Dėkojame, kad apsilankėte Nature.com. Naudojama naršyklės versija palaiko ribotą CSS. Kad gautumėte geriausią patirtį, rekomenduojame naudoti atnaujintą naršyklę (arba išjungti suderinamumo režimą „Internet Explorer“). Tuo tarpu, norėdami užtikrinti nuolatinį palaikymą, svetainę rodysime be stilių ir „JavaScript“.
Priedų gamyba keičia būdus, kaip mokslininkai ir pramonininkai projektuoja ir gamina cheminius prietaisus, kad atitiktų jų specifinius poreikius. Šiame darbe pateikiame pirmąjį srauto reaktoriaus, sudaryto naudojant kietojo metalo lakštų laminavimo techniką Ultragarso priedų gamybos (UAM) su tiesiogiai integruotomis katalizinėmis dalimis ir jutimo elementais, pavyzdį. UAM technologija ne tik žymiai įveikia daugybę apribojimų, susijusių su tokių įrenginių gamybos pajėgumais, bet ir papildomu pajėgumu. .Biologiškai svarbių 1,4-dipakeistų 1,2,3-triazolo junginių serija buvo sėkmingai susintetinta ir optimizuota Cu-medijuojamoje Huisgen 1,3-dipolinėje cikloaddicijos reakcijoje, naudojant UAM chemijos sąranką. Išnaudodamas unikalias UAM savybes ir nuolatinį srauto apdorojimą, įrenginys gali stebėti ir katalizuoti tikrąjį reakcijos laiką.
Dėl savo reikšmingų 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 naudojant nepertraukiamo srauto apdorojimą7.
Pastaraisiais metais išaugo tendencija, kad grupės nori pakeisti tradicinius stiklinius indus ar srauto chemijos įrangą pritaikomais priedų gamybos (AM) chemijos „reakcijos indais“8. Šių metodų kartotinis dizainas, greita gamyba ir trimatės (3D) galimybės yra naudingos tiems, kurie nori pritaikyti savo įrenginius prie konkrečių polimerų naudojimo, reakcijų ar darbo sąlygų3. D spausdinimo technikos, tokios kaip stereolitografija (SL)9, 10, 11, lydyto nusodinimo modeliavimas (FDM)8, 12, 13, 14 ir rašalinis spausdinimas 7, 15, 16. Tokių prietaisų tvirtumo ir gebėjimo atlikti įvairias chemines reakcijas / analizes stoka17, 18, 19 yra pagrindinė šios srities 20, 19 įgyvendinimo riba. 19, 20 .
Dėl didėjančio srauto chemijos naudojimo ir palankių savybių, susijusių su AM, reikia ištirti pažangesnius metodus, kurie leistų naudotojams gaminti srauto reakcijos indus su patobulintomis cheminėmis ir analitinėmis galimybėmis. Taikant šiuos metodus naudotojai turėtų galimybę pasirinkti iš daugybės labai tvirtų arba funkcinių medžiagų, galinčių susidoroti su įvairiomis reakcijos sąlygomis, o taip pat palengvinti įvairių reakcijų valdymo ir valdymo formų įrenginius.
Vienas iš priedų gamybos procesų, galinčių sukurti individualius cheminius reaktorius, yra ultragarso priedų gamyba (UAM). Šis kietojo kūno lakštų laminavimo metodas taiko ultragarsinius svyravimus plonoms metalinėms folijoms, kad jas sluoksnis po sluoksnio sujungtų su minimaliu tūriniu kaitinimu ir dideliu plastiko srautu. kuris vietoje periodinio kompiuterinio skaitmeninio valdymo (CNC) frezavimo ar apdirbimo lazeriu apibrėžia grynąją surištos medžiagos sluoksnio formą 24, 25. Tai reiškia, kad naudotojo neapriboja problemos, susijusios su likusios žaliavos pašalinimu iš mažų skysčių kanalų, o tai dažnai nutinka naudojant miltelių ir skystų AM sistemų kombinacijas26, 27, 28. per vieną proceso etapą.Medžiagų derinių pasirinkimas, išskyrus lydymosi procesą, reiškia, kad galima geriau patenkinti specifinių pritaikymų mechaninius ir cheminius poreikius. Be kietojo kūno sujungimo, kitas reiškinys, su kuriuo susiduriama ultragarsinio sujungimo metu, yra didelis plastikinių medžiagų srautas esant santykinai žemai temperatūrai29, 30, 31, 32, 33. Ši unikali UAM savybė gali palengvinti elementų įterpimą tarp mechaninio / terminio jutiklio sluoksnio. prietaisą vartotojui per integruotą analizę.
Ankstesni autorių darbai32 parodė UAM proceso gebėjimą sukurti metalines 3D mikroskysčių struktūras su integruotomis jutimo galimybėmis. Tai tik stebėjimo įrenginys. Šiame straipsnyje pateikiamas pirmasis mikroskysčių cheminio reaktoriaus, pagaminto UAM, pavyzdys;aktyvus įrenginys, kuris ne tik stebi, bet ir skatina cheminę sintezę per struktūriškai integruotas katalizatoriaus medžiagas.Įrenginys apjungia keletą privalumų, susijusių su UAM technologija 3D cheminių prietaisų gamyboje, pavyzdžiui: galimybė konvertuoti visą 3D dizainą tiesiai iš kompiuterinio projektavimo (CAD) modelių į gaminius;kelių medžiagų gamyba, siekiant sujungti aukšto šilumos laidumo ir katalizines medžiagas;ir šiluminių jutiklių įterpimas tiesiai tarp reagentų srautų, kad būtų galima tiksliai stebėti ir kontroliuoti reakcijos temperatūrą. Siekiant parodyti reaktoriaus funkcionalumą, vario katalizuojamu Huisgen 1,3-dipoliniu cikloaddicija buvo susintetinta farmaciniu požiūriu svarbių 1,4-dipakeistų 1,2,3-triazolo junginių biblioteka. daugiadisciplininiai tyrimai.
Visi tirpikliai ir reagentai buvo įsigyti iš Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI arba Fischer Scientific ir buvo naudojami be išankstinio gryninimo. 1H ir 13C BMR spektrai, užregistruoti atitinkamai 400 MHz ir 100 MHz dažniais, buvo gauti naudojant JEOL ECS-400 400 MHz spektrometrą2 (CD3C3) arba Bruker0 ACDV3 spektrometrą. kaip tirpiklis.Visos reakcijos buvo atliktos naudojant Uniqsis FlowSyn srauto chemijos platformą.
Šiame tyrime gaminant visus prietaisus buvo naudojamas UAM.Technologija buvo išrasta 1999 m., o jos technines detales, veikimo parametrus ir raidą nuo jos išradimo galima ištirti naudojant šias publikuotas medžiagas34,35,36,37.Įrenginys (1 pav.) buvo sukurtas naudojant itin didelės galios, 9kW SonicLayer 4000® Cu, UAM gamybos medžiagas. 10 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 mikroreaktoriuje.Al 6061 O naudojamas kaip „birioji“ medžiaga, taip pat analizei naudojamas įterpiamasis sluoksnis;Lydinio pagalbinio komponento įterpimas ir atkaitinimo būklė kartu su Cu-110 sluoksniu.Al 6061 O yra medžiaga, kuri buvo gerai suderinama su UAM procesais38, 39, 40, 41 ir buvo išbandyta bei nustatyta, kad ji yra chemiškai stabili su šiame darbe naudojamais reagentais.Al 6061 O ir Cu-110 derinys taip pat laikomas suderinamu UAM medžiagų deriniu, todėl yra tinkama medžiaga šiam tyrimui.38,42 Šie įrenginiai išvardyti 1 lentelėje.
Reaktoriaus gamybos etapai (1) Al 6061 substratas (2) Apatinio kanalo, sumontuoto ant varinės folijos, gamyba (3) Termoporų įterpimas tarp sluoksnių (4) Viršutinis kanalas (5) Įėjimas ir išėjimas (6) Monolitinis reaktorius.
Skysčio kelio projektavimo filosofija yra naudoti vingiuotą kelią, kad būtų padidintas atstumas, kurį skystis nukeliauja mikroschemoje, išlaikant valdomo dydžio lustą. Šis atstumo padidėjimas yra pageidautinas, kad padidėtų katalizatoriaus ir reagento sąveikos laikas ir būtų užtikrintas puikus produkto išeiga. Tiesaus kelio galuose lustai naudoja 90° posūkius, kad padidėtų skysčio sąlyčio sumaišymo laikas44. Padidinti galimą maišymą, reaktoriaus konstrukcijoje yra dvi reagento įvadai, sujungti Y sankryžoje prieš įeinant į serpentino maišymo sekciją.Trečiasis įvadas, kuris kerta srovę pusiaukelėje jo rezidavimo metu, įtrauktas į būsimos daugiapakopės reakcijos sintezės projektą.
Visi kanalai turi kvadratinį profilį (nėra grimzlės kampų), tai yra periodinio CNC frezavimo, naudojamo kanalo geometrijai sukurti, rezultatas. Kanalo matmenys parenkami taip, kad būtų užtikrintas didelis (mikroreaktoriui) tūrinis išėjimas, o būtų pakankamai maži, kad palengvintų daugumos esančių skysčių paviršiaus sąveiką (katalizatorius). Tinkamas dydis yra pagrįstas ankstesne autorių patirtimi, susijusia su metalo-5 µm galutinio kanalo vidiniais matmenimis. 50 µm, o bendras reaktoriaus tūris buvo 1 ml. Į konstrukciją įtraukta integruota jungtis (1/4″–28 UNF sriegis), kad būtų galima paprastai sujungti įrenginį su komercine srauto chemijos įranga.Kanalo dydį riboja folijos medžiagos storis, mechaninės savybės ir ultragarsu naudojami surišimo 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 nustatomas eksperimentiniu būdu;šiuo atveju 750 μm plotis nesukels nuosmukio.
Kanalo forma (kvadratinė) nustatoma naudojant kvadratinį pjaustytuvą. Kanalų formą ir dydį galima keisti CNC staklėmis, naudojant skirtingus pjovimo įrankius, kad būtų gauti skirtingi srautai ir charakteristikos. Išlenktos formos kanalo sukūrimo naudojant 125 μm įrankį pavyzdį galima rasti Monaghan45 darbe. Kai folijos sluoksnis dedamas ant plokščių plokščių kanalų, paviršius bus padengtas. darbą, siekiant išlaikyti kanalo simetriją, buvo naudojamas kvadratinis kontūras.
Per iš anksto užprogramuotą gamybos pauzę termoporos temperatūros zondai (K tipas) yra įtaisyti tiesiai į įrenginį tarp viršutinių ir apatinių kanalų grupių (1 pav. – 3 etapas). Šios termoporos gali stebėti temperatūros pokyčius nuo –200 iki 1350 °C.
Metalo nusodinimo procesą atlieka UAM ragas, naudojant 25,4 mm pločio, 150 mikronų storio metalinę foliją. Šie folijos sluoksniai sujungiami į eilę gretimų juostelių, kad padengtų visą pastatymo plotą;nusodinamos medžiagos dydis yra didesnis nei galutinio produkto, nes atimties procesas sukuria galutinę grynąją formą. CNC apdirbimas naudojamas išoriniams ir vidiniams įrangos kontūrams apdirbti, todėl įrangos ir kanalų paviršiaus apdaila atitinka pasirinkto įrankio ir CNC proceso parametrus (šiame pavyzdyje apytiksliai 1,6 μm Ra). Visame gamybos procese užtikrinamas nepertraukiamas, nepertraukiamas medžiagos nuėmimo ciklas ir ultratoninis įtaisas. yra prižiūrimas, o baigta detalė atitiks CNC apdailos frezavimo tikslumo lygius.Šiam įrenginiui naudojamas kanalo plotis yra pakankamai mažas, kad folijos medžiaga "neįkristų" į skysčio kanalą, todėl kanalas išlaiko kvadratinį skerspjūvį.Galimus folijos medžiagos spragas ir UAM proceso parametrus eksperimentiniu būdu nustatė gamybos partneris (Fabrisonic LLC, JAV).
Tyrimai parodė, kad UAM surišimo sąsajoje 46, 47 be papildomo terminio apdorojimo vyksta maža elementų difuzija, todėl šiame darbe atliekamiems įrenginiams Cu-110 sluoksnis išlieka skirtingas nuo Al 6061 sluoksnio ir staigiai keičiasi.
Prie reaktoriaus išleidimo angos sumontuokite iš anksto sukalibruotą 250 psi (1724 kPa) priešslėgio reguliatorių (BPR) ir perpumpuokite vandenį per reaktorių 0,1–1 ml min-1 greičiu. Reaktoriaus slėgis buvo stebimas naudojant įtaisytąjį sistemos slėgio jutiklį FlowSyn, siekiant patikrinti, ar sistema gali išlaikyti pastovią temperatūrą, kuri yra pastovi ir pastovi. tarp termoporų, įmontuotų reaktoriuje, ir tų, kurios yra įtaisytos į FlowSyn lusto šildymo plokštę.Tai pasiekiama keičiant programuojamą kaitvietės temperatūrą nuo 100 iki 150 °C 25 °C žingsniais ir pažymint bet kokius skirtumus tarp užprogramuotų ir įrašytų temperatūrų. Tai buvo pasiekta naudojant programinę įrangą tc-08.
Optimizuotos fenilacetileno ir jodoetano cikloadidijos reakcijos sąlygos (1 schema – fenilacetileno ir jodoetano ciklo įkrovimas, 1 schema – fenilacetileno ir jodoetano ciklo įkrovimas). Šis optimizavimas buvo atliktas taikant pilną faktorių eksperimentų projektavimą (DOE), naudojant kintamą temperatūros ir fiksavimo laiko santykį, kintamo parametro buvimo laiką, metodą. 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. Kiekvieno tirpalo 1,5 ml alikvotinė dalis buvo sumaišyta ir pumpuojama per reaktorių norimu modelio srauto ir triaceteno produkto reakcijos santykiu, o pradinė medžiaga buvo triacetenas. nustatomi didelio efektyvumo skysčių chromatografijos (HPLC) metodu.Kad analizė būtų nuosekli, visų reakcijų mėginiai buvo imami iškart 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 krosnelė, kintamo bangos ilgio UV detektorius ir automatinis mėginių ėmiklis. Kolonėlė buvo Equivalence 5 C18 (VWR, PA, JAV), 4,6 × 100 mm dydžio, 5 µm dalelių dydis 4,0 5 °C. ol:vanduo 1,5 ml.min-1 srauto greičiu. Įpurškimo tūris buvo 5 µL, o detektoriaus bangos ilgis – 254 nm. DOE mėginio smailės plotas % buvo apskaičiuotas tik iš likusių alkino ir triazolo produktų smailių plotų. Pradinės medžiagos įpurškimas leidžia nustatyti atitinkamas smailes.
Sujungus reaktoriaus analizės išvestį su MODDE DOE programine įranga (Umetrics, Malmė, Švedija), buvo galima nuodugniai išanalizuoti rezultatų tendencijas ir nustatyti optimalias reakcijos sąlygas šiam papildymui. Paleidus integruotą optimizatorių ir pasirinkus visus svarbius modelio terminus, gaunamas reakcijos sąlygų rinkinys, skirtas maksimaliai padidinti produkto smailės plotą ir sumažinti acetileno pradinės medžiagos smailės plotą.
Paviršiaus vario oksidacija katalizinės reakcijos kameroje buvo pasiekta naudojant vandenilio peroksido (36%) tirpalą, tekantį per reakcijos kamerą (tėkmės greitis = 0, 4 ml min-1, buvimo laikas = 2, 5 min.) prieš kiekvienos triazolo junginių bibliotekos sintezę.
Nustačius optimalų sąlygų rinkinį, jos buvo pritaikytos įvairiems acetileno ir halogenalkano dariniams, kad būtų galima sudaryti nedidelės bibliotekos sintezę, taip nustatant galimybę taikyti šias sąlygas platesniam potencialių reagentų spektrui (1 pav.).
Paruoškite atskirus natrio azido (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), halogenalkanų (0,25 M, DMF) ir alkinų (0,125 M, DMF) tirpalus. 3 ml kiekvieno tirpalo alikvotinės dalys buvo sumaišytos ir pumpuojamos per reaktorių esant 75 µL.min-1 ir surenkama 150 ml tūrio ir skiedžiama 150 ml. acetatas. Mėginio tirpalas plaunamas 3 x 10 ml vandens. Vandeniniai sluoksniai buvo sujungti ir ekstrahuoti 10 ml etilo acetato;organiniai sluoksniai buvo sujungti, plauti 3 x 10 ml sūrymu, išdžiovinti virš MgSO4 ir filtruoti, tada tirpiklis pašalintas vakuume. Mėginiai buvo išvalyti chromatografijos kolonėlėje ant silikagelio, naudojant etilo acetatą, prieš analizuojant HPLC,1H BMR,13C BMR ir didelės skiriamosios gebos masių spektrometrija.
Visi spektrai buvo gauti naudojant Thermofischer precision Orbitrap raiškos masės spektrometrą su ESI kaip jonizacijos šaltiniu. Visi mėginiai buvo paruošti naudojant acetonitrilą kaip tirpiklį.
TLC analizė buvo atlikta ant aliuminio pagrindo silicio dioksido plokštelių. Plokštelės buvo vizualizuotos UV šviesa (254 nm) arba dažant vanilinu ir kaitinant.
Visi mėginiai buvo analizuojami naudojant VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, JK) sistemą su automatiniu mėginių ėmikliu, kolonėlės krosnies dvejetainiu siurbliu ir vieno bangos ilgio detektoriumi. Naudota kolonėlė buvo ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies, Scotland Technologies Ltd.).
Injekcijos (5 µL) buvo atliekamos tiesiai iš praskiesto neapdoroto reakcijos mišinio (1:10 praskiedimo) ir analizuojamos naudojant vandenį:metanolį (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 4 °C.
Mėginio smailės ploto procentas buvo apskaičiuotas iš likusio alkino, tik triazolo produkto, smailės ploto, o pradinės medžiagos įpurškimas 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 tirpalu, o visi mėginiai buvo atskiesti mėginio tirpalu DMF-H3 kartų 20-H.
UAM naudoja ultragarsinį metalo suvirinimą kaip metalinės folijos medžiagos, naudojamos galutiniam surinkimui, klijavimo techniką. Ultragarsinio metalo suvirinimo metu naudojamas vibruojantis metalinis įrankis (vadinamas ragu arba ultragarsiniu ragu), kad būtų taikomas slėgis folijos sluoksniui/anksčiau sujungtam sluoksniui, kuris turi būti suklijuojamas vibruojant medžiagą. Norint nepertraukiamai veikti, sonotrodas yra virš ritininio paviršiaus ir medžiagos. veikia vibracija, medžiagos paviršiuje esantys oksidai gali įtrūkti. Nuolatinis slėgis ir vibracija gali sukelti medžiagos nešvarumus 36. Intymus kontaktas su vietine šiluma ir slėgiu sukelia kietojo kūno sukibimą medžiagos sąsajose;jis taip pat gali padėti sukibti keičiantis paviršiaus energijai48.Surišimo mechanizmo pobūdis įveikia daugelį problemų, susijusių su kintančia lydymosi temperatūra ir aukštos temperatūros pasekmėmis, minimais kituose priedų gamybos metoduose. Tai leidžia tiesiogiai (ty be paviršiaus modifikavimo, užpildų ar klijų) suklijuoti kelis skirtingų medžiagų sluoksnius į vieną konsoliduotą struktūrą.
Antras palankus veiksnys UAM yra didelis plastiko srauto laipsnis, stebimas metalinėse medžiagose, net esant žemai temperatūrai, ty gerokai žemiau metalinių medžiagų lydymosi temperatūros. Ultragarso virpesių ir slėgio derinys sukelia aukštą vietinės grūdelių ribos migraciją ir rekristalizaciją be didelio temperatūros padidėjimo, tradiciškai siejamo su birių medžiagų gamyba. Konstruojant galutinį metalinių komponentų sluoksnių sluoksnį, šis reiškinys gali būti aktyvus, sujungiamas su sluoksniais. Tokie elementai kaip optiniai pluoštai 49, sutvirtinimai 46, elektronika 50 ir termoporos (šis darbas) buvo sėkmingai įterpti į UAM struktūras, kad būtų sukurti aktyvūs ir pasyvūs kompozitiniai mazgai.
Šiame darbe, siekiant sukurti geriausią katalizinės temperatūros stebėjimo mikroreaktorių, buvo panaudotos skirtingos UAM medžiagų sujungimo ir interkalavimo galimybės.
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 perdirbimo pramonei. Jie gerai veikia, jei nėra kitų ligandų. Šie ligandai dažnai yra struktūriškai paprasti ir, jei pageidaujama, nebrangūs, o Pd chemijoje naudojami ligandai dažnai yra sudėtingi, brangūs ir jautrūs orui (iv) Cu, ypač žinomas dėl savo gebėjimo surišti alkinus sintezės metu. Pavyzdžiui, bimetalinis katalizuojamas Sonogashira (taip pat ir azidų ciklų jungimasis) kelių nukleofilų arilinimas Ullmanno tipo reakcijose.
Neseniai buvo parodyti visų šių reakcijų heterogenizacijos pavyzdžiai dalyvaujant Cu(0). Tai daugiausia lemia farmacijos pramonė ir didėjantis dėmesys metalo katalizatoriaus atgavimui ir pakartotiniam naudojimui55,56.
1,3-dipolio cikloaddicijos reakcija tarp acetileno ir azido iki 1,2,3-triazolo, kurią 1960-aisiais sukūrė Huisgenas57, yra laikoma sinergetine demonstracine reakcija. Gautos 1,2,3 triazolo dalys yra ypač įdomios kaip farmakoforas įvairių vaistų atradimų ir biologinių medžiagų panaudojimo 5 srityje.
Ši reakcija vėl buvo sutelkta, kai „Sharpless“ ir kiti pristatė „Chemijos spustelėjimo chemijos“ koncepciją 59. Terminas „spustelėkite chemiją“ naudojamas apibūdinti patikimą, patikimą ir selektyvią reakcijų rinkinį, skirtą greitam naujų junginių sintezei ir kombinatorinėms bibliotekoms, naudojant heteroatomo jungtis (CXC).
Klasikinis Huisgen 1,3-dipolio ciklo pridėjimas nepriklauso „paspaudimų chemijos“ kategorijai. Tačiau Medal ir Sharpless parodė, kad šis azido-alkino sujungimo įvykis, esant Cu(I), vyksta nuo 107 iki 108, palyginti su nekatalizuotu 1,3-dipolio reakcijos mechanizmu. 1,4-dipakeistais 1,2,3-triazolais (anti-1,2,3-triazolas) tam tikru laiku (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 duoda 1,4- ir 1,5-triazolo azolių mišinį.
Dauguma protokolų apima stabilių Cu(II) šaltinių mažinimą, pvz., CuSO4 arba Cu(II)/Cu(0) rūšių derinimą su natrio druskomis. Lyginant su kitomis metalu katalizuojamomis reakcijomis, Cu(I) naudojimas turi pagrindinių privalumų, nes yra nebrangus ir paprastas.
Kinetinio ir izotopinio ženklinimo 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 azidui su σ-surištu vario acetilidu su π-surištu vario žiedu, o po to susidaro varis kaip stabilus donoro vario ligandas. triazolo produktus ir uždarykite katalizinį ciklą.
Nors srauto chemijos prietaisų pranašumai yra gerai dokumentuoti, buvo noras į šias sistemas integruoti analitinius įrankius, skirtus in-line, in situ, proceso stebėjimui66,67.UAM pasirodė esąs tinkamas metodas projektuojant ir gaminant labai sudėtingus 3D srauto reaktorius, pagamintus iš kataliziškai aktyvių, šilumai laidžių medžiagų su tiesiogiai įterptais elementais4.
Aliuminio-vario srauto reaktorius, pagamintas ultragarso priedų gamybos būdu (UAM) su sudėtinga vidinio kanalo struktūra, įterptomis termoporomis ir katalizine reakcijos kamera. Norint vizualizuoti vidinius skysčio kelius, taip pat parodytas skaidrus prototipas, pagamintas naudojant stereolitografiją.
Siekiant užtikrinti, kad reaktoriai būtų pagaminti būsimoms organinėms reakcijoms, tirpikliai turi būti saugiai kaitinami virš virimo temperatūros;jie tikrinami slėgiu ir temperatūra.Slėgio bandymas parodė, kad sistema palaiko stabilų ir pastovų slėgį net esant padidintam sistemos slėgiui (1,7 MPa).Hidrostatinis bandymas atliktas kambario temperatūroje, kaip skystį naudojant H2O.
Prijungus įterptąją (1 pav.) termoporą prie temperatūros duomenų kaupiklio, paaiškėjo, kad termopora buvo 6 °C (± 1 °C) vėsesnė nei užprogramuota FlowSyn sistemoje temperatūra. Paprastai 10 °C temperatūros padidėjimas du kartus padidina reakcijos greitį, todėl vos kelių laipsnių temperatūros skirtumas per visą kūno temperatūros skirtumą gali žymiai pakeisti dėl to atsirandantį reakcijos greitį. gamybos procese naudojamų medžiagų našumas.Šis terminis poslinkis yra nuoseklus, todėl į jį galima atsižvelgti nustatant įrangą, siekiant užtikrinti, kad reakcijos metu būtų pasiekta ir išmatuota tiksli temperatūra. Todėl šis internetinis stebėjimo įrankis palengvina griežtą reakcijos temperatūros kontrolę ir palengvina tikslesnį proceso optimizavimą bei optimalių sąlygų kūrimą. Šiuos jutiklius taip pat galima naudoti reakcijų egzotermoms nustatyti ir didelio masto sistemų reakcijoms išvengti.
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) praneštų problemų, susijusių su vario arba aliuminio lydinio apdorojimu, įveikimas (ii) patobulinta vidinio kanalo skiriamoji geba, palyginti su miltelinio sluoksnio lydymosi (PBF) medžiagų tekėjimo lazeriu metodais, pvz. (iii) Sumažinta apdorojimo temperatūra, kuri palengvina tiesioginį jutiklių sujungimą, o tai neįmanoma naudojant miltelių sluoksnio technologiją; (v) pašalinamos prastos polimero pagrindu pagamintų komponentų mechaninės savybės ir jautrumas įvairiems įprastiems organiniams tirpikliams17,19.
Reaktoriaus funkcionalumas buvo įrodytas atliekant daugybę variu katalizuojamų alkinazido cikloaddicijos reakcijų nuolatinio srauto sąlygomis (2 pav.). Ultragarsu atspausdintas vario reaktorius, parodytas 4 paveiksle, buvo integruotas su komercine srauto sistema ir naudojamas sintetinti įvairių 1,4-dipakeistų halogenidų grupių azidus ir temperatūros kontrolės 1,2-halogenidų 1,2,3 reakcijos buvimą. natrio chlorido (3 pav.). Nepertraukiamo srauto metodo taikymas sumažina saugos problemas, kurios gali kilti vykstant periodiniams procesams, nes šios reakcijos metu susidaro labai reaktyvūs ir pavojingi tarpiniai azidiniai produktai [317], [318]. Iš pradžių reakcija buvo optimizuota fenilacetileno ir jodacetanetileno (Schemoloadethanethene) (Schemodoetanition) ciklo pridėjimui. (žr. 5 pav.).
(Viršuje kairėje) Sąrankos schema, naudojama 3DP reaktoriui įtraukti į srauto sistemą (viršuje dešinėje), gauta pagal optimizuotą (apačioje) Huisgen cikloaddition 57 schemą tarp fenilacetileno ir jodetano, kad būtų galima optimizuoti ir parodyti optimizuotų parametrų reakcijos konversijos greitį.
Kontroliuojant reagentų buvimo laiką katalizinėje reaktoriaus dalyje ir atidžiai stebint reakcijos temperatūrą su tiesiogiai integruotu termoporos zondu, reakcijos sąlygas galima greitai ir tiksliai optimizuoti su minimaliomis laiko ir medžiagų sąnaudomis. Greitai nustatyta, kad didžiausios konversijos gautos, kai laikomos 15 minučių buvimo trukmės ir 150 °C reakcijos temperatūros grafikas, o reakcijos trukmės grafiką galima laikyti ir reakcijos temperatūros grafiką, ir MODDE programinę įrangą. .Paleidus integruotą optimizavimo priemonę naudojant šiuos pasirinktus terminus, sukuriamas reakcijos sąlygų rinkinys, skirtas maksimaliai padidinti produkto smailių plotus ir sumažinti pradinės medžiagos smailių plotus. Šis optimizavimas davė 53 % triazolo produkto konversiją, o tai labai atitiko modelio prognozę – 54 %.
Remiantis literatūra, rodančia, kad vario(I) oksidas (Cu2O) šiose reakcijose gali veikti kaip efektyvi katalizinė medžiaga nulinio valentingumo vario paviršiuose, buvo ištirta galimybė iš anksto oksiduoti reaktoriaus paviršių prieš vykdant reakciją sraute70,71. Reakcija tarp fenilacetileno ir vėl buvo pastebėta, kad šio preparato derlingumas buvo optimalus, o po to buvo pasiektas reikšmingas jodoetano padidėjimas. pradinės medžiagos konversijoje, kuri buvo apskaičiuota > 99%. Tačiau stebėjimas HPLC parodė, kad ši konversija žymiai sumažino pernelyg pailgėjusį reakcijos laiką iki maždaug 90 minučių, tada atrodė, kad aktyvumas išsilygino ir pasiekė „stabilią būseną“. Šis stebėjimas rodo, kad katalizinio aktyvumo šaltinis gaunamas iš paviršinio vario oksido, o ne iš CuO oksiduoto metalo formos, o ne iš vario oksidacijos iki kambario temperatūros. kurie nėra savisaugos sluoksniai.Tai pašalina poreikį pridėti pagalbinį vario(II) šaltinį bendrai kompozicijai71.