Dėkojame, kad apsilankėte Nature.com.Naudojama naršyklės versija turi ribotą CSS palaikymą.Norėdami gauti geriausią patirtį, rekomenduojame naudoti atnaujintą naršyklę (arba išjungti suderinamumo režimą „Internet Explorer“).Tuo tarpu norėdami užtikrinti nuolatinį palaikymą, svetainę pateiksime be stilių ir „JavaScript“.
Karuselė, kurioje vienu metu rodomos trys skaidrės.Naudokite mygtukus Ankstesnis ir Kitas, kad vienu metu pereitumėte per tris skaidres, arba naudokite slankiklio mygtukus, esančius pabaigoje, norėdami pereiti per tris skaidres vienu metu.
Priedų gamyba keičia būdą, kaip mokslininkai ir pramonininkai kuria ir gamina cheminius prietaisus, kad atitiktų jų specifinius poreikius.Šiame darbe pateikiame pirmąjį srauto reaktoriaus, suformuoto ultragarso priedų gamybos (UAM) laminavimo būdu iš kieto metalo lakšto su tiesiogiai integruotomis katalizinėmis dalimis ir jutimo elementais, pavyzdį.UAM technologija ne tik įveikia daugelį apribojimų, šiuo metu susijusių su priedų cheminių reaktorių gamyba, bet ir labai išplečia tokių įrenginių galimybes.Nemažai biologiškai svarbių 1,4-dipakeistų 1,2,3-triazolo junginių buvo sėkmingai susintetinti ir optimizuoti Cu-medijuojamoje 1,3-dipolinėje Huisgen cikloaddicijos reakcijoje, naudojant UAM chemijos įrenginį.Naudodamas unikalias UAM savybes ir nuolatinį srauto apdorojimą, įrenginys gali katalizuoti vykstančias reakcijas, taip pat teikti grįžtamąjį ryšį realiuoju laiku, kad būtų galima stebėti ir optimizuoti reakcijas.
Dėl didelių pranašumų, palyginti su masine chemija, srauto chemija yra svarbi ir auganti sritis tiek akademinėje, tiek pramoninėje aplinkoje, nes ji gali padidinti cheminės sintezės selektyvumą ir efektyvumą.Tai apima nuo paprastų organinių molekulių susidarymo1 iki farmacinių junginių2,3 ir natūralių produktų4,5,6.Daugiau nei 50 % smulkiosios chemijos ir farmacijos pramonės reakcijų gali būti naudingos dėl nuolatinio srauto7.
Pastaraisiais metais išaugo tendencija, kad grupės siekia pakeisti tradicinius stiklo dirbinius ar srauto chemijos įrangą pritaikomais cheminiais „reaktoriais“8.Šių metodų kartotinis dizainas, greita gamyba ir trimatės (3D) galimybės yra naudingos tiems, kurie nori pritaikyti savo įrenginius tam tikram reakcijų, įrenginių ar sąlygų rinkiniui.Iki šiol šiame darbe daugiausia dėmesio buvo skiriama polimerinių 3D spausdinimo metodų, tokių kaip stereolitografija (SL) 9, 10, 11, lydyto nusodinimo modeliavimo (FDM) 8, 12, 13, 14 ir rašalinio spausdinimo 7, 15, naudojimui., 16. Tokių prietaisų patikimumo ir gebėjimo atlikti įvairiausias chemines reakcijas/analizes trūkumas17, 18, 19, 20 yra pagrindinis ribojantis veiksnys platesniam AM taikymui šioje srityje17, 18, 19, 20.
Kadangi vis dažniau naudojama srauto chemija ir su AM siejamos palankios savybės, reikia ištirti geresnius metodus, kurie leistų vartotojams gaminti srauto reakcijos indus su patobulintomis cheminėmis ir analitinėmis galimybėmis.Šie metodai turėtų leisti naudotojams pasirinkti iš daugybės didelio stiprumo arba funkcinių medžiagų, galinčių veikti esant įvairioms reakcijos sąlygoms, taip pat palengvinti įvairias analitines išvesties formas iš prietaiso, kad būtų galima stebėti ir kontroliuoti reakciją.
Vienas priedų gamybos procesas, kuris gali būti naudojamas kuriant individualius cheminius reaktorius, yra ultragarso priedų gamyba (UAM).Šis kietojo kūno lakštų laminavimo metodas taiko ultragarso virpesius plonoms metalinėms folijoms, kad jas sluoksnis po sluoksnio sujungtų su minimaliu tūriniu kaitinimu ir dideliu plastiko srautu 21, 22, 23. Skirtingai nuo daugelio kitų AM technologijų, UAM galima tiesiogiai integruoti su atimamąja gamyba, žinoma kaip hibridinis gamybos procesas, kuriame periodiškai in situ medžiaga apdorojama 2 arba lazerinio skaitinio apdorojimo sluoksnio 2 frezavimo forma. reiškia, kad vartotojas neapsiriboja problemomis, susijusiomis su originalių statybinių medžiagų likučių pašalinimu iš mažų skysčio kanalų, kas dažnai būna miltelių ir skysčių sistemose AM26,27,28.Ši projektavimo laisvė taip pat apima turimų medžiagų pasirinkimą – UAM gali sujungti termiškai panašių ir nepanašių medžiagų derinius viename proceso etape.Medžiagų derinių pasirinkimas ne tik lydymosi procese reiškia, kad galima geriau patenkinti specifinių pritaikymų mechaninius ir cheminius reikalavimus.Be kietojo sukibimo, kitas ultragarsinio sujungimo reiškinys yra didelis plastikinių medžiagų sklandumas santykinai žemoje temperatūroje29,30,31,32,33.Ši unikali UAM savybė leidžia mechaninius/terminius elementus dėti tarp metalinių sluoksnių nepažeidžiant.Integruoti UAM jutikliai gali palengvinti informacijos realiuoju laiku pristatymą iš įrenginio vartotojui naudojant integruotą analizę.
Ankstesnis autorių darbas32 parodė, kad UAM procesas gali sukurti metalines 3D mikrofluidines struktūras su įterptomis jutimo galimybėmis.Šis prietaisas skirtas tik stebėjimo tikslais.Šiame straipsnyje pateikiamas pirmasis UAM gaminamo mikrofluidinio cheminio reaktoriaus pavyzdys – aktyvus įrenginys, kuris ne tik kontroliuoja, bet ir skatina cheminę sintezę su struktūriškai integruotomis katalizinėmis medžiagomis.Įrenginys apjungia keletą privalumų, susijusių su UAM technologija gaminant 3D cheminius prietaisus, pavyzdžiui: galimybę visą 3D dizainą konvertuoti tiesiai iš kompiuterinio projektavimo (CAD) modelio į gaminį;kelių medžiagų gamyba, skirta didelio šilumos laidumo ir katalizinių medžiagų deriniui, taip pat šilumos jutikliai, įmontuoti tiesiai tarp reaguojančių medžiagų srautų, kad būtų galima tiksliai kontroliuoti ir valdyti reakcijos temperatūrą.Siekiant parodyti reaktoriaus funkcionalumą, buvo susintetinta farmaciniu požiūriu svarbių 1,4-dipakeistų 1,2,3-triazolo junginių biblioteka naudojant vario katalizuojamą 1,3-dipolinį Huisgen cikloaddiciją.Šiame darbe pabrėžiama, kaip medžiagų mokslo ir kompiuterinio projektavimo naudojimas gali atverti naujas galimybes ir galimybes chemijai atliekant tarpdisciplininius tyrimus.
Visi tirpikliai ir reagentai buvo įsigyti iš Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI arba Fischer Scientific ir naudojami be išankstinio valymo.1H ir 13C BMR spektrai, įrašyti atitinkamai 400 ir 100 MHz, buvo gauti naudojant JEOL ECS-400 400 MHz spektrometrą arba Bruker Avance II 400 MHz spektrometrą su CDCl3 arba (CD3)2SO kaip tirpikliu.Visos reakcijos buvo atliktos naudojant Uniqsis FlowSyn srauto chemijos platformą.
UAM buvo naudojamas visiems šio tyrimo prietaisams gaminti.Technologija buvo išrasta 1999 m., o jos techninės detalės, veikimo parametrai ir raida nuo jos išradimo gali būti tiriami naudojant šias paskelbtas medžiagas34,35,36,37.Įrenginys (1 pav.) buvo sukurtas naudojant sunkią 9 kW galios SonicLayer 4000® UAM sistemą (Fabrisonic, Ohajas, JAV).Srauto įrenginiui pasirinktos medžiagos buvo Cu-110 ir Al 6061. Cu-110 turi daug vario (mažiausiai 99,9 % vario), todėl jis yra geras kandidatas vario katalizuojamoms reakcijoms, todėl naudojamas kaip „aktyvus sluoksnis mikroreaktoriaus viduje.Al 6061 O naudojamas kaip „birioji“ medžiaga., taip pat analizei naudojamas interkalacijos sluoksnis;pagalbinių lydinio komponentų ir atkaitintos būsenos sujungimas kartu su Cu-110 sluoksniu.nustatyta, kad su šiame darbe naudojamais reagentais yra chemiškai stabilus.Al 6061 O kartu su Cu-110 taip pat laikomas suderinamu UAM medžiagų deriniu, todėl yra tinkama medžiaga šiam tyrimui 38, 42.Šie įrenginiai išvardyti 1 lentelėje.
Reaktoriaus gamybos etapai (1) 6061 aliuminio lydinio substratas (2) Apatinio kanalo gamyba iš varinės folijos (3) Termoporų įdėjimas tarp sluoksnių (4) Viršutinis kanalas (5) Įėjimas ir išėjimas (6) Monolitinis reaktorius.
Skysčio kanalo projektavimo filosofija yra naudoti vingiuotą kelią, siekiant padidinti atstumą, kurį skystis nuvažiuoja lusto viduje, išlaikant valdomą lusto dydį.Šis atstumo padidėjimas yra pageidautinas siekiant padidinti katalizatoriaus ir reagento sąlyčio laiką ir užtikrinti puikią produkto išeigą.Skiedros naudoja 90° posūkius tiesaus kelio galuose, kad sukeltų turbulentinį maišymąsi įrenginyje44 ir padidintų skysčio sąlyčio su paviršiumi (katalizatoriumi) laiką.Siekiant dar labiau pagerinti maišymą, kurį galima pasiekti, reaktoriaus konstrukcijoje yra du reagento įvadai, sujungti Y jungtimi prieš patenkant į maišymo ritės sekciją.Trečiasis įėjimas, kertantis srautą įpusėjus savo rezidencijai, įtrauktas į būsimų daugiapakopių sintezės reakcijų planą.
Visi kanalai turi kvadratinį profilį (be kūginių kampų), kuris yra periodinio CNC frezavimo, naudojamo kanalo geometrijai sukurti, rezultatas.Kanalo matmenys parenkami taip, kad būtų užtikrinta didelė (mikroreaktoriui) tūrinė išeiga, tačiau pakankamai maža, kad palengvintų daugelio jame esančių skysčių sąveiką su paviršiumi (katalizatoriais).Tinkamas dydis yra pagrįstas ankstesne autorių patirtimi, susijusia su metalo ir skysčio reakcijos prietaisais.Vidiniai galutinio kanalo matmenys buvo 750 µm x 750 µm, o bendras reaktoriaus tūris buvo 1 ml.Į konstrukciją įtraukta įmontuota jungtis (1/4″-28 UNF sriegis), kad būtų galima lengvai sujungti įrenginį su komercine srauto chemijos įranga.Kanalo dydį riboja folijos medžiagos storis, mechaninės savybės ir ultragarsu naudojami sukibimo parametrai.Esant tam tikram tam tikros medžiagos pločiui, medžiaga „įsisuko“ į sukurtą kanalą.Šiuo metu nėra konkretaus šio skaičiavimo modelio, todėl maksimalus kanalo plotis tam tikrai medžiagai ir konstrukcijai yra nustatomas eksperimentiniu būdu. Tokiu atveju 750 µm plotis nesukels nuokrypio.
Kanalo forma (kvadratas) nustatoma naudojant kvadratinį pjaustytuvą.Kanalų forma ir dydis gali būti keičiami CNC staklėse naudojant skirtingus pjovimo įrankius, kad būtų galima gauti skirtingus srautus ir charakteristikas.Išlenkto kanalo kūrimo su 125 µm įrankiu pavyzdį galima rasti Monaghan45.Kai folijos sluoksnis yra padengtas plokščiu, folijos medžiaga ant kanalų bus plokščias (kvadratinis) paviršius.Šiame darbe, siekiant išsaugoti kanalo simetriją, buvo naudojamas kvadratinis kontūras.
Užprogramuotos gamybos pauzės metu termoporos temperatūros jutikliai (tipas K) įmontuojami tiesiai į įrenginį tarp viršutinės ir apatinės kanalų grupių (1 pav. – 3 etapas).Šios termoporos gali valdyti temperatūros pokyčius nuo -200 iki 1350 °C.
Metalo nusodinimo procesą atlieka UAM ragas, naudojant 25,4 mm pločio ir 150 mikronų storio metalinę foliją.Šie folijos sluoksniai yra sujungti į keletą gretimų juostelių, kad padengtų visą pastatymo plotą;nusodintos medžiagos dydis yra didesnis nei galutinio produkto, nes atėmimo procesas sukuria galutinę švarią formą.CNC apdirbimas naudojamas išoriniams ir vidiniams įrangos kontūrams apdirbti, todėl įrangos ir kanalų paviršiaus apdaila atitinka pasirinktą įrankį ir CNC proceso parametrus (šiame pavyzdyje apie 1,6 µm Ra).Nepertraukiami, nenutrūkstami ultragarsiniai medžiagų purškimo ir apdirbimo ciklai naudojami visame įrenginio gamybos procese, kad būtų išlaikytas matmenų tikslumas ir užbaigta dalis atitiktų CNC smulkaus frezavimo tikslumo lygį.Šiam įrenginiui naudojamo kanalo plotis yra pakankamai mažas, kad folijos medžiaga „nesuliptų“ skysčio kanale, todėl kanalas turi kvadratinį skerspjūvį.Galimus folijos medžiagos tarpus ir UAM proceso parametrus eksperimentiniu būdu nustatė gamybos partneris (Fabrisonic LLC, JAV).
Tyrimai parodė, kad UAM junginio sąsajose 46, 47 be papildomo terminio apdorojimo mažai sklinda elementai, todėl šiame darbe atliekamiems įrenginiams Cu-110 sluoksnis išlieka kitoks nei Al 6061 sluoksnio ir smarkiai pasikeičia.
Įstatykite iš anksto sukalibruotą priešslėgio reguliatorių (BPR) esant 250 psi (1724 kPa) už reaktoriaus ir pumpuokite vandenį per reaktorių 0,1–1 ml min-1 greičiu.Reaktoriaus slėgis buvo stebimas naudojant sistemoje įmontuotą FlowSyn slėgio keitiklį, siekiant užtikrinti, kad sistema galėtų palaikyti pastovų pastovų slėgį.Galimi temperatūros gradientai srauto reaktoriuje buvo išbandyti ieškant skirtumų tarp termoporų, įmontuotų į reaktorių, ir termoporų, įmontuotų į FlowSyn lusto šildymo plokštę.Tai pasiekiama keičiant užprogramuotą kaitvietės temperatūrą nuo 100 iki 150 °C 25 °C žingsniais ir stebint skirtumus tarp užprogramuotos ir įrašytos temperatūros.Tai buvo pasiekta naudojant tc-08 duomenų kaupiklį (PicoTech, Kembridžas, JK) ir pridedamą PicoLog programinę įrangą.
Optimizuojamos fenilacetileno ir jodetano cikloadidijos reakcijos sąlygos (1 schema – fenilacetileno ir jodoetano ciklinis įkrovimas, 1 schema – fenilacetileno ir jodoetano ciklinis įkrovimas).Šis optimizavimas buvo atliktas naudojant pilną faktorinį eksperimentų planą (DOE), naudojant temperatūrą ir buvimo laiką kaip kintamuosius, o alkino:azido santykį fiksuojant 1:2.
Buvo paruošti atskiri natrio azido (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), jodoetano (0,25 M, DMF) ir fenilacetileno (0,125 M, DMF) tirpalai.1,5 ml kiekvieno tirpalo alikvotinė dalis buvo sumaišyta ir pumpuojama per reaktorių norimu srautu ir temperatūra.Modelio atsakas buvo paimtas kaip triazolo produkto smailės ploto santykis su pradine fenilacetileno medžiaga ir buvo nustatytas naudojant didelio efektyvumo skysčių chromatografiją (HPLC).Siekiant analizės nuoseklumo, visos reakcijos buvo imamos iš karto po to, kai reakcijos mišinys paliko reaktorių.Optimizavimui pasirinkti parametrų diapazonai pateikti 2 lentelėje.
Visi mėginiai buvo analizuojami naudojant Chromaster HPLC sistemą (VWR, PA, JAV), kurią sudaro ketvirtinis siurblys, kolonėlės krosnis, kintamo bangos ilgio UV detektorius ir automatinis mėginių ėmiklis.Kolonėlė buvo Equivalence 5 C18 (VWR, PA, JAV), 4,6 x 100 mm, 5 µm dalelių dydis, palaikoma 40 °C temperatūroje.Tirpiklis buvo izokratinis metanolis:vanduo 50:50, esant 1,5 ml·min-1 srauto greičiui.Įpurškimo tūris buvo 5 μl, o detektoriaus bangos ilgis buvo 254 nm.DOE mėginio smailės plotas procentais buvo apskaičiuotas tik iš likusių alkino ir triazolo produktų smailių plotų.Pradinės medžiagos įvedimas leidžia nustatyti atitinkamas smailes.
Reaktoriaus analizės rezultatų sujungimas su MODDE DOE programine įranga (Umetrics, Malmė, Švedija) leido atlikti nuodugnią rezultatų tendencijų analizę ir nustatyti optimalias reakcijos sąlygas šiam ciklo prijungimui.Paleidus integruotą optimizavimo priemonę ir pasirinkus visus svarbius modelio terminus, sukuriamas reakcijos sąlygų rinkinys, skirtas maksimaliai padidinti gaminio smailės plotą ir sumažinti acetileno žaliavos smailės plotą.
Vario paviršiaus oksidacija katalizinėje reakcijos kameroje buvo pasiekta naudojant per reakcijos kamerą tekantį vandenilio peroksido tirpalą (36%) (tėkmės greitis = 0,4 ml min-1, buvimo laikas = 2,5 min.) prieš kiekvieno triazolo junginio sintezę.biblioteka.
Nustačius optimalų sąlygų rinkinį, jos buvo pritaikytos įvairiems acetileno ir halogenalkano dariniams, kad būtų galima sudaryti nedidelę sintezės biblioteką, taip sudarant galimybę šias sąlygas pritaikyti platesniam potencialių reagentų spektrui (1 pav.).2).
Paruoškite atskirus natrio azido (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), halogenalkanų (0,25 M, DMF) ir alkinų (0,125 M, DMF) tirpalus.Kiekvieno tirpalo 3 ml alikvotinės dalys buvo sumaišytos ir pumpuojamos per reaktorių 75 µl/min greičiu ir 150 °C temperatūroje.Visas tūris surenkamas į buteliuką ir praskiedžiamas 10 ml etilo acetato.Mėginio tirpalas plaunamas 3 x 10 ml vandens.Vandeniniai sluoksniai sujungiami ir ekstrahuojami 10 ml etilo acetato, po to organiniai sluoksniai sujungiami, plaunami 3 x 10 ml sūrymu, džiovinami MgSO4 ir filtruojami, tada tirpiklis pašalintas vakuume.Mėginiai buvo išgryninti chromatografija silikagelio kolonėlėje, naudojant etilo acetatą, prieš analizuojant HPLC, 1H BMR, 13C BMR ir didelės skiriamosios gebos masių spektrometrijos (HR-MS) derinį.
Visi spektrai buvo gauti naudojant Thermofischer Precision Orbitrap masės spektrometrą su ESI kaip jonizacijos šaltiniu.Visi mėginiai buvo paruošti naudojant acetonitrilą kaip tirpiklį.
TLC analizė buvo atlikta silicio dioksido plokštelėse su aliuminio pagrindu.Plokštelės buvo vizualizuotos UV šviesa (254 nm) arba dažant vanilinu ir kaitinant.
Visi mėginiai buvo analizuojami naudojant VWR Chromaster sistemą (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, JK), turinčią automatinį mėginių ėmimo įrenginį, dvejetainį siurblį su kolonėlės krosnele ir vieno bangos ilgio detektorių.Naudota ACE Equivalence 5 C18 kolonėlė (150 x 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdynas, Škotija).
Injekcijos (5 µl) buvo atliekamos tiesiai iš atskiesto neapdoroto reakcijos mišinio (1:10 praskiedimas) ir analizuojami vandeniu:metanoliu (50:50 arba 70:30), išskyrus kai kuriuos mėginius, naudojant 70:30 tirpiklių sistemą (žymima žvaigždute), esant 1,5 ml/min srauto greičiui.Kolonėlė buvo laikoma 40 °C temperatūroje.Detektoriaus bangos ilgis yra 254 nm.
Mėginio smailės ploto procentas buvo apskaičiuotas iš likusio alkino, tik triazolo produkto, smailės ploto, o pradinės medžiagos įvedimas leido nustatyti atitinkamas smailes.
Visi mėginiai buvo analizuojami naudojant Thermo iCAP 6000 ICP-OES.Visi kalibravimo etalonai buvo paruošti naudojant 1000 ppm Cu etaloninį tirpalą 2% azoto rūgštyje (SPEX Certi Prep).Visi etalonai buvo paruošti 5% DMF ir 2% HNO3 tirpale, o visi mėginiai buvo 20 kartų atskiesti DMF-HNO3 mėginio tirpalu.
UAM naudoja ultragarsinį metalo suvirinimą kaip metalinės folijos, naudojamos galutiniam surinkimui, sujungimo būdą.Ultragarsinio metalo suvirinimo metu naudojamas vibruojantis metalinis įrankis (vadinamas ragu arba ultragarsiniu ragu), kad būtų taikomas slėgis folijai / anksčiau sutvirtintam sluoksniui, kuris turi būti surištas / anksčiau sutvirtintas vibruojant medžiagą.Kad veiktų nuolat, sonotrodas yra cilindro formos ir rieda per medžiagos paviršių, klijuodamas visą plotą.Taikant slėgį ir vibraciją, medžiagos paviršiuje esantys oksidai gali įtrūkti.Nuolatinis slėgis ir vibracija gali sugadinti medžiagos šiurkštumą 36 .Dėl glaudaus kontakto su vietine šiluma ir slėgiu medžiagos sąsajose susidaro kietosios fazės ryšys;ji taip pat gali skatinti sanglaudą keisdama paviršiaus energiją48.Surišimo mechanizmo pobūdis įveikia daugelį problemų, susijusių su kintama lydymosi temperatūra ir aukštos temperatūros poveikiu, minimu kitose priedų gamybos technologijose.Tai leidžia tiesiogiai (ty be paviršiaus modifikacijų, užpildų ar klijų) sujungti kelis skirtingų medžiagų sluoksnius į vieną konsoliduotą struktūrą.
Antras palankus CAM veiksnys yra didelis plastiko srauto laipsnis, stebimas metalinėse medžiagose net esant žemai temperatūrai, ty gerokai žemiau metalinių medžiagų lydymosi temperatūros.Ultragarsinių virpesių ir slėgio derinys sukelia aukštą vietinės grūdų ribos migraciją ir perkristalizaciją be reikšmingo temperatūros padidėjimo, tradiciškai siejamo su biriomis medžiagomis.Kuriant galutinį mazgą, šis reiškinys gali būti naudojamas aktyviems ir pasyviems komponentams įterpti tarp metalinės folijos sluoksnių sluoksnis po sluoksnio.Tokie elementai kaip optinis pluoštas 49, armatūra 46, elektronika 50 ir termoporos (šis darbas) buvo sėkmingai integruoti į UAM struktūras, kad būtų sukurti aktyvūs ir pasyvūs kompozitiniai mazgai.
Šiame darbe buvo naudojamos skirtingos medžiagų surišimo galimybės ir UAM interkalacijos galimybės, kad būtų sukurtas idealus mikroreaktorius katalizinei temperatūros kontrolei.
Lyginant su paladžiu (Pd) ir kitais dažniausiai naudojamais metalo katalizatoriais, Cu katalizė turi keletą privalumų: (i) Ekonominiu požiūriu Cu yra pigesnis nei daugelis kitų katalizei naudojamų metalų, todėl yra patrauklus pasirinkimas chemijos pramonei (ii) Cu katalizuojamų kryžminio sujungimo reakcijų spektras plečiasi ir atrodo, kad jis šiek tiek papildo Cu katalizuojamą metodą (3-5) ed reakcijos gerai veikia, kai nėra kitų ligandų.Šie ligandai dažnai yra struktūriškai paprasti ir nebrangūs.jei pageidaujama, tuo tarpu tie, kurie naudojami Pd chemijoje, dažnai yra sudėtingi, brangūs ir jautrūs orui (iv) Cu, ypač žinomas dėl savo gebėjimo sujungti alkinus sintezės metu, pvz., Sonogashira bimetalinis katalizuojamas jungimas ir cikloadicija su azidais (paspaudimo chemija) (v) Cu taip pat gali skatinti kai kurių nukleino-fitipų arilinimą.
Neseniai buvo parodyti visų šių reakcijų heterogenizacijos pavyzdžiai dalyvaujant Cu (0).Taip yra daugiausia dėl farmacijos pramonės ir didėjančio dėmesio metalinių katalizatorių regeneravimui ir pakartotiniam naudojimui55,56.
1,3-dipolio cikloaddicijos reakcija tarp acetileno ir azido iki 1,2,3-triazolo, pirmą kartą pasiūlyta Huisgeno septintajame dešimtmetyje57, laikoma sinergetine demonstravimo reakcija.Gauti 1,2,3 triazolo fragmentai yra ypač svarbūs kaip farmakoforas ieškant vaistų dėl jų biologinio pritaikymo ir naudojimo įvairiuose terapiniuose agentuose58.
Ši reakcija sulaukė naujo dėmesio, kai Sharpless ir kiti pristatė „paspaudimų chemijos“ sąvoką59.Terminas „paspaudimų chemija“ naudojamas apibūdinti tvirtą ir selektyvų reakcijų rinkinį, skirtą greitai naujų junginių ir kombinatorinių bibliotekų sintezei naudojant heteroatominį ryšį (CXC)60.Šių reakcijų sintetinį patrauklumą lemia didelis su jomis susijęs derlius.sąlygos paprastos, atsparumas deguoniui ir vandeniui, produktų atskyrimas paprastas61.
Klasikinis 1,3-dipolio Huisgen cikloaddicija nepatenka į „paspaudimų chemijos“ kategoriją.Tačiau „Medal“ ir „Sharpless“ parodė, kad šis azido-alkino sujungimo įvykis, esant Cu (I), vyksta 107–108, palyginti su dideliu nekatalizinio 1, 3-dipolio ciklo prijungimo greičiu 62, 63.Šis pažangus reakcijos mechanizmas nereikalauja apsauginių grupių ar atšiaurių reakcijos sąlygų ir užtikrina beveik visišką konversiją ir selektyvumą į 1,4-dipakeistus 1,2,3-triazolus (anti-1,2,3-triazolus) laikui bėgant (3 pav.).
Įprastų ir variu katalizuojamų Huisgen ciklo priedų izometriniai rezultatai.Cu (I) katalizuojami Huisgen ciklo priedai duoda tik 1,4-dipakeistus 1,2,3-triazolus, o termiškai indukuoti Huisgen ciklo priedai paprastai suteikia 1,4- ir 1,5-triazolams azolo stereoizomerų mišinį santykiu 1:1.
Dauguma protokolų apima stabilių Cu(II) šaltinių redukavimą, pvz., CuSO4 arba Cu(II)/Cu(0) junginio redukavimą kartu su natrio druskomis.Palyginti su kitomis metalo katalizuojamomis reakcijomis, Cu(I) naudojimas turi pagrindinius privalumus, nes yra nebrangus ir lengvai valdomas.
Kinetiniai ir izotopiniai tyrimai, atlikti Worrell ir kt.65 parodė, kad galinių alkinų atveju, suaktyvinant kiekvienos molekulės reaktyvumą azido atžvilgiu, dalyvauja du vario ekvivalentai.Siūlomas mechanizmas vyksta per šešių narių vario metalo žiedą, susidarantį koordinuojant azidą su σ sujungtu vario acetilidu su π-surištu variu kaip stabiliu donoro ligandu.Vario triazolilo dariniai susidaro dėl žiedo susitraukimo, po kurio vyksta protonų skilimas, kad susidarytų triazolo produktai ir uždaromas katalizinis ciklas.
Nors srauto chemijos prietaisų pranašumai yra gerai dokumentuoti, buvo noras į šias sistemas integruoti analitinius įrankius, kad būtų galima stebėti procesus realiuoju laiku in situ66, 67.UAM pasirodė esąs tinkamas metodas projektuojant ir gaminant labai sudėtingus 3D srauto reaktorius iš kataliziškai aktyvių, šilumai laidžių medžiagų su tiesiogiai įterptais jutimo elementais (4 pav.).
Aliuminio-vario srauto reaktorius, pagamintas ultragarso priedų gamybos būdu (UAM) su sudėtinga vidinio kanalo struktūra, įmontuotomis termoporomis ir katalizine reakcijos kamera.Norint vizualizuoti vidinius skysčio kelius, taip pat parodytas skaidrus prototipas, pagamintas naudojant stereolitografiją.
Siekiant užtikrinti, kad reaktoriai būtų sukurti būsimoms organinėms reakcijoms, tirpikliai turi būti saugiai kaitinami virš jų virimo temperatūros;jie yra išbandyti slėgio ir temperatūros.Slėgio bandymas parodė, kad sistema palaiko stabilų ir pastovų slėgį net esant padidintam slėgiui sistemoje (1,7 MPa).Hidrostatiniai bandymai buvo atlikti kambario temperatūroje, naudojant H2O kaip skystį.
Prijungus įmontuotą (1 pav.) termoporą prie temperatūros duomenų kaupiklio, paaiškėjo, kad termoporos temperatūra buvo 6 °C (± 1 °C) žemesnė už užprogramuotą FlowSyn sistemoje temperatūrą.Paprastai 10°C temperatūros padidėjimas dvigubai padidina reakcijos greitį, todėl vos kelių laipsnių temperatūros skirtumas gali reikšmingai pakeisti reakcijos greitį.Šis skirtumas atsiranda dėl temperatūros nuostolių visame RPV dėl didelio gamybos procese naudojamų medžiagų šiluminės difuzijos.Šis terminis poslinkis yra pastovus, todėl į jį galima atsižvelgti nustatant įrangą, siekiant užtikrinti, kad reakcijos metu būtų pasiekta ir išmatuota tiksli temperatūra.Taigi šis internetinis stebėjimo įrankis palengvina griežtą reakcijos temperatūros kontrolę ir padeda tiksliau optimizuoti procesą bei sukurti optimalias sąlygas.Šie jutikliai taip pat gali būti naudojami egzoterminėms reakcijoms aptikti ir užkirsti kelią greitoms reakcijoms didelės apimties sistemose.
Šiame darbe pateiktas reaktorius yra pirmasis UAM technologijos taikymo cheminių reaktorių gamyboje pavyzdys ir sprendžia kelis pagrindinius apribojimus, šiuo metu susijusius su šių prietaisų AM/3D spausdinimu, pavyzdžiui: (i) pastebėtų problemų, susijusių su vario arba aliuminio lydinio apdorojimu, įveikimas (ii) patobulinta vidinio kanalo skiriamoji geba, palyginti su medžiagų lydymosi milteliniu sluoksniu (PBF) ir medžiagų srauto lydymosi (PBF) metodais, pvz. 6 (iii) žemesnė apdorojimo temperatūra, kuri palengvina tiesioginį jutiklių prijungimą, o tai neįmanoma miltelių sluoksnio technologijoje, (v) prasta polimerinių komponentų mechaninių savybių ir jautrumo įveikimas įvairiems įprastiems organiniams tirpikliams17,19.
Reaktoriaus funkcionalumas buvo įrodytas vario katalizuojamų alkinazido cikloaddicijos reakcijų serija nuolatinio srauto sąlygomis (2 pav.).Ultragarsu atspausdintas varinis reaktorius, parodytas fig.4 buvo integruota su komercine srauto sistema ir naudojama įvairių 1,4-dipakeistų 1,2,3-triazolų azidų bibliotekai sintetinti naudojant kontroliuojamą acetileno ir alkilo grupės halogenidų reakciją dalyvaujant natrio chloridui (3 pav.).Nepertraukiamo srauto metodo naudojimas sumažina saugos problemas, kurios gali kilti periodiniuose procesuose, nes šios reakcijos metu susidaro labai reaktyvūs ir pavojingi tarpiniai azidiniai produktai [317], [318].Iš pradžių reakcija buvo optimizuota fenilacetileno ir jodoetano ciklo prijungimui (1 schema – fenilacetileno ir jodoetano ciklodicija) (žr. 5 pav.).
(Viršutinis kairysis) Sąrankos schema, naudojama 3DP reaktoriui įtraukti į srauto sistemą (viršuje dešinėje), gauta pagal optimizuotą (apatinę) Huisgen 57 cikloaddikcijos schemą tarp fenilacetileno ir jodetano, kad būtų galima optimizuoti ir parodyti optimizuotus reakcijos konversijos greičio parametrus.
Kontroliuojant reagentų buvimo laiką reaktoriaus katalizinėje sekcijoje ir atidžiai stebint reakcijos temperatūrą tiesiogiai integruotu termoporos jutikliu, reakcijos sąlygas galima greitai ir tiksliai optimizuoti su minimaliu laiko ir medžiagų kiekiu.Greitai buvo nustatyta, kad didžiausia konversija buvo pasiekta naudojant 15 minučių buvimo laiką ir 150 ° C reakcijos temperatūrą.Iš MODDE programinės įrangos koeficientų diagramos matyti, kad tiek buvimo laikas, tiek reakcijos temperatūra yra svarbios modelio sąlygos.Paleidus integruotą optimizavimo priemonę šiomis pasirinktomis sąlygomis, sukuriamas reakcijos sąlygų rinkinys, skirtas maksimaliai padidinti produkto smailių plotus, tuo pačiu sumažinant pradinės medžiagos smailių plotus.Šis optimizavimas davė 53% triazolo produkto konversiją, kuri tiksliai atitiko modelio prognozę 54%.