Ви благодариме што ја посетивте Nature.com. Верзијата на прелистувачот што ја користите има ограничена поддршка за CSS. За најдобро искуство, препорачуваме да користите ажуриран прелистувач (или да го оневозможите режимот на компатибилност во Internet Explorer). Во меѓувреме, за да обезбедиме континуирана поддршка, ќе ја прикажеме страницата без стилови и JavaScript.
Вртелешка што прикажува три слајдови истовремено. Користете ги копчињата „Претходно“ и „Следно“ за да се движите низ три слајдови одеднаш или користете ги лизгачките копчиња на крајот за да се движите низ три слајдови одеднаш.
Адитивното производство го менува начинот на кој истражувачите и индустријалците дизајнираат и произведуваат хемиски уреди за да ги задоволат нивните специфични потреби. Во овој труд, го објавуваме првиот пример на проточен реактор формиран со ламинација на цврст метален лим со ултразвучно адитивно производство (UAM) со директно интегрирани каталитички делови и сензорски елементи. Технологијата UAM не само што ги надминува многу од ограничувањата што моментално се поврзани со адитивното производство на хемиски реактори, туку и значително ги проширува можностите на таквите уреди. Голем број биолошки важни 1,4-дисупституирани 1,2,3-триазолни соединенија се успешно синтетизирани и оптимизирани со Cu-посредувана 1,3-диполарна Huisgen циклоаддициска реакција со користење на хемискиот објект UAM. Користејќи ги уникатните својства на UAM и континуираната обработка на проток, уредот е способен да катализира тековни реакции, како и да обезбеди повратни информации во реално време за следење и оптимизирање на реакциите.
Поради своите значајни предности во однос на нејзиниот еквивалент во големи количини, проточната хемија е важна и растечка област и во академските и во индустриските услови поради нејзината способност да ја зголеми селективноста и ефикасноста на хемиската синтеза. Ова се протега од формирање на едноставни органски молекули1 до фармацевтски соединенија2,3 и природни производи4,5,6. Над 50% од реакциите во фината хемиска и фармацевтската индустрија можат да имаат корист од континуираниот проток7.
Во последниве години, постои растечки тренд на групи кои сакаат да ги заменат традиционалните стаклени садови или опрема за проточна хемија со прилагодливи хемиски „реактори“8. Итеративниот дизајн, брзото производство и тродимензионалните (3D) можности на овие методи се корисни за оние кои сакаат да ги прилагодат своите уреди за одреден сет на реакции, уреди или услови. До денес, оваа работа се фокусираше речиси исклучиво на употребата на техники за 3D печатење базирани на полимери, како што се стереолитографија (SL)9,10,11, моделирање со фузирано депозиција (FDM)8,12,13,14 и инк-џет печатење7,15. , 16. Недостатокот на сигурност и способност на таквите уреди да извршуваат широк спектар на хемиски реакции/анализи17, 18, 19, 20 е главен ограничувачки фактор за пошироката примена на AM во оваа област17, 18, 19, 20.
Поради зголемената употреба на проточна хемија и поволните својства поврзани со AM, треба да се истражат подобри техники што ќе им овозможат на корисниците да произведуваат садови за проточна реакција со подобрени хемиски и аналитички способности. Овие методи треба да им овозможат на корисниците да избираат од низа материјали со висока јачина или функционални материјали способни да работат под широк спектар на услови на реакција, како и да олеснат различни форми на аналитички излез од уредот за да се овозможи следење и контрола на реакцијата.
Еден процес на адитивно производство што може да се користи за развој на хемиски реактори по нарачка е Ултразвучно адитивно производство (UAM). Овој метод на ламинирање на листови во цврста состојба применува ултразвучни вибрации на тенки метални фолии за да ги спои слој по слој со минимално волуметриско загревање и висок степен на пластичен проток 21, 22, 23. За разлика од повеќето други AM технологии, UAM може директно да се интегрира со субтрактивно производство, познато како хибриден процес на производство, во кој периодичното нумеричко контролирање in-situ (CNC) глодање или ласерска обработка ја одредува нето формата на слојот од врзаниот материјал 24, 25. Ова значи дека корисникот не е ограничен на проблемите поврзани со отстранувањето на преостанатиот оригинален градежен материјал од мали течни канали, што често е случај кај прашкастите и течните системи AM26,27,28. Оваа слобода на дизајнирање се протега и на изборот на достапни материјали - UAM може да спои комбинации од термички слични и различни материјали во еден чекор на процесот. Изборот на комбинации на материјали надвор од процесот на топење значи дека механичките и хемиските барања на специфичните апликации можат подобро да се исполнат. Покрај цврстото врзување, друг феномен што се јавува кај ултразвучното врзување е високата флуидност на пластичните материјали на релативно ниски температури29,30,31,32,33. Оваа единствена карактеристика на UAM овозможува поставување на механички/термички елементи помеѓу металните слоеви без оштетување. Вградените UAM сензори можат да го олеснат доставувањето на информации во реално време од уредот до корисникот преку интегрирана аналитика.
Претходна работа од авторите32 ја демонстрираше способноста на UAM процесот да создава метални 3D микрофлуидни структури со вградени можности за сензорирање. Овој уред е само за цели на следење. Оваа статија го претставува првиот пример на микрофлуиден хемиски реактор произведен од UAM, активен уред кој не само што контролира, туку и индуцира хемиска синтеза со структурно интегрирани каталитички материјали. Уредот комбинира неколку предности поврзани со UAM технологијата во производството на 3D хемиски уреди, како што се: способност за конвертирање на комплетен 3D дизајн директно од модел на компјутерски потпомогнат дизајн (CAD) во производ; изработка од повеќе материјали за комбинација од висока топлинска спроводливост и каталитички материјали, како и термички сензори вградени директно помеѓу реактантите за прецизна контрола и управување со температурата на реакцијата. За да се демонстрира функционалноста на реакторот, беше синтетизирана библиотека од фармацевтски важни 1,4-дисупституирани 1,2,3-триазолни соединенија со бакар-катализирана 1,3-диполарна Huisgen циклоаддиција. Ова дело истакнува како употребата на науката за материјали и компјутерски потпомогнатиот дизајн може да отвори нови можности и можности за хемијата преку интердисциплинарно истражување.
Сите растворувачи и реагенси беа купени од Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI или Fischer Scientific и беа употребени без претходно прочистување. 1H и 13C NMR спектрите снимени на 400 и 100 MHz, соодветно, беа добиени на спектрометар JEOL ECS-400 од 400 MHz или на спектрометар Bruker Avance II од 400 MHz со CDCl3 или (CD3)2SO како растворувач. Сите реакции беа извршени со користење на платформата за проточна хемија Uniqsis FlowSyn.
UAM беше користен за производство на сите уреди во оваа студија. Технологијата е измислена во 1999 година, а нејзините технички детали, оперативни параметри и развој од нејзиното измислување може да се изучуваат со помош на следните објавени материјали34,35,36,37. Уредот (сл. 1) беше имплементиран со помош на тежок систем SonicLayer 4000® UAM од 9 kW (Fabrisonic, Охајо, САД). Материјалите избрани за уредот за проток беа Cu-110 и Al 6061. Cu-110 има висока содржина на бакар (минимум 99,9% бакар), што го прави добар кандидат за реакции катализирани од бакар и затоа се користи како „активен слој во микрореакторот“. Al 6061O се користи како „масовен“ материјал. , како и интеркалацискиот слој што се користи за анализа; интеркалација на помошни компоненти од легура и жарена состојба во комбинација со слој Cu-110. се покажа дека е хемиски стабилен со реагенсите што се користат во оваа работа. Al 6061O во комбинација со Cu-110 исто така се смета за компатибилна комбинација на материјали за UAM и затоа е соодветен материјал за оваа студија38,42. Овие уреди се наведени во Табела 1 подолу.
Чекори на изработка на реактор (1) Подлога од алуминиумска легура 6061 (2) Изработка на долен канал од бакарна фолија (3) Вметнување на термопарови помеѓу слоевите (4) Горен канал (5) Влез и излез (6) Монолитен реактор.
Филозофијата на дизајнот на флуидните канали е да се користи кривулеста патека за да се зголеми растојанието што го поминува течноста во чипот, а воедно да се одржи управлива големина на чипот. Ова зголемување на растојанието е пожелно за да се зголеми времето на контакт катализатор-реактантот и да се обезбедат одлични приноси на производот. Чиповите користат кривини од 90° на краевите на права патека за да предизвикаат турбулентно мешање во уредот44 и да го зголемат времето на контакт на течноста со површината (катализатор). За понатамошно подобрување на мешањето што може да се постигне, дизајнот на реакторот вклучува два влеза на реактантот комбинирани во Y-врска пред да влезат во делот за мешање. Третиот влез, кој го преминува протокот на половина пат од неговото престојување, е вклучен во планот за идните повеќестепени синтетички реакции.
Сите канали имаат квадратен профил (без конусни агли), што е резултат на периодичното CNC глодање што се користи за создавање на геометријата на каналот. Димензиите на каналот се избрани за да обезбедат висок (за микрореактор) волуметриски принос, но сепак доволно мали за да се олесни интеракцијата со површината (катализатори) за повеќето течности што ги содржи. Соодветната големина се базира на минатото искуство на авторите со уреди за реакција метал-течност. Внатрешните димензии на конечниот канал беа 750 µm x 750 µm, а вкупниот волумен на реакторот беше 1 ml. Вграден конектор (1/4″-28 UNF навој) е вклучен во дизајнот за да се овозможи лесно поврзување на уредот со комерцијална опрема за хемија на проток. Големината на каналот е ограничена од дебелината на фолијата, неговите механички својства и параметрите на сврзување што се користат со ултразвук. На одредена ширина за даден материјал, материјалот ќе се „спушти“ во создадениот канал. Моментално не постои специфичен модел за оваа пресметка, па затоа максималната ширина на каналот за даден материјал и дизајн се одредува експериментално, во кој случај ширина од 750 µm нема да предизвика пропаѓање.
Обликот (квадрат) на каналот се одредува со помош на квадратен секач. Обликот и големината на каналите може да се менуваат на CNC машини со користење на различни алатки за сечење за да се добијат различни брзини на проток и карактеристики. Пример за создавање закривен канал со алатка од 125 µm може да се најде во Monaghan45. Кога слојот од фолија се нанесува рамно, нанесувањето на материјалот од фолија на каналите ќе има рамна (квадратна) површина. Во ова дело, квадратна контура е користена за да се зачува симетријата на каналот.
За време на програмирана пауза во производството, сензорите за температура на термопаровите (тип K) се вградени директно во уредот помеѓу горната и долната група на канали (сл. 1 – фаза 3). Овие термопарови можат да контролираат температурни промени од -200 до 1350 °C.
Процесот на таложење на метал се изведува со рог на UAM со употреба на метална фолија широка 25,4 mm и дебелина од 150 микрони. Овие слоеви на фолија се поврзани во серија соседни ленти за да ја покријат целата површина на градење; големината на таложениот материјал е поголема од финалниот производ бидејќи процесот на одземање ја создава конечната чиста форма. CNC обработката се користи за обработка на надворешните и внатрешните контури на опремата, што резултира со завршна обработка на површината на опремата и каналите што одговараат на избраната алатка и параметрите на CNC процесот (во овој пример, околу 1,6 µm Ra). Континуирано, континуирано ултразвучно прскање на материјал и циклуси на обработка се користат во текот на целиот процес на производство на уредот за да се обезбеди одржување на димензионалната точност и дека завршениот дел ги исполнува нивоата на прецизност на CNC финото глодање. Ширината на каналот што се користи за овој уред е доволно мала за да се обезбеди дека материјалот од фолијата нема да „висне“ во каналот за флуид, така што каналот има квадратен пресек. Можните празнини во материјалот од фолијата и параметрите на процесот на UAM беа експериментално утврдени од страна на партнерот за производство (Fabrisonic LLC, САД).
Студиите покажаа дека на интерфејсот 46, 47 на соединението UAM има мала дифузија на елементи без дополнителна термичка обработка, па за уредите во оваа работа слојот Cu-110 останува различен од слојот Al 6061 и драматично се менува.
Инсталирајте претходно калибриран регулатор на задниот притисок (BPR) на 250 psi (1724 kPa) низводно од реакторот и пумпајте вода низ реакторот со брзина од 0,1 до 1 ml min-1. Притисокот во реакторот беше следен со помош на предавателот на притисок FlowSyn вграден во системот за да се осигури дека системот може да одржува константен стабилен притисок. Потенцијалните градиенти на температурата во проточниот реактор беа тестирани со барање на какви било разлики помеѓу термопаровите вградени во реакторот и термопаровите вградени во грејната плоча на чипот FlowSyn. Ова се постигнува со менување на програмираната температура на грејната плоча помеѓу 100 и 150 °C во интервали од 25 °C и следење на какви било разлики помеѓу програмираните и снимените температури. Ова беше постигнато со помош на логерот на податоци tc-08 (PicoTech, Кембриџ, Велика Британија) и придружниот софтвер PicoLog.
Условите за реакцијата на циклоадиција на фенилацетилен и јодоетан се оптимизирани (Шема 1 - Циклоадиција на фенилацетилен и јодоетан, Шема 1 - Циклоадиција на фенилацетилен и јодоетан). Оваа оптимизација е извршена со користење на пристап на целосен факториелен дизајн на експерименти (DOE), користејќи ја температурата и времето на престој како променливи, додека односот алкин:азид е фиксиран на 1:2.
Подготвени се одделни раствори од натриум азид (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), јодоетан (0,25 M, DMF) и фенилацетилен (0,125 M, DMF). Аликвот од 1,5 ml од секој раствор е измешан и пумпан низ реакторот со саканата брзина на проток и температура. Одговорот на моделот е земен како однос на површината на пикот на триазолниот производ кон почетниот материјал фенилацетилен и е определен со употреба на високо-перформансна течна хроматографија (HPLC). За конзистентност на анализата, сите реакции се земаат веднаш откако реакционата смеса го напуштила реакторот. Опсезите на параметри избрани за оптимизација се прикажани во Табела 2.
Сите примероци беа анализирани со помош на Chromaster HPLC систем (VWR, PA, САД) кој се состоеше од кватернерна пумпа, колонска печка, UV детектор со променлива бранова должина и автосемплер. Колоната беше Equivalence 5 C18 (VWR, PA, САД), 4,6 x 100 mm, големина на честички 5 µm, одржувана на 40°C. Растворувачот беше изократски метанол:вода 50:50 со брзина на проток од 1,5 ml·min-1. Волуменот на инјектирање беше 5 μl, а брановата должина на детекторот беше 254 nm. % површината на пикот за DOE примерокот беше пресметана од површините на пикот само на преостанатите алкински и триазолни производи. Воведувањето на почетниот материјал овозможува идентификување на соодветните пикови.
Комбинирањето на резултатите од анализата на реакторот со софтверот MODDE DOE (Umetrics, Малме, Шведска) овозможи темелна анализа на трендовите на резултатите и одредување на оптималните услови за реакција за оваа циклоаддиција. Со стартување на вградениот оптимизатор и избирање на сите важни услови на моделот се создава збир на услови за реакција дизајнирани да ја максимизираат површината на пикот на производот, а воедно да ја намалат површината на пикот за ацетиленската суровина.
Оксидацијата на површината на бакарот во комората за каталитичка реакција беше постигната со употреба на раствор од водород пероксид (36%) што течеше низ комората за реакција (брзина на проток = 0,4 ml min-1, време на престој = 2,5 min) пред синтезата на секое триазолно соединение. библиотека.
Откако беше утврден оптималниот сет на услови, тие беа применети на низа деривати на ацетилен и халоалкан за да се овозможи компилација на мала библиотека за синтеза, со што се воспостави можноста за примена на овие услови на поширок опсег на потенцијални реагенси (Сл. 1). 2).
Подгответе одделни раствори од натриум азид (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), халоалкани (0,25 M, DMF) и алкини (0,125 M, DMF). Аликвоти од 3 ml од секој раствор беа измешани и пумпани низ реакторот со брзина од 75 µl/min и температура од 150°C. Целиот волумен беше собран во шишенце и разреден со 10 ml етил ацетат. Растворот од примерокот беше измиен со 3 x 10 ml вода. Водените слоеви беа комбинирани и екстрахирани со 10 ml етил ацетат, потоа органските слоеви беа комбинирани, измиени со 3 × 10 ml саламура, сушени над MgSO4 и филтрирани, а потоа растворувачот беше отстранет во вакуум. Примероците беа прочистени со хроматографија на колона во силика гел со употреба на етил ацетат пред анализата со комбинација од HPLC, 1H NMR, 13C NMR и масена спектрометрија со висока резолуција (HR-MS).
Сите спектри се добиени со помош на масен спектрометар Thermofischer Precision Orbitrap со ESI како извор на јонизација. Сите примероци се подготвени со употреба на ацетонитрил како растворувач.
TLC анализата беше спроведена на силициумски плочи со алуминиумска подлога. Плочите беа визуелизирани со УВ светлина (254 nm) или боење со ванилин и загревање.
Сите примероци беа анализирани со помош на систем VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) опремен со автосемплер, бинарна пумпа со колонска печка и детектор со една бранова должина. Беше користена колона ACE Equivalence 5 C18 (150 x 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Абердин, Шкотска).
Инјекциите (5 µl) беа направени директно од разредената сурова реакциона смеса (разредување 1:10) и анализирани со вода:метанол (50:50 или 70:30), освен за некои примероци што користеа систем на растворувачи 70:30 (означен како ѕвезден број) со брзина на проток од 1,5 ml/min. Колоната се чуваше на 40°C. Брановата должина на детекторот е 254 nm.
% површината на пикот на примерокот беше пресметана од површината на пикот на преостанатиот алкин, само триазолниот производ, а воведувањето на почетниот материјал овозможи да се идентификуваат соодветните пикови.
Сите примероци беа анализирани со помош на Thermo iCAP 6000 ICP-OES. Сите стандарди за калибрација беа подготвени со помош на стандарден раствор од Cu од 1000 ppm во 2% азотна киселина (SPEX Certi Prep). Сите стандарди беа подготвени во раствор од 5% DMF и 2% HNO3, а сите примероци беа разредени 20 пати со раствор од примерок од DMF-HNO3.
UAM користи ултразвучно заварување на метал како метод за спојување на металната фолија што се користи за создавање на конечното склопување. Ултразвучното заварување на метал користи вибрирачка метална алатка (наречена рог или ултразвучен рог) за да се примени притисок врз фолијата/претходно консолидираниот слој што треба да се залепи/претходно консолидиран со вибрирање на материјалот. За континуирано работење, сонотродата има цилиндрична форма и се тркала по површината на материјалот, лепејќи ја целата површина. Кога се применуваат притисок и вибрации, оксидите на површината на материјалот можат да попуштат. Постојаниот притисок и вибрациите можат да доведат до уништување на грубоста на материјалот 36. Блискиот контакт со локализирана топлина и притисок потоа води до врска во цврста фаза на интерфејсите на материјалот; исто така може да промовира кохезија со промена на површинската енергија 48. Природата на механизмот за врзување ги надминува многу од проблемите поврзани со променливата температура на топење и ефектите на висока температура споменати во други технологии за адитивно производство. Ова овозможува директно поврзување (т.е. без модификација на површината, полнила или лепила) на неколку слоеви од различни материјали во една консолидирана структура.
Вториот поволен фактор за CAM е високиот степен на пластичен проток забележан кај металните материјали дури и на ниски температури, т.е. далеку под точката на топење на металните материјали. Комбинацијата на ултразвучни вибрации и притисок предизвикува високо ниво на локална миграција на границите на зрната и рекристализација без значително зголемување на температурата што традиционално се поврзува со материјалите во големи количини. За време на создавањето на конечната монтажа, овој феномен може да се користи за вградување на активни и пасивни компоненти помеѓу слоевите на металната фолија, слој по слој. Елементи како што се оптичко влакно 49, засилување 46, електроника 50 и термопарови (оваа работа) се успешно интегрирани во UAM структурите за да се создадат активни и пасивни композитни склопови.
Во оваа работа, беа искористени и различните можности за врзување на материјалите и можностите за интеркалација на UAM за да се создаде идеален микрореактор за каталитичка контрола на температурата.
Во споредба со паладиумот (Pd) и другите најчесто користени метални катализатори, катализата со Cu има неколку предности: (i) Економски, Cu е поевтин од многу други метали што се користат во катализата и затоа е привлечна опција за хемиската индустрија (ii) опсегот на реакции на вкрстено спојување катализирани од Cu се шири и се чини дека е донекаде комплементарен на методологиите базирани на Pd51, 52, 53 (iii) Реакциите катализирани од Cu добро функционираат во отсуство на други лиганди. Овие лиганди често се структурно едноставни и ефтини, додека оние што се користат во Pd хемијата често се сложени, скапи и чувствителни на воздух (iv) Cu, особено познат по својата способност да врзува алкини во синтезата, како што е биметално катализираното спојување и циклоаддиција на Sonogashira со азиди (click chemistry) (v) Cu може да ја промовира и арилацијата на некои нуклеофили во реакциите од типот на Улман.
Неодамна, беа демонстрирани примери за хетерогенизација на сите овие реакции во присуство на Cu(0). Ова во голема мера се должи на фармацевтската индустрија и растечкиот фокус на обновување и повторна употреба на метални катализатори55,56.
1,3-диполарната циклоадциска реакција помеѓу ацетилен и азид до 1,2,3-триазол, првпат предложена од Хајсген во 1960-тите57, се смета за синергистичка демонстративна реакција. Резултирачките фрагменти од 1,2,3 триазол се од особен интерес како фармакофор во откривањето лекови поради нивните биолошки примени и употреба во различни терапевтски агенси58.
Оваа реакција доби обновено внимание кога Шарплес и други го воведоа концептот на „клик хемија“59. Терминот „клик хемија“ се користи за да се опише робустен и селективен сет на реакции за брза синтеза на нови соединенија и комбинаторни библиотеки со користење на хетероатомско поврзување (CXC)60. Синтетичката привлечност на овие реакции се должи на високите приноси поврзани со нив. Условите се едноставни, отпорноста на кислород и вода, а одвојувањето на производите е едноставно61.
Класичната 1,3-диполна Хајсгенова циклоаддиција не спаѓа во категоријата „клик хемија“. Сепак, Медал и Шарплес покажаа дека овој настан на спојување азид-алкин се подложува на 107–108 во присуство на Cu(I) во споредба со значително забрзување на брзината на некаталитичката 1,3-диполарна циклоаддиција 62,63. Овој напреден механизам на реакција не бара заштитни групи или сурови услови на реакција и обезбедува речиси целосна конверзија и селективност на 1,4-дисупституирани 1,2,3-триазоли (анти-1,2,3-триазоли) со текот на времето (Сл. 3).
Изометриски резултати од конвенционални и бакарно-катализирани Хајсгенови циклоадиции. Хајсгеновите циклоадиции катализирани со Cu(I) даваат само 1,4-дисупституирани 1,2,3-триазоли, додека термички индуцираните Хајсгенови циклоадиции обично даваат 1,4- и 1,5-триазоли во мешавина од азолни стереоизомери во сооднос 1:1.
Повеќето протоколи вклучуваат редукција на стабилни извори на Cu(II), како што е редукцијата на CuSO4 или соединението Cu(II)/Cu(0) во комбинација со натриумови соли. Во споредба со други реакции катализирани од метал, употребата на Cu(I) има главни предности што е ефтина и лесна за ракување.
Кинетичките и изотопските студии од Ворел и сор. 65 покажаа дека во случај на терминални алкини, два еквиваленти на бакар се вклучени во активирањето на реактивноста на секој молекул во однос на азидот. Предложениот механизам се одвива преку шестчлен метален прстен од бакар формиран со координација на азид со σ-врзан бакар ацетилид со π-врзан бакар како стабилен донорски лиганд. Дериватите на бакар триазолил се формираат како резултат на контракција на прстенот проследена со распаѓање на протоните за да се формираат триазолни производи и да се затвори каталитичкиот циклус.
Иако придобивките од уредите за хемија на проток се добро документирани, постои желба да се интегрираат аналитички алатки во овие системи за следење на процесите во реално време in situ66,67. UAM се покажа како соодветен метод за дизајнирање и производство на многу сложени 3D проточни реактори од каталитички активни, термички спроводливи материјали со директно вградени сензорски елементи (Сл. 4).
Алуминиум-бакарен проточен реактор произведен со ултразвучно адитивно производство (UAM) со комплексна внатрешна канална структура, вградени термопарови и каталитичка реакциона комора. За визуелизација на внатрешните патеки на флуидот, прикажан е и транспарентен прототип направен со стереолитографија.
За да се осигури дека реакторите се направени за идни органски реакции, растворувачите мора безбедно да се загреат над нивната точка на вриење; тие се тестираат под притисок и температура. Тестирањето на притисок покажа дека системот одржува стабилен и константен притисок дури и при покачен притисок во системот (1,7 MPa). Хидростатските тестови беа извршени на собна температура со употреба на H2O како течност.
Поврзувањето на вградениот (Слика 1) термоспој со логерот на температурни податоци покажа дека температурата на термоспојот е 6 °C (± 1 °C) под програмираната температура во системот FlowSyn. Типично, зголемувањето на температурата од 10°C ја дуплира брзината на реакцијата, па затоа температурна разлика од само неколку степени може значително да ја промени брзината на реакцијата. Оваа разлика се должи на загубата на температура низ целиот RPV поради високата термичка дифузија на материјалите што се користат во процесот на производство. Ова термичко поместување е константно и затоа може да се земе предвид при поставување на опремата за да се обезбеди постигнување и мерење на точни температури за време на реакцијата. Така, оваа алатка за онлајн следење овозможува строга контрола на температурата на реакцијата и придонесува за попрецизна оптимизација на процесот и развој на оптимални услови. Овие сензори може да се користат и за откривање на егзотермни реакции и спречување на неконтролирани реакции во системи со голем обем.
Реакторот презентиран во овој труд е прв пример за примена на UAM технологијата во производството на хемиски реактори и се справува со неколку главни ограничувања што моментално се поврзани со AM/3D печатењето на овие уреди, како што се: (i) Надминување на забележаните проблеми поврзани со обработката на бакар или алуминиумска легура (ii) подобрена резолуција на внатрешниот канал во споредба со методите на топење во прашкаст слој (PBF) како што е селективно ласерско топење (SLM)25,69 Слаб проток на материјал и груба текстура на површината26 (iii) пониска температура на обработка, што овозможува директно поврзување на сензорите, што не е можно во технологијата на прашкаст слој, (v) надминување на лошите механички својства и чувствителност на компонентите базирани на полимери на различни вообичаени органски растворувачи17,19.
Функционалноста на реакторот беше демонстрирана со серија реакции на циклоадиција на алкиназид катализирани од бакар под услови на континуиран проток (Сл. 2). Ултразвучно печатениот бакарен реактор прикажан на сл. 4 беше интегриран со комерцијален систем на проток и користен за синтеза на азидна библиотека од различни 1,4-дисупституирани 1,2,3-триазоли користејќи реакција на ацетилен и халиди на алкил група контролирана со температура во присуство на натриум хлорид (Сл. 3). Употребата на пристапот со континуиран проток ги намалува безбедносните проблеми што можат да се појават во сериските процеси, бидејќи оваа реакција произведува високо реактивни и опасни азидни меѓупроизводи [317], [318]. Првично, реакцијата беше оптимизирана за циклоадиција на фенилацетилен и јодоетан (Шема 1 – Циклоадиција на фенилацетилен и јодоетан) (видете Сл. 5).
(Горено лево) Шема на поставеноста што се користи за вклучување на 3DP реактор во систем на проток (горе десно) добиен од оптимизираната (долна) шема на шемата за циклоаддиција Huisgen 57 помеѓу фенилацетилен и јодоетан за оптимизација и прикажување на оптимизираните параметри на брзината на конверзија на реакцијата.
Со контролирање на времето на престој на реактантите во каталитичкиот дел од реакторот и внимателно следење на температурата на реакцијата со директно интегриран сензор за термопарови, условите на реакцијата можат брзо и прецизно да се оптимизираат со минимално време и материјали. Брзо беше откриено дека највисоката конверзија е постигната со користење на време на престој од 15 минути и температура на реакција од 150°C. Од графиконот на коефициентите на софтверот MODDE може да се види дека и времето на престој и температурата на реакцијата се сметаат за важни услови на моделот. Вклучувањето на вградениот оптимизатор со користење на овие избрани услови создава збир на услови на реакција дизајнирани да ги максимизираат површините на врвовите на производот, а воедно да ги намалат површините на врвовите на почетниот материјал. Оваа оптимизација даде конверзија од 53% на триазолниот производ, што точно се совпадна со предвидувањето на моделот од 54%.