა მნიშვნელოვანი ტერმინის არჩევა იძლევა რეაქციის პირობების ერთობლიობას, რომელიც შექმნილია პროდუქტის პიკის დაწყების ფართობის მაქსიმალურად შესამცირებლად.
ზედაპირული სპილენძის დაჟანგვა კატალიზური რეაქციის პალატაში მიღწეული იქნა წყალბადის ზეჟანგის ხსნარის გამოყენებით (36%), რომელიც მიედინება რეაქციის კამერაში (ნაკადის სიჩქარე = 0.4 მლ წთ-1, დაბინავების დრო = 2.5 წთ) თითოეული ტრიაზოლის ნაერთების ბიბლიოთეკის სინთეზამდე.
პირობების ოპტიმალური ნაკრების იდენტიფიცირების შემდეგ, ისინი გამოიყენეს აცეტილენისა და ჰალოალკანის წარმოებულების დიაპაზონში, რათა მოხდეს მცირე ბიბლიოთეკის სინთეზის შედგენა, რითაც ჩამოყალიბდა ამ პირობების გამოყენების შესაძლებლობა პოტენციური რეაგენტების უფრო ფართო სპექტრზე (სურათი 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 და გადატუმბული რეაქტორის მეშვეობით 75 μL.min-0L მოცულობით შეგროვდა 1 მლ-ში. ეთილის აცეტატი. ნიმუშის ხსნარი გარეცხილი იყო 3 × 10 მლ წყლით. წყლის ფენები იყო შერწყმული და ექსტრაქტი 10 მლ ეთილის აცეტატით;შემდეგ ორგანული ფენები გაერთიანდა, გარეცხეს 3 x 10 მლ მარილწყალში, გააშრეს MgSO4-ზე და გაფილტრეს, შემდეგ გამხსნელი ამოღებულ იქნა ვაკუოში. ნიმუშები გაიწმინდა სვეტის ქრომატოგრაფიით სილიკა გელზე ეთილის აცეტატის გამოყენებით ანალიზის დაწყებამდე HPLC, 1H NMR, 13C NMHR რეზოლუციის მაღალი გარჩევადობით და 13C NMRspect მაღალი გარჩევადობით.
ყველა სპექტრი შეძენილი იქნა Thermofischer-ის ზუსტი ორბიტრაპის რეზოლუციის მასის სპექტრომეტრის გამოყენებით ESI იონიზაციის წყაროდ. ყველა ნიმუში მომზადდა აცეტონიტრილის გამოყენებით, როგორც გამხსნელი.
TLC ანალიზი ჩატარდა ალუმინის ზურგზე დამაგრებულ სილიციუმის ფირფიტებზე. ფირფიტების ვიზუალიზაცია მოხდა ულტრაიისფერი შუქით (254 ნმ) ან ვანილინით შეღებვით და გაცხელებით.
ყველა ნიმუში გაანალიზებულია VWR Chromaster-ის (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, დიდი ბრიტანეთი) სისტემის გამოყენებით, რომელიც აღჭურვილია ავტოსამპლერით, სვეტოვანი ღუმელის ორობითი ტუმბოთი და ერთი ტალღის სიგრძის დეტექტორით. გამოყენებული სვეტი იყო ACE ეკვივალენტური 5 C18 (150 × 4.6 მმ, Advanced Chromatography S.co., Ltd.
ინექციები (5 μL) გაკეთდა უშუალოდ განზავებული ნედლი რეაქციის ნარევიდან (1:10 განზავება) და გაანალიზებული იყო წყლით:მეთანოლით (50:50 ან 70:30), გარდა ზოგიერთი ნიმუშისა 70:30 გამხსნელი სისტემის გამოყენებით (აღნიშნული, როგორც ვარსკვლავის რიცხვი) 1,5 მლ/წთ ნაკადის სიჩქარით 1.5 მლ/წთ. გამოვლენა არის 20 °C დონე 5 ტმ.
ნიმუშის პიკის % ფართობი გამოითვალა ნარჩენი ალკინის პიკის ფართობიდან, მხოლოდ ტრიაზოლის პროდუქტიდან და საწყისი მასალის ინექციამ იძლეოდა შესაბამისი მწვერვალების იდენტიფიცირების საშუალებას.
ყველა ნიმუში გაანალიზდა Thermo iCAP 6000 ICP-OES-ის გამოყენებით. ყველა კალიბრაციის სტანდარტი მომზადდა 1000 ppm Cu სტანდარტული ხსნარის გამოყენებით 2% აზოტის მჟავაში (SPEX Certi Prep).
UAM იყენებს ლითონის ულტრაბგერით შედუღებას, როგორც ლითონის ფოლგის მასალის შემაკავშირებელ ტექნიკას, რომელიც გამოიყენება საბოლოო ასამბლეის ასაგებად. ლითონის ულტრაბგერითი შედუღება იყენებს ვიბრაციულ ლითონის ხელსაწყოს (ე.წ. რქა ან ულტრაბგერითი საყვირი), რათა მოახდინოს ზეწოლა კილიტის ფენაზე/ადრე კონსოლიდირებული ფენა, რომელიც შეკრულია მასალის ზედაპირის ვიბრაციით და უწყვეტი მუშაობისთვის. ზეწოლისა და ვიბრაციის გამოყენებისას, მასალის ზედაპირზე ოქსიდები შეიძლება გაიბზაროს. უწყვეტმა წნევამ და ვიბრაციამ შეიძლება გამოიწვიოს მასალის გაფუჭება კოლაფსი 36 .ინტიმური კონტაქტი ადგილობრივად გამოწვეულ სიცხესთან და წნევასთან, შემდეგ იწვევს მყარი მდგომარეობის შეკავშირებას მასალის ინტერფეისებზე;მას ასევე შეუძლია ხელი შეუწყოს ადჰეზიას ზედაპირის ენერგიის ცვლილების გზით48. შემაკავშირებელი მექანიზმის ბუნება გადალახავს ბევრ პრობლემას, რომელიც დაკავშირებულია ცვლადი დნობის ტემპერატურასთან და მაღალი ტემპერატურის შემდგომ ეფექტებთან, რომლებიც ნახსენებია დანამატების წარმოების სხვა ტექნიკაში. ეს საშუალებას იძლევა პირდაპირ შეკავშირებას (ანუ, ზედაპირის მოდიფიკაციის გარეშე, შემავსებლის ან წებოს გარეშე) სხვადასხვა მასალის მრავალი ფენა ერთ კონსოლიდირებულ სტრუქტურაში.
მეორე ხელსაყრელი ფაქტორი UAM-ისთვის არის პლასტიკური ნაკადის მაღალი ხარისხი, რომელიც შეინიშნება მეტალის მასალებში, თუნდაც დაბალ ტემპერატურაზე, ანუ მეტალის მასალების დნობის წერტილიდან საკმაოდ დაბალი. ლითონის ფოლგა, ფენა-ფენა. ელემენტები, როგორიცაა ოპტიკური ბოჭკოები 49, გამაგრებები 46, ელექტრონიკა 50, და თერმოწყვილები (ეს ნამუშევარი) წარმატებით იქნა ჩართული UAM სტრუქტურებში აქტიური და პასიური კომპოზიციური შეკრებების შესაქმნელად.
ამ ნამუშევარში გამოყენებული იქნა როგორც UAM-ის სხვადასხვა მასალის შემაკავშირებელი და ინტერკალაციის შესაძლებლობები, რათა შეიქმნას საბოლოო კატალიზური ტემპერატურის მონიტორინგის მიკრორეაქტორი.
პალადიუმთან (Pd) და სხვა ხშირად გამოყენებულ მეტალის კატალიზატორებთან შედარებით, Cu კატალიზს აქვს რამდენიმე უპირატესობა: (i) ეკონომიურად, Cu არის იაფი, ვიდრე კატალიზში გამოყენებული მრავალი სხვა ლითონი და, შესაბამისად, მიმზიდველი ვარიანტია ქიმიური გადამამუშავებელი მრეწველობისთვის (ii) Cu-კატალიზირებული ჯვარედინი დაწყვილების რეაქციების დიაპაზონი იზრდება და, როგორც ჩანს, არის დაახლოებით 25,55,55-მდე). Cu-კატალიზებული რეაქციები კარგად მუშაობს სხვა ლიგანდების არარსებობის შემთხვევაში. ეს ლიგანდები ხშირად სტრუქტურულად მარტივი და იაფია, თუ სასურველია, ხოლო Pd ქიმიაში გამოყენებული ისინი ხშირად რთული, ძვირი და ჰაერისადმი მგრძნობიარეა (iv) Cu, განსაკუთრებით ცნობილია ალკინების სინთეზში შეკავშირების უნარით, (v) Cu ასევე შეუძლია ხელი შეუწყოს რამდენიმე ნუკლეოფილის არილირებას ულმანის ტიპის რეაქციებში.
ყველა ამ რეაქციის ჰეტეროგენიზაციის მაგალითები ახლახან იქნა ნაჩვენები Cu(0) თანდასწრებით. ეს დიდწილად განპირობებულია ფარმაცევტული ინდუსტრიით და მეტალის კატალიზატორის აღდგენასა და ხელახლა გამოყენებაზე მზარდი აქცენტით55,56.
პიონერად ჰისგენმა 1960S57 წელს, 1,3-დიპოლარული ციკლური დატვირთვის რეაქცია აცეტილენსა და აზიდს შორის 1,2,3-ტრიაზოლს შორის ითვლება სინერგიული დემონსტრაციის რეაქციად. რის შედეგადაც 1,2,3 ტრიაზოლის ნაყოფი არის განსაკუთრებული ინტერესი, როგორც ფარმაკოფორი, ნარკოტიკების აღმოჩენის გამო, მათი ბიოლოგიური აპლიკაციების გამო.
ეს რეაქცია კვლავ ყურადღების ცენტრში მოექცა, როდესაც შარპლესმა და სხვებმა შემოიტანეს "დაწკაპუნების ქიმიის" კონცეფცია59. ტერმინი "დაწკაპუნების ქიმია" გამოიყენება რეაქციის მძლავრი, საიმედო და შერჩევითი ნაკრების აღსაწერად ახალი ნაერთებისა და კომბინატორული ბიბლიოთეკების სწრაფი სინთეზისთვის ჰეტეროატომური კავშირის მეშვეობით (CXC)60. ჟანგბადის და წყლის წინააღმდეგობა და პროდუქტის გამოყოფა მარტივია61.
კლასიკური ჰაისგენის 1,3-დიპოლური ციკლოდამატება არ მიეკუთვნება "დაწკაპუნების ქიმიის" კატეგორიას. თუმცა, მედალმა და შარპლესმა აჩვენეს, რომ ეს აზიდი-ალკინის შეერთების მოვლენა განიცდის 107-დან 108-მდე Cu(I)-ის თანდასწრებით არაკატალიზირებული 1,3-ციკლო6, 6,3-დიპოლარული რეაქციასთან შედარებით. არ საჭიროებს დამცავ ჯგუფებს ან უხეში რეაქციის პირობებს და იძლევა სრულ გარდაქმნას და სელექციურობას 1,4-დაცვლილ 1,2,3-ტრიაზოლამდე (ანტი-1,2,3-ტრიაზოლი) დროის მასშტაბით (სურათი 3).
ჩვეულებრივი და სპილენძით კატალიზებული ჰაისგენის ციკლოდანამატების იზომეტრიული შედეგები. Cu(I)-კატალიზირებული ჰაისგენის ციკლოდანამატები იძლევა მხოლოდ 1,4-ჩანაცვლებულ 1,2,3-ტრიაზოლებს, ხოლო თერმულად ინდუცირებული ჰაისგენის ციკლოდანამატები, როგორც წესი, იძლევა 1,54-სტერიოის ნარევს, 1,54-სტერია. ზოლები.
პროტოკოლების უმეტესობა მოიცავს Cu(II) სტაბილური წყაროების შემცირებას, როგორიცაა CuSO4 ან Cu(II)/Cu(0) სახეობების ნატრიუმის მარილებთან ერთობლივი კომბინაციის შემცირება. სხვა მეტალის კატალიზირებულ რეაქციებთან შედარებით, Cu(I)-ის გამოყენებას აქვს მთავარი უპირატესობა, რომ არის იაფი და მარტივი.
კინეტიკური და იზოტოპური მარკირების კვლევები Worrell et al.65 აჩვენა, რომ ტერმინალური ალკინების შემთხვევაში, სპილენძის ორი ეკვივალენტი მონაწილეობს თითოეული მოლეკულის რეაქტიულობის გააქტიურებაში აზიდის მიმართ. შემოთავაზებული მექანიზმი მიმდინარეობს ექვსწევრიანი სპილენძის ლითონის რგოლით, რომელიც წარმოიქმნება აზიდის σ-დაკავშირებულ სპილენძის აცეტილიდის კოორდინაციით π-შეკავშირებულ სპილენძთან, როგორც სპილენძის მიერ შეკავშირებული π-შეკავშირებული სპილენძი. რინგაჟი, რასაც მოჰყვება პროტონის დაშლა, რათა უზრუნველყოს ტრიაზოლის პროდუქტები და დახუროს კატალიზური ციკლი.
მიუხედავად იმისა, რომ ნაკადის ქიმიური მოწყობილობების სარგებელი კარგად არის დადასტურებული, გაჩნდა სურვილი ამ სისტემებში ინტეგრირებულ იქნას ანალიტიკური ხელსაწყოები შიდა, ადგილზე, პროცესის მონიტორინგისთვის66,67. UAM აღმოჩნდა შესაფერისი მეთოდი 3D ნაკადის რეაქტორების დიზაინისა და წარმოებისთვის, რომლებიც დამზადებულია კატალიზურად აქტიური, თერმოგამტარი ელემენტებით (პირდაპირ თერმოგამტარი ელემენტებით4).
ალუმინის-სპილენძის ნაკადის რეაქტორი დამზადებულია ულტრაბგერითი დანამატის წარმოებით (UAM) რთული შიდა არხის სტრუქტურით, ჩაშენებული თერმოწყვილებით და კატალიზური რეაქციის კამერით. სითხის შიდა გზების ვიზუალიზაციისთვის ასევე ნაჩვენებია სტერეოლითოგრაფიის გამოყენებით დამზადებული გამჭვირვალე პროტოტიპი.
იმის უზრუნველსაყოფად, რომ რეაქტორები მზადდება მომავალი ორგანული რეაქციებისთვის, გამხსნელები უსაფრთხოდ უნდა გაცხელდეს დუღილის წერტილამდე;ისინი შემოწმებულია წნევასა და ტემპერატურაზე. წნევის ტესტმა აჩვენა, რომ სისტემა ინარჩუნებს სტაბილურ და მუდმივ წნევას სისტემაში გაზრდილი წნევის დროსაც კი (1.7 მპა). ჰიდროსტატიკური ტესტი ჩატარდა ოთახის ტემპერატურაზე H2O სითხის გამოყენებით.
ჩაშენებული (სურათი 1) თერმოწყვილის ტემპერატურულ მონაცემთა ლოგერთან დაკავშირებამ აჩვენა, რომ თერმოწყვილი 6 °C (± 1 °C) უფრო მაგარი იყო, ვიდრე FlowSyn სისტემაზე დაპროგრამებული ტემპერატურა. როგორც წესი, ტემპერატურის 10 °C-ით მატება იწვევს რეაქციის სიჩქარის გაორმაგებას, ასე რომ ტემპერატურის სხვაობა შეიძლება იყოს რამდენიმე გრადუსით გამოწვეული რეაქციის სიხშირე. წარმოების პროცესში გამოყენებული მასალების მაღალი თერმული დიფუზურობა. ეს თერმული დრიფტი თანმიმდევრულია და, შესაბამისად, შეიძლება ჩაითვალოს აღჭურვილობის დაყენებაში, რათა უზრუნველყოს ზუსტი ტემპერატურის მიღწევა და გაზომვა რეაქციის დროს. ამიტომ, ეს ონლაინ მონიტორინგის ინსტრუმენტი ხელს უწყობს რეაქციის ტემპერატურის მჭიდრო კონტროლს და ხელს უწყობს პროცესის უფრო ზუსტ ოპტიმიზაციას და ოპტიმალური პირობების განვითარებას.
ამ ნაშრომში წარმოდგენილი რეაქტორი არის UAM ტექნოლოგიის გამოყენების პირველი მაგალითი ქიმიური რეაქტორების წარმოებაში და განიხილავს რამდენიმე ძირითად შეზღუდვას, რომლებიც ამჟამად დაკავშირებულია ამ მოწყობილობების AM/3D ბეჭდვასთან, როგორიცაა: (i) სპილენძის ან ალუმინის შენადნობების დამუშავებასთან დაკავშირებული მოხსენებული პრობლემების გადალახვა (ii) გაუმჯობესებული შიდა არხის გარჩევადობა, როგორიცაა ფხვნილის საწოლის შერწყმა (PB5SLM) უხეში ზედაპირის ტექსტურა26 (iii) დამუშავების შემცირებული ტემპერატურა, რაც ხელს უწყობს სენსორების პირდაპირ შეკავშირებას, რაც შეუძლებელია ფხვნილის ფენის ტექნოლოგიაში, (v) გადალახავს ცუდ მექანიკურ თვისებებს და პოლიმერზე დაფუძნებული კომპონენტების კომპონენტების მგრძნობელობას სხვადასხვა საერთო ორგანული გამხსნელების მიმართ17,19.
რეაქტორის ფუნქციონირება აჩვენა სპილენძით კატალიზებული ალკინაზიდის ციკლოდამატების რეაქციების სერიით უწყვეტი ნაკადის პირობებში (ნახ. 2). ულტრაბგერითი ბეჭდვითი სპილენძის რეაქტორი, რომელიც დეტალურად არის აღწერილი 4-ზე, ინტეგრირებული იყო კომერციულ ნაკადის სისტემასთან და გამოიყენებოდა 1-1,4-2-3,4-2-2 ტემპერატურის საბიბლიოთეკო აზიდების სინთეზირებისთვის. ტილენისა და ალკილის ჯგუფების ჰალოიდები ნატრიუმის ქლორიდის თანდასწრებით (სურათი 3). უწყვეტი ნაკადის მიდგომის გამოყენება ამცირებს უსაფრთხოების შეშფოთებას, რომელიც შეიძლება წარმოიშვას სერიის პროცესებში, რადგან ეს რეაქცია წარმოქმნის უაღრესად რეაქტიულ და საშიშ აზიდურ შუალედებს [317], [318]. 1 – ფენილაცეტილენისა და იოდოეთანის ციკლოდიტაცია) (იხ. სურათი 5).
(ზედა მარცხნივ) დაყენების სქემა, რომელიც გამოიყენება 3DP რეაქტორის ნაკადის სისტემაში ჩართვისთვის (ზედა მარჯვნივ), მიღებული Huisgen ციკლოდანამატის 57 სქემის ოპტიმიზებული (ქვემოთ) სქემაში ფენილაცეტილენსა და იოდოეთანს შორის ოპტიმიზაციისთვის და ოპტიმიზებული პარამეტრების რეაქციის კონვერტაციის სიჩქარის ჩვენებით.
რეაქტორის კატალიზურ ნაწილში რეაგენტების ყოფნის დროის კონტროლით და უშუალოდ ინტეგრირებული თერმოწყვილის ზონდით რეაქციის ტემპერატურის მჭიდრო მონიტორინგით, რეაქციის პირობების ოპტიმიზაცია შესაძლებელია სწრაფად და ზუსტად, მინიმალური დროისა და მასალის მოხმარებით. სწრაფად დადგინდა, რომ ყველაზე მაღალი კონვერტაცია მიღწეული იყო, როდესაც ბინადრობის დრო გამოიყენებოდა 15 წუთის განმავლობაში, პროგრამული უზრუნველყოფა რეაქციის ნაკვეთი 15 წუთი, MDE 0 °C. ჩანს, რომ ორივე ბინადრობის დრო და რეაქციის ტემპერატურა განიხილება მოდელის მნიშვნელოვან ტერმინებად. ჩაშენებული ოპტიმიზატორის გაშვება ამ შერჩეული ტერმინების გამოყენებით წარმოქმნის რეაქციის პირობების ერთობლიობას, რომელიც შექმნილია პროდუქტის პიკის არეების მაქსიმალურად გაზრდის მიზნით, ხოლო საწყისი მასალის პიკის არეების შემცირება. ამ ოპტიმიზაციამ გამოიღო ტრიაზოლის პროდუქტის 53% კონვერტაცია, რომელიც მჭიდროდ დაემთხვა მოდელის პროგნოზს 54%.
ლიტერატურაზე დაყრდნობით, რომელიც აჩვენებს, რომ სპილენძის(I) ოქსიდს (Cu2O) შეუძლია იმოქმედოს, როგორც ეფექტური კატალიზური სახეობა ნულვალენტიან სპილენძის ზედაპირებზე ამ რეაქციებში, გამოკვლეული იყო რეაქტორის ზედაპირის წინასწარი დაჟანგვის უნარი ნაკადში რეაქციის დაწყებამდე70,71. რეაქცია ფენილაცეტილენსა და იოდოს შორის იყო შედარებული ოპტიმალური პირობებით. გამოიწვია საწყისი მასალის კონვერტაციის მნიშვნელოვანი ზრდა, რომელიც გამოითვლება >99%.თუმცა, HPLC-ის მიერ მონიტორინგმა აჩვენა, რომ ამ კონვერტაციამ მნიშვნელოვნად შეამცირა ზედმეტად გახანგრძლივებული რეაქციის დრო დაახლოებით 90 წუთამდე, რის შემდეგაც აქტივობა შემცირდა და მიაღწია „სტაბილურ მდგომარეობას“. u ლითონი ადვილად იჟანგება ოთახის ტემპერატურაზე და წარმოიქმნება CuO და Cu2O, რომლებიც არ არიან თვითდამცავი ფენები. ეს გამორიცხავს დამხმარე სპილენძის(II) წყაროს დამატებით კომპოზიციას71.