Takk for at du besøker Nature.com. Nettleserversjonen du bruker har begrenset støtte for CSS. For den beste opplevelsen anbefaler vi at du bruker en oppdatert nettleser (eller slår av kompatibilitetsmodus i Internet Explorer). I mellomtiden, for å sikre fortsatt støtte, vil vi vise nettstedet uten stiler og JavaScript.
Additiv produksjon endrer måten forskere og industrifolk designer og produserer kjemiske enheter på for å møte deres spesifikke behov. I dette arbeidet rapporterer vi det første eksemplet på en strømningsreaktor dannet av solid-state metallplatelamineringsteknikken Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM) med direkte integrerte katalytiske deler og sensingelementer.Ikke bare begrensninger knyttet til reproduksjonsteknologi overvinner for tiden mange av UAM kjemiske manufacturer. s, men det øker også mulighetene til slike enheter betydelig. En serie med biologisk viktige 1,4-disubstituerte 1,2,3-triazolforbindelser ble vellykket syntetisert og optimalisert av en Cu-mediert Huisgen 1,3-dipolar sykloaddisjonsreaksjon ved bruk av et UAM-kjemioppsett. gi tilbakemelding i sanntid for reaksjonsovervåking og optimalisering.
På grunn av sine betydelige fordeler i forhold til sin bulk-motpart, er flytkjemi et viktig og voksende felt i både akademiske og industrielle omgivelser på grunn av sin evne til å øke selektiviteten og effektiviteten til kjemisk syntese. Dette strekker seg fra enkel organisk molekyldannelse1 til farmasøytiske forbindelser2,3 og naturlige produkter4,5,6.Mer enn 50 % av reaksjonene i den fine kjemiske og farmasøytiske industrien kan dra nytte av bruken av kontinuerlig flytbehandling7.
De siste årene har det vært en økende trend med grupper som ønsker å erstatte tradisjonelle glassvarer eller flytkjemiutstyr med tilpassbare additive manufacturing (AM) kjemi "reaksjonskar". polymerbaserte 3D-utskriftsteknikker som stereolitografi (SL)9,10,11, fused deposition modellering (FDM)8,12,13,14 og inkjet printing 7, 15, 16. Mangelen på robusthet og evne til slike enheter til å utføre et bredt spekter av kjemiske reaksjoner/analyser17, 18 er et stort område for implementering av AM, 19, 18,20. , 18, 19, 20 .
På grunn av den økende bruken av strømningskjemi og de gunstige egenskapene forbundet med AM, er det behov for å utforske mer avanserte teknikker som gjør det mulig for brukere å fremstille strømningsreaksjonskar med forbedrede kjemiske og analytiske evner. Disse teknikkene skal gjøre det mulig for brukere å velge mellom en rekke svært robuste eller funksjonelle materialer som er i stand til å håndtere et bredt spekter av reaksjonsforhold, samtidig som de tillater ulike former for overvåking og styring av reaksjonseffekter fra enheten til analytisk utgang.
En additiv produksjonsprosess som har potensial til å utvikle spesialtilpassede kjemiske reaktorer er Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM). Denne solid-state arklamineringsteknikken bruker ultralydsvingninger på tynne metallfolier for å binde dem sammen lag for lag med minimal bulk oppvarming og høy grad av plastflyt 21 , 22 .U kan subtrahere direkte med andre . turing, kjent som en hybrid produksjonsprosess, hvor in-situ periodisk computer numerisk kontroll (CNC) fresing eller lasermaskinering definerer nettoformen til et lag med bundet materiale 24, 25. Dette betyr at brukeren ikke er begrenset av problemene forbundet med å fjerne rester av råbyggemateriale fra små væskekanaler, som ofte er tilfellet med frie systemer for AM26,28,26,26,26,26,26,26,26,28, fritt for væske- og pulvermaterialer. – UAM kan binde termisk like og ulike materialkombinasjoner i ett enkelt prosesstrinn. Valget av materialkombinasjoner utover smelteprosessen betyr at de mekaniske og kjemiske kravene til spesifikke applikasjoner kan imøtekommes bedre. I tillegg til faststoffbinding, er et annet fenomen som oppstår under ultralydbinding den høye flyten av plastmaterialer ved relativt lave temperaturer29,32,331,331,30,30,31,30,30,31,31,30,30,31. termiske elementer mellom metalllag uten skade.UAM innebygde sensorer kan lette leveringen av sanntidsinformasjon fra enheten til brukeren gjennom integrert analyse.
Forfatternes tidligere arbeid32 demonstrerte evnen til UAM-prosessen til å lage metalliske 3D-mikrofluidstrukturer med integrerte sansefunksjoner. Dette er kun en overvåkingsenhet. Denne artikkelen presenterer det første eksemplet på en mikrofluidisk kjemisk reaktor produsert av UAM;en aktiv enhet som ikke bare overvåker, men også induserer kjemisk syntese gjennom strukturelt integrerte katalysatormaterialer.Enheten kombinerer flere fordeler knyttet til UAM-teknologi i 3D-produksjon av kjemiske enheter, for eksempel: muligheten til å konvertere full 3D-design direkte fra datastøttet design (CAD)-modeller til produkter;multi-material fabrikasjon for å kombinere høy termisk ledningsevne og katalytiske materialer;og innebygging av termiske sensorer direkte mellom reagensstrømmer for nøyaktig reaksjonstemperaturovervåking og kontroll. For å demonstrere funksjonaliteten til reaktoren, ble et bibliotek av farmasøytisk viktige 1,4-disubstituerte 1,2,3-triazolforbindelser syntetisert av kobberkatalysert Huisgen 1,3-dipolar-materialer. muligheter og muligheter for kjemi gjennom tverrfaglig forskning.
Alle løsningsmidler og reagenser ble kjøpt fra Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI eller Fischer Scientific og ble brukt uten forutgående rensing.1H- og 13C NMR-spektra registrert ved henholdsvis 400 MHz og 100 MHz, ble oppnådd ved bruk av et JEOL ECS-400 400 MHz spektrometer eller et CD2-300 MHz spektrometer eller et solventer 300 MHz spektrometer eller et solvent 400 MHz spektrometer eller et solvent 300 MHz eller et solvent vent.Alle reaksjoner ble utført ved bruk av Uniqsis FlowSyn flytkjemiplattform.
UAM ble brukt til å fremstille alle enheter i denne studien.Teknologien ble oppfunnet i 1999, og dens tekniske detaljer, driftsparametere og utviklingen siden oppfinnelsen kan studeres gjennom følgende publiserte materialer34,35,36,37.Enheten (Figur 1) ble implementert ved bruk av en ultra-høy effekt, 9kW SonicLayer 4000®, stoffet til stoffet, USA UAM-systemet (OHFabrisen, stoffet, OHFabrisen, stoffet, USA). enheten var Cu-110 og Al 6061. Cu-110 har et høyt kobberinnhold (minimum 99,9% kobber), noe som gjør den til en god kandidat for kobberkatalyserte reaksjoner, og brukes derfor som et "aktivt lag i en mikroreaktor.Al 6061 O brukes som et "bulk" materiale, også innstøpingslag brukt til analyse;Innstøping av legeringshjelpekomponenter og glødet tilstand kombinert med Cu-110-lag.Al 6061 O er et materiale som har vist seg å være svært kompatibelt med UAM-prosesser38, 39, 40, 41 og har blitt testet og funnet kjemisk stabilt med reagensene brukt i dette arbeidet.Kombinasjonen av Al 6061 O med Cu-110 anses også som en kompatibel materialkombinasjon for UAM og er derfor et egnet materiale for denne studien.38,42 Disse enhetene er oppført i tabell 1 nedenfor.
Reaktorfabrikasjonstrinn (1) Al 6061 substrat (2) Fabrikasjon av bunnkanal satt til kobberfolie (3) Innstøping av termoelementer mellom lag (4) Toppkanal (5) Innløp og utløp (6) Monolitisk reaktor.
Væskebanens designfilosofi er å bruke en kronglete bane for å øke avstanden væsken beveger seg inne i brikken, samtidig som brikken holdes i en håndterbar størrelse. Denne avstandsøkningen er ønskelig for å øke interaksjonstiden mellom katalysator og reagens og gi utmerket produktutbytte. Brikkene bruker 90° bøyninger i endene av den rette banen for å indusere turbulensen til væsken i overflaten og øke kontakttiden med væsken (4). For ytterligere å øke blandingen som kan oppnås, har reaktordesignet to reagensinnløp kombinert ved Y-krysset før det går inn i serpentinblandingsseksjonen. Det tredje innløpet, som skjærer strømmen halvveis gjennom residensen, er inkludert i utformingen av fremtidige flertrinns reaksjonssynteser.
Alle kanaler har en firkantet profil (ingen trekkvinkler), resultatet av den periodiske CNC-fresingen som ble brukt til å lage kanalgeometrien. Kanaldimensjonene er valgt for å sikre et høyt (for en mikroreaktor) volumutgang, samtidig som de er små nok til å lette overflateinteraksjoner (katalysatorer) for de fleste væskene som er inneholdt. Den passende størrelsen er basert på forfatternes siste dimensjoner for den interne reaksjonen til 7-reaksjonskanalene i tidligere tider. µm x 750 µm og det totale reaktorvolumet var 1 ml. En integrert kobling (1/4″—28 UNF-tråd) er inkludert i designet for å tillate enkel grensesnitt av enheten med kommersielt strømningskjemiutstyr.Kanalstørrelsen er begrenset av tykkelsen på foliematerialet, dets mekaniske egenskaper og bindingsparametrene som brukes med ultralyd.Ved en spesifikk bredde for et gitt materiale, vil materialet "synke" inn i den opprettede kanalen.Det er foreløpig ingen spesifikk modell for denne beregningen, så maksimal kanalbredde for et gitt materiale og design bestemmes eksperimentelt;i dette tilfellet vil en bredde på 750 μm ikke forårsake nedsynkning.
Formen (firkanten) på kanalen bestemmes ved å bruke en firkantet kutter. Formen og størrelsen på kanalene kan endres av CNC-maskiner som bruker forskjellige skjæreverktøy for å oppnå forskjellige strømningshastigheter og egenskaper. Et eksempel på å lage en buet formkanal ved hjelp av 125 μm-verktøyet finner du i arbeidet til Monaghan45. Når folieplanlaget av folien er avsatt over et flatt lag av folien i en flate kanalform, ) finish.I dette arbeidet ble det brukt en firkantet kontur for å opprettholde symmetrien til kanalen.
Under en forhåndsprogrammert pause i produksjonen, er termoelementtemperatursonder (Type K) innebygd direkte i enheten mellom øvre og nedre kanalgruppe (Figur 1 – Trinn 3). Disse termoelementene kan overvåke temperaturendringer fra -200 til 1350 °C.
Metallavsetningsprosessen utføres av et UAM-horn som bruker en 25,4 mm bred, 150 mikron tykk metallfolie. Disse folielagene er bundet til en rekke tilstøtende strimler for å dekke hele byggeområdet;størrelsen på det avsatte materialet er større enn sluttproduktet ettersom den subtraktive prosessen produserer den endelige nettoformen.CNC-maskinering brukes til å maskinere de ytre og indre konturene til utstyret, noe som resulterer i en overflatefinish på utstyret og kanalene som er lik valgt verktøy og CNC-prosessparametere (omtrent 1,6 μm Ra i dette eksempelet). for å sikre at dimensjonsnøyaktigheten opprettholdes og at den ferdige delen vil møte nøyaktighetsnivåene for CNC-finishfresing. Kanalbredden som brukes for denne enheten er liten nok til å sikre at foliematerialet ikke "synker" inn i væskekanalen, slik at kanalen opprettholder et kvadratisk tverrsnitt. Mulige hull i foliemateriale og UAM-prosessparametere ble bestemt eksperimentelt av en manufacturing-partner LLC, USA.
Studier har vist at lite elementær diffusjon forekommer ved UAM-bindingsgrensesnittet 46, 47 uten ytterligere termisk behandling, så for enhetene i dette arbeidet forblir Cu-110-laget forskjellig fra Al 6061-laget og endres brått.
Installer en forhåndskalibrert 250 psi (1724 kPa) mottrykksregulator (BPR) til utløpet av reaktoren og pump vann gjennom reaktoren med en hastighet på 0,1 til 1 mL min-1. Reaktortrykket ble overvåket ved hjelp av FlowSyn innebygde systemtrykksensor for å verifisere at systemet kunne opprettholde en konstant temperaturforskjell på tvers av jevn strømningsgradient ved å identifisere en konstant temperaturforskjell. mellom termoelementene innebygd i reaktoren og de innebygd i FlowSyn-brikkevarmeplaten. Dette oppnås ved å variere den programmerbare kokeplatens temperatur mellom 100 og 150 °C i trinn på 25 °C og notere eventuelle forskjeller mellom de programmerte og registrerte temperaturene. Dette ble oppnådd ved å bruke en tc-Log-programvare tc-08 og PicoTech, Cambridge og Cambridge.
Sykloaddisjonsreaksjonsbetingelsene for fenylacetylen og jodetan ble optimalisert (Skjema 1- Sykloaddisjon av fenylacetylen og jodetan Skjema 1- Sykloaddisjon av fenylacetylen og jodetan). Denne optimaliseringen ble utført ved en full faktoriell design av eksperimenter ved bruk av temperatur- og residensforhold med variabel temperatur (DOE) ved bruk av variabel residens (DOE). 1:2.
Separate løsninger av natriumazid (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), jodoetan (0,25 M, DMF) og fenylacetylen (0,125 M, DMF) ble fremstilt. En 1,5 ml alikvot av hver løsning ble blandet og pumpet gjennom reaktoren for å oppnå ønsket strømningshastighets-forhold for triazol-produktet for å oppnå ønsket strømningshastighets-forhold. etylen-utgangsmateriale og bestemt ved høyytelsesvæskekromatografi (HPLC). For konsistens av analysen ble alle reaksjoner tatt prøver like etter at reaksjonsblandingen forlot reaktoren. Parameterområdene valgt for optimalisering er vist i tabell 2.
Alle prøvene ble analysert ved hjelp av et Chromaster HPLC-system (VWR, PA, USA) bestående av en kvartær pumpe, kolonneovn, variabel bølgelengde UV-detektor og autosampler. Kolonnen var en Ekvivalens 5 C18 (VWR, PA, USA), 4,6 × 100 mm i størrelse, 5 µm partikkelstørrelse, ble holdt ved 50 methanol: 50 vann: 50 methanol. en strømningshastighet på 1,5 mL.min-1. Injeksjonsvolumet var 5 µL og detektorbølgelengden var 254 nm. Prosent-topparealet for DOE-prøven ble beregnet fra topparealene til de gjenværende alkyn- og triazolproduktene. Injeksjon av utgangsmateriale tillater identifikasjon av relevante topper.
Kobling av reaktoranalyseutgangen til MODDE DOE-programvaren (Umetrics, Malmö, Sverige) tillot en grundig analyse av resultattrender og bestemmelse av optimale reaksjonsbetingelser for denne sykloadditionen.Kjøring av den innebygde optimizeren og valg av alle viktige modelltermer gir et sett med reaksjonsbetingelser designet for å maksimere produktets toppareal samtidig som det reduserer topparealet for acetylen.
Oksydasjonen av overflatekobber i det katalytiske reaksjonskammeret ble oppnådd ved å bruke en løsning av hydrogenperoksyd (36%) som strømmet gjennom reaksjonskammeret (strømningshastighet = 0,4 ml min-1, oppholdstid = 2,5 min) før syntese av hvert triazolforbindelsesbibliotek.
Når et optimalt sett med betingelser ble identifisert, ble de påført en rekke acetylen- og haloalkanderivater for å tillate kompilering av en liten biblioteksyntese, og dermed etablere muligheten til å anvende disse forholdene på et bredere spekter av potensielle reagenser (Figur 1).2).
Forbered separate løsninger av natriumazid (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), haloalkaner (0,25 M, DMF) og alkyner (0,125 M, DMF). etylacetat. Prøveløsningen ble vasket med 3 x 10 mL vann. De vandige lagene ble kombinert og ekstrahert med 10 mL etylacetat;de organiske lagene ble deretter kombinert, vasket med 3 x 10 ml saltvann, tørket over MgS04 og filtrert, deretter ble løsningsmidlet fjernet i vakuum. Prøvene ble renset ved kolonnekromatografi på silikagel ved bruk av etylacetat før analyse ved en kombinasjon av HPLC,1H NMR,13C NMR og høyoppløsningsmassespektrom (HRMS).
Alle spektre ble innhentet ved bruk av et Thermofischer presisjons Orbitrap-oppløsningsmassespektrometer med ESI som ioniseringskilden. Alle prøver ble fremstilt ved bruk av acetonitril som løsningsmiddel.
TLC-analyse ble utført på silikaplater med aluminiumbakside. Platene ble visualisert med UV-lys (254 nm) eller vanillinfarging og oppvarming.
Alle prøvene ble analysert ved bruk av et VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) system utstyrt med en autosampler, kolonneovn binær pumpe og enkel bølgelengde detektor. Kolonnen som ble brukt var en ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Skottland).
Injeksjoner (5 µL) ble laget direkte fra fortynnet rå reaksjonsblanding (1:10 fortynning) og analysert med vann:metanol (50:50 eller 70:30), bortsett fra noen prøver ved bruk av 70:30 løsningsmiddelsystemet (angitt som et stjernetall) ved en strømningshastighet på 1,5 ml/min.
Prosentvis toppareal av prøven ble beregnet fra topparealet til gjenværende alkyn, bare triazolproduktet, og injeksjonen av utgangsmaterialet tillot identifisering av de relevante toppene.
Alle prøver ble analysert ved bruk av en Thermo iCAP 6000 ICP-OES. Alle kalibreringsstandarder ble fremstilt ved bruk av en 1000 ppm Cu-standardløsning i 2 % salpetersyre (SPEX Certi Prep). Alle standarder ble fremstilt i 5 % DMF og 2 % HNO3-løsning, og alle prøvene ble fortynnet 20 ganger HNO3-prøveløsning DMF.
UAM benytter ultralydsveising av metall som en bindeteknikk for metallfoliematerialet som brukes til å bygge den endelige monteringen. Ultralydsveising av metall bruker et vibrerende metallverktøy (kalt et horn eller ultralydhorn) for å påføre trykk på folielaget/det tidligere konsoliderte laget som skal limes mens materialet vibrerer. For kontinuerlig drift er den sonotrotiske overflaten av materialet og den vibrerende overflaten av materialet som bindes over hele overflaten og vibrerende. ioner påføres, kan oksidene på overflaten av materialet sprekke. Fortsatt trykk og vibrasjoner kan føre til at materialets ujevnheter kollapser 36. Intim kontakt med lokalt indusert varme og trykk fører deretter til faststoffbinding ved materialgrensesnitt;det kan også hjelpe adhesjon gjennom endringer i overflateenergi48. Bindingsmekanismens natur overvinner mange av problemene knyttet til den variable smeltetemperaturen og høytemperatur-ettereffektene nevnt i andre additive produksjonsteknikker. Dette tillater direkte binding (dvs. uten overflatemodifisering, fyllstoffer eller lim) av flere lag med forskjellige materialer til en enkelt konsolidert struktur.
En annen gunstig faktor for UAM er den høye graden av plastisk flyt observert i metalliske materialer, selv ved lave temperaturer, dvs. godt under smeltepunktet til metalliske materialer. Kombinasjonen av ultralydsvingninger og trykk induserer høye nivåer av lokal korngrense-migrering og omkrystallisering uten den store temperaturøkningen som tradisjonelt er forbundet med bulkmaterialer. folie, lag for lag.Elementer som optiske fibre 49, forsterkninger 46, elektronikk 50 og termoelementer (dette verket) har alle blitt vellykket innebygd i UAM-strukturer for å lage aktive og passive komposittsammenstillinger.
I dette arbeidet har både de forskjellige materialbindings- og interkaleringsmulighetene til UAM blitt brukt for å lage den ultimate katalytiske temperaturovervåkingsmikroreaktoren.
Sammenlignet med palladium (Pd) og andre vanlig brukte metallkatalysatorer, har Cu-katalyse flere fordeler: (i) Økonomisk er Cu rimeligere enn mange andre metaller som brukes i katalyse og er derfor et attraktivt alternativ for den kjemiske prosessindustrien (ii) Utvalget av Cu-katalyserte krysskoblingsreaksjoner øker og ser ut til å være noe p35,5-komplementære metoder. analyserte reaksjoner fungerer bra i fravær av andre ligander. Disse ligander er ofte strukturelt enkle og rimelige om ønskelig, mens de som brukes i Pd-kjemi ofte er komplekse, dyre og luftfølsomme (iv) Cu, spesielt kjent for sin evne til å binde alkyner i syntese, for eksempel bimetallisk-katalysert koblings- og kjemikadiksjon (Cyklonaddisjon) er også i stand til å fremme arylering av flere nukleofiler i Ullmann-type reaksjoner.
Eksempler på heterogenisering av alle disse reaksjonene har nylig blitt demonstrert i nærvær av Cu(0). Dette skyldes i stor grad den farmasøytiske industrien og det økende fokuset på gjenvinning og gjenbruk av metallkatalysatorer55,56.
Den 1,3-dipolare cykloaddisjonsreaksjonen mellom acetylen og azid til 1,2,3-triazol ble utviklet av Huisgen på 1960-tallet57 og regnes som en synergistisk demonstrasjonsreaksjon. De resulterende 1,2,3-triazolgruppene er av spesiell interesse som farmakofor innen feltet for ulike terapeutiske midler5 på grunn av deres biologiske 8 anvendelser og terapeutiske 8 anvendelser.
Denne reaksjonen kom i fokus igjen da Sharpless og andre introduserte konseptet "klikkkjemi"59. Begrepet "klikkkjemi" brukes til å beskrive et robust, pålitelig og selektivt sett av reaksjoner for rask syntese av nye forbindelser og kombinatoriske biblioteker via heteroatomkobling (CXC)60 Den syntetiske appellen til disse reaksjonene, høye oksygenresistens- og reaksjonsbetingelser, høye oksygen-reaksjons- og reaksjonsbetingelser er forbundet med den. er enkel61.
Den klassiske Huisgen 1,3-dipole cykloaddisjonen tilhører ikke kategorien "klikkkjemi". Medal og Sharpless viste imidlertid at denne azid-alkyn-koblingshendelsen gjennomgår 107 til 108 i nærvær av Cu(I) sammenlignet med den ukatalyserte 1,3-dipolare sykloaddisjonsmekanismen som ikke krever signifikante akselerasjons- eller akselerasjonsmekanismer. sh reaksjonsbetingelser og gir nesten fullstendig omdannelse og selektivitet til 1,4-disubstituerte 1,2,3-triazoler (anti-1,2,3-triazol) på en tidsskala (figur 3).
Isometriske resultater av konvensjonelle og kobberkatalyserte Huisgen cycloadditions.Cu(I)-katalyserte Huisgen cycloadditions gir bare 1,4-disubstituerte 1,2,3-triazoler, mens termisk induserte Huisgen cycloadditions typisk gir 1,54-triazoler blanding av 1,54-triazoler, 1,54- og 1 azoler.
De fleste protokoller involverer reduksjon av stabile Cu(II)-kilder, slik som reduksjon av CuSO4 eller Cu(II)/Cu(0)-arter i kombinasjon med natriumsalter. Sammenlignet med andre metallkatalyserte reaksjoner har bruken av Cu(I) de store fordelene ved å være billig og enkel å håndtere.
Kinetiske og isotopiske merkingsstudier av Worrell et al.65 viste at, når det gjelder terminale alkyner, er to ekvivalenter kobber involvert i aktivering av reaktiviteten til hvert molekyl mot azid. Den foreslåtte mekanismen fortsetter gjennom en seksleddet kobbermetallring dannet ved koordinering av azid til σ-bundet kobberacetylid med π-bundet kobber som en stabil donor-ligand for stabile donorer, som følges av triazolylligand. protonnedbrytning for å gi triazolprodukter og lukke den katalytiske syklusen.
Mens fordelene med strømningskjemi-enheter er godt dokumentert, har det vært et ønske om å integrere analytiske verktøy i disse systemene for in-line, in-situ, prosessovervåking66,67.UAM viste seg å være en egnet metode for å designe og produsere svært komplekse 3D-strømningsreaktorer laget av katalytisk aktive, termisk ledende materialer med direkte innebygde sensorer (Figuregur 4).
Aluminium-kobber strømningsreaktor produsert av ultrasonisk additiv produksjon (UAM) med kompleks indre kanalstruktur, innebygde termoelementer og katalytisk reaksjonskammer. For å visualisere interne væskebaner, vises også en gjennomsiktig prototype produsert ved hjelp av stereolitografi.
For å sikre at reaktorene er fremstilt for fremtidige organiske reaksjoner, må løsningsmidler trygt varmes opp over kokepunktet;de er trykk- og temperaturtestet. Trykktesten viste at systemet holder et stabilt og konstant trykk selv med økt systemtrykk (1,7 MPa). Den hydrostatiske testen ble utført ved romtemperatur med H2O som væske.
Koblingen av det innebygde (Figur 1) termoelementet til temperaturdataloggeren viste at termoelementet var 6 °C (± 1 °C) kjøligere enn den programmerte temperaturen på FlowSyn-systemet. Vanligvis resulterer en temperaturøkning på 10 °C i en dobling av reaksjonshastigheten, så en temperaturforskjell på bare noen få grader kan endre reaksjonshastigheten betydelig på grunn av kroppstapet. dårlig diffusivitet av materialene som brukes i produksjonsprosessen.Denne termiske driften er konsistent og kan derfor gjøres rede for i utstyrsoppsettet for å sikre at nøyaktige temperaturer nås og måles under reaksjonen.Derfor letter dette online overvåkingsverktøyet tett kontroll av reaksjonstemperaturen og muliggjør mer nøyaktig prosessoptimalisering og utvikling av optimale forhold.Disse sensorene kan også brukes til å identifisere reaksjonssystemer i stor skala, og kan også brukes til å identifisere reaksjonssystemer i stor skala.
Reaktoren som presenteres i dette arbeidet er det første eksemplet på bruken av UAM-teknologi til fremstilling av kjemiske reaktorer og adresserer flere store begrensninger som for tiden er knyttet til AM/3D-utskrift av disse enhetene, for eksempel: (i) å overvinne de rapporterte problemene knyttet til prosessering av kobber eller aluminiumslegering (ii) forbedret intern kanaloppløsning sammenlignet med pulversjiktfusjon (PBFM) og selektiv overflatesmelting (PBMF)-teknikker som f.eks. 26 (iii) Redusert prosesseringstemperatur, som letter direkte binding av sensorer, noe som ikke er mulig i pulversjiktteknologi, (v) overvinner dårlige mekaniske egenskaper og følsomhet til polymerbaserte komponenters komponenter for en rekke vanlige organiske løsningsmidler17,19.
Funksjonaliteten til reaktoren ble demonstrert av en serie kobberkatalyserte alkynazid-cykloaddisjonsreaksjoner under kontinuerlige strømningsforhold (fig. 2). Den ultralydtrykte kobberreaktoren som er beskrevet i figur 4 ble integrert med et kommersielt strømningssystem og brukt til å syntetisere bibliotekazider av forskjellige 1,4-di-substituerte 1,4-2- og temperaturkontrollerte alkylener, 3- og alkylene. grupper halogenider i nærvær av natriumklorid (Figur 3). Bruken av en tilnærming med kontinuerlig strømning reduserer sikkerhetsbekymringene som kan oppstå i batch-prosesser, ettersom denne reaksjonen produserer svært reaktive og farlige azid-mellomprodukter [317], [318]. Opprinnelig ble reaksjonen optimalisert for cykloaddisjon av fenylacetylen og cydolacetylen (cydolacetylen og sylocetylen1) etylen og jodetan) (se figur 5).
(Øverst til venstre) Skjematisk av oppsettet som ble brukt til å inkorporere 3DP-reaktoren i strømningssystemet (øverst til høyre) oppnådd i det optimaliserte (nederst) skjemaet til Huisgen cycloaddition 57-skjemaet mellom fenylacetylen og jodetan for optimalisering og viser de optimaliserte parameternes reaksjonskonverteringshastighet.
Ved å kontrollere oppholdstiden til reagensene i den katalytiske delen av reaktoren og nøye overvåking av reaksjonstemperaturen med en direkte integrert termoelementsonde, kan reaksjonsforholdene optimaliseres raskt og nøyaktig med minimalt tids- og materialforbruk. Det ble raskt fastslått at de høyeste konverteringene ble oppnådd når en oppholdstid på 15 minutter og en reaksjonstemperatur på 150 °C ble brukt, både som MODDE-koeffisient og programvare. reaksjonstemperatur anses som viktige modelltermer.Kjøring av den innebygde optimizeren ved bruk av disse utvalgte termene genererer et sett med reaksjonsbetingelser designet for å maksimere produkttopparealene og samtidig redusere topparealene for startmaterialet.Denne optimaliseringen ga en 53 % konvertering av triazolproduktet, som samsvarte nøye med modellprediksjonen på 54 %.
Basert på litteraturen som viser at kobber(I)oksid (Cu2O) kan virke som en effektiv katalytisk art på nullvalente kobberoverflater i disse reaksjonene, ble evnen til å forhåndsoksidere reaktoroverflaten før utførelse av reaksjonen i strømning undersøkt70,71. Reaksjonen mellom fenylacetylen og jodetylen og jodetylen ble deretter observert under optimale forhold, og det ble deretter observert optimalt resultat. en signifikant økning i omdannelsen av utgangsmaterialet, som ble beregnet til å være >99%. Overvåking med HPLC viste imidlertid at denne omdannelsen betydelig reduserte den overdrevent forlengede reaksjonstiden inntil ca. 90 minutter, hvorpå aktiviteten så ut til å flate ut og nå en "steady state". Denne observasjonen antyder at kilden til katalytisk aktivitet er oppnådd fra overflaten av kobber- til substrat som lett er kobberoksydverdig i romtemperatur enn kobber- til substrat som er kobberoksid. danner CuO og Cu2O som ikke er selvbeskyttende lag. Dette eliminerer behovet for å legge til en ekstra kobber(II)-kilde for co-sammensetning71.