Nature.com сайтына кіргеніңіз үшін рахмет.Сіз пайдаланып жатқан шолғыш нұсқасында шектеулі CSS қолдауы бар.Ең жақсы тәжірибе үшін жаңартылған шолғышты пайдалануды ұсынамыз (немесе Internet Explorer шолғышында үйлесімділік режимін өшіріңіз).Әзірше, үздіксіз қолдауды қамтамасыз ету үшін біз сайтты стильсіз және JavaScriptсіз көрсетеміз.
Бір уақытта үш слайдты көрсететін карусель.Бір уақытта үш слайд арқылы жылжу үшін «Алдыңғы» және «Келесі» түймелерін пайдаланыңыз немесе бір уақытта үш слайд арқылы жылжу үшін соңында сырғытпа түймелерін пайдаланыңыз.
Қосымша өндіріс зерттеушілер мен өнеркәсіпшілердің нақты қажеттіліктерін қанағаттандыру үшін химиялық құрылғыларды жобалау және өндіру тәсілін өзгертеді.Бұл мақалада біз тікелей біріктірілген каталитикалық бөлшектері мен сезгіш элементтері бар қатты металл парақтың ультрадыбыстық қоспа өндірісі (UAM) ламинациясы арқылы жасалған ағындық реактордың бірінші мысалын хабарлаймыз.UAM технологиясы қазіргі уақытта химиялық реакторларды қосымша өндірумен байланысты көптеген шектеулерді жеңіп қана қоймайды, сонымен қатар мұндай құрылғылардың мүмкіндіктерін айтарлықтай кеңейтеді.Бірқатар биологиялық маңызды 1,4-бөлінбеген 1,2,3-триазол қосылыстары UAM химия қондырғысын пайдалана отырып, Cu-делдалдығымен 1,3-диполярлы Гюйген циклдік жүктелу реакциясы арқылы сәтті синтезделді және оңтайландырылды.UAM бірегей қасиеттерін және үздіксіз ағынды өңдеуді пайдалана отырып, құрылғы жүріп жатқан реакцияларды катализдеуге, сондай-ақ реакцияларды бақылау және оңтайландыру үшін нақты уақытта кері байланысты қамтамасыз етуге қабілетті.
Өзінің негізгі аналогына қарағанда айтарлықтай артықшылығына байланысты ағындық химия химиялық синтездің селективтілігі мен тиімділігін арттыру қабілетіне байланысты академиялық және өндірістік жағдайларда маңызды және өсіп келе жатқан сала болып табылады.Бұл қарапайым органикалық молекулалардың1 түзілуінен фармацевтикалық қосылыстарға2,3 және табиғи өнімдерге4,5,6 дейін созылады.Жақсы химия және фармацевтикалық өнеркәсіптердегі реакциялардың 50%-дан астамы үздіксіз ағынның пайдасын көре алады7.
Соңғы жылдары дәстүрлі шыны ыдыстарды немесе ағынды химия жабдықтарын бейімделгіш химиялық «реакторлармен» ауыстыруға ұмтылатын топтардың өсу үрдісі байқалды8.Бұл әдістердің қайталанатын дизайны, жылдам өндірісі және үш өлшемді (3D) мүмкіндіктері реакциялардың, құрылғылардың немесе жағдайлардың белгілі бір жиынтығы үшін құрылғыларын теңшегісі келетіндер үшін пайдалы.Бүгінгі күні бұл жұмыс стереолитография (SL)9,10,11, Fused Deposition Modeling (FDM)8,12,13,14 және сия бүріккіш басып шығару7,15 сияқты полимер негізіндегі 3D басып шығару әдістерін қолдануға дерлік назар аударды., 16. Мұндай құрылғылардың сенімділігінің және химиялық реакциялардың/талдаулардың кең ауқымын орындауға қабілеттілігінің жоқтығы17, 18, 19, 20 осы салада АМ-ды кеңірек қолдану үшін негізгі шектеуші фактор болып табылады17, 18, 19, 20.
Ағындық химияны және АМ-мен байланысты қолайлы қасиеттерді пайдаланудың көбеюіне байланысты пайдаланушыларға жақсартылған химия және аналитикалық мүмкіндіктері бар ағындық реакциялық ыдыстарды жасауға мүмкіндік беретін жақсырақ әдістерді зерттеу қажет.Бұл әдістер пайдаланушыларға реакция жағдайларының кең ауқымында жұмыс істеуге қабілетті жоғары беріктігі немесе функционалдық материалдардың ауқымынан таңдауға мүмкіндік беруі керек, сондай-ақ реакцияны бақылау мен басқаруға мүмкіндік беру үшін құрылғыдан аналитикалық шығарудың әртүрлі нысандарын жеңілдетуі керек.
Арнайы химиялық реакторларды жасау үшін пайдаланылуы мүмкін қосымша өндіріс процесі - ультрадыбыстық қоспаларды өндіру (UAM).Бұл қатты күйдегі парақты ламинациялау әдісі жұқа металл фольгаларға ультрадыбыстық тербелістерді қолданып, оларды ең аз көлемді қыздырумен және пластик ағынының жоғары дәрежесімен қабат-қабат біріктіреді 21, 22, 23. Басқа AM технологияларының көпшілігінен айырмашылығы, UAM гибридті өндіріс немесе басқару процесінде (NCC процессін бақылауда) ретінде белгілі субтрактивті өндіріспен тікелей біріктірілуі мүмкін. желімделген материал қабатының таза пішіні 24, 25. Бұл пайдаланушы ұнтақ және сұйық жүйелер AM26,27,28 жиі болып табылатын шағын сұйық арналардан қалдық бастапқы құрылыс материалын жоюға байланысты проблемалармен шектелмейді дегенді білдіреді.Бұл дизайн еркіндігі қол жетімді материалдарды таңдауға да таралады – UAM бір технологиялық қадамда жылулық жағынан ұқсас және ұқсас емес материалдардың комбинацияларын байланыстыра алады.Балқыту процесінен тыс материал комбинацияларын таңдау нақты қолданбалардың механикалық және химиялық талаптарын жақсырақ қанағаттандыруға болатындығын білдіреді.Қатты байланыстырудан басқа, ультрадыбыстық байланыстыру кезінде пайда болатын тағы бір құбылыс - салыстырмалы түрде төмен температурада пластикалық материалдардың жоғары өтімділігі29,30,31,32,33.UAM-ның бұл бірегей ерекшелігі механикалық/жылу элементтерін металл қабаттарының арасына зақым келтірмей орналастыруға мүмкіндік береді.Енгізілген UAM сенсорлары интеграцияланған аналитика арқылы құрылғыдан пайдаланушыға нақты уақыттағы ақпаратты жеткізуді жеңілдетеді.
Авторлардың32 алдыңғы жұмысы UAM процесінің енгізілген сезу мүмкіндіктері бар металл 3D микрофлюидтік құрылымдарды жасау мүмкіндігін көрсетті.Бұл құрылғы тек бақылау мақсаттарына арналған.Бұл мақала UAM шығарған микросұйықтықты химиялық реактордың бірінші мысалын ұсынады, ол құрылымдық интеграцияланған каталитикалық материалдармен химиялық синтезді басқарып қана қоймай, индукциялайтын белсенді құрылғы.Құрылғы 3D химиялық құрылғыларды өндіруде UAM технологиясымен байланысты бірнеше артықшылықтарды біріктіреді, мысалы: толық 3D дизайнын компьютерлік дизайн (CAD) үлгісінен тікелей өнімге түрлендіру мүмкіндігі;жоғары жылуөткізгіштік пен каталитикалық материалдардың комбинациясы үшін көп материалды дайындау, сондай-ақ реакция температурасын дәл бақылау және басқару үшін реактивтер ағындары арасында тікелей енгізілген жылу датчиктері.Реактордың функционалдығын көрсету үшін, фармацевтикалық маңызды 1,4-алынбаған 1,2,3-триазол қосылыстарының кітапханасы мыс-катализденген 1,3-диполярлы Гюисген циклдік жүктемесі арқылы синтезделді.Бұл жұмыс материалтану мен компьютерлік дизайнды пайдалану пәнаралық зерттеулер арқылы химияның жаңа мүмкіндіктері мен мүмкіндіктерін қалай аша алатынын көрсетеді.
Барлық еріткіштер мен реагенттер Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI немесе Fischer Scientific компанияларынан сатып алынған және алдын ала тазартусыз пайдаланылған.400 және 100 МГц жиілікте жазылған 1H және 13C ЯМР спектрлері тиісінше JEOL ECS-400 400 МГц спектрометрінде немесе еріткіш ретінде CDCl3 немесе (CD3)2SO бар Bruker Avance II 400 МГц спектрометрінде алынды.Барлық реакциялар Uniqsis FlowSyn ағындық химия платформасы арқылы орындалды.
UAM осы зерттеудегі барлық құрылғыларды жасау үшін пайдаланылды.Технология 1999 жылы ойлап табылған және оның техникалық бөлшектері, жұмыс параметрлері және өнертабыс жасалған сәттен бастап әзірлемелер келесі жарияланған материалдарды пайдалана отырып зерттеуге болады34,35,36,37.Құрылғы (1-сурет) ауыр жүктілігі 9 кВт SonicLayer 4000® UAM жүйесі (Fabrisonic, Огайо, АҚШ) арқылы жүзеге асырылды.Ағынды құрылғы үшін таңдалған материалдар Cu-110 және Al 6061 болды. Cu-110 құрамында мыс жоғары (кем дегенде 99,9% мыс) бар, бұл оны мыс катализдейтін реакциялар үшін жақсы үміткер етеді және сондықтан микрореактордың ішінде «белсенді қабат» ретінде пайдаланылады.Al 6061 O «көлемді» материал ретінде пайдаланылады., сонымен қатар талдау үшін қолданылатын интеркалация қабаты;көмекші қорытпа компоненттерінің интеркаляциясы және Cu-110 қабатымен біріктірілген күйдірілген күй.осы жұмыста қолданылатын реагенттермен химиялық тұрақты болып табылды.Al 6061 O Cu-110 комбинациясы да UAM үшін үйлесімді материал комбинациясы болып саналады, сондықтан осы зерттеу үшін қолайлы материал болып табылады38,42.Бұл құрылғылар төмендегі 1-кестеде берілген.
Реакторды дайындау қадамдары (1) 6061 алюминий қорытпасының астары (2) Төменгі арнаны мыс фольгадан жасау (3) Қабаттар арасына терможұптарды енгізу (4) Жоғарғы арна (5) Кіріс және шығыс (6) Монолитті реактор.
Сұйықтық арнасын жобалау философиясы басқарылатын чип өлшемін сақтай отырып, чип ішіндегі сұйықтық жүретін қашықтықты арттыру үшін бұралмалы жолды пайдалану болып табылады.Қашықтықты бұл ұлғайту катализатор-реактивтің байланыс уақытын арттыру және тамаша өнім шығымдылығын қамтамасыз ету үшін қажет.Чиптер құрылғының44 ішінде турбулентті араластыруды тудыру және сұйықтықтың бетпен (катализатор) жанасу уақытын арттыру үшін түзу жолдың ұштарында 90° иілулерді пайдаланады.Қол жеткізуге болатын араластыруды одан әрі жақсарту үшін реактордың конструкциясы араластырғыш катушка бөліміне кірер алдында Y-қосылымында біріктірілген екі реактив кірісін қамтиды.Резиденциясы арқылы жарты жолда ағынды кесіп өтетін үшінші кіреберіс болашақ көп сатылы синтез реакцияларының жоспарына енгізілген.
Барлық арналарда төртбұрышты профиль бар (конустық бұрыштар жоқ), бұл арна геометриясын жасау үшін пайдаланылатын мерзімді CNC фрезасының нәтижесі болып табылады.Арна өлшемдері жоғары (микрореактор үшін) көлемдік шығымдылықты қамтамасыз ету үшін таңдалған, бірақ оның құрамындағы сұйықтықтардың көпшілігі үшін бетпен (катализаторлармен) өзара әрекеттесуді жеңілдету үшін жеткілікті кішкентай.Тиісті өлшем авторлардың металл-сұйықтық реакциясы құрылғыларымен өткен тәжірибесіне негізделген.Соңғы арнаның ішкі өлшемдері 750 мкм x 750 мкм және реактордың жалпы көлемі 1 мл болды.Құрылғыны коммерциялық ағынды химия жабдығымен оңай байланыстыруға мүмкіндік беретін конструкцияға кіріктірілген қосқыш (1/4″-28 UNF жіп) енгізілген.Арна өлшемі фольга материалының қалыңдығымен, оның механикалық қасиеттерімен және ультрадыбыстық құрылғылармен қолданылатын байланыстыру параметрлерімен шектеледі.Берілген материал үшін белгілі бір енде материал жасалған арнаға «салады».Қазіргі уақытта бұл есептеу үшін арнайы үлгі жоқ, сондықтан берілген материал мен дизайн үшін арнаның максималды ені эксперименталды түрде анықталады, бұл жағдайда 750 мкм ені шөгуді тудырмайды.
Арнаның пішіні (шаршы) шаршы кескіш көмегімен анықталады.Арналардың пішіні мен өлшемін CNC машиналарында әртүрлі ағын жылдамдығы мен сипаттамаларын алу үшін әртүрлі кескіш құралдарды пайдалана отырып өзгертуге болады.125 мкм құралы бар қисық арнаны жасау мысалын Монаганда45 табуға болады.Фольга қабаты тегіс жағылған кезде, фольга материалын арналарға жағу тегіс (шаршы) бетке ие болады.Бұл жұмыста арна симметриясын сақтау үшін шаршы контур қолданылды.
Өндірістегі бағдарламаланған үзіліс кезінде термопаралық температура сенсорлары (К түрі) тікелей жоғарғы және төменгі арна топтары арасында құрылғыға салынған (1-сурет – 3 кезең).Бұл термопарлар -200-ден 1350 °C-қа дейінгі температураның өзгеруін басқара алады.
Металл тұндыру процесі ені 25,4 мм және қалыңдығы 150 микрон металл фольганы пайдаланып UAM мүйізімен жүзеге асырылады.Бұл фольга қабаттары бүкіл құрылыс алаңын жабу үшін іргелес жолақтар сериясымен біріктірілген;тұндырылған материалдың өлшемі соңғы өнімнен үлкенірек, өйткені шегеру процесі соңғы таза пішінді жасайды.CNC өңдеуі жабдықтың сыртқы және ішкі контурларын өңдеу үшін пайдаланылады, нәтижесінде таңдалған құралға және CNC процесінің параметрлеріне сәйкес келетін жабдық пен арналардың бетін әрлеу (бұл мысалда шамамен 1,6 мкм Ra).Үздіксіз, үздіксіз ультрадыбыстық материалды бүрку және өңдеу циклдері өлшемдік дәлдіктің сақталуын және дайын бөліктің CNC жұқа фрезерлік дәлдік деңгейлеріне сәйкес келуін қамтамасыз ету үшін құрылғының бүкіл өндіріс процесінде қолданылады.Бұл құрылғы үшін пайдаланылатын арнаның ені фольга материалының сұйықтық арнасында «салбырауын» қамтамасыз ету үшін жеткілікті кішкентай, сондықтан арнаның төртбұрышты қимасы бар.Фольга материалындағы ықтимал бос орындар және UAM процесінің параметрлерін өндіруші серіктес (Fabrisonic LLC, АҚШ) тәжірибе жүзінде анықтады.
Зерттеулер көрсеткендей, UAM қосылысының 46, 47 интерфейсінде қосымша термиялық өңдеусіз элементтердің диффузиясы аз, сондықтан бұл жұмыстағы құрылғылар үшін Cu-110 қабаты Al 6061 қабатынан өзгеше болып қалады және күрт өзгереді.
Алдын ала калибрленген кері қысым реттегішін (BPR) реактордан төмен қарай 250 psi (1724 кПа) орнатыңыз және суды реактор арқылы 0,1-1 мл мин-1 жылдамдықпен айдаңыз.Жүйе тұрақты тұрақты қысымды ұстап тұру үшін жүйеге орнатылған FlowSyn қысым түрлендіргіші арқылы реактор қысымы бақыланды.Ағын реакторындағы әлеуетті температура градиенттері реакторға орнатылған терможұптар мен FlowSyn чипінің қыздыру тақтасына орнатылған терможұптар арасындағы кез келген айырмашылықтарды іздеу арқылы тексерілді.Бұған бағдарламаланған конфорка температурасын 100 және 150 °C аралығындағы 25 °C қадаммен өзгерту және бағдарламаланған және жазылған температуралар арасындағы кез келген айырмашылықты бақылау арқылы қол жеткізіледі.Бұған tc-08 деректер тіркеушісі (PicoTech, Кембридж, Ұлыбритания) және онымен бірге келетін PicoLog бағдарламалық құралы арқылы қол жеткізілді.
Фенилацетилен мен йодоэтанның циклдік жүктелу реакциясының шарттары оңтайландырылған (1-сызба-Фенилацетилен мен йодоэтанның циклдік жүктелуі, 1-схема-Фенилацетилен мен йодоэтанның циклдік жүктелуі).Бұл оңтайландыру алкин: азид арақатынасын 1:2 деңгейінде бекіту кезінде температура мен тұру уақытын айнымалылар ретінде пайдаланып, эксперименттердің толық факторлық дизайнын (DOE) қолдану арқылы орындалды.
Натрий азидінің (0,25 М, 4:1 DMF:H2O), йодоэтанның (0,25 М, DMF) және фенилацетиленнің (0,125 М, DMF) жеке ерітінділері дайындалды.Әрбір ерітіндінің 1,5 мл аликвоты араластырылды және реактор арқылы қажетті ағын жылдамдығы мен температурада айдалды.Модельдің жауабы триазол өнімінің ең жоғары аймағының фенилацетиленнің бастапқы материалына қатынасы ретінде алынды және жоғары өнімді сұйық хроматография (HPLC) көмегімен анықталды.Талдау консистенциясы үшін барлық реакциялар реакция қоспасы реактордан шыққаннан кейін бірден алынды.Оңтайландыру үшін таңдалған параметр ауқымдары 2-кестеде көрсетілген.
Барлық үлгілер төрттік сорғыдан, бағанды ​​пештен, толқын ұзындығының ауыспалы ультракүлгін детекторынан және автоүлестіргіштен тұратын Chromaster HPLC жүйесі (VWR, PA, АҚШ) арқылы талданды.Баған эквивалентті 5 C18 (VWR, PA, АҚШ), 4,6 x 100 мм, 5 мкм бөлшектердің өлшемі, 40°C температурада сақталды.Еріткіш изократикалық метанол болды: су 50:50 ағыны 1,5 мл·мин-1.Инъекция көлемі 5 мкл және детектордың толқын ұзындығы 254 нм болды.DOE үлгісі үшін ең жоғары % ауданы тек қалдық алкин мен триазол өнімдерінің ең жоғары аймақтарынан есептелді.Бастапқы материалды енгізу сәйкес шыңдарды анықтауға мүмкіндік береді.
Реакторды талдау нәтижелерін MODDE DOE бағдарламалық құралымен біріктіру (Umetrics, Мальмё, Швеция) нәтижелерді мұқият трендтік талдауға және осы циклдық жүктеме үшін оңтайлы реакция жағдайларын анықтауға мүмкіндік берді.Кірістірілген оңтайландырғышты іске қосу және барлық маңызды үлгі шарттарын таңдау ацетилен шикізатының шыңы аймағын азайта отырып, өнімнің ең жоғары ауданын ұлғайтуға арналған реакция жағдайларының жиынтығын жасайды.
Каталитикалық реакция камерасындағы мыс бетінің тотығуына әрбір триазол қосылысының синтезіне дейін реакциялық камера арқылы ағып жатқан сутегі асқын тотығы ерітіндісінің (36%) (ағынның жылдамдығы = 0,4 мл мин-1, тұру уақыты = 2,5 мин) көмегімен қол жеткізілді.кітапхана.
Шарттардың оңтайлы жиынтығы анықталғаннан кейін олар ацетилен және галоалкан туындыларының ауқымына қолданылды, бұл шағын синтез кітапханасын құрастыруға мүмкіндік береді, осылайша бұл шарттарды әлеуетті реагенттердің кеңірек диапазонына қолдану мүмкіндігін белгіледі (1-сурет).2).
Натрий азидінің (0,25 М, 4:1 DMF:H2O), галоалкандардың (0,25 М, DMF) және алкиндердің (0,125 М, DMF) жеке ерітінділерін дайындаңыз.Әрбір ерітіндінің 3 мл аликвоты араластырылды және 75 мкл/мин жылдамдықпен және 150°C температурада реактор арқылы айдалды.Бүкіл көлем құтыға жиналып, 10 мл этилацетатпен сұйылтылған.Үлгі ерітіндісі 3 x 10 мл сумен жуылды.Сулы қабаттар біріктіріліп, 10 мл этилацетатпен экстракцияланды, содан кейін органикалық қабаттар біріктірілді, 3×10 мл тұзды ерітіндімен жуылды, MgSO 4 үстінде кептірілді және сүзіледі, содан кейін еріткіш вакуумда жойылды.Үлгілер HPLC, 1H NMR, 13C ЯМР және жоғары ажыратымдылықтағы масс-спектрометрия (HR-MS) комбинациясы арқылы талдау алдында этилацетатты пайдаланып силикагельді баған хроматографиясымен тазартылды.
Барлық спектрлер ионизация көзі ретінде ESI бар Thermofischer Precision Orbitrap масс-спектрометрі арқылы алынды.Барлық үлгілер еріткіш ретінде ацетонитрилді пайдаланып дайындалды.
TLC талдауы алюминий субстраты бар кремнеземдік пластиналарда жүргізілді.Пластиналар ультракүлгін сәулемен (254 нм) немесе ванилинмен бояу және қыздыру арқылы көрінді.
Барлық үлгілер автосынағымен, колонна пеші бар екілік сорғымен және бір толқын ұзындығы детекторымен жабдықталған VWR Chromaster жүйесі (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, Ұлыбритания) арқылы талданды.ACE Equivalence 5 C18 бағаны (150 x 4,6 мм, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Абердин, Шотландия) пайдаланылды.
Инъекциялар (5 мкл) сұйылтылған шикі реакция қоспасынан (1:10 сұйылту) тікелей жасалды және 1,5 мл/мин ағын жылдамдығында 70:30 еріткіш жүйесін (жұлдыз саны ретінде белгіленген) пайдаланатын кейбір үлгілерді қоспағанда, су: метанолмен (50:50 немесе 70:30) талданды.Колонна 40 ° C температурада ұсталды.Детектордың толқын ұзындығы 254 нм.
Үлгінің % шыңының ауданы қалдық алкиннің шыңы аймағынан, тек триазол өнімінен есептелді және бастапқы материалды енгізу сәйкес шыңдарды анықтауға мүмкіндік берді.
Барлық үлгілер Thermo iCAP 6000 ICP-OES көмегімен талданды.Барлық калибрлеу стандарттары 2% азот қышқылында (SPEX Certi Prep) 1000 ppm Cu стандартты ерітіндісі арқылы дайындалды.Барлық стандарттар 5% DMF және 2% HNO3 ерітіндісінде дайындалды және барлық үлгілер DMF-HNO3 үлгі ерітіндісімен 20 рет сұйылтылған.
UAM соңғы құрастыруды жасау үшін қолданылатын металл фольганы біріктіру әдісі ретінде ультрадыбыстық металды дәнекерлеуді пайдаланады.Ультрадыбыстық металды дәнекерлеу материалды дірілдеу арқылы жабыстырылатын/бұрын біріктірілетін фольгаға/бұрын біріктірілген қабатқа қысым жасау үшін дірілдейтін металл құралды (мүйіз немесе ультрадыбыстық мүйіз деп аталады) пайдаланады.Үздіксіз жұмыс істеу үшін, sonotrode цилиндрлік пішінге ие және бүкіл аумақты желімдеп, материалдың бетіне айналады.Қысым мен діріл әсер еткенде материалдың бетіндегі оксидтер жарылып кетуі мүмкін.Тұрақты қысым мен діріл материалдың кедір-бұдырының бұзылуына әкелуі мүмкін 36 .Жергілікті жылумен және қысыммен тығыз байланыс, содан кейін материал интерфейстерінде қатты фазалық байланысқа әкеледі;ол сонымен қатар беттік энергияны өзгерту арқылы когезияға ықпал ете алады48.Байланыстыру механизмінің табиғаты басқа қоспаларды өндіру технологияларында айтылған балқыма температурасының өзгермелі және жоғары температура әсерлерімен байланысты көптеген мәселелерді жеңеді.Бұл әртүрлі материалдардың бірнеше қабаттарын бір біріктірілген құрылымға тікелей қосуға (яғни беттік модификациясыз, толтырғыштарсыз немесе желімсіз) мүмкіндік береді.
CAM үшін екінші қолайлы фактор металл материалдарда тіпті төмен температурада байқалатын пластикалық ағынның жоғары дәрежесі болып табылады, яғни металл материалдардың балқу температурасынан әлдеқайда төмен.Ультрадыбыстық тербеліс пен қысымның үйлесімі дәстүрлі түрде сусымалы материалдармен байланысты температураның айтарлықтай жоғарылауынсыз жергілікті астық шекарасының миграциясы мен қайта кристалдануының жоғары деңгейін тудырады.Қорытынды құрастыруды жасау кезінде бұл құбылысты металл фольга қабаттары арасында, қабат-қабат арасында белсенді және пассивті компоненттерді ендіру үшін пайдалануға болады.Оптикалық талшық 49, арматура 46, электроника 50 және термопарлар (бұл жұмыс) белсенді және пассивті композиттік жинақтарды жасау үшін UAM құрылымдарына сәтті біріктірілді.
Бұл жұмыста каталитикалық температураны бақылау үшін мінсіз микрореакторды жасау үшін әртүрлі материалдарды байланыстыру мүмкіндіктері де, UAM интеркалациясының мүмкіндіктері де пайдаланылды.
Палладий (Pd) және басқа жиі қолданылатын металл катализаторларымен салыстырғанда Cu катализінің бірнеше артықшылығы бар: (i) Экономикалық тұрғыдан Cu катализде қолданылатын көптеген басқа металдарға қарағанда арзанырақ және сондықтан химия өнеркәсібі үшін тартымды нұсқа болып табылады (ii) Cu-катализделген айқаспалы байланыс реакцияларының ауқымы кеңейіп келеді және кейбір әдістерге негізделген P251, ) Cu-катализделген реакциялар басқа лигандтарсыз жақсы жұмыс істейді.Бұл лигандтар көбінесе құрылымдық жағынан қарапайым және қымбат емес.қажет болса, Pd химиясында қолданылатындар көбінесе күрделі, қымбат және ауаға сезімтал (iv) Cu болып табылады, әсіресе Соногашира биметаллдық катализделген қосылысы және азидтермен циклдік жүктелуі сияқты синтезде алкиндерді байланыстыру қабілетімен белгілі (v) Cu сонымен қатар кейбір ядролық реакцияларды ынталандыруы мүмкін.
Жақында осы реакциялардың барлығының Cu(0) қатысында гетерогендеу мысалдары көрсетілді.Бұл көбінесе фармацевтика өнеркәсібіне және металл катализаторларын қалпына келтіруге және қайта пайдалануға көбірек көңіл бөлуге байланысты55,56.
Ацетилен мен азидтің 1,2,3-триазолға дейінгі 1,3-диполярлы циклокардиялану реакциясы, алғаш рет 1960-шы жылдары Гюйсген57 ұсынған, синергетикалық демонстрациялық реакция болып саналады.Алынған 1,2,3 триазол фрагменттері олардың биологиялық қолданылуына және әртүрлі терапевтік агенттерде қолданылуына байланысты дәрілік заттарды ашуда фармакофор ретінде ерекше қызығушылық тудырады 58 .
Шарплесс және басқалары «клик химиясы»59 ұғымын енгізген кезде бұл реакция қайтадан назар аударды.«Клик химиясы» термині гетероатомдық байланыс (CXC)60 арқылы жаңа қосылыстарды және комбинаторлық кітапханаларды жылдам синтездеу үшін берік және селективті реакциялар жинағын сипаттау үшін қолданылады.Бұл реакциялардың синтетикалық тартымдылығы олармен байланысты жоғары өнімділікке байланысты.жағдайлары қарапайым, оттегі мен суға төзімділік, ал өнімді бөлу қарапайым61.
Классикалық 1,3-дипольді Гюисген циклдік жүктемесі «клик химиясы» санатына жатпайды.Дегенмен, Medal және Sharpless бұл азидті-алкинді біріктіру оқиғасының каталитикалық емес 1,3-диполярлық циклдік жүктеме жылдамдығының 62,63 жылдамдығының айтарлықтай үдеуімен салыстырғанда Cu(I) қатысуымен 107-108 болатынын көрсетті.Бұл жетілдірілген реакция механизмі қорғау топтарын немесе қатал реакция жағдайларын қажет етпейді және уақыт өте келе 1,4-алмастырылған 1,2,3-триазолдарға (анти-1,2,3-триазолдарға) толық дерлік түрлендіруді және селективтілікті қамтамасыз етеді (3-сурет).
Кәдімгі және мыс катализді Гюйген циклдік жүктемелерінің изометриялық нәтижелері.Cu(I)-катализденген Гуйзген циклдік жүктемелері тек 1,4-орынбаған 1,2,3-триазолдарды береді, ал термиялық индукцияланған Гуйзген циклдік жүктемелері әдетте 1,4- және 1,5-триазолдарға азол стереоизомерлерінің 1:1 қоспасын береді.
Көптеген хаттамалар CuSO4 немесе Cu(II)/Cu(0) қосылыстарының натрий тұздарымен қосындысының тотықсыздануы сияқты Cu(II) тұрақты көздерін азайтуды қамтиды.Басқа металдар катализделген реакциялармен салыстырғанда Cu(I) пайдаланудың негізгі артықшылығы арзан және өңдеуге оңай.
Worrell және т.б. кинетикалық және изотоптық зерттеулер.65 соңғы алкиндер жағдайында азидке қатысты әрбір молекуланың реактивтілігін белсендіруге екі эквивалент мыстың қатысатынын көрсетті.Ұсынылған механизм азидтің σ-байланысқан мыс ацетилидінің тұрақты донор лиганд ретінде π-байланысқан мыспен үйлестіруінен пайда болған алты мүшелі мыс металл сақинасы арқылы жүреді.Мыс триазолил туындылары сақинаның жиырылуынан кейін протонның ыдырауы нәтижесінде триазол өнімдерін түзу және каталитикалық циклды жабу нәтижесінде түзіледі.
Ағындық химия құрылғыларының артықшылықтары жақсы құжатталғанымен, нақты уақыт режимінде situ66,67 процесті бақылау үшін аналитикалық құралдарды осы жүйелерге біріктіру ниеті болды.UAM тікелей енгізілген сезгіш элементтері бар каталитикалық белсенді, жылу өткізгіш материалдардан өте күрделі 3D ағынды реакторларды жобалау және өндіру үшін қолайлы әдіс екенін дәлелдеді (Cурет 4).
Күрделі ішкі арна құрылымы, кіріктірілген термопары және каталитикалық реакция камерасы бар ультрадыбыстық қоспа өндірісі (UAM) арқылы өндірілген алюминий-мыс ағынды реактор.Ішкі сұйықтық жолдарын визуализациялау үшін стереолитография көмегімен жасалған мөлдір прототип де көрсетілген.
Болашақ органикалық реакциялар үшін реакторлардың жасалуын қамтамасыз ету үшін еріткіштерді қайнау температурасынан жоғары қауіпсіз қыздыру керек;олар қысым мен температурада сыналады.Қысымды сынау жүйедегі жоғары қысымда (1,7 МПа) жүйенің тұрақты және тұрақты қысымды сақтайтынын көрсетті.Гидростатикалық сынақтар сұйықтық ретінде H2O пайдаланып бөлме температурасында жүргізілді.
Кірістірілген (1-сурет) термопараны температура деректерін тіркеушіге қосу термопара температурасының FlowSyn жүйесіндегі бағдарламаланған температурадан 6 °C (± 1 °C) төмен екенін көрсетті.Әдетте, температураның 10 ° C жоғарылауы реакция жылдамдығын екі есе арттырады, сондықтан бірнеше градустық температура айырмашылығы реакция жылдамдығын айтарлықтай өзгертуі мүмкін.Бұл айырмашылық өндіріс процесінде қолданылатын материалдардың жоғары термиялық диффузиялық қасиетіне байланысты РПВ бойынша температураның жоғалуына байланысты.Бұл термиялық дрейф тұрақты және сондықтан реакция кезінде дәл температураға жету және өлшеу үшін жабдықты орнату кезінде ескерілуі мүмкін.Осылайша, бұл онлайн бақылау құралы реакция температурасын қатаң бақылауды жеңілдетеді және процесті дәлірек оңтайландыруға және оңтайлы жағдайларды дамытуға ықпал етеді.Бұл сенсорларды экзотермиялық реакцияларды анықтау және ауқымды жүйелерде қашып кету реакцияларының алдын алу үшін де пайдалануға болады.
Осы мақалада ұсынылған реактор UAM технологиясын химиялық реакторларды өндіруге қолданудың алғашқы мысалы болып табылады және қазіргі уақытта осы құрылғыларды AM/3D басып шығарумен байланысты бірнеше негізгі шектеулерді қарастырады, мысалы: (i) мыс немесе алюминий қорытпасын өңдеуге байланысты атап өтілген проблемаларды жеңу (ii) ұнтақ қабатын балқытумен салыстырғанда жақсартылған ішкі арна рұқсаты (PB29S, мысалы, балқыту материалдарын таңдау әдістері, PoF29S) және кедір-бұдыр бет құрылымы26 (iii) ұнтақ қабаты технологиясында мүмкін емес тікелей қосылатын датчиктерді жеңілдететін өңдеу температурасы төмен, (v) полимер негізіндегі компоненттердің әртүрлі жалпы органикалық еріткіштерге сезімталдығы мен нашар механикалық қасиеттерін жеңу17,19.
Реактордың функционалдығы үздіксіз ағын жағдайында мыс катализденген алкиназидті циклдік жүктеме реакцияларының сериясымен көрсетілді (2-сурет).Суретте көрсетілген ультрадыбыстық басып шығарылған мыс реакторы.4 коммерциялық ағын жүйесімен біріктірілген және натрий хлориді қатысуымен ацетилен және алкил тобы галогенидтерінің температуралық бақыланатын реакциясын пайдалана отырып, әртүрлі 1,4-алмастырылған 1,2,3-триазолдардың азидтік кітапханасын синтездеу үшін пайдаланылды (3-сурет).Үздіксіз ағынды тәсілді пайдалану сериялық процестерде туындауы мүмкін қауіпсіздік мәселелерін азайтады, өйткені бұл реакция жоғары реактивті және қауіпті азидті аралық өнімдерді шығарады [317], [318].Бастапқыда реакция фенилацетилен мен йодоэтанның циклдік жүктелуі үшін оңтайландырылған (1-схема – фенилацетилен мен йодоэтанның циклдік жүктелуі) (5-суретті қараңыз).
(Жоғарғы сол жақта) 3DP реакторын ағындық жүйеге қосу үшін пайдаланылатын қондырғының схемасы (жоғарғы оң жақта) оңтайландыру үшін фенилацетилен мен йодоэтан арасындағы Гюйсген 57 циклдік жүктеме схемасының оңтайландырылған (төменгі) схемасынан алынған және реакция жылдамдығының оңтайландырылған түрлендіру жылдамдығының параметрлерін көрсету.
Реактордың каталитикалық бөлігінде әрекеттесуші заттардың тұру уақытын бақылау және тікелей интеграцияланған термопара датчигі арқылы реакция температурасын мұқият бақылау арқылы реакция жағдайларын ең аз уақыт пен материалдармен тез және дәл оңтайландыруға болады.Ең жоғары конверсияға 15 минуттық тұру уақыты мен 150°C реакция температурасы арқылы қол жеткізілетіні тез анықталды.MODDE бағдарламалық құралының коэффициент графигінен тұру уақыты да, реакция температурасы да модельдің маңызды шарттары болып саналатынын көруге болады.Осы таңдалған шарттарды пайдалана отырып, кірістірілген оңтайландырғышты іске қосу бастапқы материалдың ең жоғары аймақтарын азайта отырып, өнімнің ең жоғары аймақтарын барынша арттыруға арналған реакция жағдайларының жиынтығын жасайды.Бұл оңтайландыру триазол өнімінің 53% түрлендіруін қамтамасыз етті, бұл модельдің 54% болжамына дәл сәйкес келді.