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적층 제조는 연구원과 산업가가 특정 요구 사항을 충족하기 위해 화학 장치를 설계하고 제조하는 방식을 변화시키고 있습니다. 이 연구에서는 촉매 부품과 감지 요소가 직접 통합된 고체 금속 시트 라미네이션 기술로 형성된 유동 반응기의 첫 번째 예를 보고합니다. UAM 기술은 현재 화학 반응기의 적층 제조와 관련된 많은 한계를 극복할 뿐만 아니라 이러한 장치의 기능을 크게 향상시킵니다. 생물학적으로 중요한 일련의 1,4-이치환 1,2,3-트리아졸 화합물 UAM 화학 설정을 사용하여 Cu 매개 Huisgen 1,3-쌍극자 고리 첨가 반응에 의해 성공적으로 합성 및 최적화되었습니다. UAM 및 연속 흐름 처리의 고유한 특성을 활용하여 장치는 진행 중인 반응을 촉매하는 동시에 반응 모니터링 및 최적화를 위한 실시간 피드백을 제공할 수 있습니다.
대량 대응물에 비해 상당한 이점으로 인해 유동 화학은 화학 합성의 선택성과 효율성을 증가시키는 능력으로 인해 학술 및 산업 환경 모두에서 중요하고 성장하는 분야입니다. 이는 단순한 유기 분자 형성1에서 제약 화합물2,3 및 천연 제품4,5,6까지 확장됩니다.정밀 화학 및 제약 산업에서 반응의 50% 이상이 연속 흐름 처리를 통해 이점을 얻을 수 있습니다7.
최근 몇 년 동안 기존의 유리 제품 또는 유동 화학 장비를 맞춤형 적층 제조(AM) 화학 "반응 용기"8로 교체하려는 그룹의 추세가 증가하고 있습니다. 이러한 기술의 반복 설계, 신속한 생산 및 3차원(3D) 기능은 특정 세트의 반응, 장치 또는 조건에 맞게 장치를 사용자 지정하려는 사람들에게 유용합니다. 융합 증착 모델링(FDM)8,12,13,14 및 잉크젯 인쇄7,15,16. 광범위한 화학 반응/분석17,18,19,20을 수행하는 이러한 장치의 견고성과 능력의 부족은 이 분야17,18,19,20에서 AM의 광범위한 구현을 위한 주요 제한 요소입니다.
유동 화학의 사용 증가와 AM과 관련된 유리한 특성으로 인해 사용자가 향상된 화학 및 분석 기능을 갖춘 유동 반응 용기를 제작할 수 있는 고급 기술을 탐색할 필요가 있습니다. 이러한 기술을 통해 사용자는 광범위한 반응 조건을 처리할 수 있는 매우 견고하거나 기능적인 재료 범위에서 선택할 수 있을 뿐만 아니라 장치에서 다양한 형태의 분석 출력을 촉진하여 반응 모니터링 및 제어가 가능합니다.
맞춤형 화학 반응기를 개발할 가능성이 있는 적층 제조 공정 중 하나는 UAM(Ultrasonic Additive Manufacturing)입니다. 이 고체 상태 시트 라미네이션 기술은 얇은 금속 호일에 초음파 진동을 적용하여 최소한의 벌크 가열 및 높은 수준의 소성 유동으로 층별로 함께 결합합니다. 대부분의 다른 AM 기술과 달리 UAM은 하이브리드 제조 공정으로 알려진 절삭 가공과 직접 통합될 수 있습니다. 이는 사용자가 분말 및 액체 AM 시스템에서 종종 발생하는 작은 유체 채널에서 잔여 원시 빌드 재료를 제거하는 것과 관련된 문제에 의해 제한되지 않는다는 것을 의미합니다26,27,28. 이 설계 자유는 또한 사용 가능한 재료 선택으로 확장됩니다. UAM은 단일 프로세스 단계에서 열적으로 유사하거나 유사하지 않은 재료 조합을 결합할 수 있습니다. 솔리드 스테이트 본딩 외에도 초음파 본딩 중에 발생하는 또 다른 현상은 상대적으로 낮은 온도에서 플라스틱 재료의 높은 흐름입니다29,30,31,32,33. UAM의 이 고유한 기능은 손상 없이 금속 층 사이에 기계적/열적 요소를 내장할 수 있습니다. UAM 임베디드 센서는 통합 분석을 통해 장치에서 사용자에게 실시간 정보 전달을 용이하게 할 수 있습니다.
저자의 과거 작업32은 감지 기능이 통합된 금속 3D 미세 유체 구조를 생성하는 UAM 공정의 능력을 보여주었습니다. 이것은 모니터링 전용 장치입니다.구조적으로 통합된 촉매 물질을 통해 화학 합성을 모니터링할 뿐만 아니라 유도하는 활성 장치. 이 장치는 다음과 같은 3D 화학 장치 제조에서 UAM 기술과 관련된 몇 가지 장점을 결합합니다. 전체 3D 디자인을 컴퓨터 지원 설계(CAD) 모델에서 제품으로 직접 변환하는 기능높은 열전도율과 촉매 물질을 결합하기 위한 다중 물질 제조;정확한 반응 온도 모니터링 및 제어를 위해 시약 스트림 사이에 직접 열 센서를 내장합니다. 반응기의 기능을 입증하기 위해 약학적으로 중요한 1,4-이치환된 1,2,3-트리아졸 화합물 라이브러리가 구리 촉매 Huisgen 1,3-쌍극자 고리 첨가에 의해 합성되었습니다. 이 작업은 재료 과학 및 컴퓨터 지원 설계의 활용이 다분야 연구를 통해 화학에 대한 새로운 기회와 가능성을 어떻게 열 수 있는지를 강조합니다.
모든 용매 및 시약은 Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI 또는 Fischer Scientific에서 구입했으며 사전 정제 없이 사용했습니다. 각각 400MHz 및 100MHz에서 기록된 1H 및 13C NMR 스펙트럼은 JEOL ECS-400 400MHz 분광계 또는 Bruker Avance II 400MHz 분광계 및 CDCl3 또는 (CD3)2SO를 용매로 사용하여 얻었습니다. 모든 반응은 Uniqsis를 사용하여 수행되었습니다. FlowSyn 유동 화학 플랫폼.
UAM은 이 연구에서 모든 장치를 제작하는 데 사용되었습니다. 이 기술은 1999년에 발명되었으며 발명 이후의 기술적 세부 사항, 작동 매개변수 및 개발은 다음의 공개된 자료를 통해 연구할 수 있습니다34,35,36,37. 장치(그림 1)는 초고전력, 9kW SonicLayer 4000® UAM 시스템(Fabrisonic, OH, USA)을 사용하여 구현되었습니다. 유동 장치 제작을 위해 선택된 재료는 Cu-110 및 Al 60이었습니다. 61.Cu-110은 구리 함량이 높아(최소 99.9% 구리) 구리 촉매 반응을 위한 좋은 후보가 되므로 마이크로 반응기 내에서 "활성층"으로 사용됩니다.Al 6061 O는 "벌크" 재료로 사용되며 분석에 사용되는 임베딩 레이어도 사용됩니다.Cu-110 레이어와 결합된 합금 보조 부품 임베딩 및 어닐링 상태.Al 6061 O는 UAM 공정38, 39, 40, 41과 매우 호환되는 것으로 나타났으며 이 작업에 사용된 시약과 화학적으로 안정한 것으로 테스트 및 확인된 재료입니다.Al 6061O와 Cu-110의 조합도 UAM과 호환 가능한 재료 조합으로 간주되므로 본 연구에 적합한 재료입니다.38,42 이러한 장치는 아래 표 1에 나열되어 있습니다.
반응기 제조 단계 (1) Al 6061 기판 (2) 구리 호일로 설정된 하부 채널의 제조 (3) 층 사이에 열전대 삽입 (4) 상부 채널 (5) 입구 및 출구 (6) 모놀리식 반응기.
유체 경로의 설계 철학은 복잡한 경로를 사용하여 칩 내에서 유체가 이동하는 거리를 늘리는 동시에 칩을 관리 가능한 크기로 유지하는 것입니다. 이러한 거리 증가는 촉매/시약 상호 작용 시간을 늘리고 우수한 제품 수율을 제공하는 데 바람직합니다. 칩은 장치 내에서 난류 혼합을 유도하고 표면(촉매)과 유체의 접촉 시간을 늘리기 위해 직선 경로의 끝에서 90° 굽힘을 사용합니다. 구불구불한 혼합 섹션에 들어가기 전에 Y-접합부. 레지던시 중간에 스트림과 교차하는 세 번째 유입구는 미래의 다단계 반응 합성 설계에 포함됩니다.
모든 채널은 채널 형상을 만드는 데 사용되는 주기적인 CNC 밀링의 결과인 정사각형 프로파일(드래프트 각도 없음)을 가집니다. 채널 치수는 포함된 대부분의 유체에 대한 표면 상호 작용(촉매)을 촉진할 수 있을 만큼 작으면서 높은(마이크로 반응기의 경우) 부피 출력을 보장하도록 선택됩니다. 적절한 크기는 반응을 위한 금속 유체 장치에 대한 저자의 과거 경험을 기반으로 합니다. 최종 채널의 내부 치수는 750 μm x 750 μm이고 총 반응기 부피는 1이었습니다. ml. 통합 커넥터(1/4″—28 UNF 스레드)가 디자인에 포함되어 장치를 상용 유동 화학 장비와 간단하게 인터페이스할 수 있습니다.채널 크기는 호일 재료의 두께, 기계적 특성 및 초음파와 함께 사용되는 결합 매개변수에 의해 제한됩니다.주어진 재료의 특정 너비에서 재료는 생성된 채널로 "처짐"됩니다.현재 이 계산을 위한 특정 모델이 없으므로 주어진 재료 및 설계에 대한 최대 채널 폭은 실험적으로 결정됩니다.이 경우 폭이 750μm이면 새그가 발생하지 않습니다.
채널의 모양 (사각형)은 사각형 커터를 사용하여 결정됩니다. 채널의 모양과 크기는 다양한 유량과 특성을 얻기 위해 다른 절단 도구를 사용하여 CNC 기계에 의해 변경 될 수 있습니다. 채널의 대칭을 유지하기 위해 제곱 개요가 사용되었습니다.
사전 프로그래밍된 제조 일시 중지 동안 열전대 온도 프로브(K형)는 상단 및 하단 채널 그룹 사이의 장치 내에 직접 내장됩니다(그림 1 – 단계 3). 이 열전대는 -200 ~ 1350°C의 온도 변화를 모니터링할 수 있습니다.
금속 증착 공정은 폭 25.4mm, 두께 150미크론의 금속 호일을 사용하는 UAM 혼에 의해 수행됩니다. 이러한 호일 레이어는 전체 빌드 영역을 덮기 위해 일련의 인접한 스트립에 접착됩니다.증착된 재료의 크기는 빼기 공정이 최종 순 형상을 생성하기 때문에 최종 제품보다 큽니다. CNC 가공은 장비의 외부 및 내부 윤곽을 가공하는 데 사용되어 선택한 도구 및 CNC 공정 매개변수(이 예에서는 약 1.6μm Ra)와 동일한 장비 및 채널의 표면 마감을 생성합니다. 치수 정확도가 유지되고 완성된 부품이 CNC 마무리 밀링 정확도 수준을 충족하도록 장치 제조 공정 전반에 걸쳐 연속적인 초음파 재료 증착 및 가공 주기가 사용됩니다. 이 장치에 사용된 채널 폭은 다음과 같습니다. 호일 재료가 유체 채널로 "처짐"되지 않도록 충분히 작아서 채널이 정사각형 단면을 유지합니다. 호일 재료의 가능한 간격과 UAM 공정 매개변수는 제조 파트너(Fabrisonic LLC, USA)가 실험적으로 결정했습니다.
연구에 따르면 추가 열처리 없이 UAM 접합 인터페이스(46, 47)에서 원소 확산이 거의 발생하지 않는 것으로 나타났습니다.
미리 보정된 250psi(1724kPa) 역압 조절기(BPR)를 반응기 출구에 설치하고 0.1 ~ 1mL min-1의 속도로 반응기를 통해 물을 펌핑합니다. 반응기 압력은 FlowSyn 내장 시스템 압력 센서를 사용하여 모니터링하여 시스템이 일정한 정상 압력을 유지할 수 있는지 확인했습니다. 반응기 내에 내장된 열전쌍과 FlowSyn 칩 가열 플레이트 내에 내장된 열전쌍 간의 차이를 식별하여 유동 반응기 전체의 잠재적인 온도 구배를 테스트했습니다. 프로그래밍 가능한 핫플레이트 온도를 100~150°C 사이에서 25°C 단위로 변경하고 프로그래밍된 온도와 기록된 온도 사이의 차이를 기록하여 달성했습니다. 이것은 tc-08 데이터 로거(PicoTech, Cambridge, UK) 및 함께 제공되는 PicoLog 소프트웨어를 사용하여 달성되었습니다.
페닐아세틸렌과 요오도에탄의 고리 첨가 반응 조건이 최적화되었습니다(반응식 1 - 페닐아세틸렌과 요오도에탄의 순환 첨가 반응식 1 - 페닐아세틸렌과 요오도에탄의 순환 첨가). 이 최적화는 알킨:아지드 비율을 1:2로 고정하면서 온도와 체류 시간을 가변 매개변수로 사용하는 완전 요인 실험 설계(DOE) 접근법에 의해 수행되었습니다.
아지드화 나트륨(0.25M, 4:1 DMF:H2O), 요오도에탄(0.25M, DMF) 및 페닐아세틸렌(0.125M, DMF)의 개별 용액을 준비했습니다. 각 용액의 1.5mL 분취량을 혼합하고 원하는 유속 및 온도에서 반응기를 통해 펌핑했습니다. 모델 반응은 페닐아세틸렌 출발 물질에 대한 트리아졸 생성물의 피크 면적 비율로 취하여 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC)로 결정했습니다. 일관성을 위해 분석에서 모든 반응은 반응 혼합물이 반응기를 떠난 직후에 샘플링되었습니다. 최적화를 위해 선택된 매개변수 범위는 표 2에 나와 있습니다.
모든 샘플은 Quaternary 펌프, 컬럼 오븐, 가변 파장 UV 검출기 및 자동 샘플러로 구성된 Chromaster HPLC 시스템(VWR, PA, USA)을 사용하여 분석했습니다. 컬럼은 Equivalence 5 C18(VWR, PA, USA), 크기 4.6 x 100mm, 입자 크기 5μm, 40°C에서 유지되었습니다. 용매는 유속 1.5mL.min-1에서 등용매 50:50 메탄올:물이었습니다. 주입 부피는 5µL이고 검출기 파장은 254nm였습니다. DOE 샘플의 % 피크 면적은 잔류 알킨 및 트리아졸 제품의 피크 면적에서만 계산되었습니다. 시작 물질을 주입하면 관련 피크를 식별할 수 있습니다.
반응기 분석 출력을 MODDE DOE 소프트웨어(Umetrics, Malmö, Sweden)에 연결하면 결과 경향을 철저히 분석하고 이 고리화 첨가에 대한 최적의 반응 조건을 결정할 수 있습니다. 내장된 최적화기를 실행하고 모든 중요한 모델 항을 선택하면 아세틸렌 시작 물질의 피크 영역을 줄이면서 제품 피크 영역을 최대화하도록 설계된 일련의 반응 조건을 산출합니다.
촉매 반응 챔버 내에서 표면 구리의 산화는 각 트리아졸 화합물 라이브러리의 합성 전에 반응 챔버를 통해 흐르는 과산화수소(36%) 용액(유속 = 0.4mL/분, 체류 시간 = 2.5분)을 사용하여 달성되었습니다.
최적의 조건 세트가 확인되면 소규모 라이브러리 합성을 컴파일할 수 있도록 다양한 아세틸렌 및 할로알칸 유도체에 적용하여 이러한 조건을 더 넓은 범위의 잠재적인 시약에 적용할 수 있는 능력을 확립했습니다(그림 1).2).
아지드화 나트륨(0.25 M, 4:1 DMF:H2O), 할로알칸(0.25 M, DMF) 및 알킨(0.125 M, DMF)의 별도 용액을 준비합니다. 각 용액의 3 mL 분취량을 혼합하고 75 μL.min-1 및 150 °C에서 반응기를 통해 펌핑했습니다. 총 부피를 바이알에 수집하고 10 mL의 에틸 아세테이트로 희석했습니다. 샘플 용액을 3 × 10 mL의 물. 수성 층을 합하고 10 mL의 에틸 아세테이트로 추출하였다;이어서, 유기층을 합하고, 3 x 10 mL의 염수로 세척하고, MgSO4 상에서 건조시키고 여과한 다음, 용매를 진공에서 제거하였다. HPLC, 1H NMR, 13C NMR 및 고분해능 질량 분석기(HR-MS)의 조합으로 분석하기 전에 샘플을 에틸 아세테이트를 사용하여 실리카겔 상에서 컬럼 크로마토그래피로 정제하였다.
모든 스펙트럼은 ESI를 이온화 소스로 사용하는 Thermofischer 정밀 Orbitrap 분해능 질량 분석기를 사용하여 획득했습니다. 모든 샘플은 아세토니트릴을 용매로 사용하여 준비했습니다.
TLC 분석은 알루미늄 지지 실리카 플레이트에서 수행되었습니다. 플레이트는 UV 광(254nm) 또는 바닐린 염색 및 가열로 가시화되었습니다.
모든 샘플은 자동 샘플러, 컬럼 오븐 바이너리 펌프 및 단일 파장 검출기가 장착된 VWR Chromaster(VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) 시스템을 사용하여 분석했습니다. 사용된 컬럼은 ACE Equivalence 5 C18(150 × 4.6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Scotland)입니다.
희석된 미정제 반응 혼합물(1:10 희석)에서 직접 주입(5 μL)하고 물:메탄올(50:50 또는 70:30)로 분석했습니다. 단, 70:30 용매 시스템(별 번호로 표시됨)을 1.5 mL/분의 유속으로 사용하는 일부 샘플은 예외였습니다. 컬럼은 40°C로 유지되었습니다. 검출기 파장은 254 nm입니다.
샘플의 % 피크 면적은 잔류 알킨의 피크 면적으로부터 계산되었고, 트리아졸 생성물만, 출발 물질의 주입은 관련 피크의 식별을 가능하게 하였다.
모든 샘플은 Thermo iCAP 6000 ICP-OES를 사용하여 분석했습니다. 모든 검량 표준은 2% 질산(SPEX Certi Prep)의 1000ppm Cu 표준 용액을 사용하여 준비했습니다. 모든 표준은 5% DMF 및 2% HNO3 용액으로 준비했으며 모든 샘플은 샘플 DMF-HNO3 용액에서 20배 희석했습니다.
UAM은 초음파 금속 용접을 최종 조립품을 만드는 데 사용되는 금속 호일 재료의 접합 기술로 사용합니다. 초음파 금속 용접은 진동 금속 도구(혼 또는 초음파 혼이라고 함)를 사용하여 호일 층/이전에 통합된 층에 압력을 가하여 재료를 진동시키면서 접합할 수 있습니다. 연속 작동을 위해 소노트로드는 원통형이며 재료 표면 위로 구르며 전체 영역을 접착합니다. 압력과 진동이 가해지면 재료 표면의 산화물이 깨질 수 있습니다. 계속되는 압력과 진동은 재료의 요철이 무너지게 합니다.그것은 또한 표면 에너지의 변화를 통해 접착을 도울 수 있습니다48. 결합 메커니즘의 특성은 다른 첨가제 제조 기술에서 언급된 다양한 용융 온도 및 고온 후유증과 관련된 많은 문제를 극복합니다. 이를 통해 서로 다른 재료의 여러 층을 단일 통합 구조로 직접 결합할 수 있습니다(즉, 표면 변형, 필러 또는 접착제 없이).
UAM에 대한 두 번째 유리한 요소는 낮은 온도, 즉 금속 재료의 융점보다 훨씬 낮은 온도에서도 금속 재료에서 관찰되는 높은 수준의 소성 유동입니다. 초음파 진동과 압력의 조합은 전통적으로 벌크 재료와 관련된 큰 온도 상승 없이 높은 수준의 국부 결정립계 이동 및 재결정화를 유도합니다. 50 및 열전대(이 작업)는 능동 및 수동 복합 어셈블리를 생성하기 위해 모두 UAM 구조에 성공적으로 내장되었습니다.
이 작업에서는 UAM의 서로 다른 재료 결합 및 층간 삽입 가능성을 모두 사용하여 궁극적인 촉매 온도 모니터링 마이크로 반응기를 만들었습니다.
팔라듐(Pd) 및 기타 일반적으로 사용되는 금속 촉매와 비교할 때 Cu 촉매 작용은 몇 가지 장점이 있습니다. (i) 경제적으로 Cu는 촉매 작용에 사용되는 다른 많은 금속보다 저렴하므로 화학 처리 산업에서 매력적인 옵션입니다. Pd 화학에 사용되는 것은 종종 복잡하고 비싸며 공기에 민감한 (iv) Cu, 특히 합성에서 알킨과 결합하는 능력으로 알려져 있습니다.
이러한 모든 반응의 불균일화의 예는 최근 Cu(0)의 존재 하에서 입증되었습니다. 이는 주로 제약 산업과 금속 촉매 회수 및 재사용에 대한 관심 증가 때문입니다55,56.
1960년대에 Huisgen이 개척한57, 1,2,3-트리아졸에 대한 아세틸렌과 아지드 사이의 1,3-쌍극자 고리화첨가 반응은 상승작용적 증명 반응으로 간주됩니다. 생성된 1,2,3 트리아졸 모이어티는 생물학적 응용 및 다양한 치료제에서의 사용으로 인해 약물 발견 분야에서 약동단으로서 특히 관심이 있습니다58.
이 반응은 Sharpless와 다른 사람들이 "클릭 화학(click chemistry)" 개념을 도입했을 때 다시 주목을 받았습니다. "클릭 화학"이라는 용어는 CXC(heteroatom linkage)60를 통한 새로운 화합물 및 조합 라이브러리의 신속한 합성을 위한 견고하고 신뢰할 수 있으며 선택적인 일련의 반응을 설명하는 데 사용됩니다. 이러한 반응의 합성적 매력은 관련 높은 수율, 반응 조건이 간단하고 산소 및 물에 대한 저항성이 있으며 제품 분리가 간단하다는 점에서 비롯됩니다61.
고전적인 Huisgen 1,3-쌍극자 고리 첨가는 "클릭 화학"의 범주에 속하지 않습니다. 그러나 Medal 및 Sharpless는 이 아지드-알킨 커플링 이벤트가 Cu(I)의 존재 하에서 비촉매 1,3-쌍극자 고리 첨가 62,63 상당한 속도 가속과 비교하여 107에서 108을 겪는다는 것을 입증했습니다. 시간 척도에서 4-이치환 1,2,3-트리아졸(anti-1,2,3-triazole)(그림 3).
기존 및 구리 촉매 Huisgen 고리화첨가의 아이소메트릭 결과.Cu(I)-촉매 Huisgen 고리화첨가는 1,4-이치환된 1,2,3-트리아졸만 생성하는 반면 열 유도 Huisgen 고리화첨가는 일반적으로 아졸의 입체이성질체의 1,4- 및 1,5-트리아졸 1:1 혼합물을 생성합니다.
대부분의 프로토콜은 CuSO4 또는 Cu(II)/Cu(0) 종의 나트륨 염과의 공동 결합과 같은 안정적인 Cu(II) 소스의 감소를 포함합니다. 다른 금속 촉매 반응과 비교하여 Cu(I)의 사용은 저렴하고 취급하기 쉽다는 주요 이점이 있습니다.
Worrell et al.의 동역학 및 동위원소 표지 연구.65는 말단 알킨의 경우 구리 2당량이 아지드에 대한 각 분자의 반응성을 활성화하는 데 관여한다는 것을 보여주었습니다. 제안된 메커니즘은 안정한 도너 리간드로서 π-결합된 구리를 사용하여 아지드와 σ-결합된 구리 아세틸리드의 조정에 의해 형성된 6원 구리 금속 고리를 통해 진행됩니다.
유동 화학 장치의 이점은 잘 문서화되어 있지만 인라인, 현장, 프로세스 모니터링을 위해 이러한 시스템에 분석 도구를 통합하려는 욕구가 있었습니다.
복잡한 내부 채널 구조, 임베디드 열전쌍 및 촉매 반응 챔버가 있는 초음파 적층 제조(UAM)로 제작된 알루미늄-구리 유동 반응기. 내부 유체 경로를 시각화하기 위해 스테레오리소그래피를 사용하여 제작된 투명한 프로토타입도 표시됩니다.
향후 유기 반응을 위해 반응기를 제작하려면 용매를 끓는점 이상으로 안전하게 가열해야 합니다.압력 및 온도 테스트를 거쳤습니다. 압력 테스트 결과 시스템 압력(1.7MPa)이 증가해도 시스템이 안정적이고 일정한 압력을 유지하는 것으로 나타났습니다. 수압 테스트는 H2O를 유체로 사용하여 실온에서 수행되었습니다.
임베디드(그림 1) 열전대를 온도 데이터 로거에 연결하면 열전대가 FlowSyn 시스템의 프로그래밍된 온도보다 6°C(±1°C) 더 낮은 것으로 나타났습니다. 일반적으로 온도가 10°C 증가하면 반응 속도가 두 배가 되므로 온도 차이가 몇 도만 있어도 반응 속도가 크게 달라질 수 있습니다. 이 차이는 제조 공정에서 사용되는 재료의 높은 열 확산성으로 인해 반응기 본체 전체의 온도 손실 때문입니다. 이 열 드리프트는 일관적입니다. 따라서 반응 중에 정확한 온도에 도달하고 측정하도록 장비 설정에서 설명할 수 있습니다. 따라서 이 온라인 모니터링 도구는 반응 온도를 엄격하게 제어하고 보다 정확한 공정 최적화 및 최적 조건 개발을 용이하게 합니다. 또한 이러한 센서는 반응 발열을 식별하고 대규모 시스템에서 폭주 반응을 방지하는 데 사용할 수 있습니다.
이 작업에서 제시된 반응기는 화학 반응기 제조에 UAM 기술을 적용한 첫 번째 예이며 현재 이러한 장치의 AM/3D 인쇄와 관련된 몇 가지 주요 제한 사항을 해결합니다. 파우더 베드 기술에서는 불가능합니다. (v) 다양한 일반 유기 용매에 대한 폴리머 기반 구성 요소의 열악한 기계적 특성과 민감성을 극복합니다17,19.
반응기의 기능은 연속 흐름 조건에서 일련의 구리 촉매 알킨 아지드 사이클로첨가 반응에 의해 입증되었습니다(그림 2). 그림 4에 자세히 설명된 초음파 인쇄 구리 반응기는 상업적 흐름 시스템과 통합되었으며 염화나트륨의 존재 하에서 아세틸렌 및 알킬 그룹 할라이드의 온도 제어 반응을 통해 다양한 1,4-이치환된 1,2,3-트리아졸의 라이브러리 아지드를 합성하는 데 사용되었습니다(그림 3). 연속 흐름 접근법 완화의 사용 이 반응은 반응성이 매우 높고 유해한 아지드 중간체를 생성하기 때문에 배치 공정에서 발생할 수 있는 안전 문제를 해결합니다[317], [318]. 처음에 반응은 페닐아세틸렌과 요오도에탄의 고리 첨가에 대해 최적화되었습니다(반응식 1 – 페닐아세틸렌과 요오도에탄의 고리 첨가)(그림 5 참조).
(왼쪽 위) 3DP 반응기를 최적화를 위해 페닐아세틸렌과 요오도에탄 사이의 Huisgen 고리 첨가 57 체계의 최적화된(아래쪽) 체계에서 얻은 유동 시스템(오른쪽 위)에 3DP 반응기를 통합하는 데 사용되는 설정의 개략도와 최적화된 매개변수 반응 전환율을 보여줍니다.
반응기의 촉매 부분에서 시약의 체류 시간을 제어하고 직접 통합된 열전대 프로브로 반응 온도를 면밀히 모니터링함으로써 반응 조건은 최소한의 시간과 재료 소비로 빠르고 정확하게 최적화할 수 있습니다. 체류 시간 15분과 반응 온도 150°C를 사용할 때 가장 높은 전환율을 얻은 것으로 신속하게 결정되었습니다. MODDE 소프트웨어의 계수 플롯에서 체류 시간과 반응 온도 모두 중요한 모델 용어로 간주된다는 것을 알 수 있습니다. 출발 물질 피크 면적을 줄이면서 생성물 피크 면적을 최대화하도록 설계된 일련의 반응 조건. 이 최적화는 54%의 모델 예측과 거의 일치하는 트리아졸 생성물의 53% 전환율을 산출했습니다.
이러한 반응에서 산화 구리(I)(Cu2O)가 0가 구리 표면에서 효과적인 촉매 종으로 작용할 수 있음을 보여주는 문헌을 기반으로 흐름에서 반응을 수행하기 전에 반응기 표면을 예비 산화시키는 능력을 조사했습니다. LC는 이 변환이 약 90분까지 과도하게 연장된 반응 시간을 상당히 감소시켰고, 활성이 평준화되어 "정상 상태"에 도달하는 것으로 나타났습니다. 이 관찰은 촉매 활성 소스가 0가 구리 기판이 아닌 표면 구리 산화물에서 얻어진다는 것을 시사합니다. Cu 금속은 실온에서 쉽게 산화되어 자기 보호 층이 아닌 CuO 및 Cu2O를 형성합니다. 이는 공동 구성을 위한 보조 구리(II) 소스를 추가할 필요가 없습니다71.