Paldies, ka apmeklējāt vietni Nature.com.Jūsu izmantotajai pārlūkprogrammas versijai ir ierobežots CSS atbalsts.Lai nodrošinātu vislabāko pieredzi, ieteicams izmantot atjauninātu pārlūkprogrammu (vai atspējot saderības režīmu pārlūkprogrammā Internet Explorer).Tikmēr, lai nodrošinātu nepārtrauktu atbalstu, mēs atveidosim vietni bez stiliem un JavaScript.
Karuselis, kurā vienlaikus tiek rādīti trīs slaidi.Izmantojiet pogas Iepriekšējais un Nākamais, lai pārvietotos pa trim slaidiem vienlaikus, vai izmantojiet slīdņa pogas, kas atrodas beigās, lai pārvietotos pa trim slaidiem vienlaikus.
Piedevu ražošana maina veidu, kā pētnieki un rūpnieki izstrādā un ražo ķīmiskās ierīces, lai apmierinātu viņu īpašās vajadzības.Šajā rakstā mēs ziņojam par pirmo plūsmas reaktora piemēru, kas izveidots ar ultraskaņas piedevu ražošanas (UAM) laminēšanu no cietas metāla loksnes ar tieši integrētām katalītiskām daļām un sensoriem.UAM tehnoloģija ne tikai pārvar daudzus ierobežojumus, kas pašlaik ir saistīti ar ķīmisko reaktoru piedevu ražošanu, bet arī ievērojami paplašina šādu ierīču iespējas.Vairāki bioloģiski svarīgi 1,4-diaizvietoti 1,2,3-triazola savienojumi ir veiksmīgi sintezēti un optimizēti ar Cu-mediētu 1,3-dipolāru Huisgen ciklopievienošanas reakciju, izmantojot UAM ķīmijas iekārtu.Izmantojot UAM unikālās īpašības un nepārtrauktas plūsmas apstrādi, ierīce spēj katalizēt notiekošās reakcijas, kā arī nodrošināt reāllaika atgriezenisko saiti, lai uzraudzītu un optimizētu reakcijas.
Tā kā plūsmas ķīmija ir svarīga un augoša joma gan akadēmiskajā, gan rūpnieciskajā vidē, pateicoties tās ievērojamajām priekšrocībām salīdzinājumā ar tās lielapjoma ekvivalentu, tā spēj palielināt ķīmiskās sintēzes selektivitāti un efektivitāti.Tas attiecas no vienkāršu organisko molekulu veidošanās1 līdz farmaceitiskajiem savienojumiem2,3 un dabīgiem produktiem4,5,6.Vairāk nekā 50 % reakciju smalkajā ķīmiskajā un farmācijas rūpniecībā var gūt no nepārtrauktas plūsmas7.
Pēdējos gados ir pieaugusi tendence, ka grupas cenšas aizstāt tradicionālos stikla traukus vai plūsmas ķīmijas iekārtas ar pielāgojamiem ķīmiskiem “reaktoriem”8.Šo metožu iteratīvais dizains, ātra izgatavošana un trīsdimensiju (3D) iespējas ir noderīgas tiem, kuri vēlas pielāgot savas ierīces noteiktai reakciju, ierīču vai apstākļu kopai.Līdz šim šis darbs ir vērsts gandrīz tikai uz polimēru bāzes 3D drukāšanas paņēmienu izmantošanu, piemēram, stereolitogrāfija (SL) 9, 10, 11, kausēta nogulsnēšanās modelēšana (FDM) 8, 12, 13, 14 un tintes drukāšana 7, 15., 16. Šādu ierīču uzticamības un spēju trūkums veikt plašu ķīmisko reakciju/analīžu klāstu17, 18, 19, 20 ir galvenais ierobežojošais faktors plašākai AM pielietošanai šajā jomā17, 18, 19, 20.
Sakarā ar pieaugošo plūsmas ķīmijas izmantošanu un labvēlīgajām īpašībām, kas saistītas ar AM, ir jāizpēta labāki paņēmieni, kas lietotājiem ļaus izgatavot plūsmas reakcijas traukus ar uzlabotām ķīmijas un analītiskām iespējām.Šīm metodēm vajadzētu ļaut lietotājiem izvēlēties no dažādiem augstas stiprības vai funkcionāliem materiāliem, kas spēj darboties dažādos reakcijas apstākļos, kā arī atvieglot dažādu veidu analītisko izvadi no ierīces, lai nodrošinātu reakcijas uzraudzību un kontroli.
Viens no piedevu ražošanas procesiem, ko var izmantot, lai izstrādātu pielāgotus ķīmiskos reaktorus, ir ultraskaņas piedevu ražošana (UAM).Šī cietvielu lokšņu laminēšanas metode pielieto ultraskaņas vibrācijas plānām metāla folijām, lai tās savienotu slāni pa slānim ar minimālu tilpuma karsēšanu un augstu plastmasas plūsmas pakāpi 21, 22, 23. Atšķirībā no vairuma citu AM tehnoloģiju, UAM var tieši integrēt ar subtraktīvo ražošanu, kas pazīstams kā hibrīda ražošanas process, kurā periodiski in situ materiāla slāņa frēzēšana, lāzera skaitļošanas slāņa (CNC)2 frēzēšana tiek veikta. nozīmē, ka lietotājs neaprobežojas tikai ar problēmām, kas saistītas ar oriģinālo būvmateriālu atlieku noņemšanu no maziem šķidruma kanāliem, kas bieži notiek pulvera un šķidruma sistēmās AM26,27,28.Šī dizaina brīvība attiecas arī uz pieejamo materiālu izvēli – UAM var savienot termiski līdzīgu un atšķirīgu materiālu kombinācijas vienā procesa posmā.Materiālu kombināciju izvēle ārpus kausēšanas procesa nozīmē, ka var labāk izpildīt konkrētu lietojumu mehāniskās un ķīmiskās prasības.Papildus cietajai saitei vēl viena parādība, kas notiek ar ultraskaņas savienošanu, ir plastmasas materiālu augstā plūstamība salīdzinoši zemās temperatūrās29,30,31,32,33.Šī unikālā UAM iezīme ļauj mehāniskos/termiskos elementus novietot starp metāla slāņiem bez bojājumiem.Iegultie UAM sensori var atvieglot reāllaika informācijas piegādi no ierīces lietotājam, izmantojot integrētu analīzi.
Iepriekšējais autoru darbs32 parādīja UAM procesa spēju izveidot metāliskas 3D mikrofluidiskas struktūras ar iegultām sensora iespējām.Šī ierīce ir paredzēta tikai uzraudzības nolūkiem.Šajā rakstā ir parādīts pirmais UAM ražotā mikrofluidiskā ķīmiskā reaktora piemērs — aktīva ierīce, kas ne tikai kontrolē, bet arī ierosina ķīmisko sintēzi ar strukturāli integrētiem katalītiskajiem materiāliem.Ierīce apvieno vairākas priekšrocības, kas saistītas ar UAM tehnoloģiju 3D ķīmisko ierīču ražošanā, piemēram: iespēja pārvērst pilnīgu 3D dizainu tieši no datorizētā projektēšanas (CAD) modeļa produktā;vairāku materiālu izgatavošana augstas siltumvadītspējas un katalītisko materiālu kombinācijai, kā arī siltuma sensori, kas iestrādāti tieši starp reaģentu plūsmām, lai precīzi kontrolētu un pārvaldītu reakcijas temperatūru.Lai demonstrētu reaktora funkcionalitāti, ar vara katalizētu 1,3-dipolāru Huisgen cikloadīciju tika sintezēta farmaceitiski svarīgu 1,4-diaizvietotu 1,2,3-triazola savienojumu bibliotēka.Šajā darbā ir uzsvērts, kā materiālu zinātnes un datorizētā dizaina izmantošana var pavērt jaunas iespējas un iespējas ķīmijā, izmantojot starpdisciplinārus pētījumus.
Visi šķīdinātāji un reaģenti tika iegādāti no Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI vai Fischer Scientific un tika izmantoti bez iepriekšējas attīrīšanas.1H un 13C KMR spektri, kas reģistrēti attiecīgi 400 un 100 MHz, tika iegūti ar JEOL ECS-400 400 MHz spektrometru vai Bruker Avance II 400 MHz spektrometru ar CDCl3 vai (CD3)2SO kā šķīdinātāju.Visas reakcijas tika veiktas, izmantojot Uniqsis FlowSyn plūsmas ķīmijas platformu.
UAM tika izmantots visu ierīču izgatavošanai šajā pētījumā.Tehnoloģija tika izgudrota 1999. gadā, un tās tehniskās detaļas, darbības parametrus un attīstību kopš tās izgudrošanas var izpētīt, izmantojot šādus publicētos materiālus34,35,36,37.Ierīce (1. att.) tika ieviesta, izmantojot lieljaudas 9 kW SonicLayer 4000® UAM sistēmu (Fabrisonic, Ohaio, ASV).Plūsmas ierīcei izvēlētie materiāli bija Cu-110 un Al 6061. Cu-110 ir augsts vara saturs (vismaz 99,9% vara), tāpēc tas ir labs kandidāts vara katalizētām reakcijām un tāpēc tiek izmantots kā "aktīvs slānis mikroreaktora iekšpusē.Al 6061 O tiek izmantots kā “beztaras” materiāls., kā arī analīzei izmantotais interkalācijas slānis;sakausējuma palīgkomponentu interkalācija un atkvēlinātais stāvoklis kombinācijā ar Cu-110 slāni.tika konstatēts kā ķīmiski stabils ar šajā darbā izmantotajiem reaģentiem.Al 6061 O kombinācijā ar Cu-110 arī tiek uzskatīts par saderīgu materiālu kombināciju UAM, un tāpēc tas ir piemērots materiāls šim pētījumam38, 42.Šīs ierīces ir uzskaitītas 1. tabulā zemāk.
Reaktora izgatavošanas soļi (1) 6061 alumīnija sakausējuma substrāts (2) Apakšējā kanāla izgatavošana no vara folijas (3) Termopāru ievietošana starp slāņiem (4) Augšējais kanāls (5) Ieplūde un izplūde (6) Monolīts reaktors.
Šķidruma kanālu dizaina filozofija ir izmantot līkumotu ceļu, lai palielinātu attālumu, ko šķidrums nobrauc mikroshēmā, vienlaikus saglabājot pārvaldāmu mikroshēmas izmēru.Šis attāluma palielinājums ir vēlams, lai palielinātu katalizatora un reaģenta kontakta laiku un nodrošinātu izcilu produkta iznākumu.Šķeldas izmanto 90° līkumus taisna ceļa galos, lai izraisītu turbulentu sajaukšanos ierīcē44 un palielinātu šķidruma saskares laiku ar virsmu (katalizatoru).Lai vēl vairāk uzlabotu sajaukšanu, ko var panākt, reaktora konstrukcijā ir iekļautas divas reaģenta ieplūdes, kas apvienotas Y-savienojumā pirms ievadīšanas maisīšanas spoles sekcijā.Trešā ieeja, kas šķērso plūsmu pusceļā caur savu rezidenci, ir iekļauta turpmāko daudzpakāpju sintēzes reakciju plānā.
Visiem kanāliem ir kvadrātveida profils (bez konusveida leņķiem), kas ir periodiskas CNC frēzēšanas rezultāts, ko izmanto kanāla ģeometrijas izveidošanai.Kanāla izmēri ir izvēlēti tā, lai nodrošinātu augstu (mikroreaktoram) tilpuma iznākumu, tomēr pietiekami mazu, lai atvieglotu mijiedarbību ar virsmu (katalizatoriem) lielākajai daļai tajā esošo šķidrumu.Piemērotais izmērs ir balstīts uz autoru iepriekšējo pieredzi ar metāla-šķidruma reakcijas ierīcēm.Galīgā kanāla iekšējie izmēri bija 750 µm x 750 µm, un kopējais reaktora tilpums bija 1 ml.Konstrukcijā ir iekļauts iebūvēts savienotājs (1/4″-28 UNF vītne), kas ļauj viegli savienot ierīci ar komerciālu plūsmas ķīmijas aprīkojumu.Kanāla izmēru ierobežo folijas materiāla biezums, tā mehāniskās īpašības un ultraskaņas savienošanas parametri.Pie noteikta platuma konkrētajam materiālam materiāls “iekritīs” izveidotajā kanālā.Pašlaik šim aprēķinam nav konkrēta modeļa, tāpēc maksimālais kanāla platums konkrētam materiālam un konstrukcijai tiek noteikts eksperimentāli, un tādā gadījumā platums 750 µm neizraisīs noslīdēšanu.
Kanāla formu (kvadrātu) nosaka, izmantojot kvadrātveida griezēju.Kanālu formu un izmērus var mainīt CNC iekārtās, izmantojot dažādus griezējinstrumentus, lai iegūtu dažādus plūsmas ātrumus un raksturlielumus.Piemērs izliekta kanāla izveidei ar 125 µm rīku ir atrodams Monaghan45.Kad folijas slānis tiek uzklāts plakaniski, folijas materiāla uzklāšanai uz kanāliem būs plakana (kvadrātveida) virsma.Šajā darbā tika izmantota kvadrātveida kontūra, lai saglabātu kanāla simetriju.
Programmētas ražošanas pauzes laikā termopāra temperatūras sensori (tips K) tiek iebūvēti tieši ierīcē starp augšējo un apakšējo kanālu grupu (1. att. – 3. posms).Šie termopāri var kontrolēt temperatūras izmaiņas no -200 līdz 1350 °C.
Metāla nogulsnēšanas procesu veic UAM rags, izmantojot 25,4 mm platu un 150 mikronu biezu metāla foliju.Šie folijas slāņi ir savienoti virknē blakus esošo sloksņu, lai aptvertu visu būvlaukumu;nogulsnētā materiāla izmērs ir lielāks par galaproduktu, jo atņemšanas process rada galīgo tīro formu.CNC apstrāde tiek izmantota, lai apstrādātu iekārtas ārējās un iekšējās kontūras, kā rezultātā iekārtas un kanālu virsmas apdare atbilst izvēlētajam instrumentam un CNC procesa parametriem (šajā piemērā aptuveni 1,6 µm Ra).Nepārtraukti, nepārtraukti ultraskaņas materiālu izsmidzināšanas un apstrādes cikli tiek izmantoti visā ierīces ražošanas procesā, lai nodrošinātu izmēru precizitātes saglabāšanu un gatavās daļas atbilstību CNC smalkās frēzēšanas precizitātes līmeņiem.Šai ierīcei izmantotā kanāla platums ir pietiekami mazs, lai nodrošinātu, ka folijas materiāls šķidruma kanālā “neieslīgtu”, līdz ar to kanālam ir kvadrātveida šķērsgriezums.Iespējamās plaisas folijas materiālā un UAM procesa parametrus eksperimentāli noteica ražošanas partneris (Fabrisonic LLC, ASV).
Pētījumi liecina, ka UAM savienojuma saskarnē 46, 47 ir neliela elementu difūzija bez papildu termiskās apstrādes, tāpēc šajā darbā esošajām ierīcēm Cu-110 slānis paliek atšķirīgs no Al 6061 slāņa un krasi mainās.
Uzstādiet iepriekš kalibrētu pretspiediena regulatoru (BPR) pie 250 psi (1724 kPa) lejpus reaktora un sūknējiet ūdeni caur reaktoru ar ātrumu no 0,1 līdz 1 ml min-1.Reaktora spiediens tika uzraudzīts, izmantojot sistēmā iebūvēto FlowSyn spiediena devēju, lai nodrošinātu, ka sistēma spēj uzturēt nemainīgu vienmērīgu spiedienu.Potenciālie temperatūras gradienti plūsmas reaktorā tika pārbaudīti, meklējot jebkādas atšķirības starp reaktorā iebūvētajiem termopāriem un termopāriem, kas iebūvēti FlowSyn mikroshēmas sildīšanas plāksnē.Tas tiek panākts, mainot ieprogrammēto sildvirsmas temperatūru no 100 līdz 150 °C ar 25 °C soli un pārraugot visas atšķirības starp ieprogrammēto un reģistrēto temperatūru.Tas tika panākts, izmantojot tc-08 datu reģistrētāju (PicoTech, Kembridža, Apvienotā Karaliste) un pievienoto PicoLog programmatūru.
Fenilacetilēna un jodetāna cikliskās pievienošanas reakcijas apstākļi ir optimizēti (1. shēma – fenilacetilēna un jodetāna cikliskā pievienošana, 1. shēma – fenilacetilēna un jodetāna cikliskā pievienošana).Šī optimizācija tika veikta, izmantojot pilnu eksperimentālo faktoru (DOE) pieeju, kā mainīgos izmantojot temperatūru un uzturēšanās laiku, vienlaikus nosakot alkīna:azīda attiecību 1:2.
Tika sagatavoti atsevišķi nātrija azīda (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), jodetāna (0,25 M, DMF) un fenilacetilēna (0,125 M, DMF) šķīdumi.Katra šķīduma 1,5 ml alikvota daļa tika sajaukta un sūknēta caur reaktoru ar vēlamo plūsmas ātrumu un temperatūru.Modeļa reakcija tika uzskatīta par triazola produkta pīķa laukuma attiecību pret fenilacetilēna izejvielu un tika noteikta, izmantojot augstas izšķirtspējas šķidruma hromatogrāfiju (HPLC).Lai nodrošinātu analīzes konsekvenci, visas reakcijas tika veiktas tūlīt pēc tam, kad reakcijas maisījums bija atstājis reaktoru.Optimizācijai atlasītie parametru diapazoni ir parādīti 2. tabulā.
Visi paraugi tika analizēti, izmantojot Chromaster HPLC sistēmu (VWR, PA, ASV), kas sastāv no kvartāra sūkņa, kolonnas krāsns, mainīga viļņa garuma UV detektora un automātiskā paraugu ņemšanas.Kolonna bija Equivalence 5 C18 (VWR, PA, ASV), 4,6 x 100 mm, 5 µm daļiņu izmērs, uzturēta 40 °C temperatūrā.Šķīdinātājs bija izokrātisks metanols:ūdens 50:50 ar plūsmas ātrumu 1,5 ml·min-1.Injekcijas tilpums bija 5 μl un detektora viļņa garums bija 254 nm.Pīķa laukums % DOE paraugam tika aprēķināts tikai no atlikušo alkīna un triazola produktu pīķu laukumiem.Izejmateriāla ievadīšana ļauj identificēt atbilstošās virsotnes.
Reaktora analīzes rezultātu apvienošana ar MODDE DOE programmatūru (Umetrics, Malme, Zviedrija) ļāva veikt rūpīgu rezultātu tendenču analīzi un noteikt optimālos reakcijas apstākļus šai ciklopievienošanai.Palaižot iebūvēto optimizētāju un atlasot visus svarīgos modeļa nosacījumus, tiek izveidots reakcijas apstākļu kopums, kas paredzēts, lai maksimāli palielinātu produkta pīķa laukumu, vienlaikus samazinot acetilēna izejvielu pīķa laukumu.
Vara virsmas oksidēšana katalītiskās reakcijas kamerā tika panākta, izmantojot ūdeņraža peroksīda šķīdumu (36%), kas plūst caur reakcijas kameru (plūsmas ātrums = 0, 4 ml min-1, uzturēšanās laiks = 2, 5 min) pirms katra triazola savienojuma sintēzes.bibliotēka.
Kad bija noteikts optimālais nosacījumu kopums, tie tika piemēroti virknei acetilēna un haloalkāna atvasinājumu, lai varētu izveidot nelielu sintēzes bibliotēku, tādējādi radot iespēju piemērot šos nosacījumus plašākam iespējamo reaģentu lokam (1. attēls).2).
Sagatavo atsevišķus nātrija azīda (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), halogēnalkānu (0,25 M, DMF) un alkīnu (0,125 M, DMF) šķīdumus.Katra šķīduma 3 ml alikvotas tika sajauktas un sūknētas caur reaktoru ar ātrumu 75 µl/min un 150 °C temperatūru.Viss tilpums tika savākts flakonā un atšķaidīts ar 10 ml etilacetāta.Parauga šķīdumu mazgā ar 3 x 10 ml ūdens.Ūdens slāņi tika apvienoti un ekstrahēti ar 10 ml etilacetāta, pēc tam organiskie slāņi tika apvienoti, mazgāti ar 3 × 10 ml sālījuma, žāvēti virs MgSO 4 un filtrēti, pēc tam šķīdinātājs tika noņemts vakuumā.Paraugi tika attīrīti ar silikagēla kolonnas hromatogrāfiju, izmantojot etilacetātu, pirms tika analizēti ar HPLC, 1H NMR, 13C KMR un augstas izšķirtspējas masas spektrometrijas (HR-MS) kombināciju.
Visi spektri tika iegūti, izmantojot Thermofischer Precision Orbitrap masas spektrometru ar ESI kā jonizācijas avotu.Visi paraugi tika sagatavoti, izmantojot acetonitrilu kā šķīdinātāju.
TLC analīze tika veikta uz silīcija dioksīda plāksnēm ar alumīnija substrātu.Plāksnes tika vizualizētas ar UV gaismu (254 nm) vai vanilīna krāsošanu un karsēšanu.
Visi paraugi tika analizēti, izmantojot VWR Chromaster sistēmu (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK), kas aprīkota ar automātisko paraugu ņemšanas ierīci, bināro sūkni ar kolonnas krāsni un viena viļņa garuma detektoru.Tika izmantota ACE Equivalence 5 C18 kolonna (150 x 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdīna, Skotija).
Injekcijas (5 µl) veica tieši no atšķaidīta neapstrādāta reakcijas maisījuma (atšķaidījums 1:10) un analizēja ar ūdens:metanolu (50:50 vai 70:30), izņemot dažus paraugus, izmantojot 70:30 šķīdinātāju sistēmu (apzīmēts kā zvaigznes numurs) ar plūsmas ātrumu 1,5 ml/min.Kolonna tika turēta 40 ° C temperatūrā.Detektora viļņa garums ir 254 nm.
Parauga % pīķa laukums tika aprēķināts no atlikušā alkīna pīķa laukuma, tikai triazola produkta, un izejmateriāla ievadīšana ļāva identificēt atbilstošās pīķus.
Visi paraugi tika analizēti, izmantojot Thermo iCAP 6000 ICP-OES.Visi kalibrēšanas standarti tika sagatavoti, izmantojot 1000 ppm Cu standarta šķīdumu 2% slāpekļskābē (SPEX Certi Prep).Visi standarti tika sagatavoti 5% DMF un 2% HNO3 šķīdumā, un visi paraugi tika atšķaidīti 20 reizes ar DMF-HNO3 parauga šķīdumu.
UAM izmanto ultraskaņas metāla metināšanu kā metodi metāla folijas savienošanai, ko izmanto galīgās montāžas izveidošanai.Metāla ultraskaņas metināšanā tiek izmantots vibrējošs metāla instruments (saukts par ragu vai ultraskaņas ragu), lai piespiestu foliju/iepriekš konsolidēto slāni, kas jāsaista/iepriekš jāstiprina, materiālu vibrējot.Nepārtrauktai darbībai sonotrodei ir cilindriska forma un tas ripo pa materiāla virsmu, salīmējot visu laukumu.Pielietojot spiedienu un vibrāciju, oksīdi uz materiāla virsmas var saplaisāt.Pastāvīgs spiediens un vibrācija var izraisīt materiāla raupjuma iznīcināšanu 36 .Ciešs kontakts ar lokālu siltumu un spiedienu noved pie cietas fāzes saites materiāla saskarnēs;tas var arī veicināt kohēziju, mainot virsmas enerģiju48.Saistīšanas mehānisma būtība pārvar daudzas problēmas, kas saistītas ar mainīgo kausējuma temperatūru un augstas temperatūras ietekmi, kas minēta citās piedevu ražošanas tehnoloģijās.Tas ļauj tieši savienot (ti, bez virsmas modifikācijas, pildvielām vai līmvielām) vairākus dažādu materiālu slāņus vienā konsolidētā struktūrā.
Otrs labvēlīgais faktors CAM ir augstā plastmasas plūsmas pakāpe, kas novērojama metāliskajos materiālos pat zemās temperatūrās, ti, krietni zem metālisku materiālu kušanas temperatūras.Ultraskaņas vibrāciju un spiediena kombinācija izraisa augstu vietējās graudu robežu migrācijas un pārkristalizācijas līmeni bez ievērojama temperatūras paaugstināšanās, kas tradicionāli saistīta ar beztaras materiāliem.Galīgās montāžas izveides laikā šo fenomenu var izmantot, lai starp metāla folijas slāņiem slāni pa slānim iegultu aktīvās un pasīvās sastāvdaļas.Tādi elementi kā optiskā šķiedra 49, pastiprinājums 46, elektronika 50 un termopāri (šis darbs) ir veiksmīgi integrēti UAM konstrukcijās, lai izveidotu aktīvus un pasīvus kompozītmateriālu mezglus.
Šajā darbā tika izmantotas gan dažādas materiālu saistīšanas iespējas, gan UAM interkalācijas iespējas, lai izveidotu ideālu mikroreaktoru katalītiskajai temperatūras kontrolei.
Salīdzinot ar pallādiju (Pd) un citiem plaši izmantotiem metālu katalizatoriem, Cu katalīzei ir vairākas priekšrocības: (i) ekonomiski Cu ir lētāks nekā daudzi citi katalīzē izmantotie metāli, un tāpēc tas ir pievilcīgs risinājums ķīmiskajai rūpniecībai (ii) Cu katalizēto šķērssavienojuma reakciju klāsts paplašinās un šķiet, ka tā ir nedaudz papildinoša metode. ed reakcijas darbojas labi, ja nav citu ligandu.Šie ligandi bieži vien ir strukturāli vienkārši un lēti.ja nepieciešams, savukārt Pd ķīmijā izmantotie bieži ir sarežģīti, dārgi un jutīgi pret gaisu (iv) Cu, īpaši pazīstams ar savu spēju sintēzē saistīt alkīnus, piemēram, Sonogashira bimetāla katalizētā savienošana un cikloaddīcija ar azīdiem (klikšķu ķīmija) (v) Cu var arī veicināt dažu nukleonfitipu arilēšanu dažos U.
Nesen tika parādīti visu šo reakciju heterogenizācijas piemēri Cu (0) klātbūtnē.Tas lielā mērā ir saistīts ar farmācijas nozari un pieaugošo uzmanību uz metālu katalizatoru reģenerāciju un atkārtotu izmantošanu55,56.
1,3-dipolārās cikloaddīcijas reakcija starp acetilēnu un azīdu līdz 1,2,3-triazolam, ko pirmo reizi ierosināja Huisgens 1960. gados57, tiek uzskatīta par sinerģisku demonstrācijas reakciju.Iegūtie 1,2,3 triazola fragmenti ir īpaši nozīmīgi kā farmakofors zāļu atklāšanā, ņemot vērā to bioloģisko pielietojumu un izmantošanu dažādos terapeitiskos līdzekļos58.
Šai reakcijai tika pievērsta jauna uzmanība, kad Sharpless un citi ieviesa jēdzienu “klikšķu ķīmija”59.Terminu “klikšķu ķīmija” lieto, lai aprakstītu spēcīgu un selektīvu reakciju kopumu jaunu savienojumu un kombinatorisko bibliotēku ātrai sintēzei, izmantojot heteroatomisko saiti (CXC)60.Šo reakciju sintētiskā pievilcība ir saistīta ar augstajām ražām.apstākļi ir vienkārši, izturība pret skābekli un ūdeni, un produktu atdalīšana ir vienkārša61.
Klasiskā 1,3-dipola Huisgen ciklopievienošana neietilpst kategorijā “klikšķu ķīmija”.Tomēr Medal un Sharpless parādīja, ka šis azīda-alkīna savienojuma notikums Cu (I) klātbūtnē tiek pakļauts 107–108, salīdzinot ar ievērojamu nekatalītiskās 1, 3-dipolārās ciklopievienošanas ātruma paātrinājumu 62, 63.Šim progresīvajam reakcijas mehānismam nav nepieciešamas aizsarggrupas vai skarbi reakcijas apstākļi, un tas nodrošina gandrīz pilnīgu pārvēršanos un selektivitāti par 1,4-diaizvietotiem 1,2,3-triazoliem (anti-1,2,3-triazoliem) laika gaitā (3. att.).
Parasto un vara katalizēto Huisgen cikloadīciju izometriskie rezultāti.Cu(I)-katalizētās Huisgen cikloaddicijas dod tikai 1,4-diaizvietotus 1,2,3-triazolus, savukārt termiski inducētas Huisgen cikloaddicijas parasti dod 1,4- un 1,5-triazoliem azola stereoizomēru maisījumu attiecībā 1:1.
Lielākā daļa protokolu ietver stabilu Cu(II) avotu reducēšanu, piemēram, CuSO4 vai Cu(II)/Cu(0) savienojuma reducēšanu kombinācijā ar nātrija sāļiem.Salīdzinot ar citām metālu katalizētām reakcijām, Cu(I) izmantošanai ir galvenās priekšrocības, jo tā ir lēta un viegli apstrādājama.
Kinētiskie un izotopu pētījumi, ko veica Worrell et al.65 ir parādījuši, ka terminālo alkīnu gadījumā katras molekulas reaktivitātes aktivizēšanā attiecībā pret azīdu ir iesaistīti divi vara ekvivalenti.Ierosinātais mehānisms darbojas caur sešu locekļu vara metāla gredzenu, kas veidojas, koordinējot azīdu ar σ-saistītu vara acetilīdu ar π-saistītu varu kā stabilu donora ligandu.Vara triazolila atvasinājumi veidojas gredzena kontrakcijas rezultātā, kam seko protonu sadalīšanās, veidojot triazola produktus un noslēdzot katalītisko ciklu.
Lai gan plūsmas ķīmijas ierīču priekšrocības ir labi dokumentētas, ir bijusi vēlme šajās sistēmās integrēt analītiskos rīkus reāllaika procesu uzraudzībai in situ66, 67.UAM ir izrādījusies piemērota metode ļoti sarežģītu 3D plūsmas reaktoru projektēšanai un izgatavošanai no katalītiski aktīviem, siltumvadošiem materiāliem ar tieši iestrādātiem sensoriem (4. att.).
Alumīnija-vara plūsmas reaktors, kas ražots ultraskaņas piedevu ražošanā (UAM) ar sarežģītu iekšējo kanālu struktūru, iebūvētiem termopāriem un katalītisko reakcijas kameru.Lai vizualizētu iekšējos šķidruma ceļus, tiek parādīts arī caurspīdīgs prototips, kas izgatavots, izmantojot stereolitogrāfiju.
Lai nodrošinātu, ka reaktori ir sagatavoti turpmākām organiskām reakcijām, šķīdinātāji ir droši jāuzsilda virs to viršanas temperatūras;tiem ir veikta spiediena un temperatūras pārbaude.Spiediena pārbaude parādīja, ka sistēma uztur stabilu un nemainīgu spiedienu pat pie paaugstināta spiediena sistēmā (1,7 MPa).Hidrostatiskie testi tika veikti istabas temperatūrā, izmantojot H2O kā šķidrumu.
Iebūvētā (1. attēls) termopāra pievienošana temperatūras datu reģistrētājam parādīja, ka termopāra temperatūra bija par 6 °C (± 1 °C) zemāka par FlowSyn sistēmā ieprogrammēto temperatūru.Parasti temperatūras paaugstināšanās par 10°C dubulto reakcijas ātrumu, tāpēc tikai dažu grādu temperatūras starpība var būtiski mainīt reakcijas ātrumu.Šī atšķirība ir saistīta ar temperatūras zudumu visā RPV ražošanas procesā izmantoto materiālu augstās termiskās difūzijas dēļ.Šī termiskā novirze ir nemainīga, un tāpēc to var ņemt vērā, uzstādot aprīkojumu, lai nodrošinātu precīzas temperatūras sasniegšanu un mērīšanu reakcijas laikā.Tādējādi šis tiešsaistes uzraudzības rīks veicina stingru reakcijas temperatūras kontroli un veicina precīzāku procesa optimizāciju un optimālu apstākļu izstrādi.Šos sensorus var izmantot arī, lai atklātu eksotermiskas reakcijas un novērstu bēgšanas reakcijas liela mēroga sistēmās.
Šajā rakstā aprakstītais reaktors ir pirmais piemērs UAM tehnoloģijas pielietošanai ķīmisko reaktoru ražošanā, un tas risina vairākus galvenos ierobežojumus, kas pašlaik ir saistīti ar šo ierīču AM/3D drukāšanu, piemēram: (i) Konstatēto problēmu pārvarēšana, kas saistītas ar vara vai alumīnija sakausējuma apstrādi (ii) uzlabota iekšējā kanāla izšķirtspēja, salīdzinot ar pulvera slāņa kausēšanas (PBF) materiāla kausēšanas (PBF) metodes5, piemēram, (6) un selektīvas virsmas lāzera kausēšanas metodes. 6 (iii) zemāka apstrādes temperatūra, kas atvieglo sensoru tiešu pievienošanu, kas nav iespējams pulvera slāņa tehnoloģijā, (v) pārvarot sliktās mehāniskās īpašības un polimēru komponentu jutīgumu pret dažādiem izplatītiem organiskiem šķīdinātājiem17,19.
Reaktora funkcionalitāte tika demonstrēta ar vara katalizētu alkinazīda cikloaddīcijas reakciju sēriju nepārtrauktas plūsmas apstākļos (2. att.).Attēlā parādītais ultraskaņas drukātais vara reaktors.4 tika integrēts ar komerciālu plūsmas sistēmu un izmantots, lai sintezētu dažādu 1,4-diaizvietotu 1,2,3-triazolu azīdu bibliotēku, izmantojot temperatūras kontrolētu acetilēna un alkilgrupu halogenīdu reakciju nātrija hlorīda klātbūtnē (3. att.).Nepārtrauktās plūsmas pieejas izmantošana samazina drošības problēmas, kas var rasties sērijveida procesos, jo šī reakcija rada ļoti reaģējošus un bīstamus azīda starpproduktus [317], [318].Sākotnēji reakcija tika optimizēta fenilacetilēna un jodetāna cikloaddīcijai (1. shēma – Fenilacetilēna un jodetāna cikloaddīcija) (sk. 5. att.).
(Augšējā kreisajā pusē) Iestatījuma shēma, ko izmanto, lai 3DP reaktoru iekļautu plūsmas sistēmā (augšējā labajā pusē), kas iegūta no Huisgen 57 cikloaddīcijas shēmas optimizētās (apakšējās) shēmas starp fenilacetilēnu un jodetānu, lai optimizētu un parādītu reakcijas optimizēto konversijas ātruma parametrus.
Kontrolējot reaģentu uzturēšanās laiku reaktora katalītiskajā sekcijā un rūpīgi uzraugot reakcijas temperatūru ar tieši integrētu termopāra sensoru, reakcijas apstākļus var ātri un precīzi optimizēt, izmantojot minimālu laiku un materiālus.Ātri tika konstatēts, ka augstākā konversija tika sasniegta, izmantojot uzturēšanās laiku 15 minūtes un reakcijas temperatūru 150 ° C.No MODDE programmatūras koeficientu diagrammas var redzēt, ka gan uzturēšanās laiks, gan reakcijas temperatūra tiek uzskatīti par svarīgiem modeļa nosacījumiem.Palaižot iebūvēto optimizētāju, izmantojot šos atlasītos apstākļus, tiek izveidots reakcijas apstākļu kopums, kas paredzēts, lai maksimāli palielinātu produkta pīķu laukumus, vienlaikus samazinot izejmateriāla pīķu laukumus.Šī optimizācija nodrošināja 53% triazola produkta konversiju, kas precīzi atbilda modeļa prognozei par 54%.