Merci fir Äre Besuch op Nature.com. D'Browserversioun, déi Dir benotzt, huet limitéiert CSS-Ënnerstëtzung. Fir déi bescht Erfahrung empfeelen mir Iech, en aktualiséierte Browser ze benotzen (oder de Kompatibilitéitsmodus am Internet Explorer auszeschalten). An der Zwëschenzäit, fir weider Ënnerstëtzung ze garantéieren, wäerte mir d'Websäit ouni Stiler a JavaScript duerstellen.
E Karussell, deen dräi Folien gläichzäiteg weist. Benotzt d'Knäppercher "Virdrun" an "Nächst" fir duerch dräi Folien gläichzäiteg ze navigéieren, oder benotzt d'Schieberknäppercher um Enn fir duerch dräi Folien gläichzäiteg ze navigéieren.
D'Additiv Fabrikatioun ännert d'Aart a Weis, wéi Fuerscher an Industriellen chemesch Apparater entwéckelen an hierstellen, fir hir spezifesch Bedierfnesser gerecht ze ginn. An dëser Aarbecht presentéiere mir dat éischt Beispill vun engem Flowreaktor, deen duerch Ultraschall-Additiv Fabrikatioun (UAM) Laminéierung vun enger massiver Metallblech mat direkt integréierte katalyteschen Deeler a Sensorelementer geformt gëtt. D'UAM-Technologie iwwerwënnt net nëmmen vill vun de Limitatiounen, déi aktuell mat der additiver Fabrikatioun vu chemesche Reaktoren verbonne sinn, mee erweitert och d'Méiglechkeeten vun esou Apparater däitlech. Eng Rei vu biologesch wichtegen 1,4-disubstituéierten 1,2,3-Triazolverbindunge goufen erfollegräich synthetiséiert an optimiséiert duerch eng Cu-vermittelte 1,3-dipolare Huisgen Cycloadditionsreaktioun mat Hëllef vun der UAM-Chemie-Anlag. Mat den eenzegaartegen Eegeschafte vun der UAM an der kontinuéierlecher Flowveraarbechtung ass den Apparat fäeg, lafend Reaktiounen ze katalyséieren a souwéi Echtzäit-Feedback ze liwweren, fir Reaktiounen ze iwwerwaachen an ze optimiséieren.
Wéinst senge bedeitende Virdeeler géintiwwer sengem Bulk-Pendant ass d'Flosschemie e wichtegt a wuessend Gebitt souwuel am akademeschen wéi och an der Industrie, well se d'Selektivitéit an d'Effizienz vun der chemescher Synthese erhéije kann. Dëst geet vun der Bildung vun einfachen organesche Molekülen1 bis hin zu pharmazeutesche Verbindungen2,3 an Naturprodukter4,5,6. Iwwer 50% vun de Reaktiounen an der Feinchemie- a Pharmaindustrie kënne vum kontinuéierleche Floss7 profitéieren.
An de leschte Jore gëtt et e wuessenden Trend vu Gruppen, déi traditionell Glasgeschir oder Fluxchemie-Ausrüstung duerch adaptéierbar chemesch "Reaktoren"8 ersetzen wëllen. Den iterativen Design, déi séier Fabrikatioun an déi dräidimensional (3D) Fäegkeeten vun dëse Methode si nëtzlech fir déi, déi hir Geräter fir e spezifesche Set vu Reaktiounen, Geräter oder Konditioune personaliséiere wëllen. Bis elo huet sech dës Aarbecht bal ausschliisslech op d'Benotzung vu polymerbaséierten 3D-Drécktechniken wéi Stereolithographie (SL)9,10,11, Fused Deposition Modeling (FDM)8,12,13,14 an Tëntendrock7,15,16 konzentréiert. De Manktem u Zouverlässegkeet a Fäegkeet vun esou Geräter fir eng breet Palette vu chemesche Reaktiounen/Analysen17, 18, 19, 20 duerchzeféieren ass e wichtege limitéierende Faktor fir déi méi breet Uwendung vun AM an dësem Beräich17, 18, 19, 20.
Wéinst dem zouhuelende Gebrauch vun der Flosschemie an de gënschtegen Eegeschaften, déi mat AM verbonne sinn, musse besser Techniken exploréiert ginn, déi et de Benotzer erméiglechen, Flossreaktiounsbehälter mat verbesserte chemeschen a analytesche Fäegkeeten ze fabrizéieren. Dës Methode sollten et de Benotzer erméiglechen, aus enger Rei vun héichfeste oder funktionelle Materialien ze wielen, déi ënner enger breeder Palette vu Reaktiounsbedingungen funktionéiere kënnen, souwéi verschidde Forme vun analytescher Ausgab vum Apparat ze erliichteren, fir d'Iwwerwaachung an d'Kontroll vun der Reaktioun z'erméiglechen.
Ee Prozess fir additiv Fabrikatioun, deen benotzt ka ginn, fir personaliséiert chemesch Reaktoren z'entwéckelen, ass d'Ultraschall-Additiv Fabrikatioun (UAM). Dës Method fir d'Laminéierung vu Festkierperfolien applizéiert Ultraschallvibratiounen op dënn Metallfolien, fir se Schicht fir Schicht mat minimaler volumetrescher Erhëtzung an engem héije Grad u plastischem Floss 21, 22, 23 zesummenzebannen. Am Géigesaz zu de meeschten aneren AM-Technologien kann UAM direkt mat subtraktiver Produktioun integréiert ginn, bekannt als Hybridfabrikatiounsprozess, bei deem periodesch In-situ numeresch Kontroll (CNC) Fräsen oder Laserveraarbechtung d'Nettoform vun der Schicht vum gebonnene Material 24, 25 bestëmmt. Dëst bedeit, datt de Benotzer net op d'Problemer limitéiert ass, déi mat der Entfernung vu Reschter vum urspréngleche Baumaterial aus klenge Flëssegkeetskanäl verbonne sinn, wat dacks de Fall a Pulver- a Flëssegkeetssystemer AM 26,27,28 ass. Dës Designfräiheet erstreckt sech och op d'Wiel vun de verfügbare Materialien - UAM kann Kombinatioune vun thermesch ähnlechen an ënnerschiddleche Materialien an engem eenzege Prozessschratt bannen. D'Wiel vu Materialkombinatiounen iwwer de Schmelzprozess eraus bedeit, datt déi mechanesch a chemesch Ufuerderunge vu spezifeschen Uwendungen besser erfëllt kënne ginn. Nieft der fester Bindung ass en anert Phänomen, dat bei Ultraschallbindung optrieden, déi héich Flëssegkeet vu Plastikmaterialien bei relativ niddregen Temperaturen29,30,31,32,33. Dës eenzegaarteg Eegeschaft vun UAM erlaabt et, mechanesch/thermesch Elementer tëscht Metallschichten ze placéieren, ouni datt se beschiedegt ginn. Agebaute UAM-Sensore kënnen d'Liwwerung vun Echtzäitinformatioun vum Apparat un de Benotzer duerch integréiert Analytik erliichteren.
Fréier Aarbechte vun den Autoren32 hunn d'Fäegkeet vum UAM-Prozess gewisen, metallesch 3D-Mikrofluidstrukturen mat agebetteten Detektiounsfäegkeeten ze kreéieren. Dësen Apparat ass nëmme fir Iwwerwaachungszwecker geduecht. Dësen Artikel presentéiert dat éischt Beispill vun engem mikrofluidesche chemesche Reaktor, dee vun UAM hiergestallt gëtt, en aktiven Apparat, deen net nëmmen d'chemesch Synthese mat strukturell integréierte katalytesche Materialien kontrolléiert, mä och induzéiert. Den Apparat kombinéiert verschidde Virdeeler, déi mat der UAM-Technologie bei der Fabrikatioun vun 3D-chemeschen Apparater verbonne sinn, wéi zum Beispill: d'Fäegkeet, en komplette 3D-Design direkt aus engem computergestëtzte Design (CAD)-Modell an e Produkt ëmzewandelen; Multimaterialfabrikatioun fir eng Kombinatioun vun héijer thermescher Konduktivitéit a katalytesche Materialien, souwéi thermesch Sensoren, déi direkt tëscht de Reaktantstréim agebette sinn, fir eng präzis Kontroll a Gestioun vun der Reaktiounstemperatur. Fir d'Funktionalitéit vum Reaktor ze demonstréieren, gouf eng Bibliothéik vu pharmazeutesch wichtegen 1,4-disubstituéierten 1,2,3-Triazolverbindungen duerch kupferkatalyséiert 1,3-dipolar Huisgen-Cycloadditioun synthetiséiert. Dës Aarbecht weist, wéi d'Benotzung vun der Materialwëssenschaft an dem computergestëtzten Design nei Méiglechkeeten a Méiglechkeeten fir d'Chemie duerch interdisziplinär Fuerschung opmaache kann.
All Léisungsmëttel a Reagenzien goufe vu Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI oder Fischer Scientific kaaft a ouni viraus Reinigung benotzt. 1H- an 13C-NMR-Spektre, déi bei 400 respektiv 100 MHz opgeholl goufen, goufen op engem JEOL ECS-400 400 MHz Spektrometer oder engem Bruker Avance II 400 MHz Spektrometer mat CDCl3 oder (CD3)2SO als Léisungsmëttel opgeholl. All Reaktioune goufe mat der Uniqsis FlowSyn Flowchemieplattform duerchgefouert.
UAM gouf benotzt fir all Apparater an dëser Studie ze fabrizéieren. D'Technologie gouf am Joer 1999 erfonnt an hir technesch Detailer, Betribsparameter an Entwécklungen zënter hirer Erfindung kënnen mat Hëllef vun de folgende publizéierte Materialien studéiert ginn34,35,36,37. Den Apparat (Fig. 1) gouf mat engem staarken 9 kW SonicLayer 4000® UAM System (Fabrisonic, Ohio, USA) implementéiert. D'Materialien, déi fir den Duerchflussvorrichtung gewielt goufen, ware Cu-110 an Al 6061. Cu-110 huet en héije Kupfergehalt (minimum 99,9% Kupfer), wat et zu engem gudde Kandidat fir kupferkatalyséiert Reaktiounen mécht a gëtt dofir als "aktiv Schicht" am Mikroreaktor benotzt. Al 6061O gëtt als "Groussmaterial" benotzt, souwéi d'Interkalatiounsschicht, déi fir d'Analyse benotzt gëtt; Interkalatioun vun Hëllefslegierungskomponenten an den geglühten Zoustand a Kombinatioun mat der Cu-110 Schicht. huet sech als chemesch stabil mat de Reagenzien, déi an dëser Aarbecht benotzt goufen, erwisen. Al 6061O a Kombinatioun mat Cu-110 gëllt och als kompatibel Materialkombinatioun fir UAM an ass dofir e gëeegent Material fir dës Studie38,42. Dës Vorrichtung sinn an der Tabell 1 hei ënnendrënner opgezielt.
Reaktorfabrikatiounsschrëtt (1) Substrat aus Aluminiumlegierung 6061 (2) Fabrikatioun vum ënneschte Kanal aus Kupferfolie (3) Asetzen vun Thermoelementer tëscht de Schichten (4) Ieweschte Kanal (5) Agank an Ausgang (6) Monolithesche Reaktor.
D'Philosophie vum Design vum Flëssegkeetskanal besteet doran, e gewéckelte Wee ze benotzen, fir d'Distanz ze erhéijen, déi d'Flëssegkeet am Chip zréckleet, wärend eng handhabbar Chipgréisst erhale bleift. Dës Erhéijung vun der Distanz ass wënschenswäert, fir d'Kontaktzäit tëscht Katalysator a Reaktant ze erhéijen an exzellent Produktausbezuelungen ze liwweren. D'Chips benotzen 90°-Béi un den Enden vun engem riichte Wee, fir turbulent Mëschung am Apparat44 ze induzéieren an d'Kontaktzäit vun der Flëssegkeet mat der Uewerfläch (Katalysator) ze erhéijen. Fir d'Mëschung, déi erreecht ka ginn, weider ze verbesseren, enthält den Design vum Reaktor zwou Reaktant-A-Luuchten, déi an enger Y-Verbindung kombinéiert sinn, ier se an d'Mëschspiralsektioun kommen. Den drëtten Agank, deen de Floss op der Hallschent vu sengem Openthalt kräizt, ass am Plang fir zukünfteg Méistufeg-Synthesereaktiounen abegraff.
All Kanäl hunn e quadratescht Profil (keng Konischwénkel), wat d'Resultat vum periodesche CNC-Fräsen ass, dat benotzt gëtt fir d'Kanalgeometrie ze kreéieren. D'Kanaldimensioune sinn esou gewielt ginn, datt se eng héich (fir e Mikroreaktor) volumetresch Ausbezuelung bidden, awer kleng genuch sinn, fir d'Interaktioun mat der Uewerfläch (Katalysatoren) fir déi meescht Flëssegkeeten, déi se enthält, ze erliichteren. Déi passend Gréisst baséiert op der fréierer Erfahrung vun den Auteuren mat Metall-Flëssegkeet-Reaktiounsapparater. Déi intern Dimensioune vum leschte Kanal waren 750 µm x 750 µm an de Gesamtvolumen vum Reaktor war 1 ml. En agebaute Verbindungsstéck (1/4″-28 UNF Gewënn) ass am Design abegraff, fir eng einfach Verbindung vum Apparat mat kommerziellen Flowchemie-Ausrüstung ze erméiglechen. D'Kanalgréisst ass limitéiert duerch d'Déckt vum Foliematerial, seng mechanesch Eegeschaften an d'Bindungsparameter, déi mat Ultraschall benotzt ginn. Bei enger bestëmmter Breet fir e bestëmmte Material wäert d'Material an de geschafe Kanal "sägen". Et gëtt de Moment kee spezifescht Modell fir dës Berechnung, dofir gëtt déi maximal Kanalbreet fir e bestëmmte Material an Design experimentell bestëmmt, an deem Fall wäert eng Breet vu 750 µm kee Sagging verursaachen.
D'Form (Quadrat) vum Kanal gëtt mat engem Quadratschneider bestëmmt. D'Form a Gréisst vun de Kanäl kënnen op CNC-Maschinnen mat verschiddene Schnëttinstrumenter geännert ginn, fir ënnerschiddlech Duerchflussraten an Eegeschaften ze kréien. E Beispill fir d'Erstelle vun engem gekrëmmte Kanal mat engem 125 µm Tool kann een a Monaghan45 fannen. Wann d'Folieschicht flaach opgedroe gëtt, huet d'Uwendung vum Foliematerial op d'Kanäl eng flaach (quadratesch) Uewerfläch. An dëser Aarbecht gouf eng quadratesch Kontur benotzt, fir d'Kanalsymmetrie ze erhalen.
Wärend enger programméierter Paus an der Produktioun sinn Thermoelement-Temperatursensoren (Typ K) direkt an den Apparat tëscht der ieweschter an der ënneschter Kanalgrupp agebaut (Fig. 1 – Etapp 3). Dës Thermoelementer kënnen Temperaturännerungen vun -200 bis 1350 °C kontrolléieren.
De Metalloflagerungsprozess gëtt vum UAM-Horn mat Metallfolie vun 25,4 mm Breet an 150 Mikrometer Déckt duerchgefouert. Dës Folieschichten sinn an enger Serie vun ugrenzende Sträifen verbonnen, fir déi ganz Baufläch ze bedecken; d'Gréisst vum ofgesate Material ass méi grouss wéi dat fäerdegt Produkt, well de Subtraktiounsprozess déi lescht propper Form erstellt. CNC-Bearbeitung gëtt benotzt fir déi extern an intern Konturen vun der Ausrüstung ze bearbechten, wat zu enger Uewerflächenfinish vun der Ausrüstung a Kanäl féiert, déi dem gewielten Tool an den CNC-Prozessparameter entsprécht (an dësem Beispill ongeféier 1,6 µm Ra). Kontinuéierlech, kontinuéierlech Ultraschallmaterialsprëtz- a Bearbeitungszyklen ginn am ganze Fabrikatiounsprozess vum Apparat benotzt, fir sécherzestellen, datt d'Dimensiounsgenauegkeet erhale bleift an datt dat fäerdegt Stéck d'Prezisiounsniveauen vum CNC-Feinfräsen entsprécht. D'Breet vum Kanal, deen fir dësen Apparat benotzt gëtt, ass kleng genuch, fir sécherzestellen, datt d'Foliematerial net am Flëssegkeetskanal "séiht", sou datt de Kanal e quadratesche Querschnitt huet. Méiglech Lächer am Foliematerial an d'Parameter vum UAM-Prozess goufen experimentell vum Fabrikatiounspartner (Fabrisonic LLC, USA) bestëmmt.
Studien hunn gewisen, datt et op der Grenzfläch 46, 47 vun der UAM-Verbindung wéineg Diffusioun vun Elementer ouni zousätzlech Wärmebehandlung gëtt, sou datt fir d'Apparater an dëser Aarbecht d'Cu-110-Schicht anescht bleift wéi d'Al-6061-Schicht a sech dramatesch ännert.
Installéiert e virkalibréierte Réckdrockregler (BPR) bei 250 psi (1724 kPa) no vir vum Reaktor a pompelt Waasser mat enger Rate vun 0,1 bis 1 ml min-1 duerch de Reaktor. Den Drock vum Reaktor gouf mat dem FlowSyn-Drockwandler iwwerwaacht, deen am System agebaut ass, fir sécherzestellen, datt de System e konstante stabile Drock behale konnt. Potenziell Temperaturgradienten am Flowreaktor goufen getest, andeems no Ënnerscheeder tëscht den Thermoelementer, déi am Reaktor agebaut sinn, an den Thermoelementer, déi an der Heizplack vum FlowSyn-Chip agebaut sinn, gesicht goufen. Dëst gëtt erreecht andeems d'programméiert Heizplacktemperatur tëscht 100 an 150 °C a Schrëtt vun 25 °C geännert gëtt an all Ënnerscheeder tëscht de programméierten an opgehollen Temperaturen iwwerwaacht ginn. Dëst gouf mat dem tc-08 Datenlogger (PicoTech, Cambridge, UK) an der begleedender PicoLog Software erreecht.
D'Konditioune fir d'Cycloadditionsreaktioun vu Phenylacetylen an Iodoethan sinn optimiséiert (Schema 1-Cycloaddition vu Phenylacetylen an Iodoethan, Schema 1-Cycloaddition vu Phenylacetylen an Iodoethan). Dës Optimiséierung gouf mat engem komplette Faktorialdesign vun den Experimenter (DOE) duerchgefouert, woubei Temperatur an Openthaltszäit als Variabelen benotzt goufen, während den Alkyn:Azid-Verhältnis op 1:2 fixéiert gouf.
Getrennt Léisunge vun Natriumazid (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), Jodoethan (0,25 M, DMF) a Phenylacetylen (0,125 M, DMF) goufen preparéiert. En 1,5 ml Aliquot vun all Léisung gouf gemëscht a mat der gewënschter Duerchflussquote an Temperatur duerch de Reaktor gepompelt. D'Äntwert vum Modell gouf als Verhältnes vun der Peakfläch vum Triazolprodukt zum Ausgangsmaterial vu Phenylacetylen geholl a gouf mat Hëllef vun Héichleistungsflëssegkeetschromatographie (HPLC) bestëmmt. Fir d'Konsistenz vun der Analyse goufen all Reaktiounen direkt nodeems d'Reaktiounsmëschung de Reaktor verlooss huet, opgeholl. D'Parameterberäicher, déi fir d'Optimiséierung ausgewielt goufen, sinn an der Tabell 2 gewisen.
All Prouwe goufen mat engem Chromaster HPLC-System (VWR, PA, USA) analyséiert, dat aus enger quaternärer Pompel, engem Kolonnenuewen, engem UV-Detektor mat variabler Wellelängt an engem Autosampler besteet. D'Kolonn war eng Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA), 4,6 x 100 mm, 5 µm Partikelgréisst, déi bei 40°C gehale gouf. De Léisungsmëttel war isokratesch Methanol:Waasser 50:50 mat enger Duerchflussquote vun 1,5 ml·min-1. Den Injektiounsvolumen war 5 μl an d'Detektorwellelängt war 254 nm. D'%-Peakfläch fir d'DOE-Prouf gouf nëmmen aus de Peakflächen vun de Reschtalkyn- a Triazolprodukter berechent. D'Aféierung vum Ausgangsmaterial erméiglecht et, déi entspriechend Peaks z'identifizéieren.
D'Kombinatioun vun de Resultater vun der Reaktoranalyse mat der MODDE DOE Software (Umetrics, Malmö, Schweden) huet eng grëndlech Trendanalyse vun de Resultater an d'Bestimmung vun den optimale Reaktiounsbedingungen fir dës Zykloadditioun erméiglecht. Duerch d'Ausféierung vum agebauten Optimisator an d'Auswiel vun alle wichtege Modelltermer erstellt een eng Rei vu Reaktiounsbedingungen, déi entwéckelt goufen, fir d'Peakfläch vum Produkt ze maximéieren an d'Peakfläch fir den Acetylen-Rohmaterial ze reduzéieren.
D'Oxidatioun vun der Kupferoberfläche an der katalytescher Reaktiounskammer gouf mat enger Waasserstoffperoxidléisung (36%) erreecht, déi duerch d'Reaktiounskammer fléisst (Duerchflussrate = 0,4 ml min-1, Verbleibszäit = 2,5 min), virun der Synthese vun all Triazolverbindung.
Soubal déi optimal Konditioune bestëmmt gi waren, goufen se op eng Rei vun Acetylen- an Haloalkan-Derivater ugewannt, fir d'Zesummestellung vun enger klenger Synthesebibliothéik z'erméiglechen, wouduerch d'Méiglechkeet geschaf gouf, dës Konditioune op eng méi breet Palette vu potenziellen Reagenzien unzewenden (Fig. 1).
Bereet separat Léisunge vun Natriumazid (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), Haloalkanen (0,25 M, DMF) an Alkynen (0,125 M, DMF) vir. Aliquoten vun 3 ml vun all Léisung goufen gemëscht a mat enger Geschwindegkeet vun 75 µl/min an enger Temperatur vun 150°C duerch de Reaktor gepompelt. De ganze Volumen gouf an engem Fläschchen gesammelt a mat 10 ml Ethylacetat verdënnt. D'Proufléisung gouf mat 3 x 10 ml Waasser gewäsch. Déi wässereg Schichten goufen zesummegefaasst an mat 10 ml Ethylacetat extrahéiert, duerno goufen déi organesch Schichten zesummegefaasst, mat 3×10 ml Salzlake gewäsch, iwwer MgSO4 gedréchent a gefiltert, duerno gouf de Léisungsmëttel am Vakuum ewechgeholl. D'Prouwe goufen duerch Kieselgel-Sailenchromatographie mat Ethylacetat gereinegt, ier se duerch eng Kombinatioun vun HPLC, 1H-NMR, 13C-NMR an Héichopléisungsmassespektrometrie (HR-MS) analyséiert goufen.
All Spektre goufen mat engem Thermofischer Precision Orbitrap Massenspektrometer mat ESI als Ioniséierungsquell opgeholl. All Prouwe goufen mat Acetonitril als Léisungsmëttel virbereet.
D'TLC-Analyse gouf op Silica-Placke mat engem Aluminiumsubstrat duerchgefouert. D'Placke goufe mat UV-Liicht (254 nm) oder Vanillin-Fierwung an Erhëtzung visualiséiert.
All Prouwe goufen mat engem VWR Chromaster System (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) analyséiert, dat mat engem Autosampler, enger binärer Pompel mat engem Kolonnenuewen an engem Eenzelwellenlängtdetektor ausgestatt ass. Eng ACE Equivalence 5 C18 Kolonn (150 x 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Schottland) gouf benotzt.
Injektiounen (5 µl) goufen direkt aus der verdënnter réier Reaktiounsmëschung (Verdënnung 1:10) gemaach an mat Waasser:Methanol (50:50 oder 70:30) analyséiert, ausser fir e puer Proben, déi e 70:30 Léisungsmëttelsystem (bezeechent als Stärenzuel) mat enger Duerchflussrate vun 1,5 ml/min benotzt hunn. D'Kolonn gouf bei 40°C gehalen. D'Wellenlängt vum Detektor ass 254 nm.
D'%-Peakfläch vun der Prouf gouf aus der Peakfläch vum Reschtalkyn, nëmmen dem Triazolprodukt, berechent, an d'Aféierung vum Ausgangsmaterial huet et erméiglecht, déi entspriechend Peaks z'identifizéieren.
All Prouwe goufen mat dem Thermo iCAP 6000 ICP-OES analyséiert. All Kalibratiounsstandarde goufen mat enger 1000 ppm Cu-Standardléisung an 2% Salpetersäure (SPEX Certi Prep) virbereet. All Standarde goufen an enger Léisung vu 5% DMF an 2% HNO3 virbereet, an all Prouwe goufen 20-mol mat enger Proufléisung vun DMF-HNO3 verdënnt.
UAM benotzt Ultraschall-Metallschweißen als Method fir d'Metallfolie ze verbannen, déi benotzt gëtt fir déi lescht Montage ze kreéieren. Ultraschall-Metallschweißen benotzt en vibréierend Metallinstrument (genannt Horn oder Ultraschallhorn), fir Drock op d'Folie/virdrun konsolidéiert Schicht auszeüben, déi gebonnen/virdrun konsolidéiert soll ginn, andeems d'Material vibréiert gëtt. Fir de kontinuéierleche Betrib huet d'Sonotrode eng zylindresch Form a rullt iwwer d'Uewerfläch vum Material a pecht déi ganz Fläch zesummen. Wann Drock a Vibratioun ugewannt ginn, kënnen d'Oxiden op der Uewerfläch vum Material räissen. Konstanten Drock a Vibratioun kënnen zu der Zerstéierung vun der Rauheet vum Material féieren 36. Enge Kontakt mat lokaliséierter Hëtzt an Drock féiert dann zu enger Festphasbindung op de Materialgrenzflächen; et kann och d'Kohäsioun förderen andeems d'Uewerflächenenergie geännert gëtt 48. D'Natur vum Bindungsmechanismus iwwerwënnt vill vun de Problemer, déi mat der variabler Schmelztemperatur an den héijen Temperatureffekter verbonne sinn, déi an aneren additive Fabrikatiounstechnologien ernimmt ginn. Dëst erlaabt eng direkt Verbindung (dh ouni Uewerflächenmodifikatioun, Fëllstoffer oder Klebstoffer) vu verschiddene Schichten aus verschiddene Materialien an eng eenzeg konsolidéiert Struktur.
Den zweete favorabele Faktor fir CAM ass den héije Grad u plastischer Flëssegkeet, déi a metallesche Materialien och bei niddregen Temperaturen observéiert gëtt, also wäit ënner dem Schmelzpunkt vu metallesche Materialien. D'Kombinatioun vun Ultraschallvibratiounen an Drock verursaacht eng héich lokal Kärengrenzmigratioun a Rekristallisatioun ouni déi bedeitend Temperaturerhéijung, déi traditionell mat Schëttmaterialien assoziéiert ass. Wärend der Erstellung vun der Endbaugrupp kann dëst Phänomen benotzt ginn, fir aktiv a passiv Komponenten tëscht Schichten aus Metallfolie, Schicht fir Schicht, anzebannen. Elementer wéi optesch Faser 49, Verstäerkung 46, Elektronik 50 an Thermoelementer (dës Aarbecht) goufen erfollegräich an UAM-Strukturen integréiert, fir aktiv a passiv Kompositbaugruppen ze kreéieren.
An dëser Aarbecht goufen souwuel verschidde Materialbindungsfäegkeeten wéi och UAM-Interkalatiounsfäegkeeten benotzt fir e idealen Mikroreaktor fir katalytesch Temperaturkontroll ze kreéieren.
Am Verglach mat Palladium (Pd) an anere gängeg benotzte Metallkatalysatoren huet d'Cu-Katalyse verschidde Virdeeler: (i) Wirtschaftlech ass Cu méi bëlleg wéi vill aner Metaller, déi an der Katalyse benotzt ginn, an ass dofir eng attraktiv Optioun fir d'chemesch Industrie (ii) d'Palette vu Cu-katalyséierte Kräizkopplungsreaktiounen erweidert sech a schéngt e bëssen ergänzend zu Pd51, 52, 53-baséierte Methoden ze sinn (iii) Cu-katalyséiert Reaktioune funktionéieren gutt ouni aner Liganden. Dës Liganden si strukturell dacks einfach an net deier, wann néideg, während déi, déi an der Pd-Chemie benotzt ginn, dacks komplex, deier a loftempfindlech sinn. (iv) Cu, besonnesch bekannt fir seng Fäegkeet, Alkynen an der Synthese ze bannen, wéi zum Beispill d'bimetallesch katalyséiert Kopplung vu Sonogashira a Cycloaddition mat Aziden (Click Chemistry) (v) Cu kann och d'Aryléierung vu verschiddenen Nukleophilen an Ullmann-Typ Reaktiounen förderen.
Rezent goufen Beispiller vun Heterogeniséierung vun all dëse Reaktiounen a Präsenz vu Cu(0) demonstréiert. Dëst ass haaptsächlech op d'Pharmaindustrie an de wuessende Fokus op d'Wiedergewinnung a Wiederverwendung vu Metallkatalysatoren zeréckzeféieren55,56.
Déi 1,3-dipolar Cycloadditionsreaktioun tëscht Acetylen an Azid zu 1,2,3-Triazol, déi fir d'éischt vum Huisgen an den 1960er Joren virgeschloen gouf57, gëllt als synergistesch Demonstratiounsreaktioun. Déi resultéierend 1,2,3-Triazolfragmenter si vu besonneschem Interessi als Pharmakophor an der Medikamentenentdeckung wéinst hire biologeschen Uwendungen an hirem Gebrauch a verschiddenen therapeuteschen Agenten58.
Dës Reaktioun krut erneiert Opmierksamkeet, wéi de Sharpless an anerer de Konzept vun der "Click Chemistry"59 agefouert hunn. Den Ausdrock "Click Chemistry" gëtt benotzt fir eng robust a selektiv Rei vu Reaktiounen fir déi séier Synthese vun neie Verbindungen a kombinatoresche Bibliothéiken mat Hëllef vun heteroatomarer Bindung (CXC)60 ze beschreiwen. Den syntheteschen Appel vun dëse Reaktiounen ass op déi héich Ausbezuelungen zeréckzeféieren, déi mat hinnen verbonne sinn. D'Konditioune si einfach, d'Resistenz géint Sauerstoff a Waasser, an d'Produkttrennung ass einfach61.
Déi klassesch 1,3-Dipol Huisgen-Zykloadditioun fällt net an d'Kategorie "Klickchemie". Medal a Sharpless hunn awer demonstréiert, datt dëst Azid-Alkyn-Kopplungsprozess a Präsenz vu Cu(I) 107–108 ënnerläit, am Verglach zu enger bedeitender Beschleunigung vun der Geschwindegkeet vun der net-katalytescher 1,3-dipolarer Zykloadditioun 62,63. Dëse fortgeschrattene Reaktiounsmechanismus erfuerdert keng Schutzgruppen oder haart Reaktiounsbedingungen a suergt fir eng bal komplett Konversioun a Selektivitéit zu 1,4-disubstituéierten 1,2,3-Triazolen (Anti-1,2,3-Triazolen) mat der Zäit (Fig. 3).
Isometresch Resultater vu konventionellen an kupferkatalyséierten Huisgen-Cycloadditioune. Cu(I)-katalyséiert Huisgen-Cycloadditioune ginn nëmmen 1,4-disubstituéiert 1,2,3-Triazoler, während thermesch induzéiert Huisgen-Cycloadditioune typescherweis 1,4- an 1,5-Triazoler eng 1:1 Mëschung aus Azol-Stereoisomeren ginn.
Déi meescht Protokoller involvéieren d'Reduktioun vu stabile Quelle vu Cu(II), wéi zum Beispill d'Reduktioun vu CuSO4 oder der Cu(II)/Cu(0)-Verbindung a Kombinatioun mat Natriumsalzer. Am Verglach mat anere metallkatalyséierte Reaktiounen huet d'Benotzung vu Cu(I) déi Haaptvirdeeler, datt se bëlleg an einfach ze handhaben ass.
Kinetesch an isotopesch Studien vum Worrell et al. 65 hunn gewisen, datt am Fall vun terminalen Alkynen zwou Äquivalente Koffer un der Aktivéierung vun der Reaktivitéit vun all Molekül am Bezuch op Azid bedeelegt sinn. De proposéierte Mechanismus verleeft duerch e sechsdeelege Koffermetallring, deen duerch d'Koordinatioun vun Azid zu σ-gebonnenem Kofferacetylid mat π-gebonnenem Koffer als stabile Donorligand geformt gëtt. Koffertriazolylderivater ginn als Resultat vun der Ringkontraktioun gefollegt vun enger Protonenzersetzung geformt fir Triazolprodukter ze bilden an de katalytesche Zyklus ofzeschléissen.
Obwuel d'Virdeeler vun de Stroumchemie-Apparater gutt dokumentéiert sinn, gëtt et e Wonsch, analytesch Tools an dës Systemer fir Echtzäit-Prozess-Iwwerwaachung in situ ze integréieren66,67. UAM huet sech als eng gëeegent Method fir den Design an d'Fabrikatioun vu ganz komplexen 3D-Stroumreaktoren aus katalytisch aktiven, thermesch leedenden Materialien mat direkt agebettene Sensorelementer erwisen (Fig. 4).
Aluminium-Koffer-Stroumreaktor, hiergestallt duerch Ultraschall-Additivfabrikatioun (UAM) mat enger komplexer interner Kanalstruktur, agebauten Thermoelementer an enger katalytescher Reaktiounskammer. Fir déi intern Flëssegkeetsweeër ze visualiséieren, gëtt och e transparenten Prototyp gewisen, deen mat Stereolithographie hiergestallt gouf.
Fir sécherzestellen, datt Reaktoren fir zukünfteg organesch Reaktiounen gemaach sinn, mussen d'Léisungsmëttel sécher iwwer hire Kachpunkt erhëtzt ginn; si ginn ënner Drock an Temperatur getest. Den Drocktest huet gewisen, datt de System e stabile a konstante Drock och bei erhéichtem Drock am System (1,7 MPa) behält. Hydrostatesch Tester goufen bei Raumtemperatur mat H2O als Flëssegkeet duerchgefouert.
D'Verbindung vum agebauten Thermoelement (Figur 1) mam Temperaturdatenlogger huet gewisen, datt d'Temperatur vum Thermoelement 6 °C (± 1 °C) ënner der programméierter Temperatur am FlowSyn System louch. Typesch verduebelt eng Temperaturerhéijung vun 10 °C d'Reaktiounsgeschwindegkeet, sou datt en Temperaturënnerscheed vun nëmmen e puer Grad d'Reaktiounsgeschwindegkeet däitlech ännere kann. Dësen Ënnerscheed ass op den Temperaturverloscht am ganze RPV zeréckzeféieren, deen duerch déi héich thermesch Diffusivitéit vun de Materialien am Fabrikatiounsprozess verursaacht gëtt. Dës thermesch Drift ass konstant a kann dofir beim Opstelle vun der Ausrüstung berécksiichtegt ginn, fir sécherzestellen, datt genee Temperaturen während der Reaktioun erreecht a gemooss ginn. Sou erliichtert dëst Online-Iwwerwaachungsinstrument eng enk Kontroll vun der Reaktiounstemperatur a dréit zu enger méi präziser Prozessoptimiséierung an der Entwécklung vun optimale Konditiounen bäi. Dës Sensore kënnen och benotzt ginn, fir exotherm Reaktiounen z'entdecken a Runaway-Reaktiounen a grousse Systemer ze verhënneren.
De Reaktor, deen an dësem Pabeier presentéiert gëtt, ass dat éischt Beispill vun der Uwendung vun der UAM-Technologie fir d'Fabrikatioun vu chemesche Reaktoren an adresséiert verschidde grouss Aschränkungen, déi de Moment mam AM/3D-Drock vun dësen Apparater verbonne sinn, wéi zum Beispill: (i) Iwwerwanne vun de bekannte Problemer am Zesummenhang mat der Veraarbechtung vu Koffer- oder Aluminiumlegierungen (ii) verbessert intern Kanaloppléisung am Verglach mat Pulverbett-Schmëlzmethoden (PBF) wéi selektiv Laserschmelzmethoden (SLM)25,69 Schlechten Materialfluss a rauh Uewerflächentextur26 (iii) méi niddreg Veraarbechtungstemperatur, déi eng direkt Verbindung vu Sensoren erliichtert, wat an der Pulverbetttechnologie net méiglech ass, (v) Iwwerwanne vun de schlechten mechaneschen Eegeschaften an der Sensibilitéit vu Polymerbaséierte Komponenten op verschidde gängeg organesch Léisungsmëttel17,19.
D'Funktionalitéit vum Reaktor gouf duerch eng Serie vu kupferkatalyséierten Alkinazid-Cycloadditiounsreaktiounen ënner kontinuéierleche Flossbedingungen demonstréiert (Fig. 2). Den Ultraschall-gedréckte Kupferreaktor, deen an der Fig. 4 gewisen ass, gouf mat engem kommerziellen Flosssystem integréiert a benotzt fir eng Azidbibliothéik vu verschiddenen 1,4-disubstituéierten 1,2,3-Triazolen ze synthetiséieren andeems eng temperaturkontrolléiert Reaktioun vun Acetylen an Alkylgrupphalogeniden a Präsenz vun Natriumchlorid benotzt gouf (Fig. 3). D'Benotzung vum kontinuéierleche Flossusaz reduzéiert d'Sécherheetsproblemer, déi a Batchprozesser entstoe kënnen, well dës Reaktioun héichreaktiv an geféierlech Azid-Zwëschenprodukter produzéiert [317], [318]. Ufanks gouf d'Reaktioun fir d'Cycloadditioun vu Phenylacetylen an Iodoethan optimiséiert (Schema 1 - Cycloadditioun vu Phenylacetylen an Iodoethan) (kuckt Fig. 5).
(Uewe lénks) Schema vum Setup, deen benotzt gëtt fir en 3DP-Reaktor an e Flowsystem (uewe riets) z'integréieren, dat aus dem optiméierten (ënnen) Schema vum Huisgen 57 Cycloaddition-Schema tëscht Phenylacetylen an Iodethan fir d'Optimiséierung kritt gouf, a weist déi optiméiert Konversiounsquoteparameter vun der Reaktioun.
Duerch d'Kontroll vun der Verbleiwzäit vun de Reaktanten am katalyteschen Deel vum Reaktor an d'Suergfalt iwwer d'Reaktiounstemperatur mat engem direkt integréierten Thermoelementsensor kënnen d'Reaktiounsbedéngungen séier an präzis mat engem Minimum u Zäit a Material optimiséiert ginn. Et gouf séier festgestallt, datt déi héchst Konversioun mat enger Verbleiwzäit vun 15 Minutten an enger Reaktiounstemperatur vun 150°C erreecht gouf. Aus dem Koeffizientdiagramm vun der MODDE Software kann een erkennen, datt souwuel d'Verbleiwzäit wéi och d'Reaktiounstemperatur als wichteg Konditioune vum Modell ugesi ginn. Wann den agebauten Optimisator mat dëse gewielte Konditioune leeft, erstellt een eng Rei vu Reaktiounsbedéngungen, déi entwéckelt goufen, fir d'Produktpeakenflächen ze maximéieren an d'Ausgangsmaterialpeakenflächen ze reduzéieren. Dës Optimiséierung huet eng 53% Konversioun vum Triazolprodukt erginn, wat exakt mat der Prognose vum Modell vu 54% iwwereneestëmmt huet.