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A manufatura aditiva está mudando a maneira 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 por 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 manufatura aditiva de reatores químicos, mas também expande significativamente as capacidades de tais dispositivos. Vários compostos 1,2,3-triazóis 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 de UAM. Usando as propriedades exclusivas 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 em relação à sua contraparte em massa, a química de fluxo é uma área importante e em crescimento tanto no meio acadêmico quanto no industrial, devido à sua capacidade de aumentar a seletividade e a eficiência da síntese química. Isso abrange desde a formação de moléculas orgânicas simples1 até compostos farmacêuticos2,3 e produtos naturais4,5,6. Mais de 50% das reações nas indústrias 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 aqueles que desejam personalizar seus dispositivos para um conjunto específico 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, Modelagem por Deposição Fundida (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 da AM neste campo17, 18, 19, 20.
Devido ao uso crescente da química de fluxo e às propriedades favoráveis ​​associadas à MA, técnicas mais avançadas precisam ser exploradas para permitir aos usuários fabricar recipientes de reação em fluxo com capacidades químicas e analíticas aprimoradas. Esses métodos devem permitir aos usuários selecionar entre uma gama de materiais de alta resistência ou funcionais, capazes de operar em uma ampla gama de condições de reação, além de facilitar diversas formas de saída analítica do dispositivo para permitir o monitoramento e o controle da reação.
Um processo de manufatura aditiva que pode ser usado para desenvolver reatores químicos personalizados é a Manufatura Aditiva Ultrassônica (UAM). Este método de laminação de chapas em estado sólido aplica vibrações ultrassônicas a finas folhas metálicas para uni-las camada por camada com aquecimento volumétrico mínimo e um alto grau de fluxo plástico 21, 22, 23. Diferentemente da maioria das outras tecnologias de AM, a UAM pode ser diretamente integrada à produção subtrativa, conhecida como processo de manufatura híbrido, no qual a fresagem periódica por controle numérico (CNC) in-situ ou o processamento a laser determinam 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, o que frequentemente ocorre em sistemas de pó e líquido AM 26, 27, 28. Essa liberdade de projeto também se estende à escolha dos materiais disponíveis – a 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 ligação sólida, outro fenômeno que ocorre com a ligação ultrassônica é a alta fluidez dos materiais plásticos a temperaturas relativamente baixas29,30,31,32,33. Essa característica exclusiva da UAM permite que elementos mecânicos/térmicos sejam colocados entre camadas metálicas sem danos. Sensores UAM incorporados podem facilitar o fornecimento de informações em tempo real do dispositivo ao usuário por meio de análises integradas.
Trabalhos anteriores dos autores32 demonstraram a capacidade do processo UAM de criar estruturas microfluídicas metálicas tridimensionais com capacidades de detecção incorporadas. Este dispositivo destina-se apenas a 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 diversas vantagens associadas à tecnologia UAM na fabricação de dispositivos químicos tridimensionais, como: a capacidade de converter um projeto 3D completo diretamente de um modelo de projeto auxiliado por computador (CAD) em um produto; fabricação multimaterial para uma combinação de materiais catalíticos e de alta condutividade térmica, bem como sensores térmicos incorporados diretamente entre os fluxos de reagentes para controle e gerenciamento precisos da temperatura da 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 utilizados sem purificação prévia. Os espectros de RMN de 1H e 13C registrados a 400 e 100 MHz, respectivamente, foram obtidos em um espectrômetro JEOL ECS-400 de 400 MHz ou em um espectrômetro Bruker Avance II de 400 MHz com CDCl3 ou (CD3)2SO4 como solvente. Todas as reações foram realizadas utilizando a plataforma de química de fluxo Uniqsis FlowSyn.
A UAM foi utilizada 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 utilizando os seguintes materiais publicados34,35,36,37. O dispositivo (Fig. 1) foi implementado utilizando um sistema UAM SonicLayer 4000® de 9 kW para serviço pesado (Fabrisonic, Ohio, EUA). Os materiais escolhidos para o dispositivo de fluxo foram Cu-110 e Al 6061. Cu-110 tem um alto teor de cobre (mínimo de 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 o material "a granel". , bem como a camada de intercalação usada para análise; intercalação de componentes de liga auxiliar e estado recozido em combinação com a camada de Cu-110. encontrado para ser quimicamente estável com os reagentes usados ​​neste trabalho. Al 6061 O em combinação com Cu-110 também é considerado uma combinação de materiais compatível para UAM e, portanto, é 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 camadas (4) Canal superior (5) Entrada e saída (6) Reator monolítico.
A filosofia de 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. Esse aumento na distância é desejável para aumentar o tempo de contato catalisador-reagente e fornecer excelentes rendimentos do produto. Os chips usam curvas de 90° nas extremidades de um caminho reto para induzir uma mistura turbulenta dentro do dispositivo44 e aumentar o tempo de contato do líquido com a superfície (catalisador). Para aprimorar 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 serpentina de mistura. A terceira entrada, que cruza o fluxo na metade de sua residência, está incluída no plano para futuras reações de síntese em múltiplos estágios.
Todos os canais têm um perfil quadrado (sem ângulos cônicos), que é o resultado da fresagem CNC periódica usada para criar a geometria do canal. As dimensões do canal são escolhidas para fornecer um alto rendimento volumétrico (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 foram 750 µm x 750 µm e o volume total do reator foi de 1 ml. Um conector embutido (rosca de 1/4″-28 UNF) está incluído no projeto para permitir fácil interfaceamento 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. A uma determinada largura para um determinado material, o material "cederá" no canal criado. Atualmente, não há um modelo específico para esse cálculo, portanto, a largura máxima do canal para um determinado material e projeto é determinada experimentalmente; nesse caso, uma largura de 750 µm não causará flacidez.
A forma (quadrada) do canal é determinada utilizando uma fresa quadrada. A forma e o tamanho dos canais podem ser alterados em máquinas CNC utilizando 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 metálica é aplicada de forma plana, a aplicação do material da folha aos canais resultará em uma superfície plana (quadrada). Neste trabalho, foi utilizado um contorno quadrado para preservar a simetria do canal.
Durante uma pausa programada na produção, sensores de temperatura termopar (tipo K) são integrados diretamente no dispositivo, entre os grupos de canais superior e inferior (Fig. 1 – estágio 3). Esses termopares podem controlar variações de temperatura de -200 a 1350 °C.
O processo de deposição de metal é realizado pelo gerador UAM usando uma folha de metal 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 final limpa. A usinagem CNC é usada para usinar os contornos externos e internos do equipamento, resultando em um acabamento de superfície do equipamento e dos canais correspondentes à ferramenta selecionada e aos parâmetros do processo CNC (neste exemplo, cerca de 1,6 µm Ra). Ciclos contínuos de pulverização e usinagem de material ultrassônico são usados ​​durante 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 de 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 nos 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 neste trabalho, a camada Cu-110 permanece diferente da camada Al 6061 e muda drasticamente.
Instalar um regulador de contrapressão (BPR) pré-calibrado a 250 psi (1724 kPa) a jusante do reator e bombear 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 integrado ao sistema para garantir que o sistema pudesse manter uma pressão constante. Os gradientes potenciais de temperatura no reator de fluxo foram testados procurando por quaisquer diferenças entre os termopares integrados ao reator e os termopares integrados à 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 utilizando uma abordagem de planejamento fatorial completo de experimentos (DOE), utilizando temperatura e tempo de residência como variáveis, enquanto a razão alcino:azida foi fixada em 1:2.
Foram preparadas soluções separadas de azida sódica (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), iodoetano (0,25 M, DMF) e fenilacetileno (0,125 M, DMF). 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 entre a área do pico do produto triazol e o material de partida, fenilacetileno, e foi determinada por cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE). Para garantir a consistência da análise, todas as reações foram realizadas imediatamente após a mistura reacional 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) consistindo de uma bomba quaternária, forno de coluna, detector UV de comprimento de onda variável e amostrador automático. A coluna era uma Equivalence 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 % da área do pico para a amostra DOE foi calculada a partir das áreas dos picos dos produtos alcino e triazólico residuais apenas. A introdução do material de partida torna possível identificar os picos correspondentes.
A combinação dos resultados da análise do reator com o software MODDE DOE (Umetrics, Malmö, Suécia) permitiu uma análise completa das tendências dos resultados e a determinação das condições ótimas de reação para esta cicloadição. A execução do otimizador integrado e a seleção de todos os termos importantes do modelo criam um conjunto de condições de reação projetadas para maximizar a área do pico do produto, enquanto reduzem a área do pico da matéria-prima de acetileno.
A oxidação da superfície de 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 triazol. biblioteca.
Uma vez determinado o conjunto ótimo de condições, elas foram aplicadas 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).
Preparar soluções separadas de azida sódica (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. O volume total foi coletado em um frasco e diluído com 10 ml de acetato de etila. A solução da amostra foi lavada com 3 x 10 ml de água. As camadas aquosas foram combinadas e extraídas com 10 ml de acetato de etila, em seguida, as camadas orgânicas foram combinadas, lavadas com 3 x 10 ml de salmoura, secas sobre MgSO4 e filtradas, e então o solvente foi removido sob vácuo. As amostras foram purificadas por cromatografia em coluna de gel de sílica usando acetato de etila 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 utilizando um espectrômetro de massas Thermofischer Precision Orbitrap com ESI como fonte de ionização. Todas as amostras foram preparadas utilizando acetonitrila como solvente.
A análise por TLC foi realizada em placas de sílica com substrato de alumínio. As placas foram visualizadas com luz UV (254 nm) ou coloração com vanilina e aquecimento.
Todas as amostras foram analisadas utilizando um sistema VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, Reino Unido) equipado com um amostrador automático, uma bomba binária com 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).
Injeções (5 µl) foram feitas diretamente da mistura de reação bruta diluída (diluição 1:10) e analisadas com água:metanol (50:50 ou 70:30), exceto para algumas amostras que utilizaram um sistema de solvente 70:30 (indicado como número estrela) a uma vazão de 1,5 ml/min. A coluna foi mantida a 40 °C. O comprimento de onda do detector é de 254 nm.
A % área do pico da amostra foi calculada a partir da área do pico do alcino residual, apenas do produto triazol, e a introdução do material de partida permitiu identificar os picos correspondentes.
Todas as amostras foram analisadas utilizando o Thermo iCAP 6000 ICP-OES. Todos os padrões de calibração foram preparados utilizando uma solução padrão de Cu a 1000 ppm em ácido nítrico a 2% (SPEX Certi Prep). Todos os padrões foram preparados em uma solução de 5% de DMF e 2% de HNO3, e todas as amostras foram diluídas 20 vezes com uma solução de amostra de DMF-HNO3.
A UAM utiliza soldagem ultrassônica de metais como método de união da folha metálica utilizada para criar a montagem final. A soldagem ultrassônica de metais utiliza uma ferramenta metálica vibratória (chamada corneta ou corneta ultrassônica) para aplicar pressão à folha/camada previamente consolidada a ser unida/previamente consolidada por meio da 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 então a uma ligação em fase sólida nas interfaces do material; também pode promover a coesão alterando a energia da superfície 48 . A natureza do mecanismo de ligação supera muitos dos problemas associados à temperatura variável do fundido e aos efeitos de alta temperatura mencionados em outras tecnologias de manufatura aditiva. Isso permite a conexão direta (ou seja, sem modificação da superfície, enchimentos ou adesivos) de várias camadas de materiais diferentes em uma única estrutura consolidada.
O segundo fator favorável à CAM é o alto grau de fluxo plástico observado em materiais metálicos, mesmo em baixas temperaturas, ou seja, bem abaixo do ponto de fusão dos materiais metálicos. A combinação de vibrações ultrassônicas e pressão causa um alto nível de migração local dos contornos de grão 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 metálica, camada por camada. Elementos como fibra óptica 49, reforço 46, componentes eletrônicos 50 e termopares (este trabalho) foram integrados com sucesso em estruturas UAM para criar conjuntos compósitos ativos e passivos.
Neste trabalho, diferentes capacidades de ligação de materiais e capacidades de intercalação de UAM foram usadas para criar um microrreator ideal para controle de temperatura catalítica.
Comparado ao 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 ​​em catálise e, portanto, é uma opção atraente para a indústria química (ii) a gama de reações de acoplamento cruzado catalisadas por Cu está se expandindo e parece ser de certa forma complementar às metodologias baseadas em Pd51, 52, 53 (iii) As reações catalisadas por Cu funcionam bem na ausência de outros ligantes. Esses ligantes são frequentemente 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 (clique em química) (v) Cu também pode promover a arilação de alguns nucleófilos em reações do tipo Ullmann.
Recentemente, foram demonstrados exemplos de heterogeneização de todas essas reações na presença de Cu(0). 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 para formar 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 farmacóforo na descoberta de fármacos devido às suas aplicações biológicas e uso em diversos agentes terapêuticos58.
Essa reação recebeu atenção renovada quando Sharpless e outros introduziram o conceito de "química do clique"59. O termo "química do clique" 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 a elas associados. As condições são simples, a resistência ao oxigênio e à água e a separação dos produtos é simples61.
A cicloadição clássica de Huisgen com 1,3-dipolo não se enquadra na categoria de "química de clique". No entanto, Medal e Sharpless demonstraram que esse evento de acoplamento azida-alcino ocorre em 107–108 na presença de Cu(I), em comparação com uma aceleração significativa na taxa de cicloadição 1,3-dipolar não catalítica 62,63. Esse mecanismo de reação avançado não requer grupos protetores ou condições reacionais adversas e proporciona conversão e seletividade quase completas 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) produzem apenas 1,2,3-triazóis 1,4-dissubstituídos, enquanto as cicloadições de Huisgen induzidas termicamente produzem 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 o baixo custo e a facilidade de manuseio.
Estudos cinéticos e isotópicos realizados por Worrell et al. 65 demonstraram que, no caso de alcinos terminais, dois equivalentes de cobre estão envolvidos na ativação da reatividade de cada molécula em relação à azida. O mecanismo proposto se dá por meio de um anel metálico de cobre de seis membros, formado pela coordenação da azida com acetileto de cobre ligado a σ, com cobre ligado a π como ligante doador estável. Derivados triazolílicos de cobre são formados como resultado da contração do anel seguida pela decomposição de prótons 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 processos em tempo real in situ66,67. A UAM demonstrou ser um método adequado para projetar e fabricar reatores de fluxo 3D muito complexos a partir de materiais cataliticamente ativos e termicamente condutores com elementos sensores diretamente incorporados (Fig. 4).
Reator de fluxo de alumínio-cobre fabricado por manufatura aditiva ultrassônica (UAM) com uma estrutura complexa de canais internos, termopares integrados 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 adequados para futuras reações orgânicas, os solventes devem ser aquecidos com segurança acima do seu ponto de ebulição; eles são submetidos a testes de pressão e temperatura. Os testes de pressão mostraram que o sistema mantém uma pressão estável e constante mesmo em pressões elevadas (1,7 MPa). Os testes hidrostáticos foram realizados à temperatura ambiente, utilizando 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 usados ​​no processo de fabricação. Essa deriva térmica é constante e, portanto, pode ser levada em consideração ao configurar o equipamento para garantir que temperaturas precisas sejam alcançadas e medidas durante a reação. Assim, essa ferramenta de monitoramento online facilita o controle rigoroso da temperatura da reação e contribui para uma otimização mais precisa do processo e o desenvolvimento de condições ótimas. 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 na fabricação de reatores químicos e aborda diversas limitações importantes atualmente associadas à impressão AM/3D desses dispositivos, como: (i) Superar os problemas observados associados ao processamento de liga de cobre ou alumínio (ii) Melhor resolução do canal interno em comparação aos métodos de fusão em leito de pó (PBF), como a fusão seletiva a laser (SLM)25,69 Fluxo de material deficiente e textura de superfície áspera26 (iii) Menor temperatura de processamento, o que facilita a conexão direta de sensores, o que não é possível na tecnologia de leito de pó, (v) Superar as propriedades mecânicas deficientes 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 alcinazida catalisadas por cobre sob condições de fluxo contínuo (Fig. 2). O reator de cobre impresso por ultrassom mostrado na Fig. 4 foi integrado a um sistema de fluxo comercial e utilizado para sintetizar uma biblioteca de azidas de vários 1,2,3-triazóis 1,4-dissubstituídos, utilizando uma reação com temperatura controlada de acetileno e haletos de grupo alquila 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 batelada, 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 termopar diretamente integrado, as condições de reação podem ser otimizadas de forma rápida e precisa com um mínimo de tempo e materiais. Foi rapidamente descoberto que a maior conversão foi alcançada usando um tempo de residência de 15 minutos e uma temperatura de reação de 150 °C. Pode-se observar no gráfico de coeficientes do software MODDE que tanto o tempo de residência quanto a temperatura da reação são considerados 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 resultou em uma conversão de 53% do produto triazol, o que correspondeu exatamente à previsão do modelo de 54%.