Paldies, ka apmeklējāt vietni Nature.com.Jūsu izmantotajai pārlūkprogrammas versijai ir ierobežots CSS atbalsts.Lai nodrošinātu vislabāko pieredzi, iesakām izmantot atjauninātu pārlūkprogrammu (vai izslēgt saderības režīmu pārlūkprogrammā Internet Explorer). Tikmēr, lai nodrošinātu nepārtrauktu atbalstu, vietne tiks rādīta bez stiliem un JavaScript.
Piedevu ražošana maina veidu, kā pētnieki un rūpnieki projektē un ražo ķīmiskās ierīces, lai tās atbilstu savām īpašajām vajadzībām. Šajā darbā mēs ziņojam par pirmo piemēru plūsmas reaktoram, kas izveidots, izmantojot cietvielu metāla lokšņu laminēšanas tehnoloģiju Ultraskaņas piedevu ražošana (UAM) ar tieši integrētām katalītiskām daļām un sensoru elementiem. UAM tehnoloģija ne tikai pārvar daudzus ierobežojumus, kas pašlaik ir saistīti ar šādu ierīču ražošanas jaudas palielināšanos. .Bioloģiski svarīgu 1,4-diaizvietotu 1,2,3-triazola savienojumu sērija tika veiksmīgi sintezēta un optimizēta ar Cu-mediētu Huisgen 1,3-dipolāru cikloaddīcijas reakciju, izmantojot UAM ķīmijas iestatījumus. Izmantojot UAM unikālās īpašības un nepārtrauktas plūsmas apstrādi, ierīce spēj arī nodrošināt reālu reakcijas uzraudzību un katalizēt reakcijas laiku.
Tā kā plūsmas ķīmija ir svarīga un augoša joma, salīdzinot ar tās lielapjoma ekvivalentu, tā ir svarīga un augoša joma gan akadēmiskajā, gan rūpnieciskajā vidē, jo 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 labumu no nepārtrauktas plūsmas apstrādes7.
Pēdējos gados ir vērojama pieaugoša tendence, ka grupas vēlas aizstāt tradicionālos stikla traukus vai plūsmas ķīmijas iekārtas ar pielāgojamām piedevu ražošanas (AM) ķīmijas “reakcijas traukiem”8. Šo metožu iteratīvais dizains, ātra ražošana un 3-dimensiju (3D) iespējas ir izdevīgas tiem, kas vēlas pielāgot savas ierīces konkrētam polimēra lietojumam, ierīcei vai darbības apstākļiem, kas ir gandrīz pilnībā koncentrējušies uz šo darbību, reakcijas kopumu. D drukāšanas metodes, piemēram, stereolitogrāfija (SL) 9, 10, 11, kausētā nogulsnēšanās modelēšana (FDM) 8, 12, 13, 14 un tintes drukāšana 7, 15, 16. Šādu ierīču robustuma un spēju trūkums veikt plašu ķīmisko reakciju/analīžu klāstu17, 18, 18 ir šī faktora lielākais jomas 1, 8 īstenošanas ierobežojums. 19, 20 .
Sakarā ar pieaugošo plūsmas ķīmijas izmantošanu un labvēlīgajām īpašībām, kas saistītas ar AM, ir jāizpēta progresīvāki paņēmieni, kas lietotājiem ļauj izgatavot plūsmas reakcijas tvertnes ar uzlabotām ķīmiskajām un analītiskajām iespējām. Šīm metodēm ir jāļauj lietotājiem izvēlēties no ļoti izturīgiem vai funkcionāliem materiāliem, kas spēj izturēt dažādus reakcijas apstākļus, vienlaikus atvieglojot dažādu veidu reakcijas kontroli un dažādu veidu reakcijas.
Viens no piedevu ražošanas procesiem, kam ir potenciāls izstrādāt pielāgotus ķīmiskos reaktorus, ir ultraskaņas piedevu ražošana (UAM). Šī cietvielu lokšņu laminēšanas tehnika izmanto ultraskaņas svārstības 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 ražošanas procesu, kas ir tiešā veidā integrēti. kas in situ periodiskā datora ciparu vadības (CNC) frēzēšana vai lāzera apstrāde nosaka savienotā materiāla slāņa tīro formu 24, 25. Tas nozīmē, ka lietotāju neierobežo problēmas, kas saistītas ar izejmateriāla atlikuma noņemšanu no maziem šķidruma kanāliem, kas bieži notiek pulvera un šķidruma AM sistēmās26, 27, 28. Šis dizains var arī paplašināt pieejamo līdzīgo materiālu kombināciju brīvību un UAM materiālu izvēli. vienā procesa solī.Materiālu kombināciju izvēle ārpus kausēšanas procesa nozīmē, ka var labāk apmierināt konkrētu lietojumu mehāniskās un ķīmiskās prasības. Papildus cietvielu savienošanai, vēl viena parādība, kas rodas ultraskaņas savienošanas laikā, ir liela plastmasas materiālu plūsma salīdzinoši zemās temperatūrās29, 30, 31, 32, 33. Šī unikālā UAM īpašība var atvieglot metāla elementu iegulšanu starp mehāniskiem/termiskiem sensora slāņiem. ierīci lietotājam, izmantojot integrētu analīzi.
Autoru iepriekšējais darbs32 demonstrēja UAM procesa spēju radīt metāliskas 3D mikrofluidiskas struktūras ar integrētām sensoru iespējām. Šī ir tikai uzraudzības ierīce. Šajā rakstā ir parādīts pirmais UAM izgatavotā mikrofluidiskā ķīmiskā reaktora piemērs;aktīva ierīce, kas ne tikai uzrauga, bet arī inducē ķīmisko sintēzi, izmantojot strukturāli integrētus katalizatora materiālus.Ierīce apvieno vairākas priekšrocības, kas saistītas ar UAM tehnoloģiju 3D ķīmisko ierīču ražošanā, piemēram: iespēja pārvērst pilnus 3D dizainus tieši no datorizētās projektēšanas (CAD) modeļiem produktos;vairāku materiālu ražošana, lai apvienotu augstu siltumvadītspēju un katalītiskos materiālus;un termosensoru ievietošana tieši starp reaģentu plūsmām precīzai reakcijas temperatūras uzraudzībai un kontrolei.Lai demonstrētu reaktora funkcionalitāti, ar vara katalizētu Huisgen 1,3-dipolāru cikloaddiciju tika sintezēta farmaceitiski svarīgu 1,4-diaizvietotu 1,2,3-triazola savienojumu bibliotēka. Šis darbs parāda, kā zinātnē var izmantot jaunas iespējas un palīgmateriālu izmantošanas iespējas. daudznozaru pētījumi.
Visi šķīdinātāji un reaģenti tika iegādāti no Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI vai Fischer Scientific un tika izmantoti bez iepriekšējas attīrīšanas. 1H un 13C NMR spektri, kas reģistrēti attiecīgi 400 MHz un 100 MHz, tika iegūti, izmantojot JEOL ECS-400 400 MHz spektrometru2 (CD3C2 spektrometru). kā šķīdinātājs.Visas reakcijas tika veiktas, izmantojot Uniqsis FlowSyn plūsmas ķīmijas platformu.
Šajā pētījumā visu ierīču izgatavošanai tika izmantota UAM.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. attēls) tika ieviesta, izmantojot īpaši augstas jaudas, 9kW SonicLayer 4000® materiālus, kas tika izvēlēti UAM sistēmai. 10 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 mikroreaktorā".Al 6061 O tiek izmantots kā “beztaras” materiāls, kā arī analīzei izmantots iegulšanas slānis;Sakausējuma palīgkomponentu iegulšana un atkausētais stāvoklis apvienojumā ar Cu-110 slāni.Al 6061 O ir materiāls, kas ir pierādīts kā ļoti saderīgs ar UAM procesiem38, 39, 40, 41 un ir pārbaudīts un atzīts par ķīmiski stabilu ar šajā darbā izmantotajiem reaģentiem.Al 6061 O kombinācija ar Cu-110 arī tiek uzskatīta par saderīgu materiālu kombināciju UAM, un tāpēc ir piemērots materiāls šim pētījumam.38,42 Šīs ierīces ir norādītas 1. tabulā tālāk.
Reaktora ražošanas posmi (1) Al 6061 substrāts (2) Apakšējā kanāla izgatavošana, kas iestatīta uz vara foliju (3) Termopāru ievietošana starp slāņiem (4) Augšējais kanāls (5) Ieplūde un izplūde (6) Monolīts reaktors.
Šķidruma ceļa dizaina filozofija ir izmantot izliektu ceļu, lai palielinātu attālumu, ko šķidrums pārvietojas mikroshēmā, vienlaikus saglabājot mikroshēmu pārvaldāmā izmērā. Šis attāluma palielinājums ir vēlams, lai palielinātu katalizatora/reaģenta mijiedarbības laiku un nodrošinātu izcilu produkta iznākumu. Mikroshēmas izmanto 90° līkumus taisnā ceļa galos, lai izraisītu ierīces virsmas turbulento sajaukšanos (un vēl vairāk palielinātu virsmas turbulento laiku44). palielināt sajaukšanos, ko var panākt, reaktora konstrukcijā ir divas reaģenta ieplūdes, kas apvienotas Y veida krustojumā pirms ieiešanas serpentīna sajaukšanas sekcijā.Trešā ieplūde, kas krustojas ar straumi pusceļā tās rezidences laikā, ir iekļauta turpmāko daudzpakāpju reakciju sintēzes projektā.
Visiem kanāliem ir kvadrātveida profils (bez iegrimes leņķiem), kas ir periodiskas CNC frēzēšanas rezultāts, ko izmanto kanāla ģeometrijas izveidošanai. Kanāla izmēri ir izvēlēti tā, lai nodrošinātu lielu (mikroreaktoram) tilpuma izvadi, vienlaikus ir pietiekami mazi, lai atvieglotu virsmas mijiedarbību (katalizatorus) lielākajai daļai ietverto šķidrumu. Atbilstošais izmērs ir balstīts uz autoru iepriekšējo pieredzi ar metāla un 5 µm galareakcijas kanāla iekšējām ierīcēm. 50 µm un kopējais reaktora tilpums bija 1 ml. Konstrukcijā ir iekļauts integrēts savienotājs (1/4″—28 UNF vītne), lai nodrošinātu vienkāršu ierīces saskarni ar komerciālu plūsmas ķīmijas aprīkojumu.Kanāla izmēru ierobežo folijas materiāla biezums, tā mehāniskās īpašības un savienošanas parametri, ko izmanto ar ultraskaņu.Noteiktā materiāla platumā materiāls “iekritīs” izveidotajā kanālā.Pašlaik šim aprēķinam nav konkrēta modeļa, tāpēc maksimālais kanāla platums konkrētajam materiālam un konstrukcijai tiek noteikts eksperimentāli;šajā gadījumā 750 μm platums neizraisīs noliekšanos.
Kanāla formu (kvadrātu) nosaka, izmantojot kvadrātveida griezēju. Kanālu formu un izmērus var mainīt ar CNC darbgaldiem, izmantojot dažādus griezējinstrumentus, lai iegūtu dažādus plūsmas ātrumus un raksturlielumus. Piemērs izliektas formas kanāla izveidei, izmantojot 125 μm instrumentu, ir atrodams Monaghan45 darbā. Kad folijas slānis tiek uzklāts uz plakanas virsmas, virsmateriāls tiks uzklāts plakanā plakanā formā. darbu, lai saglabātu kanāla simetriju, tika izmantota kvadrātveida kontūra.
Iepriekš ieprogrammētas ražošanas pauzes laikā termopāra temperatūras zondes (K tips) ir iegultas tieši ierīcē starp augšējo un apakšējo kanālu grupu (1. attēls – 3. posms). Šie termopāri var kontrolēt temperatūras izmaiņas no –200 līdz 1350 °C.
Metāla nogulsnēšanas procesu veic UAM rags, izmantojot 25,4 mm platu, 150 mikronu biezu metāla foliju. Šie folijas slāņi ir savienoti virknē blakus esošo sloksņu, lai aptvertu visu konstrukcijas laukumu;uzklātā materiāla izmērs ir lielāks par galaproduktu, jo atņemšanas procesā tiek iegūta galīgā neto forma. CNC apstrādi izmanto, lai apstrādātu iekārtas ārējās un iekšējās kontūras, kā rezultātā iekārtas un kanālu virsmas apdare ir vienāda ar izvēlētā instrumenta un CNC procesa parametriem (šajā piemērā aptuveni 1,6 μm Ra). Tiek nodrošināts nepārtraukts, nepārtraukts materiāla cikliskais cikls un ultra-oniskā materiāla noņemšana. tiek uzturēta un gatavā detaļa atbildīs CNC apdares frēzēšanas precizitātes līmeņiem.Šai ierīcei izmantotais kanāla platums ir pietiekami mazs, lai nodrošinātu, ka folijas materiāls “neieslīd” šķidruma kanālā, tādējādi kanāls saglabā kvadrātveida šķērsgriezumu.Iespējamās folijas materiāla spraugas un UAM procesa parametrus eksperimentāli noteica ražošanas partneris (Fabrisonic LLC, ASV).
Pētījumi ir parādījuši, ka UAM savienošanas saskarnē 46, 47 bez papildu termiskās apstrādes notiek neliela elementu difūzija, tāpēc šajā darbā izmantotajām ierīcēm Cu-110 slānis paliek atšķirīgs no Al 6061 slāņa un pēkšņi mainās.
Uzstādiet iepriekš kalibrētu 250 psi (1724 kPa) pretspiediena regulatoru (BPR) pie reaktora izejas un sūknējiet ūdeni caur reaktoru ar ātrumu no 0,1 līdz 1 ml min-1. Reaktora spiediens tika uzraudzīts, izmantojot FlowSyn iebūvēto sistēmas spiediena sensoru, lai pārbaudītu, vai sistēma var uzturēt nemainīgu temperatūru, pārbaudot nemainīgu spiedienu visā reaktorā. starp termopāriem, kas iegulti reaktorā, un tiem, kas ir iegulti FlowSyn mikroshēmas sildīšanas plāksnē.Tas tiek panākts, mainot programmējamo sildvirsmas temperatūru starp 100 un 150 °C ar 25 °C soli un atzīmējot visas atšķirības starp ieprogrammēto un reģistrēto temperatūru.Tas tika panākts, izmantojot tc-08 programmatūru.
Tika optimizēti fenilacetilēna un jodetāna cikliskās pievienošanas reakcijas apstākļi (1. shēma – fenilacetilēna un jodetāna ciklodācija, 1. shēma – fenilacetilēna un jodetāna cikloslodze). Šī optimizācija tika veikta, izmantojot eksperimentu pilnu faktoriālu dizainu (DOE), izmantojot mainīgu temperatūras attiecību un alkidēšanas laiku, kā fiksācijas laika pieeju, kā: 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 izsūknēta caur reaktoru vēlamajā modeļa reakcijas ātrumā un zirņa produkta temperatūras attiecībā pret triacetēnu kā triacetēna izejmateriālu. nosaka ar augstas izšķirtspējas šķidruma hromatogrāfiju (HPLC). Lai nodrošinātu analīzes konsekvenci, visu reakciju paraugi tika ņemti tieši pēc tam, kad reakcijas maisījums bija izgājis no reaktora. 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 automātiskās paraugu ņemšanas. Kolonna bija Equivalence 5 C18 (VWR, PA, ASV), izmērs 4,6 × 100 mm, 5 µm daļiņu izmērs bija 5 °C. ol:ūdens ar plūsmas ātrumu 1,5 ml.min-1. Injekcijas tilpums bija 5 µL un detektora viļņa garums bija 254 nm. DOE parauga pīķa laukums % tika aprēķināts tikai no atlikušo alkīna un triazola produktu pīķu laukumiem. Izejmateriāla injekcija ļauj identificēt atbilstošos pīķus.
Reaktora analīzes izvades savienošana ar MODDE DOE programmatūru (Umetrics, Malme, Zviedrija) ļāva veikt rūpīgu rezultātu tendenču analīzi un noteikt optimālos reakcijas apstākļus šai cikla pievienošanai. Palaižot iebūvēto optimizētāju un atlasot visus svarīgos modeļa nosacījumus, tiek iegūts reakcijas apstākļu kopums, kas paredzēts, lai maksimāli palielinātu produkta pīķa laukumu, vienlaikus samazinot acetilēna pīķa izejmateriāla laukumu.
Virsmas vara 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 katras triazola savienojumu bibliotēkas sintēzes.
Kad tika identificēts optimālais apstākļu kopums, tie tika piemēroti virknei acetilēna un haloalkāna atvasinājumu, lai varētu apkopot nelielas bibliotēkas sintēzi, tādējādi radot iespēju piemērot šos apstākļus plašākam iespējamo reaģentu lokam (1.2. attēls).
Sagatavojiet atsevišķus nātrija azīda (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), halogenalkānu (0,25 M, DMF) un alkīnu (0,125 M, DMF) šķīdumus. Katra šķīduma 3 ml alikvotas tika sajauktas un iesūknētas caur reaktoru pie 75 µL.min-1 un savākti ar kopējo tilpumu 150 ml. acetāts. Parauga šķīdumu mazgā ar 3 x 10 ml ūdens. Ūdens slāņus apvienoja un ekstrahēja ar 10 ml etilacetāta;organiskie slāņi tika apvienoti, mazgāti ar 3 x 10 ml sālījuma, žāvēti virs MgSO4 un filtrēti, pēc tam šķīdinātājs tika noņemts vakuumā. Paraugi tika attīrīti ar kolonnas hromatogrāfiju uz silikagēla, izmantojot etilacetātu pirms analīzes ar HPLC,1H NMR,13C KMR un augstas izšķirtspējas masas spektrometrijas kombināciju.
Visi spektri tika iegūti, izmantojot Thermofischer precizitātes Orbitrap izšķirtspējas masas spektrometru ar ESI kā jonizācijas avotu. Visi paraugi tika sagatavoti, izmantojot acetonitrilu kā šķīdinātāju.
TLC analīze tika veikta uz alumīnija pamatnes silīcija dioksīda plāksnēm. Plāksnes tika vizualizētas ar UV gaismu (254 nm) vai vanilīna krāsošanu un karsēšanu.
Visi paraugi tika analizēti, izmantojot VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) sistēmu, kas aprīkota ar automātisko paraugu ņemšanas ierīci, kolonnas krāsns bināro sūkni un viena viļņa garuma detektoru. Izmantotā kolonna bija ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies, Scotland Aberdeen Ltd.).
Injekcijas (5 µL) veica tieši no atšķaidīta neapstrādāta reakcijas maisījuma (atšķaidījums 1:10) un analizēja ar ūdeni:metanolu (50:50 vai 70:30), izņemot dažus paraugus, izmantojot 70:30 šķīdinātāju sistēmu (apzīmēts kā zvaigznes skaitlis) ar plūsmas ātrumu 1,5 ml/min. Kolonna tika turēta pie 4 °C viļņa.
Parauga % pīķa laukums tika aprēķināts no atlikušā alkīna pīķa laukuma, tikai triazola produkts, un izejmateriāla injekcija ļāva identificēt attiecīgos pīķus.
Visi paraugi tika analizēti, izmantojot Thermo iCAP 6000 ICP-OES. Visi kalibrēšanas standarti tika sagatavoti, izmantojot 1000 ppm Cu standartšķīdumu 2% slāpekļskābē (SPEX Certi Prep). Visi standarti tika sagatavoti 5% DMF un 2% HNO3 šķīdumā, un visi paraugi tika atšķaidīti ar parauga DMF-H3 šķīdumā 20-H.
UAM izmanto ultraskaņas metāla metināšanu kā savienošanas paņēmienu metāla folijas materiālam, ko izmanto, lai izveidotu galīgo montāžu. Ultraskaņas metāla metināšanā tiek izmantots vibrējošs metāla rīks (saukts par ragu vai ultraskaņas ragu), lai pieliktu spiedienu uz folijas slāni/iepriekš konsolidēto slāni, kas jāsaista, vienlaikus vibrējot materiālu. Nepārtrauktai darbībai tiek veikta sonotrode un materiāla pārspiešana. tiek pielietota vibrācija, oksīdi uz materiāla virsmas var saplaisāt.Nepārtraukts spiediens un vibrācija var izraisīt materiāla sabrukšanu 36.Intīms kontakts ar lokāli inducētu siltumu un spiedienu, pēc tam noved pie cietvielu savienošanās materiāla saskarnēs;tas var arī veicināt adhēziju, mainot virsmas enerģiju48.Saistīšanas mehānisma būtība novērš daudzas problēmas, kas saistītas ar mainīgu kušanas temperatūru un augstas temperatūras pēcefektiem, kas minēti citos piedevu ražošanas paņēmienos.Tas ļauj tiešu savienošanu (ti, bez virsmas modifikācijas, pildvielām vai adhezīviem) vairāku dažādu materiālu slāņu vienā konsolidētā struktūrā.
Otrs labvēlīgs faktors UAM ir augstā plastmasas plūsmas pakāpe, kas tiek novērota metāliskajos materiālos pat zemās temperatūrās, ti, krietni zem metālisku materiālu kušanas temperatūras. Ultraskaņas svārstību un spiediena kombinācija izraisa augstu lokālās graudu robežu migrācijas un pārkristalizācijas līmeni bez lielas temperatūras paaugstināšanās, kas tradicionāli saistīta ar birstošiem materiāliem. Konstrukcijas laikā metāla komponentu gala slāņa slāņa darbība var tikt veikta, izmantojot šo fenomenu. Tādi elementi kā optiskās šķiedras 49, pastiprinājumi 46, elektronika 50 un termopāri (šis darbs) ir veiksmīgi iestrādāti UAM konstrukcijās, lai izveidotu aktīvus un pasīvus kompozītmateriālu mezglus.
Šajā darbā ir izmantotas gan UAM dažādu materiālu savienošanas, gan interkalācijas iespējas, lai izveidotu galīgo katalītiskās temperatūras uzraudzības mikroreaktoru.
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 ķīmiskās apstrādes rūpniecībai. s darbojas labi, ja nav citu ligandu. Šie ligandi bieži ir strukturāli vienkārši un, ja nepieciešams, lēti, turpretim Pd ķīmijā izmantotie ligandi bieži ir sarežģīti, dārgi un gaisa jutīgi (iv) Cu, īpaši pazīstams ar spēju sintēzē saistīt alkīnus, Piemēram, bimetāla katalizēta Sonogashira var veicināt klikšķu savienojumu (arī cikliskusavienošanos) vairāku nukleofilu arilēšana Ulmana tipa reakcijās.
Visu šo reakciju heterogenizācijas piemēri nesen tika demonstrēti Cu(0) klātbūtnē. Tas lielā mērā ir saistīts ar farmācijas nozari un pieaugošo uzmanību metālu katalizatoru reģenerācijai un atkārtotai izmantošanai55,56.
1,3-dipolārā cikla pievienošanas reakcija starp acetilēnu un azīdu līdz 1,2,3-triazolam, ko 1960. gados ieviesa Huisgens57, tiek uzskatīta par sinerģisku demonstrācijas reakciju. Rezultātā iegūtās 1,2,3 triazola daļas ir īpaši svarīgas kā farmakofors zāļu atklāšanā un dažādu bioloģisko līdzekļu izmantošanas jomā5.
Šī reakcija atkal nonāca uzmanības centrā, kad Sharpless un citi iepazīstināja ar “ķīmijas” jēdzienu 59. Termins “klikšķa ķīmija” tiek izmantots, lai aprakstītu stabilu, uzticamu un selektīvu reakciju kopumu jaunu savienojumu un kombinatorisko bibliotēku ātrai sintēzei, izmantojot heteroatomu savienojumu (CXC) 60 Sinhtētiski pievilcīgi un ūdens sinhronizēti un ūdenstekstatūra ir vienkārša.
Klasiskā Huisgen 1,3-dipola cikloaddīcija neietilpst “klikšķu ķīmijas” kategorijā. Tomēr Medal un Sharpless pierādīja, ka šis azīda-alkīna savienojuma notikums Cu(I) klātbūtnē tiek pakļauts 107 līdz 108, salīdzinot ar nekatalizēto 1,3-dipolu reakcijas mehānisma uzlabošanos. grupām vai skarbiem reakcijas apstākļiem un nodrošina gandrīz pilnīgu pārvēršanos un selektivitāti uz 1,4-diaizvietotiem 1,2,3-triazoliem (anti-1,2,3-triazolu) laika skalā (3. attēls).
Konvencionālo un ar varu katalizēto Huisgen ciklopievienojumu izometriskie rezultāti. Cu(I)-katalizētas Huisgen cikloaddicijas dod tikai 1,4-diaizvietotus 1,2,3-triazolus, turpretim termiski inducētās Huisgen ciklopievienošanās parasti rada 1,4- un 1,5-triazolu stereoizolu maisījumu.
Lielākā daļa protokolu ietver stabilu Cu(II) avotu samazināšanu, piemēram, CuSO4 vai Cu(II)/Cu(0) sugu reducēšanu kopā ar nātrija sāļiem. Salīdzinot ar citām metālu katalizētām reakcijām, Cu(I) izmantošanai ir galvenās priekšrocības, jo tā ir lēta un viegli lietojama.
Kinētiskās un izotopu marķēšanas pētījumi, ko veica Worrell et al.65 parādīja, ka terminālo alkīnu gadījumā divi ekvivalenti vara ir iesaistīti katras molekulas reaktivitātes aktivizēšanā pret azīdu. Ierosinātais mehānisms darbojas caur sešu locekļu vara metāla gredzenu, kas veidojas, koordinējot azīdu ar σ-saistītu vara acetilīdu ar π-saistītu varu, kam seko π-saistīts vara kā stabila donora vara liganda atvasinājums, kas tiek veidots, lai atvasinātu vara ligandu. triazola produktus un aizveriet katalītisko ciklu.
Lai gan plūsmas ķīmijas ierīču priekšrocības ir labi dokumentētas, ir bijusi vēlme šajās sistēmās integrēt analītiskos rīkus in-line, in situ procesa uzraudzībai66,67.UAM izrādījās piemērota metode ļoti sarežģītu 3D plūsmas reaktoru projektēšanai un ražošanai, kas izgatavoti no katalītiski aktīviem, siltumvadītiem materiāliem ar tieši iegultiem elementiem4.
Alumīnija-vara plūsmas reaktors, kas izgatavots ar ultraskaņas piedevu ražošanu (UAM) ar sarežģītu iekšējo kanālu struktūru, iegultiem termopāriem un katalītisko reakcijas kameru. Lai vizualizētu iekšējos šķidruma ceļus, parādīts arī caurspīdīgs prototips, kas izgatavots, izmantojot stereolitogrāfiju.
Lai nodrošinātu, ka reaktori ir izgatavoti turpmākām organiskām reakcijām, šķīdinātāji ir droši jāuzsilda virs viršanas temperatūras;tie ir pārbaudīti spiedienā un temperatūrā.Spiediena pārbaude parādīja, ka sistēma uztur stabilu un nemainīgu spiedienu pat ar paaugstinātu sistēmas spiedienu (1,7 MPa).Hidrostatiskais tests tika veikts istabas temperatūrā, kā šķidrumu izmantojot H2O.
Iegultā (1. attēls) termopāra pievienošana temperatūras datu reģistrētājam parādīja, ka termopāris bija par 6 °C (± 1 °C) vēsāks nekā FlowSyn sistēmā ieprogrammētā temperatūra. Parasti temperatūras paaugstināšanās par 10 °C izraisa reakcijas ātruma dubultošanos, tāpēc tikai dažu grādu temperatūras atšķirība visā laikā var būtiski mainīt reakcijas ātrumu. ražošanas procesā izmantoto materiālu intensitāte.Šī termiskā novirze ir konsekventa, un tāpēc to var ņemt vērā aprīkojuma iestatījumos, lai nodrošinātu precīzas temperatūras sasniegšanu un mērīšanu reakcijas laikā.Tāpēc šis tiešsaistes uzraudzības rīks atvieglo reakcijas temperatūras stingru kontroli un atvieglo procesa precīzāku optimizāciju un optimālu apstākļu izstrādi. Šos sensorus var izmantot arī, lai identificētu reakcijas eksotermas un novērstu liela mēroga sistēmas reakcijas.
Šajā darbā parādītais 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) ziņoto problēmu pārvarēšana saistībā ar vara vai alumīnija sakausējuma apstrādi (ii) uzlabota iekšējā kanālu izšķirtspēja, salīdzinot ar pulvera slāņa saplūšanu (PBF) materiāla virsmas kausēšanas paņēmieniem (6 un Populāras plūsmas) vai virsmas teksturēšanas metodēm5. (iii) Samazināta apstrādes temperatūra, kas atvieglo sensoru tiešu savienošanu, kas nav iespējama pulvera slāņa tehnoloģijā, (v) pārvar sliktās mehāniskās īpašības un polimēru komponentu komponentu jutīgumu pret dažādiem izplatītiem organiskiem šķīdinātājiem17,19.
Reaktora funkcionalitāte tika demonstrēta ar vara katalizētu alkīna azīda ciklopievienošanas reakciju sēriju nepārtrauktas plūsmas apstākļos (2. att.). 4. attēlā aprakstītais ar ultraskaņas drukāto vara reaktoru tika integrēts komerciālā plūsmas sistēmā un tika izmantots, lai sintezētu dažādu 1,4-diaizvietotu 1,4-diaizvietotu 1,2-halogenilazolīdu grupu un temperatūras kontroles reakcijas 1,2-halogenilazolu bibliotēkas azīdus. nātrija hlorīda (3. attēls). Nepārtrauktas plūsmas pieejas izmantošana mazina 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 jodacetilēna (Shchemodoethanyne)1 – sichemocethanyne) ciklopievienošanai. (skat. 5. attēlu).
(Augšējā kreisajā pusē) Iestatījuma shēma, kas izmantota, lai iekļautu 3DP reaktoru plūsmas sistēmā (augšējā labajā stūrī), kas iegūta Huisgen cycloaddition 57 shēmas optimizētajā (apakšā) shēmā starp fenilacetilēnu un jodetānu, lai optimizētu un parādītu optimizēto parametru reakcijas konversijas ātrumu.
Kontrolējot reaģentu uzturēšanās laiku reaktora katalītiskajā daļā un rūpīgi sekojot reakcijas temperatūrai ar tieši integrētu termopāra zondi, reakcijas apstākļus var optimizēt ātri un precīzi ar minimālu laika un materiāla patēriņu. Ātri tika noskaidrots, ka vislielākās konversijas iegūtas, ja tiek izmantots 15 minūšu uzturēšanās laiks un reakcijas temperatūras grafiks 150 °C. No reakcijas laika un reakcijas temperatūras grafikā nozīmīgi var tikt izmantoti programmatūras uzturēšanās laika termini, kā arī reakcijas temperatūras modelis MODDE. .Palaižot iebūvēto optimizētāju, izmantojot šos atlasītos terminus, tiek ģenerēta reakcijas apstākļu kopa, kas paredzēta, lai maksimāli palielinātu produkta pīķu laukumus, vienlaikus samazinot izejmateriāla pīķu laukumus. Šī optimizācija nodrošināja triazola produkta konversiju par 53%, kas cieši atbilda modeļa prognozei — 54%.
Pamatojoties uz literatūru, kas liecina, ka vara(I) oksīds (Cu2O) šajās reakcijās var darboties kā efektīva katalītiskā viela uz nulles valenta vara virsmām, tika pētīta spēja priekšoksidēt reaktora virsmu pirms reakcijas plūsmā70,71. Reakcija starp fenilacetilēnu un atkal tika salīdzināta ar šo optimālo preparāta iznākumu un pēc tam tika novērots būtisks iznākuma pieaugums. izejmateriāla pārvēršanā, kas tika aprēķināta kā >99%.Tomēr monitorings ar HPLC parādīja, ka šī konversija ievērojami samazināja pārmērīgi ilgstošo reakcijas laiku līdz aptuveni 90 minūtēm, pēc tam šķiet, ka aktivitāte izlīdzinājās un sasniedza “līdzsvara stāvokli”. Šis novērojums liecina, ka katalītiskās aktivitātes avots tiek iegūts no virsmas vara oksīda CuO formā, nevis no vara oksīda C2 substrāta, kas ir viegli istabas temperatūrā. kas nav pašaizsardzības slāņi.Tas novērš nepieciešamību pievienot papildu vara(II) avotu kopsastāvēšanai71.