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A manufatura aditiva está mudando a forma como pesquisadores e industriais projetam e fabricam dispositivos químicos para atender às suas necessidades específicas.Neste artigo, relatamos o primeiro exemplo de um reator de fluxo formado por laminação de manufatura aditiva ultrassônica (UAM) de uma chapa metálica sólida com partes catalíticas e elementos sensores diretamente integrados.A tecnologia UAM não apenas supera muitas das limitações atualmente associadas à fabricação aditiva de reatores químicos, mas também expande muito as capacidades de tais dispositivos.Vários compostos 1,2,3-triazol 1,4-dissubstituídos biologicamente importantes foram sintetizados e otimizados com sucesso por uma reação de cicloadição de Huisgen 1,3-dipolar mediada por Cu usando a instalação química UAM.Usando as propriedades únicas de UAM e processamento de fluxo contínuo, o dispositivo é capaz de catalisar reações em andamento, bem como fornecer feedback em tempo real para monitorar e otimizar reações.
Devido às suas vantagens significativas sobre sua contraparte a granel, a química de fluxo é um campo importante e crescente em ambientes acadêmicos e industriais devido à sua capacidade de aumentar a seletividade e a eficiência da síntese química.Isso se estende desde a formação de moléculas orgânicas simples1 até compostos farmacêuticos2,3 e produtos naturais4,5,6.Mais de 50% das reações nas indústrias de química fina e farmacêutica podem se beneficiar do fluxo contínuo7.
Nos últimos anos, tem havido uma tendência crescente de grupos que buscam substituir vidrarias tradicionais ou equipamentos de química de fluxo por “reatores” químicos adaptáveis8.O design iterativo, a fabricação rápida e os recursos tridimensionais (3D) desses métodos são úteis para quem deseja personalizar seus dispositivos para um determinado conjunto de reações, dispositivos ou condições.Até o momento, este trabalho se concentrou quase exclusivamente no uso de técnicas de impressão 3D baseadas em polímeros, como estereolitografia (SL)9,10,11, Fused Deposition Modeling (FDM)8,12,13,14 e impressão a jato de tinta7,15., 16. A falta de confiabilidade e capacidade de tais dispositivos para realizar uma ampla gama de reações/análises químicas17, 18, 19, 20 é um importante fator limitante para a aplicação mais ampla de AM neste campo17, 18, 19, 20.
Devido ao uso crescente de química de fluxo e as propriedades favoráveis ​​associadas com AM, melhores técnicas precisam ser exploradas que permitirão aos usuários fabricar vasos de reação de fluxo com química aprimorada e capacidades analíticas.Esses métodos devem permitir que os usuários selecionem entre uma variedade de materiais de alta resistência ou funcionais capazes de operar em uma ampla variedade de condições de reação, bem como facilitar várias formas de saída analítica do dispositivo para permitir o monitoramento e controle da reação.
Um processo de fabricação aditiva que pode ser usado para desenvolver reatores químicos personalizados é a fabricação aditiva ultrassônica (UAM).Este método de laminação de folha de estado sólido aplica vibrações ultrassônicas a folhas de metal finas para uni-las camada por camada com aquecimento volumétrico mínimo e um alto grau de fluxo plástico 21, 22, 23. Ao contrário da maioria das outras tecnologias de AM, a UAM pode ser integrada diretamente à produção subtrativa, conhecida como processo de fabricação híbrido, no qual fresamento periódico de controle numérico in-situ (CNC) ou processamento a laser determina a forma líquida da camada de material ligado 24, 25. Isso significa que o usuário não está limitado aos problemas associados à remoção de material de construção original residual de pequenos canais de líquido, que é frequentemente o caso em sistemas de pó e líquido AM26,27,28.Essa liberdade de design também se estende à escolha dos materiais disponíveis – o UAM pode unir combinações de materiais termicamente semelhantes e diferentes em uma única etapa do processo.A escolha de combinações de materiais além do processo de fusão significa que os requisitos mecânicos e químicos de aplicações específicas podem ser melhor atendidos.Além da colagem sólida, outro fenômeno que ocorre com a colagem ultrassônica é a alta fluidez dos materiais plásticos em temperaturas relativamente baixas29,30,31,32,33.Esta característica única do UAM permite que elementos mecânicos/térmicos sejam colocados entre as camadas de metal sem danos.Os sensores UAM integrados podem facilitar a entrega de informações em tempo real do dispositivo para o usuário por meio de análises integradas.
Trabalhos anteriores dos autores32 demonstraram a capacidade do processo UAM de criar estruturas microfluídicas 3D metálicas com recursos de detecção incorporados.Este dispositivo é apenas para fins de monitoramento.Este artigo apresenta o primeiro exemplo de um reator químico microfluídico fabricado pela UAM, um dispositivo ativo que não apenas controla, mas também induz a síntese química com materiais catalíticos estruturalmente integrados.O dispositivo combina várias vantagens associadas à tecnologia UAM na fabricação de dispositivos químicos 3D, tais como: a capacidade de converter um projeto 3D completo diretamente de um modelo de projeto auxiliado por computador (CAD) em um produto;fabricação de vários materiais para uma combinação de alta condutividade térmica e materiais catalíticos, bem como sensores térmicos embutidos diretamente entre os fluxos de reagentes para controle preciso e gerenciamento da temperatura de reação.Para demonstrar a funcionalidade do reator, uma biblioteca de compostos 1,2,3-triazol 1,4-dissubstituídos farmaceuticamente importantes foi sintetizada por cicloadição de Huisgen 1,3-dipolar catalisada por cobre.Este trabalho destaca como o uso da ciência dos materiais e do design auxiliado por computador pode abrir novas possibilidades e oportunidades para a química por meio da pesquisa interdisciplinar.
Todos os solventes e reagentes foram adquiridos da Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI ou Fischer Scientific e usados ​​sem purificação prévia.Os espectros de 1H e 13C NMR registrados em 400 e 100 MHz, respectivamente, foram obtidos em um espectrômetro JEOL ECS-400 400 MHz ou um espectrômetro Bruker Avance II 400 MHz com CDCl3 ou (CD3)2SO como solvente.Todas as reações foram realizadas usando a plataforma de química de fluxo Uniqsis FlowSyn.
UAM foi usado para fabricar todos os dispositivos neste estudo.A tecnologia foi inventada em 1999 e seus detalhes técnicos, parâmetros operacionais e desenvolvimentos desde sua invenção podem ser estudados usando os seguintes materiais publicados34,35,36,37.O dispositivo (Fig. 1) foi implementado usando um sistema SonicLayer 4000® UAM de serviço pesado de 9 kW (Fabrisonic, Ohio, EUA).Os materiais escolhidos para o dispositivo de fluxo foram Cu-110 e Al 6061. O Cu-110 possui alto teor de cobre (mínimo 99,9% de cobre), tornando-o um bom candidato para reações catalisadas por cobre e, portanto, é usado como uma “camada ativa dentro do microrreator.Al 6061 O é usado como material “a granel”., bem como a camada de intercalação utilizada para análise;intercalação de componentes de ligas auxiliares e estado recozido em combinação com camada de Cu-110.mostrou ser quimicamente estável com os reagentes usados ​​neste trabalho.Al 6061 O em combinação com Cu-110 também é considerado uma combinação de material compatível para UAM e, portanto, um material adequado para este estudo38,42.Esses dispositivos estão listados na Tabela 1 abaixo.
Etapas de fabricação do reator (1) Substrato de liga de alumínio 6061 (2) Fabricação do canal inferior a partir de folha de cobre (3) Inserção de termopares entre as camadas (4) Canal superior (5) Entrada e saída (6) Reator monolítico.
A filosofia do projeto do canal de fluido é usar um caminho tortuoso para aumentar a distância percorrida pelo fluido dentro do chip, mantendo um tamanho de chip gerenciável.Este aumento na distância é desejável para aumentar o tempo de contato catalisador-reagente e fornecer excelentes rendimentos de produto.Os chips usam curvas de 90° nas extremidades de um caminho reto para induzir a mistura turbulenta dentro do dispositivo44 e aumentar o tempo de contato do líquido com a superfície (catalisador).Para aumentar ainda mais a mistura que pode ser alcançada, o projeto do reator inclui duas entradas de reagente combinadas em uma conexão em Y antes de entrar na seção da bobina de mistura.A terceira entrada, que cruza o fluxo na metade de sua residência, está incluída no plano para futuras reações de síntese em vários estágios.
Todos os canais têm um perfil quadrado (sem ângulos cônicos), que é o resultado do fresamento CNC periódico usado para criar a geometria do canal.As dimensões do canal são escolhidas para fornecer um rendimento volumétrico alto (para um microrreator), mas pequeno o suficiente para facilitar a interação com a superfície (catalisadores) para a maioria dos líquidos que ele contém.O tamanho apropriado é baseado na experiência anterior dos autores com dispositivos de reação metal-líquido.As dimensões internas do canal final eram de 750 µm x 750 µm e o volume total do reator era de 1 ml.Um conector integrado (rosca 1/4″-28 UNF) está incluído no projeto para permitir uma interface fácil do dispositivo com equipamentos comerciais de química de fluxo.O tamanho do canal é limitado pela espessura do material da folha, suas propriedades mecânicas e os parâmetros de ligação usados ​​com ultrassom.Em uma certa largura para um determinado material, o material “cairá” no canal criado.Atualmente não existe um modelo específico para este cálculo, então a largura máxima do canal para um determinado material e projeto é determinada experimentalmente, caso em que uma largura de 750 µm não causará arqueamento.
A forma (quadrado) do canal é determinada usando um cortador quadrado.A forma e o tamanho dos canais podem ser alterados em máquinas CNC usando diferentes ferramentas de corte para obter diferentes vazões e características.Um exemplo de criação de um canal curvo com uma ferramenta de 125 µm pode ser encontrado em Monaghan45.Quando a camada de folha é aplicada plana, a aplicação do material de folha aos canais terá uma superfície plana (quadrada).Neste trabalho, um contorno quadrado foi usado para preservar a simetria do canal.
Durante uma pausa programada na produção, os sensores de temperatura do termopar (tipo K) são montados diretamente no dispositivo entre os grupos de canais superior e inferior (Fig. 1 – estágio 3).Esses termopares podem controlar mudanças de temperatura de -200 a 1350 °C.
O processo de deposição do metal é realizado pela corneta UAM utilizando folha metálica de 25,4 mm de largura e 150 mícrons de espessura.Essas camadas de folha são conectadas em uma série de tiras adjacentes para cobrir toda a área de construção;o tamanho do material depositado é maior do que o produto final, pois o processo de subtração cria a forma limpa final.A usinagem CNC é usada para usinar os contornos externos e internos do equipamento, resultando em um acabamento superficial do equipamento e canais correspondentes à ferramenta selecionada e aos parâmetros do processo CNC (neste exemplo, cerca de 1,6 µm Ra).Os ciclos contínuos e contínuos de pulverização de material ultrassônico e de usinagem são usados ​​em todo o processo de fabricação do dispositivo para garantir que a precisão dimensional seja mantida e que a peça acabada atenda aos níveis de precisão do fresamento fino CNC.A largura do canal usado para este dispositivo é pequena o suficiente para garantir que o material da folha não “caia” no canal de fluido, de modo que o canal tenha uma seção transversal quadrada.Possíveis lacunas no material da folha e os parâmetros do processo UAM foram determinados experimentalmente pelo parceiro de fabricação (Fabrisonic LLC, EUA).
Estudos mostraram que na interface 46, 47 do composto UAM há pouca difusão de elementos sem tratamento térmico adicional, portanto, para os dispositivos deste trabalho, a camada Cu-110 permanece diferente da camada Al 6061 e muda drasticamente.
Instale um regulador de contrapressão pré-calibrado (BPR) a 250 psi (1724 kPa) a jusante do reator e bombeie água através do reator a uma taxa de 0,1 a 1 ml min-1.A pressão do reator foi monitorada usando o transdutor de pressão FlowSyn embutido no sistema para garantir que o sistema pudesse manter uma pressão estável constante.Os potenciais gradientes de temperatura no reator de fluxo foram testados procurando diferenças entre os termopares embutidos no reator e os termopares embutidos na placa de aquecimento do chip FlowSyn.Isso é obtido alterando a temperatura programada da placa de aquecimento entre 100 e 150 °C em incrementos de 25 °C e monitorando quaisquer diferenças entre as temperaturas programadas e registradas.Isso foi obtido usando o registrador de dados tc-08 (PicoTech, Cambridge, Reino Unido) e o software PicoLog que o acompanha.
As condições para a reação de cicloadição de fenilacetileno e iodoetano são otimizadas (Esquema 1-Cicloadição de fenilacetileno e iodoetano, Esquema 1-Cicloadição de fenilacetileno e iodoetano).Essa otimização foi realizada usando uma abordagem de planejamento fatorial completo de experimentos (DOE), usando temperatura e tempo de residência como variáveis ​​enquanto fixava a razão alcino:azida em 1:2.
Soluções separadas de azida de sódio (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), iodoetano (0,25 M, DMF) e fenilacetileno (0,125 M, DMF) foram preparadas.Uma alíquota de 1,5 ml de cada solução foi misturada e bombeada através do reator na vazão e temperatura desejadas.A resposta do modelo foi tomada como a razão da área do pico do produto triazol para o material de partida do fenilacetileno e foi determinada por cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC).Para consistência de análise, todas as reações foram tomadas imediatamente após a mistura de reação deixar o reator.As faixas de parâmetros selecionadas para otimização são mostradas na Tabela 2.
Todas as amostras foram analisadas usando um sistema Chromaster HPLC (VWR, PA, EUA) que consiste em uma bomba quaternária, forno de coluna, detector UV de comprimento de onda variável e amostrador automático.A coluna era uma Equivalência 5 C18 (VWR, PA, EUA), 4,6 x 100 mm, tamanho de partícula de 5 µm, mantida a 40°C.O solvente foi metanol isocrático:água 50:50 a uma vazão de 1,5 ml·min-1.O volume de injeção foi de 5 μl e o comprimento de onda do detector foi de 254 nm.A % de área de pico para a amostra de DOE foi calculada apenas a partir das áreas de pico dos produtos residuais de alcino e triazol.A introdução do material de partida permite identificar os picos correspondentes.
A combinação dos resultados da análise do reator com o software MODDE DOE (Umetrics, Malmö, Suécia) permitiu uma análise de tendência completa dos resultados e determinação das condições de reação ideais para esta cicloadição.Executar o otimizador integrado e selecionar todos os termos importantes do modelo cria um conjunto de condições de reação projetadas para maximizar a área de pico do produto enquanto diminui a área de pico para a matéria-prima de acetileno.
A oxidação da superfície do cobre na câmara de reação catalítica foi obtida usando uma solução de peróxido de hidrogênio (36%) fluindo através da câmara de reação (vazão = 0,4 ml min-1, tempo de residência = 2,5 min) antes da síntese de cada composto triazólico.biblioteca.
Uma vez determinado o conjunto ótimo de condições, eles foram aplicados a uma gama de derivados de acetileno e haloalcano para permitir a compilação de uma pequena biblioteca de síntese, estabelecendo assim a possibilidade de aplicar essas condições a uma gama mais ampla de reagentes potenciais (Fig. 1).2).
Prepare soluções separadas de azida de sódio (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), haloalcanos (0,25 M, DMF) e alcinos (0,125 M, DMF).Alíquotas de 3 ml de cada solução foram misturadas e bombeadas através do reator a uma taxa de 75 µl/min e uma temperatura de 150°C.Todo o volume foi coletado em um frasco e diluído com 10 ml de acetato de etila.A solução de amostra foi lavada com 3 x 10 ml de água.As camadas aquosas foram combinadas e extraídas com 10 ml de acetato de etil, então as camadas orgânicas foram combinadas, lavadas com 3 x 10 ml de salmoura, secas sobre MgSO4 e filtradas, então o solvente foi removido in vacuo.As amostras foram purificadas por cromatografia em coluna de gel de sílica usando acetato de etil antes da análise por uma combinação de HPLC, 1H NMR, 13C NMR e espectrometria de massa de alta resolução (HR-MS).
Todos os espectros foram obtidos usando um espectrômetro de massa Thermofischer Precision Orbitrap com ESI como fonte de ionização.Todas as amostras foram preparadas usando acetonitrila como solvente.
A análise TLC foi realizada em placas de sílica com um substrato de alumínio.As placas foram visualizadas com luz UV (254 nm) ou coloração com vanilina e aquecimento.
Todas as amostras foram analisadas usando um sistema VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, Reino Unido) equipado com um amostrador automático, uma bomba binária com um forno de coluna e um detector de comprimento de onda único.Foi utilizada uma coluna ACE Equivalence 5 C18 (150 x 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Escócia).
As injeções (5 µl) foram feitas diretamente da mistura de reação bruta diluída (diluição de 1:10) e analisadas com água:metanol (50:50 ou 70:30), exceto para algumas amostras usando um sistema de solvente 70:30 (denotado como número de estrela) a uma taxa de fluxo de 1,5 ml/min.A coluna foi mantida a 40°C.O comprimento de onda do detector é 254 nm.
A % de área do pico da amostra foi calculada a partir da área do pico do alcino residual, apenas o produto triazol, e a introdução do material de partida possibilitou a identificação dos picos correspondentes.
Todas as amostras foram analisadas usando Thermo iCAP 6000 ICP-OES.Todos os padrões de calibração foram preparados usando uma solução padrão de 1000 ppm de Cu em ácido nítrico a 2% (SPEX Certi Prep).Todos os padrões foram preparados em uma solução de 5% DMF e 2% HNO3, e todas as amostras foram diluídas 20 vezes com uma solução amostral de DMF-HNO3.
A UAM usa soldagem ultrassônica de metal como método de união da folha de metal usada para criar a montagem final.A soldagem ultrassônica de metal usa uma ferramenta de metal vibratória (chamada chifre ou chifre ultrassônico) para aplicar pressão à folha/camada previamente consolidada a ser ligada/previamente consolidada pela vibração do material.Para operação contínua, o sonotrodo tem formato cilíndrico e rola sobre a superfície do material, colando toda a área.Quando pressão e vibração são aplicadas, os óxidos na superfície do material podem rachar.Pressão e vibração constantes podem levar à destruição da rugosidade do material 36 .O contato próximo com calor e pressão localizados leva a uma ligação de fase sólida nas interfaces do material;também pode promover a coesão alterando a energia de superfície48.A natureza do mecanismo de ligação supera muitos dos problemas associados à temperatura de fusão variável e aos efeitos de alta temperatura mencionados em outras tecnologias de manufatura aditiva.Isso permite a conexão direta (ou seja, sem modificação de superfície, enchimentos ou adesivos) de várias camadas de diferentes materiais em uma única estrutura consolidada.
O segundo fator favorável para CAM é o alto grau de fluxo plástico observado em materiais metálicos mesmo em baixas temperaturas, ou seja, bem abaixo do ponto de fusão de materiais metálicos.A combinação de vibrações ultrassônicas e pressão causa um alto nível de migração de contorno de grão local e recristalização sem o aumento significativo de temperatura tradicionalmente associado a materiais a granel.Durante a criação da montagem final, esse fenômeno pode ser usado para incorporar componentes ativos e passivos entre camadas de folha de metal, camada por camada.Elementos como fibra óptica 49, reforço 46, eletrônica 50 e termopares (este trabalho) foram integrados com sucesso em estruturas UAM para criar montagens compostas ativas e passivas.
Neste trabalho, diferentes capacidades de ligação de materiais e capacidades de intercalação de UAM foram usadas para criar um microrreator ideal para controle catalítico de temperatura.
Em comparação com o paládio (Pd) e outros catalisadores metálicos comumente usados, a catálise de Cu tem várias vantagens: (i) Economicamente, o Cu é mais barato do que muitos outros metais usados ​​na catálise e, portanto, uma opção atraente para a indústria química (ii) a gama de reações de acoplamento cruzado catalisadas por Cu está se expandindo e parece ser um tanto complementar às metodologias baseadas em Pd51, 52, 53 (iii) As reações catalisadas por Cu funcionam bem na ausência de outros ligantes.Esses ligantes geralmente são estruturalmente simples e baratos.se desejado, enquanto aqueles usados ​​na química de Pd são frequentemente complexos, caros e sensíveis ao ar (iv) Cu, especialmente conhecido por sua capacidade de ligar alcinos em síntese, como o acoplamento catalisado bimetálico de Sonogashira e a cicloadição com azidas (química do clique) (v) Cu também pode promover a arilação de alguns nucleófilos em reações do tipo Ullmann.
Recentemente, exemplos de heterogeneização de todas essas reações na presença de Cu(0) foram demonstrados.Isso se deve em grande parte à indústria farmacêutica e ao crescente foco na recuperação e reutilização de catalisadores metálicos55,56.
A reação de cicloadição 1,3-dipolar entre acetileno e azida a 1,2,3-triazol, proposta pela primeira vez por Huisgen na década de 196057, é considerada uma reação de demonstração sinérgica.Os fragmentos de 1,2,3 triazol resultantes são de particular interesse como um farmacoforo na descoberta de drogas devido às suas aplicações biológicas e uso em vários agentes terapêuticos 58 .
Essa reação recebeu atenção renovada quando Sharpless e outros introduziram o conceito de “química do clique”59.O termo “clique química” é usado para descrever um conjunto robusto e seletivo de reações para a síntese rápida de novos compostos e bibliotecas combinatórias usando ligação heteroatômica (CXC)60.O apelo sintético dessas reações se deve aos altos rendimentos associados a elas.as condições são simples, resistência ao oxigênio e à água e a separação do produto é simples61.
A clássica cicloadição de Huisgen de 1,3-dipolo não se enquadra na categoria “clique química”.No entanto, Medal e Sharpless demonstraram que este evento de acoplamento azida-alcino sofre 107-108 na presença de Cu(I) em comparação com uma aceleração significativa na taxa de cicloadição 1,3-dipolar não catalítica 62,63.Este mecanismo de reação avançado não requer grupos de proteção ou condições de reação severas e fornece conversão quase completa e seletividade para 1,2,3-triazóis 1,4-dissubstituídos (anti-1,2,3-triazóis) ao longo do tempo (Fig. 3).
Resultados isométricos de cicloadições de Huisgen convencionais e catalisadas por cobre.As cicloadições de Huisgen catalisadas por Cu(I) fornecem apenas 1,2,3-triazóis 1,4-dissubstituídos, enquanto as cicloadições de Huisgen induzidas termicamente fornecem tipicamente 1,4- e 1,5-triazóis uma mistura 1:1 de estereoisômeros azólicos.
A maioria dos protocolos envolve a redução de fontes estáveis ​​de Cu(II), como a redução de CuSO4 ou do composto Cu(II)/Cu(0) em combinação com sais de sódio.Comparado a outras reações catalisadas por metais, o uso de Cu(I) tem como principais vantagens ser barato e fácil de manusear.
Estudos cinéticos e isotópicos de Worrell et al.65 mostraram que, no caso dos alcinos terminais, dois equivalentes de cobre estão envolvidos na ativação da reatividade de cada molécula em relação à azida.O mecanismo proposto prossegue através de um anel metálico de cobre de seis membros formado pela coordenação de azida a acetileto de cobre ligado a σ com cobre ligado a π como um ligante doador estável.Derivados de triazolil de cobre são formados como resultado da contração do anel seguida pela decomposição do próton para formar produtos triazólicos e fechar o ciclo catalítico.
Embora os benefícios dos dispositivos de química de fluxo estejam bem documentados, existe o desejo de integrar ferramentas analíticas a esses sistemas para monitoramento de processo em tempo real in situ66,67.O UAM provou ser um método adequado para projetar e fabricar reatores de fluxo 3D muito complexos a partir de materiais termicamente condutores cataliticamente ativos com elementos sensores diretamente incorporados (Fig. 4).
Reator de fluxo de alumínio-cobre fabricado por fabricação aditiva ultrassônica (UAM) com uma estrutura de canal interna complexa, termopares embutidos e uma câmara de reação catalítica.Para visualizar os caminhos internos do fluido, também é mostrado um protótipo transparente feito por estereolitografia.
Para garantir que os reatores sejam feitos para futuras reações orgânicas, os solventes devem ser aquecidos com segurança acima de seu ponto de ebulição;eles são testados em pressão e temperatura.O teste de pressão mostrou que o sistema mantém uma pressão estável e constante mesmo em pressões elevadas no sistema (1,7 MPa).Testes hidrostáticos foram realizados em temperatura ambiente usando H2O como líquido.
A conexão do termopar integrado (Figura 1) ao registrador de dados de temperatura mostrou que a temperatura do termopar estava 6 °C (± 1 °C) abaixo da temperatura programada no sistema FlowSyn.Normalmente, um aumento de 10°C na temperatura dobra a taxa de reação, portanto, uma diferença de temperatura de apenas alguns graus pode alterar significativamente a taxa de reação.Essa diferença se deve à perda de temperatura ao longo do RPV devido à alta difusividade térmica dos materiais utilizados no processo de fabricação.Esse desvio térmico é constante e, portanto, pode ser levado em consideração ao configurar o equipamento para garantir que temperaturas precisas sejam alcançadas e medidas durante a reação.Assim, esta ferramenta de monitoramento online facilita o controle rigoroso da temperatura da reação e contribui para uma otimização mais precisa do processo e desenvolvimento de condições ideais.Esses sensores também podem ser usados ​​para detectar reações exotérmicas e evitar reações descontroladas em sistemas de grande escala.
O reator apresentado neste artigo é o primeiro exemplo da aplicação da tecnologia UAM para a fabricação de reatores químicos e aborda várias limitações importantes atualmente associadas à impressão AM/3D desses dispositivos, tais como: (i) Superação dos problemas observados associados ao processamento de cobre ou liga de alumínio (ii) resolução interna do canal aprimorada em comparação com métodos de fusão em leito de pó (PBF), como fusão seletiva a laser (SLM) possível na tecnologia de leito de pó, (v) superando as propriedades mecânicas ruins e a sensibilidade dos componentes à base de polímero a vários solventes orgânicos comuns17,19.
A funcionalidade do reator foi demonstrada por uma série de reações de cicloadição de alquinazida catalisada por cobre sob condições de fluxo contínuo (Fig. 2).O reator de cobre impresso ultrassônico mostrado na fig.4 foi integrado a um sistema de fluxo comercial e usado para sintetizar uma biblioteca de azida de vários 1,2,3-triazóis 1,4-dissubstituídos usando uma reação de temperatura controlada de acetileno e haletos de grupos alquil na presença de cloreto de sódio (Fig. 3).O uso da abordagem de fluxo contínuo reduz os problemas de segurança que podem surgir em processos em lote, uma vez que essa reação produz intermediários de azida altamente reativos e perigosos [317], [318].Inicialmente, a reação foi otimizada para a cicloadição de fenilacetileno e iodoetano (Esquema 1 – Cicloadição de fenilacetileno e iodoetano) (ver Fig. 5).
(Superior esquerdo) Esquema da configuração usada para incorporar um reator 3DP em um sistema de fluxo (superior direito) obtido do esquema otimizado (inferior) do esquema de cicloadição Huisgen 57 entre fenilacetileno e iodoetano para otimização e mostrando os parâmetros de taxa de conversão otimizados da reação.
Ao controlar o tempo de residência dos reagentes na seção catalítica do reator e monitorar cuidadosamente a temperatura da reação com um sensor de termopar diretamente integrado, as condições de reação podem ser otimizadas com rapidez e precisão com um mínimo de tempo e materiais.Verificou-se rapidamente que a conversão mais alta foi alcançada usando um tempo de residência de 15 minutos e uma temperatura de reação de 150°C.Pode-se ver no gráfico de coeficientes do software MODDE que tanto o tempo de residência quanto a temperatura de reação são consideradas condições importantes do modelo.A execução do otimizador integrado usando essas condições selecionadas cria um conjunto de condições de reação projetadas para maximizar as áreas de pico do produto enquanto diminui as áreas de pico do material de partida.Essa otimização rendeu uma conversão de 53% do produto triazol, que correspondeu exatamente à previsão do modelo de 54%.