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.
დანამატური წარმოება ცვლის მკვლევარებისა და მრეწველების მიერ ქიმიური მოწყობილობების დიზაინისა და წარმოების მეთოდს მათი კონკრეტული საჭიროებების დასაკმაყოფილებლად. ამ ნაშრომში ჩვენ წარმოგიდგენთ მყარი მდგომარეობის ლითონის ფურცლის ლამინირების ტექნიკით - ულტრაბგერითი დანამატური წარმოების (UAM) გამოყენებით წარმოქმნილ ნაკადის რეაქტორის პირველ მაგალითს პირდაპირ ინტეგრირებული კატალიზური ნაწილებითა და სენსორული ელემენტებით. UAM ტექნოლოგია არა მხოლოდ გადალახავს ქიმიური რეაქტორების დანამატურ წარმოებასთან ამჟამად დაკავშირებულ ბევრ შეზღუდვას, არამედ მნიშვნელოვნად ზრდის ასეთი მოწყობილობების შესაძლებლობებს. ბიოლოგიურად მნიშვნელოვანი 1,4-დისუბსტიტუირებული 1,2,3-ტრიაზოლის ნაერთების სერია წარმატებით სინთეზირდა და ოპტიმიზირებული იქნა Cu-განპირობებული Huisgen 1,3-დიპოლარული ციკლოდამატების რეაქციით UAM ქიმიური სისტემის გამოყენებით. UAM-ის უნიკალური თვისებებისა და უწყვეტი ნაკადის დამუშავების გამოყენებით, მოწყობილობას შეუძლია მიმდინარე რეაქციების კატალიზაცია, ამავდროულად რეაქციის მონიტორინგისა და ოპტიმიზაციისთვის რეალურ დროში უკუკავშირის უზრუნველყოფა.
ნაყარ ანალოგთან შედარებით მნიშვნელოვანი უპირატესობების გამო, ნაკადის ქიმია მნიშვნელოვანი და მზარდი სფეროა როგორც აკადემიურ, ასევე სამრეწველო გარემოში, ქიმიური სინთეზის სელექციურობისა და ეფექტურობის გაზრდის უნარის გამო. ეს მოიცავს მარტივი ორგანული მოლეკულების წარმოქმნას1 ფარმაცევტულ ნაერთებამდე2,3 და ბუნებრივ პროდუქტებამდე4,5,6. წვრილი ქიმიური და ფარმაცევტული ინდუსტრიების რეაქციების 50%-ზე მეტს შეუძლია ისარგებლოს უწყვეტი ნაკადის დამუშავებით7.
ბოლო წლებში, იზრდება იმ ჯგუფების ტენდენცია, რომლებიც ცდილობენ ტრადიციული მინის ჭურჭლის ან ნაკადის ქიმიის აღჭურვილობის შეცვლას დანამატის წარმოების (AM) ქიმიის „რეაქციის ჭურჭლებით“8. ამ ტექნიკის განმეორებითი დიზაინი, სწრაფი წარმოება და სამგანზომილებიანი (3D) შესაძლებლობები სასარგებლოა მათთვის, ვისაც სურს თავისი მოწყობილობების მორგება რეაქციების, მოწყობილობების ან პირობების კონკრეტულ ნაკრებს. 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 სიმტკიცისა და ქიმიური რეაქციების/ანალიზების ფართო სპექტრის შესრულების უნარის ნაკლებობა17, 18, 19, 20 წარმოადგენს ამ სფეროში AM-ის უფრო ფართოდ დანერგვის მთავარ შემზღუდველ ფაქტორს17, 18, 19, 20.
ნაკადის ქიმიის მზარდი გამოყენებისა და AM-თან დაკავშირებული ხელსაყრელი თვისებების გამო, საჭიროა უფრო მოწინავე ტექნიკის შესწავლა, რაც მომხმარებლებს საშუალებას მისცემს შექმნან გაუმჯობესებული ქიმიური და ანალიტიკური შესაძლებლობების მქონე ნაკადის რეაქციის ჭურჭელი. ეს ტექნიკა მომხმარებლებს საშუალებას მისცემს აირჩიონ მაღალი სიმტკიცის ან ფუნქციონალური მასალებიდან, რომლებსაც შეუძლიათ რეაქციის ფართო სპექტრის პირობების დამუშავება, ამასთანავე, ხელს შეუწყობენ მოწყობილობიდან ანალიტიკური გამომავალი მონაცემების სხვადასხვა ფორმის მიღებას, რაც უზრუნველყოფს რეაქციის მონიტორინგსა და კონტროლს.
ერთ-ერთი დანამატური წარმოების პროცესი, რომელსაც აქვს პოტენციალი, შეიმუშაოს ინდივიდუალური ქიმიური რეაქტორები, არის ულტრაბგერითი დანამატური წარმოება (UAM). ეს მყარი მდგომარეობის ფურცლის ლამინირების ტექნიკა იყენებს ულტრაბგერით რხევებს თხელ ლითონის ფოლგებზე, რათა ისინი ერთმანეთთან ფენა-ფენა შეაერთოს მინიმალური მოცულობითი გაცხელებით 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 ადგილზე პერიოდული კომპიუტერული რიცხვითი კონტროლის (CNC) ფრეზირება ან ლაზერული დამუშავება განსაზღვრავს შეკრული მასალის ფენის წმინდა ფორმას 24, 25. ეს ნიშნავს, რომ მომხმარებელი არ არის შეზღუდული მცირე სითხის არხებიდან ნარჩენი ნედლი სამშენებლო მასალის მოცილებასთან დაკავშირებული პრობლემებით, რაც ხშირად ხდება ფხვნილისა და თხევადი AM სისტემების შემთხვევაში 26, 27, 28. ეს დიზაინის თავისუფლება ასევე ვრცელდება ხელმისაწვდომ მასალის 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 შეიძლება დაკმაყოფილდეს. მყარი მდგომარეობის შეერთების გარდა, ულტრაბგერითი შეერთების დროს კიდევ ერთი ფენომენი გვხვდება. შეერთება არის პლასტიკური მასალების მაღალი ნაკადი შედარებით დაბალ ტემპერატურაზე29,30,31,32,33. UAM-ის ეს უნიკალური თვისება ხელს უწყობს მექანიკური/თერმული ელემენტების ლითონის ფენებს შორის ჩასმას დაზიანების გარეშე. UAM-ში ჩაშენებული სენსორები ხელს უწყობენ მოწყობილობიდან მომხმარებლისთვის რეალურ დროში ინფორმაციის მიწოდებას ინტეგრირებული ანალიტიკის საშუალებით.
ავტორების წარსულში ჩატარებულმა ნაშრომებმა32 აჩვენა UAM პროცესის შესაძლებლობა, შექმნას მეტალის 3D მიკროფლუიდური სტრუქტურები ინტეგრირებული სენსორული შესაძლებლობებით. ეს არის მხოლოდ მონიტორინგის მოწყობილობა. ეს ნაშრომი წარმოადგენს UAM-ით დამზადებული მიკროფლუიდური ქიმიური რეაქტორის პირველ მაგალითს; აქტიური მოწყობილობა, რომელიც არა მხოლოდ აკონტროლებს, არამედ იწვევს ქიმიურ სინთეზს სტრუქტურულად ინტეგრირებული კატალიზატორი მასალების მეშვეობით. მოწყობილობა აერთიანებს UAM ტექნოლოგიასთან დაკავშირებულ რამდენიმე უპირატესობას 3D ქიმიური მოწყობილობების წარმოებაში, როგორიცაა: სრული 3D დიზაინის პირდაპირ კომპიუტერული დიზაინის (CAD) მოდელებიდან პროდუქტებად გარდაქმნის შესაძლებლობა; მრავალმასალიანი დამზადება მაღალი თბოგამტარობისა და კატალიზური მასალების შესარწყმელად; და თერმული სენსორების პირდაპირ რეაგენტთა ნაკადებს შორის ჩასმა რეაქციის ტემპერატურის ზუსტი მონიტორინგისა და კონტროლისთვის. რეაქტორის ფუნქციონირების დემონსტრირებისთვის, ფარმაცევტულად მნიშვნელოვანი 1,4-დისუბსტიტუირებული 1,2,3-ტრიაზოლის ნაერთების ბიბლიოთეკა სინთეზირებული იქნა სპილენძით კატალიზირებული Huisgen 1,3-დიპოლარული ციკლოდამატებით. ეს ნაშრომი ხაზს უსვამს, თუ როგორ შეუძლია მასალათმეცნიერებისა და კომპიუტერული დიზაინის გამოყენებას ქიმიისთვის ახალი შესაძლებლობების გახსნა მულტიდისციპლინური 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 MHz და 100 MHz სიხშირეზე, მიღებული იქნა JEOL ECS-400 400 MHz სპექტრომეტრის ან Bruker Avance II 400 MHz სპექტრომეტრის და გამხსნელის სახით CDCl3-ის ან (CD3)2SO3-ის გამოყენებით. ყველა რეაქცია ჩატარდა Uniqsis FlowSyn ნაკადის ქიმიის პლატფორმის გამოყენებით.
ამ კვლევაში წარმოდგენილი ყველა მოწყობილობის დასამზადებლად გამოყენებული იქნა UAM. ტექნოლოგია გამოიგონეს 1999 წელს და მისი ტექნიკური დეტალები, ოპერაციული პარამეტრები და მისი გამოგონების შემდგომი განვითარება შეიძლება შესწავლილ იქნას შემდეგი გამოქვეყნებული მასალების მეშვეობით34,35,36,37. მოწყობილობა (სურათი 1) დანერგილი იქნა ულტრამაღალი სიმძლავრის, 9 კვტ სიმძლავრის SonicLayer 4000® UAM სისტემის გამოყენებით (Fabrisonic, OH, აშშ). ნაკადის მოწყობილობის დასამზადებლად 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 კატალიზირებული რეაქციებისთვის და, შესაბამისად, გამოიყენება როგორც „აქტიური ფენა მიკრორეაქტორში“. Al 6061O გამოიყენება როგორც „ნაყარი“ მასალა, ასევე ანალიზისთვის გამოიყენება ჩასადგმელი ფენა; შენადნობის დამხმარე კომპონენტის ჩასადგმელი და გახურების პირობა Cu-110 ფენასთან ერთად. Al 6061O არის მასალა, რომელიც, როგორც აღმოჩნდა, მაღალი თავსებადობით ხასიათდება UAM პროცესებთან38, 39, 40, 41 და შემოწმებულია და ქიმიურად სტაბილურია ამ ნაშრომში გამოყენებულ რეაგენტებთან მიმართებაში. Al 6061O-ს და Cu-110-ის კომბინაცია ასევე ითვლება UAM-ისთვის თავსებად მასალად და, შესაბამისად, ამ კვლევისთვის შესაფერის მასალად. 38,42 ეს მოწყობილობები ჩამოთვლილია ქვემოთ მოცემულ ცხრილში 1.
რეაქტორის დამზადების ეტაპები (1) Al 6061 სუბსტრატი (2) სპილენძის ფოლგაზე დამაგრებული ქვედა არხის დამზადება (3) ფენებს შორის თერმოწყვილების ჩასმა (4) ზედა არხი (5) შესასვლელი და გამოსასვლელი (6) მონოლითური რეაქტორი.
სითხის გზის დიზაინის ფილოსოფიაა დახვეული გზის გამოყენება ჩიპში სითხის მიერ გავლილი მანძილის გასაზრდელად, ჩიპის მართვადი ზომის შენარჩუნებისას. მანძილის ეს ზრდა სასურველია კატალიზატორი/რეაგენტის ურთიერთქმედების დროის გასაზრდელად და პროდუქტის შესანიშნავი მოსავლიანობის უზრუნველსაყოფად. ჩიპები იყენებენ 90°-იან მოხრილობას სწორი გზის ბოლოებში, რათა გამოიწვიონ ტურბულენტური შერევა მოწყობილობაში44 და გაზარდონ სითხის ზედაპირთან (კატალიზატორთან) კონტაქტის დრო. შერევის შემდგომი გაზრდის მიზნით, რეაქტორის დიზაინს აქვს ორი რეაგენტის შესასვლელი, რომლებიც გაერთიანებულია Y-შეერთებაზე, სერპენტინის შერევის განყოფილებაში შესვლამდე. მესამე შესასვლელი, რომელიც ნაკადს კვეთს მისი რეზიდენციის ნახევარზე, შედის მომავალი მრავალსაფეხურიანი რეაქციის სინთეზების დიზაინში.
ყველა არხს აქვს კვადრატული პროფილი (არ აქვს წევის კუთხეები), რაც არხის გეომეტრიის შესაქმნელად გამოყენებული პერიოდული CNC ფრეზირების შედეგია. არხის ზომები შერჩეულია მაღალი (მიკრორეაქტორისთვის) მოცულობის გამოსავლის უზრუნველსაყოფად, ამავდროულად საკმარისად მცირეა, რათა ხელი შეუწყოს ზედაპირულ ურთიერთქმედებებს (კატალიზატორებს) შემავალი სითხეების უმეტესობისთვის. შესაბამისი ზომა ეფუძნება ავტორების წარსულ გამოცდილებას რეაქციისთვის მეტალ-ფლუიდური მოწყობილობების გამოყენებისას. საბოლოო არხის შიდა ზომები იყო 750 µm x 750 µm, ხოლო რეაქტორის საერთო მოცულობა - 1 მლ. დიზაინში შედის ინტეგრირებული კონექტორი (1/4″—28 UNF ხრახნი), რათა მოწყობილობის მარტივი ინტერფეისი უზრუნველყოფილი იყოს კომერციული ნაკადის ქიმიის აღჭურვილობასთან. არხის ზომა შეზღუდულია ფოლგის მასალის სისქით, მისი მექანიკური თვისებებით და ულტრაბგერით გამოყენებული შემაკავშირებელი პარამეტრებით. მოცემული მასალისთვის სპეციფიკური 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 მკმ სიგანე არ გამოიწვევს ჩამოხრას.
არხის ფორმა (კვადრატული) განისაზღვრება კვადრატული საჭრელის გამოყენებით. არხების ფორმისა და ზომის შეცვლა შესაძლებელია CNC მანქანებით სხვადასხვა საჭრელი ხელსაწყოების გამოყენებით, სხვადასხვა ნაკადის სიჩქარისა და მახასიათებლების მისაღებად. 125 μm ხელსაწყოს გამოყენებით მოხრილი ფორმის არხის შექმნის მაგალითი შეგიძლიათ იხილოთ მონაჰანის45 ნაშრომში. როდესაც ფოლგის ფენა ბრტყლად იდება, არხებზე ფოლგის მასალის გადაფარვას ექნება ბრტყელი (კვადრატული) დასრულება. ამ ნაშრომში, არხის სიმეტრიის შესანარჩუნებლად, გამოყენებული იქნა კვადრატული კონტური.
წარმოების წინასწარ დაპროგრამებული პაუზის დროს, თერმოწყვილების ტემპერატურის ზონდები (ტიპი K) უშუალოდ მოწყობილობაშია ჩამონტაჟებული ზედა და ქვედა არხის ჯგუფებს შორის (სურათი 1 - ეტაპი 3). ამ თერმოწყვილებს შეუძლიათ ტემპერატურის ცვლილებების მონიტორინგი -200-დან 1350°C-მდე.
ლითონის დალექვის პროცესი ხორციელდება UAM რქის მეშვეობით, 25.4 მმ სიგანის და 150 მიკრონი სისქის ლითონის ფოლგის გამოყენებით. ფოლგის ეს ფენები ერთმანეთთან დაკავშირებული ზოლების სერიად არის მიმაგრებული, რათა დაფაროს მთელი აწყობის არეალი; დალექილი მასალის ზომა უფრო დიდია, ვიდრე საბოლოო პროდუქტი, რადგან გამოკლებითი პროცესი საბოლოო ბადის ფორმას ქმნის. აღჭურვილობის გარე და შიდა კონტურების დასამუშავებლად გამოიყენება CNC დამუშავება, რის შედეგადაც აღჭურვილობისა და არხების ზედაპირის დასრულება ტოლია შერჩეული ხელსაწყოსა და CNC პროცესის პარამეტრებისა (ამ მაგალითში დაახლოებით 1.6 μm Ra). მოწყობილობის წარმოების მთელი პროცესის განმავლობაში გამოიყენება უწყვეტი, უწყვეტი ულტრაბგერითი მასალის დალექვისა და დამუშავების ციკლები, რათა უზრუნველყოფილი იყოს განზომილებიანი სიზუსტის შენარჩუნება და დასრულებული ნაწილი დააკმაყოფილოს CNC დაფქვის სიზუსტის დონეები. ამ მოწყობილობისთვის გამოყენებული არხის სიგანე საკმარისად მცირეა იმისათვის, რომ ფოლგის მასალა არ „ჩაიძიროს“ სითხის არხში, ამიტომ არხი ინარჩუნებს კვადრატულ განივი კვეთას. ფოლგის მასალასა და UAM პროცესის პარამეტრებში შესაძლო ხარვეზები ექსპერიმენტულად განისაზღვრა მწარმოებელი პარტნიორის (Fabrisonic LLC, აშშ) მიერ.
კვლევებმა აჩვენა, რომ UAM შემაკავშირებელ ინტერფეისზე 46, 47 დამატებითი თერმული დამუშავების გარეშე ელემენტარული დიფუზია მცირეა, ამიტომ ამ ნაშრომში გამოყენებული მოწყობილობებისთვის Cu-110 ფენა განსხვავებული რჩება Al 6061 ფენისგან და მკვეთრად იცვლება.
რეაქტორის გამოსასვლელში დაამონტაჟეთ წინასწარ დაკალიბრებული 250 psi (1724 kPa) უკუწნევის რეგულატორი (BPR) და რეაქტორის გავლით წყალი გადატუმბეთ 0.1-დან 1 მლ/წთ-მდე სიჩქარით. რეაქტორის წნევა კონტროლდებოდა FlowSyn-ის ჩაშენებული სისტემის წნევის სენსორის გამოყენებით, რათა დადასტურებულიყო, რომ სისტემას შეეძლო მუდმივი სტაბილური წნევის შენარჩუნება. ნაკადის რეაქტორზე პოტენციური ტემპერატურის გრადიენტები შემოწმდა რეაქტორში ჩაშენებულ თერმოწყვილებსა და FlowSyn-ის ჩიპის გამათბობელ ფირფიტაში ჩაშენებულ თერმოწყვილებს შორის ნებისმიერი განსხვავების იდენტიფიცირებით. ეს მიიღწევა პროგრამირებადი ცხელი ფილის ტემპერატურის 100-დან 150°C-მდე ცვალებადობით 25°C-იანი ნამატებით და დაპროგრამებულ და ჩაწერილ ტემპერატურებს შორის ნებისმიერი განსხვავების აღნიშვნით. ეს მიღწეული იქნა tc-08 მონაცემთა ლოგერის (PicoTech, კემბრიჯი, დიდი ბრიტანეთი) და თანმხლები PicoLog პროგრამული უზრუნველყოფის გამოყენებით.
ფენილაცეტილენისა და იოდოეთანის ციკლოდამატების რეაქციის პირობები ოპტიმიზირებული იყო (სქემა 1 - ფენილაცეტილენისა და იოდოეთანის ციკლოდამატება). ეს ოპტიმიზაცია განხორციელდა ექსპერიმენტების სრული ფაქტორული დიზაინის (DOE) მიდგომით, ტემპერატურისა და რეზიდენციის დროის გამოყენებით, როგორც ცვლადი პარამეტრებით, ალკინის:აზიდის თანაფარდობის 1:2-ზე ფიქსირებით.
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 სასურველი ნაკადის სიჩქარითა და ტემპერატურით გადაიტუმბა. მოდელის რეაქციად აღებული იქნა ტრიაზოლის პროდუქტის პიკური ფართობის თანაფარდობა ფენილაცეტილენის საწყის მასალასთან და განისაზღვრა მაღალეფექტური თხევადი ქრომატოგრაფიით (HPLC). ანალიზის თანმიმდევრულობისთვის, ყველა რეაქციიდან ნიმუში აღებული იქნა 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), ზომით 4.6 × 100 მმ, ნაწილაკების ზომით 5 µm, შენარჩუნებული 40°C ტემპერატურაზე. გამხსნელი იყო იზოკრატიული 50:50 მეთანოლი:წყალი 1.5 მლ.წთ-1 ნაკადის სიჩქარით. ინექციის მოცულობა იყო 5 µლ და დეტექტორის ტალღის სიგრძე 254 ნმ. DOE ნიმუშისთვის პიკის ფართობის პროცენტული მაჩვენებელი გამოითვალა მხოლოდ ნარჩენი ალკინისა და ტრიაზოლის პროდუქტების პიკის ფართობიდან. საწყისი მასალის ინექცია საშუალებას იძლევა შესაბამისი პიკების იდენტიფიცირებისა.
რეაქტორის ანალიზის გამომავალი მონაცემების MODDE DOE პროგრამულ უზრუნველყოფასთან (Umetrics, მალმიო, შვედეთი) დაკავშირებამ შედეგების ტენდენციების საფუძვლიანი ანალიზისა და ამ ციკლოდამატებისთვის ოპტიმალური რეაქციის პირობების განსაზღვრის საშუალება მოგვცა. ჩაშენებული ოპტიმიზატორის გაშვებისა და ყველა მნიშვნელოვანი მოდელის ტერმინის შერჩევის შედეგად მივიღებთ რეაქციის პირობების ერთობლიობას, რომელიც შექმნილია პროდუქტის პიკური ფართობის მაქსიმიზაციისა და აცეტილენის საწყისი მასალის პიკური ფართობის შემცირების მიზნით.
კატალიზური რეაქციის კამერაში ზედაპირული სპილენძის დაჟანგვა მიღწეული იქნა წყალბადის ზეჟანგის (36%) ხსნარის გამოყენებით, რომელიც რეაქციის კამერაში გადიოდა (ნაკადის სიჩქარე = 0.4 მლ წთ-1, რეზიდენციის დრო = 2.5 წთ) თითოეული ტრიაზოლის ნაერთის ბიბლიოთეკის სინთეზამდე.
ოპტიმალური პირობების ნაკრების იდენტიფიცირების შემდეგ, ისინი გამოყენებული იქნა აცეტილენისა და ჰალოალკანის წარმოებულების ფართო სპექტრზე, რათა შესაძლებელი ყოფილიყო მცირე ბიბლიოთეკის სინთეზის შედგენა, რითაც დადგინდა 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 იქნა და გადაიტუმბეს რეაქტორში 75 µლ/წთ-1 ტემპერატურაზე და 150°C-ზე. მთლიანი მოცულობა შეგროვდა ფლაკონში და განზავდა 10 მლ ეთილის აცეტატით. ნიმუშის ხსნარი გაირეცხა 3 × 10 მლ წყლით. წყლიანი ფენები გაერთიანდა და ექსტრაგირებული იქნა 10 მლ ეთილის აცეტატით; ორგანული ფენები შემდეგ გაერთიანდა, გაირეცხა 3 x 10 მლ მარილწყლით, გაშრა MgSO4-ზე და გაფილტრეს, შემდეგ გამხსნელი ამოიღეს ვაკუუმში. ნიმუშები გაიწმინდა სილიციუმის გელზე სვეტის ქრომატოგრაფიით ეთილის აცეტატის გამოყენებით ანალიზამდე HPLC, 1H NMR, 13C NMR და მაღალი გარჩევადობის მას-სპექტრომეტრიის (HR-MS) კომბინაციით.
ყველა სპექტრი მიღებული იქნა Thermofisher-ის ზუსტი Orbitrap გარჩევადობის მას-სპექტრომეტრის გამოყენებით, რომლის იონიზაციის წყაროც ESI იყო. ყველა ნიმუში მომზადდა აცეტონიტრილის, როგორც გამხსნელის გამოყენებით.
თხელფენოვანი ქრომატოგრაფიული ანალიზი ჩატარდა ალუმინის საყრდენით დაფარულ სილიციუმის ფირფიტებზე. ფირფიტები ვიზუალიზებული იქნა ულტრაიისფერი სხივით (254 ნმ) ან ვანილინით შეღებვით და გაცხელებით.
ყველა ნიმუში გაანალიზდა VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, დიდი ბრიტანეთი) სისტემის გამოყენებით, რომელიც აღჭურვილია ავტოსემპლერით, სვეტის ღუმელის ბინარული ტუმბოთი და ერთი ტალღის სიგრძის დეტექტორით. გამოყენებული სვეტი იყო ACE Equivalence 5 C18 (150 × 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 პიკის ფართობის პროცენტული მაჩვენებელი გამოითვალა ნარჩენი ალკინის პიკის ფართობიდან, მხოლოდ ტრიაზოლის პროდუქტიდან, და საწყისი მასალის ინექციამ 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%-იან DMF-სა და 2%-იან HNO3 ხსნარში და ყველა ნიმუში 20-ჯერ განზავდა DMF-HNO3 ნიმუშის ხსნარში.
UAM იყენებს ულტრაბგერით ლითონის შედუღებას, როგორც შემაკავშირებელ ტექნიკას ლითონის ფოლგის მასალისთვის, რომელიც გამოიყენება საბოლოო ასამბლეის ასაშენებლად. ულტრაბგერითი ლითონის შედუღება იყენებს ვიბრაციულ ლითონის ხელსაწყოს (რქას ან ულტრაბგერით რქას), რათა მოახდინოს ზეწოლა ფოლგის ფენაზე/ადრე კონსოლიდირებულ ფენაზე, მასალის ვიბრაციის დროს. უწყვეტი მუშაობისთვის, სონოტროდი ცილინდრულია და ტრიალებს მასალის ზედაპირზე, აკავშირებს მთელ უბანს. როდესაც წნევა და ვიბრაცია გამოიყენება, მასალის ზედაპირზე ოქსიდები შეიძლება გაიბზაროს. ხანგრძლივმა წნევამ და ვიბრაციამ შეიძლება გამოიწვიოს მასალის სიმკვეთრეების კოლაფსი 36. ადგილობრივად გამოწვეულ სითბოსთან და წნევასთან მჭიდრო კონტაქტი შემდეგ იწვევს მყარი მდგომარეობის შეერთებას მასალის ინტერფეისებზე; მას ასევე შეუძლია ხელი შეუწყოს ადჰეზიას ზედაპირის ენერგიის ცვლილებების გზით 48. შემაკავშირებელი მექანიზმის ბუნება გადალახავს მრავალ პრობლემას, რომელიც დაკავშირებულია ცვლადი დნობის ტემპერატურასთან და მაღალი ტემპერატურის შემდგომ ეფექტებთან, რომლებიც ნახსენებია სხვა დანამატის წარმოების ტექნიკაში. ეს საშუალებას იძლევა სხვადასხვა მასალის მრავალი ფენის პირდაპირი შეერთება (ანუ ზედაპირის მოდიფიკაციის, შემავსებლების ან წებოვანი ნივთიერებების გარეშე) ერთ კონსოლიდირებულ სტრუქტურაში.
მეორე ხელსაყრელი ფაქტორი UAM-ისთვის არის პლასტმასის ნაკადის მაღალი ხარისხი, რომელიც შეინიშნება მეტალის მასალებში, თუნდაც დაბალ ტემპერატურაზე, ანუ მეტალის მასალების დნობის წერტილზე გაცილებით დაბალი ტემპერატურის პირობებში. ულტრაბგერითი რხევისა და წნევის კომბინაცია იწვევს მარცვლების საზღვრის ადგილობრივი მიგრაციისა და რეკრისტალიზაციის მაღალ დონეს ტემპერატურის დიდი მატების გარეშე, რაც ტრადიციულად ასოცირდება მოცულობით მასალებთან. საბოლოო აწყობის აგების დროს, ეს ფენომენი შეიძლება გამოყენებულ იქნას აქტიური და პასიური კომპონენტების ლითონის ფოლგის ფენებს შორის, ფენა-ფენა ჩასართავად. ისეთი ელემენტები, როგორიცაა ოპტიკური ბოჭკოები 49, გამაგრებები 46, ელექტრონიკა 50 და თერმოწყვილები (ეს ნაშრომი), წარმატებით იქნა ჩასმული UAM სტრუქტურებში აქტიური და პასიური კომპოზიტური აწყობების შესაქმნელად.
ამ ნაშრომში, UAM-ის როგორც სხვადასხვა მასალის შეკავშირების, ასევე ინტერკალაციის შესაძლებლობები გამოყენებული იქნა კატალიზური ტემპერატურის მონიტორინგის საუკეთესო მიკრორეაქტორის შესაქმნელად.
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, მიმზიდველი ვარიანტია ქიმიური გადამამუშავებელი ინდუსტრიისთვის (ii) Cu-კატალიზირებული ჯვარედინი შეერთების რეაქციების დიაპაზონი იზრდება და, როგორც ჩანს, გარკვეულწილად ავსებს Pd-ზე დაფუძნებულ მეთოდოლოგიებს51,52,53 (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 ალკინებთან შეკავშირების უნარით. მაგალითად, ბიმეტალურად კატალიზირებული სონოგაშირას შეერთება და ციკლოდამატება აზიდებთან (click chemistry) (v) Cu ასევე ხელს უწყობს რამდენიმე ნუკლეოფილის არილაციას ულმანის ტიპის რეაქციებში.
ყველა ამ რეაქციის ჰეტეროგენიზაციის მაგალითები ცოტა ხნის წინ Cu(0)-ის თანაობისას იქნა ნაჩვენები. ეს ძირითადად განპირობებულია ფარმაცევტული ინდუსტრიით და ლითონის კატალიზატორის აღდგენასა და ხელახალ გამოყენებაზე მზარდი აქცენტით55,56.
1960-იან წლებში ჰიუსგენის მიერ პიონერად დანერგილი 1,3-დიპოლარული ციკლოდამატების რეაქცია აცეტილენსა და აზიდს შორის 1,2,3-ტრიაზოლამდე სინერგიულ დემონსტრაციულ რეაქციად ითვლება. შედეგად მიღებული 1,2,3 ტრიაზოლის ფრაგმენტები განსაკუთრებით საინტერესოა, როგორც ფარმაკოფორი წამლების აღმოჩენის სფეროში, მათი ბიოლოგიური გამოყენებისა და სხვადასხვა თერაპიულ აგენტებში გამოყენების გამო.
ეს რეაქცია კვლავ ყურადღების ცენტრში მოექცა, როდესაც შარპლესმა და სხვებმა შემოიღეს „დაწკაპუნების ქიმიის“ კონცეფცია59. ტერმინი „დაწკაპუნების ქიმია“ გამოიყენება ჰეტეროატომური კავშირის (CXC) მეშვეობით ახალი ნაერთებისა და კომბინატორიული ბიბლიოთეკების სწრაფი სინთეზისთვის რეაქციების საიმედო, საიმედო და შერჩევითი ნაკრების აღსაწერად60. ამ რეაქციების სინთეზური მიმზიდველობა განპირობებულია მათთან დაკავშირებული მაღალი მოსავლიანობით, რეაქციის მარტივი პირობებით, ჟანგბადისა და წყლისადმი მდგრადობით და პროდუქტის გამოყოფის სიმარტივით61.
კლასიკური ჰაისგენის 1,3-დიპოლური ციკლოდამატება არ მიეკუთვნება „დაწკაპუნების ქიმიის“ კატეგორიას. თუმცა, მედალმა და შარპლესმა აჩვენეს, რომ აზიდ-ალკინის შეერთების ეს მოვლენა განიცდის 107-დან 108-მდე Cu(I)-ის თანაობისას, არაკატალიზირებულ 1,3-დიპოლარულ ციკლოდამატებასთან შედარებით, 62,63 მნიშვნელოვანი სიჩქარის აჩქარებას. ეს გაუმჯობესებული რეაქციის მექანიზმი არ საჭიროებს დამცავ ჯგუფებს ან მკაცრ რეაქციულ პირობებს და დროის მასშტაბით იძლევა თითქმის სრულ გარდაქმნას და სელექციურობას 1,4-დისუბსტიტუირებული 1,2,3-ტრიაზოლების (ანტი-1,2,3-ტრიაზოლის) მიმართ (სურათი 3).
ჩვეულებრივი და სპილენძით კატალიზირებული ჰაისგენის ციკლოდანამატების იზომეტრიული შედეგები. Cu(I)-კატალიზირებული ჰაისგენის ციკლოდანამატები იძლევა მხოლოდ 1,4-დისუბსტიტუირებულ 1,2,3-ტრიაზოლებს, მაშინ როდესაც თერმულად ინდუცირებული ჰაისგენის ციკლოდანამატები, როგორც წესი, იძლევა 1,4- და 1,5-ტრიაზოლებს აზოლების სტერეოიზომერების 1:1 ნარევს.
პროტოკოლების უმეტესობა მოიცავს სტაბილური Cu(II) წყაროების აღდგენას, როგორიცაა CuSO4-ის აღდგენა ან Cu(II)/Cu(0) სახეობების ნატრიუმის მარილებთან ერთად შერწყმა. სხვა ლითონებით კატალიზებულ რეაქციებთან შედარებით, Cu(I)-ის გამოყენებას აქვს ძირითადი უპირატესობა, რადგან ის იაფია და მარტივად გამოიყენება.
ვორელის და სხვების მიერ ჩატარებულმა კინეტიკურმა და იზოტოპურმა ეტიკეტირების კვლევებმა 65 აჩვენა, რომ ტერმინალური ალკინების შემთხვევაში, სპილენძის ორი ეკვივალენტი მონაწილეობს თითოეული მოლეკულის აზიდის მიმართ 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. ტრიაზოლილ სპილენძის წარმოებულები წარმოიქმნება რგოლის შეკუმშვით, რასაც მოჰყვება პროტონის დაშლა ტრიაზოლის პროდუქტების მისაღებად და კატალიზური ციკლის დასასრულებლად.
მიუხედავად იმისა, რომ ნაკადის ქიმიის მოწყობილობების სარგებელი კარგად არის დოკუმენტირებული, არსებობს სურვილი, რომ ანალიტიკური ინსტრუმენტები ინტეგრირებულიყო ამ სისტემებში ხაზოვანი, ადგილზე, პროცესის მონიტორინგისთვის66,67. UAM აღმოჩნდა შესაფერისი მეთოდი კატალიზურად აქტიური, თერმულად გამტარი მასალებისგან დამზადებული მაღალკომპლექსური 3D ნაკადის რეაქტორების შესაქმნელად და წარმოებისთვის, პირდაპირ ჩაშენებული სენსორული ელემენტებით (სურათი 4).
ულტრაბგერითი დანამატებითი წარმოების (UAM) მეთოდით დამზადებული ალუმინ-სპილენძის ნაკადის რეაქტორი რთული შიდა არხის სტრუქტურით, ჩაშენებული თერმოწყვილებით და კატალიზური რეაქციის კამერით. შიდა სითხის გზების ვიზუალიზაციისთვის ასევე ნაჩვენებია სტერეოლითოგრაფიის გამოყენებით დამზადებული გამჭვირვალე პროტოტიპი.
იმისათვის, რომ რეაქტორები მომავალი ორგანული რეაქციებისთვის იყოს დამზადებული, გამხსნელები უსაფრთხოდ უნდა გაცხელდეს დუღილის წერტილზე მაღლა; ისინი ტესტირებულია წნევისა და ტემპერატურის მიხედვით. წნევის ტესტმა აჩვენა, რომ სისტემა ინარჩუნებს სტაბილურ და მუდმივ წნევას სისტემის გაზრდილი წნევის დროსაც კი (1.7 მპა). ჰიდროსტატიკური ტესტი ჩატარდა ოთახის ტემპერატურაზე, სითხის სახით H2O-ს გამოყენებით.
ჩაშენებული (სურათი 1) თერმოწყვილის ტემპერატურის მონაცემთა ლოგერთან შეერთებამ აჩვენა, რომ თერმოწყვილი FlowSyn სისტემაზე დაპროგრამებულ ტემპერატურაზე 6 °C (± 1 °C) უფრო დაბალი იყო. როგორც წესი, ტემპერატურის 10 °C-ით მატება იწვევს რეაქციის სიჩქარის გაორმაგებას, ამიტომ ტემპერატურის რამდენიმე გრადუსიანმა სხვაობამ შეიძლება მნიშვნელოვნად შეცვალოს რეაქციის სიჩქარე. ეს სხვაობა განპირობებულია რეაქტორის მთელ კორპუსში ტემპერატურის დაკარგვით, რაც გამოწვეულია წარმოების პროცესში გამოყენებული მასალების მაღალი თერმული დიფუზიურობით. ეს თერმული დრიფტი თანმიმდევრულია და შესაბამისად, მისი გათვალისწინება შესაძლებელია აღჭურვილობის დაყენებისას, რათა უზრუნველყოფილი იყოს რეაქციის დროს ზუსტი ტემპერატურის მიღწევა და გაზომვა. ამიტომ, ეს ონლაინ მონიტორინგის ინსტრუმენტი ხელს უწყობს რეაქციის ტემპერატურის მკაცრ კონტროლს და ხელს უწყობს პროცესის უფრო ზუსტ ოპტიმიზაციას და ოპტიმალური პირობების შემუშავებას. ეს სენსორები ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას რეაქციის ეგზოთერმული რეაქციების იდენტიფიცირებისა და ფართომასშტაბიან სისტემებში გაფანტული რეაქციების თავიდან ასაცილებლად.
ამ ნაშრომში წარმოდგენილი რეაქტორი წარმოადგენს UAM ტექნოლოგიის ქიმიური რეაქტორების წარმოებაში გამოყენების პირველ მაგალითს და აგვარებს ამ მოწყობილობების AM/3D ბეჭდვასთან დაკავშირებულ რამდენიმე ძირითად შეზღუდვას, როგორიცაა: (i) სპილენძის ან ალუმინის შენადნობების დამუშავებასთან დაკავშირებული პრობლემების დაძლევა (ii) ფხვნილის ფენის შერწყმის (PBF) ტექნიკასთან შედარებით, როგორიცაა შერჩევითი ლაზერული დნობა (SLM)25,69; მასალის ცუდი ნაკადი და უხეში ზედაპირის ტექსტურა26; (iii) დამუშავების შემცირებული 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 ალკინაზიდური ციკლოდამატების რეაქციების სერიით უწყვეტი ნაკადის პირობებში (სურ. 2). ულტრაბგერით დაბეჭდილი სპილენძის რეაქტორი, რომელიც დეტალურად არის აღწერილი ნახაზ 4-ში, ინტეგრირებული იყო კომერციულ ნაკადის სისტემასთან და გამოყენებული იყო სხვადასხვა 1,4-დისუბსტიტუირებული 1,2,3-ტრიაზოლების ბიბლიოთეკური აზიდების სინთეზირებისთვის აცეტილენისა და ალკილის ჯგუფების ჰალოგენიდების ტემპერატურულად კონტროლირებადი რეაქციის გზით ნატრიუმის ქლორიდის თანაობისას (სურათი 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. სურათი 5).
(ზედა მარცხენა კუთხეში) 3DP რეაქტორის ნაკადის სისტემაში ჩართვისთვის გამოყენებული მოწყობილობის სქემა (ზედა მარჯვენა კუთხეში), რომელიც მიღებულია ფენილაცეტილენსა და იოდოთანს შორის ჰიუსგენის ციკლოდამატების 57 სქემის ოპტიმიზებული (ქვედა) სქემით ოპტიმიზაციისთვის და აჩვენებს რეაქციის გარდაქმნის სიჩქარის ოპტიმიზებული პარამეტრების.
რეაქტორის კატალიზურ ნაწილში რეაგენტების დაყოვნების დროის კონტროლით და რეაქციის ტემპერატურის პირდაპირ ინტეგრირებული თერმოწყვილის ზონდით მჭიდრო მონიტორინგით, რეაქციის პირობების სწრაფად და ზუსტად ოპტიმიზაცია შესაძლებელია მინიმალური დროისა და მასალის მოხმარებით. სწრაფად დადგინდა, რომ ყველაზე მაღალი გარდაქმნები მიიღებოდა 15 წუთიანი დაყოვნების დროისა და 150°C რეაქციის ტემპერატურის გამოყენებისას. MODDE პროგრამული უზრუნველყოფის კოეფიციენტების დიაგრამიდან ჩანს, რომ როგორც დაყოვნების დრო, ასევე რეაქციის ტემპერატურა მნიშვნელოვან მოდელის ტერმინებად ითვლება. ჩაშენებული ოპტიმიზატორის ამ შერჩეული ტერმინების გამოყენებით გაშვება წარმოქმნის 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.
ლიტერატურის საფუძველზე, რომელიც აჩვენებს, რომ სპილენძის (I) ოქსიდს (Cu2O) შეუძლია იმოქმედოს, როგორც ეფექტური კატალიზური სახეობა ნულოვანი ვალენტის სპილენძის ზედაპირებზე ამ რეაქციებში, გამოკვლეული იქნა რეაქტორის ზედაპირის წინასწარი დაჟანგვის უნარი ნაკადურად რეაქციის ჩატარებამდე70,71. შემდეგ ფენილაცეტილენსა და იოდოთანს შორის რეაქცია კვლავ ჩატარდა ოპტიმალურ პირობებში და შედარდა მოსავლიანობა. დაფიქსირდა, რომ ამ მომზადებამ გამოიწვია საწყისი მასალის გარდაქმნის მნიშვნელოვანი ზრდა, რომელიც გამოითვალა >99%-ით. თუმცა, HPLC-ის მონიტორინგმა აჩვენა, რომ ამ გარდაქმნამ მნიშვნელოვნად შეამცირა ზედმეტად გახანგრძლივებული რეაქციის დრო დაახლოებით 90 წუთამდე, რის შემდეგაც აქტივობა, როგორც ჩანს, გათანაბრდა და მიაღწია „სტაბილურ მდგომარეობას“. ეს დაკვირვება მიუთითებს, რომ კატალიზური აქტივობის წყარო მიიღება ზედაპირული სპილენძის ოქსიდიდან და არა ნულოვანი ვალენტის სპილენძის სუბსტრატიდან. Cu ლითონი ადვილად იჟანგება ოთახის ტემპერატურაზე CuO და Cu2O წარმოქმნით, რომლებიც არ წარმოადგენენ თვითდამცავ ფენებს. ეს გამორიცხავს დამხმარე სპილენძის (II) წყაროს დამატების საჭიროებას თანაშემადგენლობისთვის71.