Paldies, ka apmeklējāt vietni Nature.com. Jūsu izmantotajai pārlūkprogrammas versijai ir ierobežots CSS atbalsts. Lai nodrošinātu vislabāko pieredzi, iesakām 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 vienlaikus pārvietotos starp trim slaidiem, vai izmantojiet slīdņa pogas galā, lai vienlaikus pārvietotos starp trim slaidiem.
Aditīvā ražošana maina veidu, kā pētnieki un rūpnieki projektē un ražo ķīmiskās ierīces, lai apmierinātu savas īpašās vajadzības. Šajā rakstā mēs ziņojam par pirmo plūsmas reaktora piemēru, kas izveidots, ultraskaņas aditīvās ražošanas (UAM) procesā laminējot cietu metāla loksni ar tieši integrētām katalītiskajām daļām un sensoru elementiem. UAM tehnoloģija ne tikai pārvar daudzus ierobežojumus, kas pašlaik saistīti ar ķīmisko reaktoru aditīvo ražošanu, bet arī ievērojami paplašina šādu ierīču iespējas. Vairāki bioloģiski nozīmīgi 1,4-disubstituēti 1,2,3-triazola savienojumi ir veiksmīgi sintezēti un optimizēti, izmantojot Cu-mediētu 1,3-dipolāru Huisgen cikloadīcijas reakciju, izmantojot UAM ķīmijas iekārtu. Izmantojot UAM unikālās īpašības un nepārtrauktas plūsmas apstrādi, ierīce spēj katalizēt notiekošās reakcijas, kā arī nodrošināt atgriezenisko saiti reāllaikā, lai uzraudzītu un optimizētu reakcijas.
Pateicoties ievērojamām priekšrocībām salīdzinājumā ar lielapjoma ķīmiju, plūsmas ķīmija ir svarīga un augoša joma gan akadēmiskajā, gan rūpnieciskajā vidē, pateicoties tās spējai palielināt ķīmiskās sintēzes selektivitāti un efektivitāti. Tas aptver gan vienkāršu organisko molekulu1, gan farmaceitisko savienojumu2,3 un dabisko produktu4,5,6 veidošanos. Vairāk nekā 50% reakciju smalkās ķīmijas un farmācijas rūpniecībā var gūt labumu no nepārtrauktas plūsmas7.
Pēdējos gados pieaug tendence, ka grupas cenšas aizstāt tradicionālos stikla traukus vai plūsmas ķīmijas iekārtas ar pielāgojamiem ķīmiskajiem "reaktoriem"8. Šo metožu iteratīvais dizains, ātrā ražošana un trīsdimensiju (3D) iespējas ir noderīgas tiem, kas vēlas pielāgot savas ierīces konkrētam reakciju, ierīču vai apstākļu kopumam. Līdz šim šis darbs gandrīz pilnībā ir koncentrējies uz polimēru bāzes 3D drukāšanas metožu, piemēram, stereolitogrāfijas (SL)9,10,11, kausētās nogulsnēšanās modelēšanas (FDM)8,12,13,14 un tintes drukāšanas7,15, 16, izmantošanu. Šādu ierīču nepietiekamā uzticamība un nespēja veikt plašu ķīmisko reakciju/analīžu klāstu17, 18, 19, 20 ir galvenais ierobežojošais faktors plašākai AM pielietošanai šajā jomā17, 18, 19, 20.
Sakarā ar plūsmas ķīmijas pieaugošo izmantošanu un ar AM saistītajām labvēlīgajām īpašībām ir jāizpēta labākas metodes, kas ļaus lietotājiem izgatavot plūsmas reakcijas traukus ar uzlabotu ķīmisko sastāvu un analītiskajām iespējām. Šīm metodēm vajadzētu ļaut lietotājiem izvēlēties no plaša augstas izturības vai funkcionālu materiālu klāsta, kas spēj darboties plašā reakcijas apstākļu diapazonā, kā arī veicināt dažādas analītiskās izvades formas no ierīces, lai nodrošinātu reakcijas uzraudzību un kontroli.
Viens no aditīvās ražošanas procesiem, ko var izmantot pielāgotu ķīmisko reaktoru izstrādei, ir ultraskaņas aditīvā ražošana (UAM). Šī cietvielu lokšņu laminēšanas metode pielieto ultraskaņas vibrācijas plānām metāla folijām, lai tās savienotu kopā slāni pa slānim ar minimālu tilpuma sildīšanu un augstu plastmasas plūsmas pakāpi 21, 22, 23. Atšķirībā no vairuma citu AM tehnoloģiju, UAM var tieši integrēt ar subtraktīvo ražošanu, kas pazīstama kā hibrīds ražošanas process, kurā periodiska in situ skaitliskās vadības (CNC) frēzēšana vai lāzera apstrāde nosaka savienotā materiāla slāņa neto formu 24, 25. Tas nozīmē, ka lietotājs nav ierobežots ar problēmām, kas saistītas ar atlikušā sākotnējā būvmateriāla 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 pielietojumu mehāniskās un ķīmiskās prasības. Papildus cietajai savienošanai, vēl viena parādība, kas rodas, savienojot ar ultraskaņas metodi, ir plastmasas materiālu augstā plūstamība relatīvi zemā temperatūrā29,30,31,32,33. Šī unikālā UAM īpašība ļauj mehāniskus/termiskus elementus novietot starp metāla slāņiem bez bojājumiem. Iegultie UAM sensori var atvieglot reāllaika informācijas piegādi no ierīces lietotājam, izmantojot integrētu analītiku.
Iepriekšējie autoru darbi32 demonstrēja UAM procesa spēju radīt metāliskas 3D mikrofluidiskas struktūras ar iegultām uztveršanas iespējām. Šī ierīce ir paredzēta tikai uzraudzības nolūkiem. Šajā rakstā ir sniegts pirmais UAM ražotā mikrofluidiskā ķīmiskā reaktora piemērs — aktīva ierīce, kas ne tikai kontrolē, bet arī inducē ķīmisko sintēzi ar strukturāli integrētiem katalītiskiem materiāliem. Ierīce apvieno vairākas priekšrocības, kas saistītas ar UAM tehnoloģiju 3D ķīmisko ierīču ražošanā, piemēram: iespēja pārveidot pilnīgu 3D dizainu tieši no datorizētas projektēšanas (CAD) modeļa produktā; vairāku materiālu izgatavošana, apvienojot augstu siltumvadītspēju un katalītiskos materiālus, kā arī termiskie sensori, kas iegulti tieši starp reaģentu plūsmām, lai precīzi kontrolētu un pārvaldītu reakcijas temperatūru. Lai demonstrētu reaktora funkcionalitāti, ar vara katalizētu 1,3-dipolāru Huisgena cikloadīciju tika sintezēta farmakoloģiski nozīmīgu 1,4-disubstituētu 1,2,3-triazola savienojumu bibliotēka. Šis darbs izceļ, kā materiālzinātnes un datorizētas projektēšanas izmantošana var pavērt jaunas iespējas un perspektīvas ķīmijā, izmantojot starpdisciplinārus pētījumus.
Visi šķīdinātāji un reaģenti tika iegādāti no Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI vai Fischer Scientific un izmantoti bez iepriekšējas attīrīšanas. 1H un 13C NMR spektri, kas reģistrēti attiecīgi 400 un 100 MHz frekvencē, tika iegūti ar JEOL ECS-400 400 MHz spektrometru vai Bruker Avance II 400 MHz spektrometru, izmantojot CDCl3 vai (CD3)2SO4 kā šķīdinātāju. Visas reakcijas tika veiktas, izmantojot Uniqsis FlowSyn plūsmas ķīmijas platformu.
Visu šajā pētījumā iekļauto ierīču izgatavošanai tika izmantota UAM tehnoloģija. 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 jaudīgu 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), padarot to par labu kandidātu vara katalizētām reakcijām, un tāpēc to izmanto kā “aktīvo slāni mikroreaktora iekšpusē”. Al 6061 O tiek izmantots kā “berzes” materiāls. , kā arī analīzei izmantotais starpslānis; palīgsakausējuma komponentu starpslānis un atkvēlinātais stāvoklis kombinācijā ar Cu-110 slāni. Konstatēts, ka tas ir ķīmiski stabils ar šajā darbā izmantotajiem reaģentiem. Al 6061 O kombinācijā ar Cu-110 tiek uzskatīts arī par saderīgu materiālu kombināciju UAM un tāpēc ir piemērots materiāls šim pētījumam38,42. Šīs ierīces ir uzskaitītas 1. tabulā zemāk.
Reaktora izgatavošanas posmi (1) 6061 alumīnija sakausējuma substrāts (2) Apakšējā kanāla izgatavošana no vara folijas (3) Termopāru ievietošana starp slāņiem (4) Augšējais kanāls (5) Ieeja un izeja (6) Monolīts reaktors.
Šķidruma kanāla projektēšanas filozofija ir izmantot līkumotu ceļu, lai palielinātu šķidruma pārvietoto attālumu mikroshēmas iekšpusē, vienlaikus saglabājot pārvaldāmu mikroshēmas izmēru. Šis attāluma palielinājums ir vēlams, lai palielinātu katalizatora un reaģenta saskares laiku un nodrošinātu lielisku produkta ražu. Mikroshēmās taisna ceļa galos tiek izmantoti 90° līkumi, lai izraisītu turbulentu sajaukšanos ierīcē44 un palielinātu šķidruma saskares laiku ar virsmu (katalizatoru). Lai vēl vairāk uzlabotu sasniedzamo sajaukšanos, reaktora konstrukcijā ir iekļautas divas reaģenta ieplūdes atveres, kas apvienotas Y veida savienojumā pirms ieiešanas sajaukšanas spirāles sekcijā. Trešā ieeja, kas šķērso plūsmu pusceļā, 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 izveidei. Kanāla izmēri ir izvēlēti tā, lai nodrošinātu augstu (mikroreaktoram) tilpuma ražu, tomēr pietiekami mazu, lai atvieglotu mijiedarbību ar virsmu (katalizatoriem) lielākajai daļai tajā esošo šķidrumu. Atbilstošais 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), lai ierīci varētu viegli savienot ar komerciālo plūsmas ķīmijas aprīkojumu. Kanāla izmēru ierobežo folijas materiāla biezums, tā mehāniskās īpašības un ultraskaņas savienošanas parametri. Noteiktā materiāla platumā materiāls "ieslīdēs" izveidotajā kanālā. Pašlaik šim aprēķinam nav īpaša modeļa, tāpēc maksimālais kanāla platums konkrētam materiālam un konstrukcijai tiek noteikts eksperimentāli, un tādā gadījumā 750 µm platums neizraisīs nokarāšanos.
Kanāla forma (kvadrātveida) tiek noteikta, izmantojot kvadrātveida griezēju. Kanālu formu un izmēru var mainīt CNC mašīnās, izmantojot dažādus griezējinstrumentus, lai iegūtu dažādus plūsmas ātrumus un raksturlielumus. Piemēru, kā izveidot izliektu kanālu ar 125 µm instrumentu, var atrast 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 ierīcē starp augšējo un apakšējo kanālu grupu (1. att. – 3. posms) ir iebūvēti termoelementu temperatūras sensori (K tips). Šie termoelementi var kontrolēt temperatūras izmaiņas no -200 līdz 1350 °C.
Metāla uzklāšanas procesu veic UAM rags, izmantojot 25,4 mm platu un 150 mikronu biezu metāla foliju. Šie folijas slāņi ir savienoti virknē blakus esošu sloksnu, lai pārklātu visu uzklāšanas laukumu; uzklātā materiāla izmērs ir lielāks nekā gala produkta izmērs, jo atņemšanas process rada galīgo tīro formu. Iekārtas ārējo un iekšējo kontūru apstrādei tiek izmantota CNC apstrāde, kā rezultātā iekārtas un kanālu virsmas apdare atbilst izvēlētajam instrumentam un CNC procesa parametriem (šajā piemērā aptuveni 1,6 µm Ra). Visā ierīces ražošanas procesā tiek izmantoti nepārtraukti, nepārtraukti ultraskaņas materiāla izsmidzināšanas un apstrādes cikli, lai nodrošinātu izmēru precizitātes saglabāšanu un gatavās detaļas atbilstību CNC smalkās frēzēšanas precizitātes līmeņiem. Šai ierīcei izmantotā kanāla platums ir pietiekami mazs, lai nodrošinātu, ka folijas materiāls "nesakaras" šķidruma kanālā, tāpēc kanālam ir kvadrātveida šķērsgriezums. Iespējamās spraugas folijas materiālā un UAM procesa parametrus eksperimentāli noteica ražošanas partneris (Fabrisonic LLC, ASV).
Pētījumi ir parādījuši, ka UAM savienojuma saskarnē 46, 47 bez papildu termiskās apstrādes elementu difūzija ir neliela, tāpēc šajā darbā aplūkotajām ierīcēm Cu-110 slānis paliek atšķirīgs no Al 6061 slāņa un ievērojami mainās.
Uzstādiet iepriekš kalibrētu pretspiediena regulatoru (BPR) ar spiedienu 250 psi (1724 kPa) lejpus reaktora un sūknējiet ūdeni caur reaktoru ar ātrumu no 0,1 līdz 1 ml min-1. Reaktora spiedienu uzraudzīja, izmantojot sistēmā iebūvēto FlowSyn spiediena devēju, lai nodrošinātu, ka sistēma var uzturēt nemainīgu, stabilu spiedienu. Potenciālie temperatūras gradienti plūsmas reaktorā tika pārbaudīti, meklējot atšķirības starp reaktorā iebūvētajiem termopāriem un termopāriem, kas iebūvēti FlowSyn mikroshēmas sildīšanas plāksnē. Tas tiek panākts, mainot ieprogrammēto sildīšanas plāksnes temperatūru no 100 līdz 150 °C ar 25 °C soli un uzraugot visas atšķirības starp ieprogrammēto un reģistrēto temperatūru. Tas tika panākts, izmantojot datu reģistrētāju tc-08 (PicoTech, Kembridža, Apvienotā Karaliste) un pievienoto PicoLog programmatūru.
Fenilacetilēna un jodetāna cikloadīcijas reakcijas apstākļi ir optimizēti (1. shēma — fenilacetilēna un jodetāna cikloadīcija, 1. shēma — fenilacetilēna un jodetāna cikloadīcija). Šī optimizācija tika veikta, izmantojot pilna faktoriāla eksperimentu dizaina (DOE) pieeju, izmantojot temperatūru un uzturēšanās laiku kā mainīgos, vienlaikus fiksējot 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 tika sajaukta un sūknēta caur reaktoru ar vēlamo plūsmas ātrumu un temperatūru. Modeļa reakcija tika ņemta kā triazola produkta pīķa laukuma attiecība pret fenilacetilēna izejvielu un tika noteikta, izmantojot augstas veiktspējas šķidruma hromatogrāfiju (HPLC). Analīzes konsekvences labad visas reakcijas tika veiktas tūlīt pēc reakcijas maisījuma iziešanas no reaktora. Optimizācijai izvēlētie parametru diapazoni ir parādīti 2. tabulā.
Visi paraugi tika analizēti, izmantojot Chromaster HPLC sistēmu (VWR, PA, ASV), kas sastāvēja no kvaternārā sūkņa, kolonnas krāsns, mainīga viļņa garuma UV detektora un automātiskā paraugu ņēmēja. 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. Iesmidzināšanas tilpums bija 5 μl, un detektora viļņa garums bija 254 nm. DOE parauga pīķu laukuma procents tika aprēķināts tikai no atlikušo alkīna un triazola produktu pīķu laukumiem. Izejvielas ievadīšana ļauj identificēt atbilstošos pīķus.
Apvienojot reaktora analīzes rezultātus ar MODDE DOE programmatūru (Umetrics, Malme, Zviedrija), tika veikta rūpīga rezultātu tendenču analīze un noteikta optimālie reakcijas apstākļi šai cikloadīcijai. Iebūvētā optimizētāja palaišana un visu svarīgo modeļa terminu atlasīšana rada reakcijas apstākļu kopumu, kas paredzēts, lai palielinātu produkta pīķa laukumu, vienlaikus samazinot acetilēna izejvielas pīķa laukumu.
Vara virsmas oksidēšana katalītiskās reakcijas kamerā tika panākta, izmantojot ūdeņraža peroksīda šķīdumu (36%), kas plūda 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 apstākļu kopums, tie tika piemēroti virknei acetilēna un halogēnalkāna atvasinājumu, lai varētu apkopot nelielu sintēzes bibliotēku, tādējādi radot iespēju šos apstākļus piemērot plašākam potenciālo reaģentu klāstam (1. att.). 2).
Sagatavojiet 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 sajauca un sūknēja caur reaktoru ar ātrumu 75 µl/min un 150°C temperatūrā. Viss tilpums tika savākts flakonā un atšķaidīts ar 10 ml etilacetāta. Parauga šķīdumu mazgāja ar 3 x 10 ml ūdens. Ūdens slāņus apvienoja un ekstrahēja ar 10 ml etilacetāta, pēc tam organiskos slāņus apvienoja, mazgāja ar 3 x 10 ml sālsūdens, žāvēja virs MgSO4 un filtrēja, pēc tam šķīdinātāju noņemja vakuumā. Paraugi tika attīrīti ar silikagela kolonnas hromatogrāfiju, izmantojot etilacetātu, pirms analīzes, izmantojot HPLC, 1H NMR, 13C NMR 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, Apvienotā Karaliste), 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) tika veiktas tieši no atšķaidīta neapstrādāta reakcijas maisījuma (atšķaidījums 1:10) un analizētas ar ūdens:metanola maisījumu (50:50 vai 70:30), izņemot dažus paraugus, izmantojot šķīdinātāju sistēmu 70:30 (apzīmēta ar zvaigžņveida skaitli) ar plūsmas ātrumu 1,5 ml/min. Kolonna tika turēta 40°C temperatūrā. Detektora viļņa garums ir 254 nm.
Parauga pīķa laukuma procentuālā daļa tika aprēķināta no atlikušā alkīna, tikai triazola produkta, pīķa laukuma, un izejmateriāla ievadīšana ļāva identificēt atbilstošos 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 20 reizes atšķaidīti ar DMF-HNO3 parauga šķīdumu.
UAM izmanto ultraskaņas metāla metināšanu kā metodi, lai savienotu metāla foliju, ko izmanto galīgās montāžas izveidei. Ultraskaņas metāla metināšanā tiek izmantots vibrējošs metāla instruments (saukts par ragu vai ultraskaņas ragu), lai pieliktu spiedienu uz foliju/iepriekš sablīvēto slāni, kas jāsalīmē/iepriekš sablīvē, vibrējot materiālu. Nepārtrauktas darbības gadījumā sonotrodam ir cilindriska forma un tas ripo pāri materiāla virsmai, līmējot visu laukumu. Pieliekot spiedienu un vibrāciju, oksīdi uz materiāla virsmas var saplaisāt. Pastāvīgs spiediens un vibrācija var izraisīt materiāla raupjuma iznīcināšanu 36. Ciešs kontakts ar lokalizētu siltumu un spiedienu pēc tam rada cietfāzes saiti materiāla saskarnēs; tas var arī veicināt kohēziju, mainot virsmas enerģiju 48. Saistīšanas mehānisma raksturs pārvar daudzas problēmas, kas saistītas ar mainīgo kušanas temperatūru un augstas temperatūras ietekmi, kas minētas citās aditīvās ražošanas tehnoloģijās. Tas ļauj tieši savienot (t.i., bez virsmas modifikācijas, pildvielām vai līmvielām) vairākus dažādu materiālu slāņus vienā sablīvētā struktūrā.
Otrais CAM labvēlīgais faktors ir augstā plastiskās plūsmas pakāpe, kas novērojama metāliskos materiālos pat zemā temperatūrā, t. i., krietni zem metālisko materiālu kušanas temperatūras. Ultraskaņas vibrāciju un spiediena kombinācija izraisa augstu lokālās graudu robežas migrācijas un pārkristalizācijas līmeni bez ievērojamas temperatūras paaugstināšanās, kas tradicionāli saistīta ar beramkravu materiāliem. Galīgā mezgla izveides laikā šo parādību var izmantot, lai slāni pa slānim iestrādātu aktīvos un pasīvos komponentus starp metāla folijas slāņiem. Tādi elementi kā optiskā šķiedra 49, stiegrojums 46, elektronika 50 un termopāri (šis darbs) ir veiksmīgi integrēti UAM struktūrās, lai izveidotu aktīvus un pasīvus kompozītmateriālu mezglus.
Šajā darbā tika izmantotas gan dažādas materiālu saistīšanas spējas, gan UAM interkalācijas spējas, lai izveidotu ideālu mikroreaktoru katalītiskai temperatūras kontrolei.
Salīdzinot ar pallādiju (Pd) un citiem bieži izmantotiem metālu katalizatoriem, Cu katalīzei ir vairākas priekšrocības: (i) Ekonomiski Cu ir lētāks nekā daudzi citi metāli, ko izmanto katalīzē, un tāpēc tā ir pievilcīga iespēja ķīmiskajai rūpniecībai; (ii) Cu katalizēto krustenisko savienošanas reakciju klāsts paplašinās un, šķiet, zināmā mērā papildina uz Pd51, 52, 53 balstītas metodoloģijas; (iii) Cu katalizētās reakcijas labi darbojas bez citiem ligandiem. Šie ligandi bieži vien ir strukturāli vienkārši un lēti. Ja nepieciešams, turpretī Pd ķīmijā izmantotie bieži vien ir sarežģīti, dārgi un jutīgi pret gaisu; (iv) Cu, īpaši pazīstams ar spēju saistīt alkīnus sintēzē, piemēram, Sonogashira bimetāliskā katalizētā savienošana un cikloadīcija ar azīdiem (klikšķa ķīmija); (v) Cu var arī veicināt dažu nukleofilu arilēšanu Ullmana tipa reakcijās.
Nesen ir demonstrēti visu šo reakciju heterogenizācijas piemēri Cu(0) klātbūtnē. Tas lielā mērā ir saistīts ar farmācijas nozari un pieaugošo uzmanību metālu katalizatoru atgūšanai un atkārtotai izmantošanai55,56.
1,3-dipolārā cikloadīcijas reakcija starp acetilēnu un azīdu līdz 1,2,3-triazolam, ko pirmo reizi ierosināja Huisgens 20. gs. sešdesmitajos gados57, tiek uzskatīta par sinerģisku demonstrācijas reakciju. Iegūtie 1,2,3-triazola fragmenti ir īpaši interesanti kā farmakofors zāļu atklāšanā to bioloģisko pielietojumu un izmantošanas dažādos terapeitiskos līdzekļos dēļ58.
Šī reakcija atkal ieguva uzmanību, kad Šārpless un citi ieviesa “klikšķa ķīmijas” jēdzienu59. Termins “klikšķa ķīmija” tiek lietots, lai aprakstītu stabilu un selektīvu reakciju kopumu jaunu savienojumu un kombinatorisko bibliotēku ātrai sintēzei, izmantojot heteroatomiskās saites (CXC)60. Šo reakciju sintētiskā pievilcība ir saistīta ar ar tām saistīto augsto ražu. Apstākļi ir vienkārši, izturība pret skābekli un ūdeni, un produktu atdalīšana ir vienkārša61.
Klasiskā 1,3-dipola Huisgena cikloadīcija neietilpst “klikšķa ķīmijas” kategorijā. Tomēr Medals un Šārpless pierādīja, ka šis azīda-alkīna savienošanas notikums Cu(I) klātbūtnē notiek 107–108, salīdzinot ar ievērojamu nekatalītiskās 1,3-dipolārās cikloadīcijas ātruma paātrinājumu 62,63. Šim uzlabotajam reakcijas mehānismam nav nepieciešamas aizsarggrupas vai skarbi reakcijas apstākļi, un tas laika gaitā nodrošina gandrīz pilnīgu konversiju un selektivitāti 1,4-disubstituētos 1,2,3-triazolos (anti-1,2,3-triazolos) (3. att.).
Tradicionālo un vara katalizēto Huisgena ciklopievienošanas reakciju izometriskie rezultāti. Ar Cu(I) katalizētās Huisgena ciklopievienošanas reakcijas dod tikai 1,4-disubstituētus 1,2,3-triazolus, savukārt termiski inducētās Huisgena ciklopievienošanas reakcijas parasti dod 1,4- un 1,5-triazolus azolu stereoizomēru 1:1 maisījumu.
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.
Vorela u. c. kinētiskie un izotopu pētījumi65 ir parādījuši, ka terminālo alkīnu gadījumā katras molekulas reaktivitātes aktivizēšanā attiecībā pret azīdu ir iesaistīti divi vara ekvivalenti. Piedāvātais mehānisms notiek caur sešu locekļu vara metāla gredzenu, kas veidojas, azīdam koordinējoties ar σ-saistītu vara acetilīdu ar π-saistītu varu kā stabilu donora ligandu. Vara triazolilgrupas 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 radusies vēlme integrēt analītiskos rīkus šajās sistēmās reāllaika procesu uzraudzībai in situ66,67. UAM ir pierādījusi sevi kā piemērotu metodi ļoti sarežģītu 3D plūsmas reaktoru projektēšanai un ražošanai no katalītiski aktīviem, termiski vadošiem materiāliem ar tieši iestrādātiem sensoriem (4. att.).
Ar ultraskaņas aditīvo ražošanu (UAM) ražots alumīnija-vara plūsmas reaktors ar sarežģītu iekšējo kanālu struktūru, iebūvētiem termopāriem un katalītiskās reakcijas kameru. Lai vizualizētu iekšējos šķidruma ceļus, parādīts arī caurspīdīgs prototips, kas izgatavots, izmantojot stereolitogrāfiju.
Lai nodrošinātu, ka reaktori ir piemēroti turpmākām organiskām reakcijām, šķīdinātāji ir droši jāuzkarsē virs to viršanas temperatūras; tie tiek pārbaudīti spiedienā un temperatūrā. 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.
Pievienojot iebūvēto (1. attēls) termoelementu temperatūras datu reģistrētājam, tika parādīts, ka termoelementa temperatūra bija par 6 °C (± 1 °C) zemāka par FlowSyn sistēmā ieprogrammēto temperatūru. Parasti temperatūras paaugstināšanās par 10 °C divkāršo reakcijas ātrumu, tāpēc temperatūras starpība tikai par dažiem grādiem var būtiski mainīt reakcijas ātrumu. Šī atšķirība rodas temperatūras zuduma dēļ visā reaktīvās krāsnī (RPV), ko izraisa ražošanas procesā izmantoto materiālu augstā termiskā difūzija. Šī termiskā novirze ir nemainīga, un tāpēc to var ņemt vērā, iestatot iekārtu, lai nodrošinātu precīzu temperatūru sasniegšanu un mērīšanu reakcijas laikā. Tādējādi šis tiešsaistes uzraudzības rīks atvieglo stingru reakcijas temperatūras kontroli un veicina precīzāku procesa optimizāciju un optimālu apstākļu izveidi. Šos sensorus var izmantot arī eksotermisku reakciju noteikšanai un nekontrolētu reakciju novēršanai liela mēroga sistēmās.
Šajā rakstā prezentētais reaktors ir pirmais UAM tehnoloģijas pielietojuma piemērs ķīmisko reaktoru ražošanā un risina vairākus būtiskus ierobežojumus, kas pašlaik saistīti ar šo ierīču AM/3D drukāšanu, piemēram: (i) pārvarot ar vara vai alumīnija sakausējuma apstrādi saistītās problēmas; (ii) uzlabota iekšējā kanāla izšķirtspēja salīdzinājumā ar pulvera slāņa kausēšanas (PBF) metodēm, piemēram, selektīvo lāzera kausēšanu (SLM)25,69; slikta materiāla plūsma un raupja virsmas tekstūra26; (iii) zemāka apstrādes temperatūra, kas atvieglo sensoru tiešu pievienošanu, kas nav iespējams pulvera slāņa tehnoloģijā; (v) pārvarot polimēru bāzes komponentu sliktās mehāniskās īpašības un jutību pret dažādiem izplatītākajiem organiskajiem šķīdinātājiem17,19.
Reaktora funkcionalitāte tika demonstrēta ar virkni vara katalizētu alkinazīda cikloadīcijas reakciju nepārtrauktas plūsmas apstākļos (2. att.). Ultraskaņas drukātais vara reaktors, kas parādīts 4. attēlā, tika integrēts ar komerciālu plūsmas sistēmu un izmantots, lai sintezētu dažādu 1,4-disubstituētu 1,2,3-triazolu azīdu bibliotēku, izmantojot acetilēna un alkilgrupu halogenīdu reakcijas temperatūru nātrija hlorīda klātbūtnē (3. att.). Nepārtrauktas plūsmas pieejas izmantošana samazina drošības problēmas, kas var rasties partijas procesos, jo šī reakcija rada ļoti reaktīvus un bīstamus azīda starpproduktus [317], [318]. Sākotnēji reakcija tika optimizēta fenilacetilēna un jodetāna cikloadīcijai (1. shēma – Fenilacetilēna un jodetāna cikloadīcija) (sk. 5. att.).
(Augšējā kreisajā stūrī) 3DP reaktora iekļaušanas plūsmas sistēmā (augšējā labajā stūrī) shēma, kas iegūta no optimizētās (apakšējās) Huisgen 57 cikloadīcijas shēmas starp fenilacetilēnu un jodetānu optimizācijai un kurā parādīti optimizētie reakcijas konversijas ātruma parametri.
Kontrolējot reaģentu uzturēšanās laiku reaktora katalītiskajā daļā un rūpīgi uzraugot reakcijas temperatūru ar tieši integrētu termoelementu sensoru, reakcijas apstākļus var ātri un precīzi optimizēt ar minimālu laiku un materiālu patēriņu. Ātri tika konstatēts, ka visaugstākā konversija tika sasniegta, izmantojot 15 minūšu uzturēšanās laiku un 150 °C reakcijas temperatūru. No MODDE programmatūras koeficientu grafika var redzēt, ka gan uzturēšanās laiks, gan reakcijas temperatūra tiek uzskatīti par svarīgiem modeļa nosacījumiem. Iebūvētā optimizētāja palaišana, izmantojot šos atlasītos nosacījumus, rada reakcijas nosacījumu kopumu, kas paredzēts, lai palielinātu produkta pīķu laukumus, vienlaikus samazinot izejvielu pīķu laukumus. Šī optimizācija nodrošināja 53% triazola produkta konversiju, kas precīzi atbilda modeļa prognozei 54%.