Vă mulțumim că vizitați Nature.com.Versiunea de browser pe care o utilizați are suport limitat pentru CSS. Pentru cea mai bună experiență, vă recomandăm să utilizați un browser actualizat (sau să dezactivați modul de compatibilitate în Internet Explorer). Între timp, pentru a asigura suport continuu, vom afișa site-ul fără stiluri și JavaScript.
Fabricația aditivă schimbă modul în care cercetătorii și industriașii proiectează și fabrică dispozitive chimice pentru a satisface nevoile lor specifice. În această lucrare, raportăm primul exemplu de reactor cu flux format prin tehnica de laminare a tablei de metal în stare solidă Fabricarea aditivă cu ultrasunete (UAM) cu piese catalitice și elemente sensibile integrate direct. capabilitățile unor astfel de dispozitive. O serie de compuși 1,4-disubstituiți 1,2,3-triazol importanți din punct de vedere biologic au fost sintetizați și optimizați cu succes printr-o reacție de cicloadiție 1,3-dipolară Huisgen mediată de Cu, utilizând o configurație chimică UAM. Prin valorificarea proprietăților unice ale UAM și a dispozitivului, monitorizarea continuă a fluxului este de asemenea capabilă să monitorizeze reacția în timp real pentru procesarea fluxului continuu. ing şi optimizare.
Datorită avantajelor sale semnificative față de omologul său în vrac, chimia în flux este un domeniu important și în creștere atât în ​​mediul academic, cât și în cel industrial, datorită capacității sale de a crește selectivitatea și eficiența sintezei chimice. Aceasta se extinde de la formarea simplă a moleculelor organice1 la compuși farmaceutici2,3 și produse naturale4,5,6.Mai mult de 50% din reacțiile din industria chimică fină și farmaceutică pot beneficia de utilizarea prelucrării în flux continuu7.
În ultimii ani, a existat o tendință în creștere a grupurilor care caută să înlocuiască sticlăria tradițională sau echipamentele de chimie în flux cu „vase de reacție” chimice personalizabile de fabricație aditivă (AM)8. Designul iterativ, producția rapidă și capacitățile tridimensionale (3D) ale acestor tehnici sunt benefice pentru cei care doresc să-și personalizeze dispozitivele la un set specific de reacții bazate pe utilizarea dispozitivului aproape exclusiv, axat pe date, aceste reacții sau condiții de lucru. Tehnici de imprimare 3D, cum ar fi stereolitografia (SL)9,10,11, modelarea prin depunere fuzionată (FDM)8,12,13,14 și imprimarea cu jet de cerneală 7, 15, 16. Lipsa robusteței și a capacității unor astfel de dispozitive de a efectua o gamă largă de reacții/analize chimice17, 18, 20 este un factor mai larg de implementare în acest domeniu, 18, 18, 18, 19, mai larg, limitativ pentru acest domeniu. 19, 20.
Datorită utilizării în creștere a chimiei de flux și a proprietăților favorabile asociate cu AM, este nevoie de a explora tehnici mai avansate care să permită utilizatorilor să fabrice vase de reacție în flux cu capacități chimice și analitice îmbunătățite. Aceste tehnici ar trebui să le permită utilizatorilor să aleagă dintr-o gamă de materiale foarte robuste sau funcționale capabile să gestioneze o gamă largă de condiții de reacție, facilitând în același timp diverse forme de monitorizare a reacției și controlul analitic al dispozitivului.
Un proces de fabricație aditivă care are potențialul de a dezvolta reactoare chimice personalizate este fabricarea aditivă cu ultrasunete (UAM). Această tehnică de laminare a foii în stare solidă aplică oscilații ultrasonice pe folii subțiri de metal pentru a le uni strat cu strat, cu o încălzire în vrac minimă și un grad ridicat de curgere a plasticului 21 , 22 , 22 , 22 , 22 , 21 , 22 . ing, cunoscut ca un proces de fabricație hibrid, în care frezarea in-situ cu control numeric computerizat periodic (CNC) sau prelucrarea cu laser definește forma netă a unui strat de material lipit 24, 25. Acest lucru înseamnă că utilizatorul nu este limitat de problemele asociate cu îndepărtarea materiei prime reziduale din canalele mici de fluide, ceea ce este adesea cazul cu sistemele de pulbere și lichide disponibile. AM poate lipi combinații de materiale similare și diferite din punct de vedere termic într-o singură etapă de proces. Alegerea combinațiilor de materiale dincolo de procesul de topire înseamnă că cerințele mecanice și chimice ale aplicațiilor specifice pot fi mai bine îndeplinite. Pe lângă lipirea în stare solidă, un alt fenomen întâlnit în timpul lipirii cu ultrasunete este fluxul mare de materiale plastice la temperaturi relativ scăzute29,30,33. elementele mal între straturile metalice fără deteriorare. Senzorii încorporați UAM pot facilita livrarea de informații în timp real de la dispozitiv către utilizator prin analize integrate.
Lucrările anterioare ale autorilor32 au demonstrat capacitatea procesului UAM de a crea structuri microfluidice metalice 3D cu capacități de detectare integrate. Acesta este un dispozitiv numai de monitorizare. Această lucrare prezintă primul exemplu de reactor chimic microfluidic fabricat de UAM;un dispozitiv activ care nu numai că monitorizează, ci și induce sinteza chimică prin materiale catalizatoare integrate structural. Dispozitivul combină mai multe avantaje asociate cu tehnologia UAM în fabricarea dispozitivelor chimice 3D, cum ar fi: capacitatea de a converti proiecte 3D complete direct din modele de proiectare asistată de computer (CAD) în produse;fabricație cu mai multe materiale pentru a combina o conductivitate termică ridicată și materiale catalitice;și încorporarea senzorilor termici direct între fluxurile de reactivi pentru monitorizarea și controlul precis al temperaturii de reacție. Pentru a demonstra funcționalitatea reactorului, o bibliotecă de compuși 1,2,3-triazol 1,4-disubstituiți importanți din punct de vedere farmaceutic a fost sintetizată prin Huisgen 1,3-dipolar catalizat cu cupru, precum și modul de utilizare a materialelor dipolare. noi oportunități și posibilități pentru chimie prin cercetare multidisciplinară.
Toți solvenții și reactivii au fost achiziționați de la Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI sau Fischer Scientific și au fost utilizați fără purificare prealabilă. Toate reacțiile au fost efectuate folosind platforma de chimie în flux Uniqsis FlowSyn.
UAM a fost folosit pentru fabricarea tuturor dispozitivelor din acest studiu. Tehnologia a fost inventată în 1999, iar detaliile sale tehnice, parametrii de funcționare și evoluțiile de la invenție pot fi studiate prin următoarele materiale publicate34,35,36,37. Dispozitivul (Figura 1) a fost implementat folosind o putere ultra-înaltă, 9kW SonicLayer 4000, Materialele de fabricație ale USA, au fost alese pentru sistemul de fabricație al dispozitivului Fabrison® UAM. Cu-110 și Al 6061.Cu-110 are un conținut ridicat de cupru (minimum 99,9% cupru), făcându-l un bun candidat pentru reacțiile catalizate de cupru și, prin urmare, este folosit ca „strat activ în cadrul unui microreactor.Al 6061 O este utilizat ca material „vrac”, de asemenea, stratul de încorporare utilizat pentru analiză;Încorporarea componentelor auxiliare din aliaj și starea de recoacere combinate cu stratul de Cu-110.Al 6061 O este un material care s-a dovedit a fi foarte compatibil cu procesele UAM38, 39, 40, 41 și a fost testat și găsit stabil din punct de vedere chimic cu reactivii utilizați în această lucrare.Combinația de Al 6061 O cu Cu-110 este, de asemenea, considerată o combinație de materiale compatibilă pentru UAM și, prin urmare, este un material potrivit pentru acest studiu.38,42 Aceste dispozitive sunt enumerate în Tabelul 1 de mai jos.
Etape de fabricare a reactorului (1) Substratul Al 6061 (2) Fabricarea canalului inferior fixat pe folie de cupru (3) Încorporarea termocuplurilor între straturi (4) Canal superior (5) Intrare și ieșire (6) Reactor monolitic.
Filosofia de proiectare a traseului fluidului este de a folosi o cale contortă pentru a crește distanța parcursă fluidul în interiorul cipului, menținând în același timp cip la o dimensiune gestionabilă. Această creștere a distanței este de dorit pentru a crește timpul de interacțiune catalizator/reactiv și pentru a oferi randamente excelente de produs. Chips-urile folosesc curbe de 90° la capetele căii drepte pentru a induce timpul de turbulență al fluidului44 pentru a crește în continuare timpul de amestecare a fluidului cu catalizatorul4. amestecarea care poate fi realizată, proiectarea reactorului prezintă două intrări de reactiv combinate la joncțiunea Y înainte de a intra în secțiunea de amestecare serpentină. A treia intrare, care intersectează fluxul la jumătatea locului său de rezidență, este inclusă în proiectarea viitoarelor sinteze de reacție în mai multe etape.
Toate canalele au un profil pătrat (fără unghiuri de tiraj), rezultatul frezării CNC periodice utilizate pentru a crea geometria canalului. Dimensiunile canalului sunt alese pentru a asigura o ieșire de volum mare (pentru un microreactor), fiind în același timp suficient de mici pentru a facilita interacțiunile de suprafață (catalizatori) pentru majoritatea fluidelor conținute. Dimensiunea adecvată se bazează pe experiența anterioară a autorilor cu dispozitivele metal-fluidice. m, iar volumul total al reactorului a fost de 1 ml. Un conector integrat (filet 1/4″—28 UNF) este inclus în proiectare pentru a permite interfațarea simplă a dispozitivului cu echipamente comerciale de chimie de flux.Dimensiunea canalului este limitată de grosimea materialului foliei, de proprietățile sale mecanice și de parametrii de lipire utilizați cu ultrasunete.La o lățime specifică pentru un anumit material, materialul se va „strânge” în canalul creat.În prezent nu există un model specific pentru acest calcul, astfel încât lățimea maximă a canalului pentru un anumit material și design este determinată experimental;în acest caz, o lățime de 750 μm nu va provoca abatere.
Forma (pătratul) canalului este determinată cu ajutorul unui tăietor pătrat. Forma și dimensiunea canalelor pot fi modificate de mașini CNC folosind diferite scule de tăiere pentru a obține diferite debite și caracteristici. Un exemplu de creare a unui canal de formă curbată folosind instrumentul de 125 μm poate fi găsit în lucrarea lui Monaghan45. finisare.În această lucrare, pentru a menține simetria canalului s-a folosit un contur pătrat.
În timpul unei pauze preprogramate în fabricație, sondele de temperatură cu termocuplu (Tip K) sunt încorporate direct în dispozitiv între grupurile de canale superioare și inferioare (Figura 1 – Etapa 3). Aceste termocupluri pot monitoriza schimbările de temperatură de la -200 la 1350 °C.
Procesul de depunere a metalului este realizat de un corn UAM folosind o folie metalică de 25,4 mm lățime și 150 microni grosime. Aceste straturi de folie sunt lipite într-o serie de benzi adiacente pentru a acoperi întreaga zonă de construcție;dimensiunea materialului depus este mai mare decât produsul final, deoarece procesul de scădere produce forma finală a netei. Prelucrarea CNC este utilizată pentru prelucrarea contururilor externe și interne ale echipamentului, rezultând o finisare a suprafeței echipamentului și canalelor egale cu instrumentul selectat și parametrii procesului CNC (aproximativ 1,6 μm Ra în acest exemplu). Lățimea canalului utilizată pentru acest dispozitiv este suficient de mică pentru a se asigura că materialul din folie nu se „strânge” în canalul de fluid, astfel încât canalul menține o secțiune transversală pătrată. Posibilele goluri în materialul foliei și parametrii procesului UAM au fost determinați experimental de către un partener de producție (Fabrisonic LLC, SUA).
Studiile au arătat că o difuzie mică elementară are loc la interfața de legare UAM 46, 47 fără tratament termic suplimentar, astfel încât pentru dispozitivele din această lucrare, stratul Cu-110 rămâne distinct de stratul Al 6061 și se modifică brusc.
Instalați un regulator de contrapresiune (BPR) precalibrat de 250 psi (1724 kPa) la ieșirea din reactor și pompați apă prin reactor la o rată de 0,1 până la 1 ml min-1. Presiunea din reactor a fost monitorizată utilizând senzorul de presiune al sistemului încorporat FlowSyn pentru a verifica dacă sistemul poate menține o constantă constantă a temperaturii de curgere a diferențelor de temperatură ale reactorului testate prin diferența de temperatură a potențialului testată prin diferența de temperatură. adăugate în reactor și cele încorporate în placa de încălzire cu cip FlowSyn. Acest lucru se realizează prin variarea temperaturii programabile a plitei între 100 și 150 °C în trepte de 25 °C și notând orice diferențe între temperaturile programate și cele înregistrate. Acest lucru a fost realizat folosind un logger de date tc-08 și software-ul Cambridge, PicoLog însoțit de PicoTech.
Condițiile de reacție de cicloadiție ale fenilacetilenei și iodetanului au fost optimizate (Schema 1- Cicloadiția fenilacetilenei și iodetanului Schema 1- Cicloadiția fenilacetilenei și iodetanului). Această optimizare a fost realizată printr-o abordare completă a temperaturii și a reședinței, folosind o abordare variabilă (DOE) a reședinței, folosind parametrul de stabilire a temperaturii și a timpului. raportul :azide la 1:2.
S-au preparat soluții separate de azidă de sodiu (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), iodetan (0,25 M, DMF) și fenilacetilenă (0,125 M, DMF). O alicotă de 1,5 mL din fiecare soluție a fost amestecată și pompată prin reactor la rata de răspuns dorită a produsului și a fost raportată la rata de curgere dorită a modelului de fenilazo. materie primă și determinată prin cromatografie lichidă de înaltă performanță (HPLC). Pentru consistența analizei, toate reacțiile au fost prelevate imediat după ce amestecul de reacție a părăsit reactorul. Domeniile de parametri selectate pentru optimizare sunt prezentate în Tabelul 2.
Toate probele au fost analizate folosind un sistem Chromaster HPLC (VWR, PA, SUA) format dintr-o pompă cuaternară, cuptor cu coloană, detector UV cu lungime de undă variabilă și autosampler. rata de 1,5 mL.min-1. Volumul de injectare a fost de 5 µL și lungimea de undă a detectorului a fost de 254 nm. % aria vârfului pentru proba DOE a fost calculată numai din zonele de vârf ale produselor reziduale de alchină și triazol. Injectarea materiei prime permite identificarea vârfurilor relevante.
Cuplarea rezultatelor analizei reactorului la software-ul MODDE DOE (Umetrics, Malmö, Suedia) a permis o analiză amănunțită a tendințelor rezultatelor și determinarea condițiilor optime de reacție pentru această cicloadăugare. Rularea optimizatorului încorporat și selectarea tuturor termenilor importanți a modelului generează un set de condiții de reacție menite să maximizeze aria de vârf a produsului, reducând în același timp aria de vârf a materialului de pornire.
Oxidarea cuprului de suprafață în camera de reacție catalitică a fost realizată folosind o soluție de peroxid de hidrogen (36%) care curge prin camera de reacție (debit = 0,4 mL min-1, timp de rezidență = 2,5 min) înainte de sinteza fiecărei biblioteci de compuși triazol.
Odată ce a fost identificat un set optim de condiții, acestea au fost aplicate la o serie de derivați de acetilenă și haloalcan pentru a permite compilarea unei sinteze de bibliotecă mici, stabilindu-se astfel capacitatea de a aplica aceste condiții la o gamă mai largă de reactivi potențiali (Figura 1).2).
Se prepară soluții separate de azidă de sodiu (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), haloalcani (0,25 M, DMF) și alchine (0,125 M, DMF). Alicote de 3 ml din fiecare soluție au fost amestecate și pompate prin reactor la 75 uL.min-1 și s-au colectat 150 °C într-un volum de etil total de 150 °C. Soluția de probă a fost spălată cu 3 x 10 ml de apă. Straturile apoase au fost combinate și extrase cu 10 ml de acetat de etil;straturile organice au fost apoi combinate, spălate cu 3 x 10 ml de saramură, uscate pe MgS04 și filtrate, apoi solventul a fost îndepărtat în vid. Probele au fost purificate prin cromatografie pe coloană pe silicagel folosind acetat de etil înainte de analiză printr-o combinație de HPLC, 1H RMN, 13C RMN și spectrometrie de masă HR-MS de înaltă rezoluție.
Toate spectrele au fost obținute folosind un spectrometru de masă cu rezoluție Thermofischer Orbitrap cu ESI ca sursă de ionizare. Toate probele au fost preparate folosind acetonitril ca solvent.
Analiza TLC a fost efectuată pe plăci de silice cu suport de aluminiu. Plăcile au fost vizualizate prin lumină UV (254 nm) sau colorare cu vanilină și încălzire.
Toate probele au fost analizate folosind un sistem VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, Marea Britanie) echipat cu un autosampler, o pompă binară cu coloană și un detector cu o singură lungime de undă. Coloana utilizată a fost un ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Scoția).
Injecțiile (5 µL) au fost făcute direct din amestecul de reacție brut diluat (diluție 1:10) și analizate cu apă:metanol (50:50 sau 70:30), cu excepția unor probe folosind sistemul de solvent 70:30 (notat ca număr stea) la un debit de 1,5 mL/min.
Aria % de vârf a probei a fost calculată din aria de vârf a alchinei reziduale, numai produsul triazol, iar injectarea materiei prime a permis identificarea vârfurilor relevante.
Toate probele au fost analizate folosind un Thermo iCAP 6000 ICP-OES. Toate standardele de calibrare au fost preparate folosind o soluție standard de 1000 ppm Cu în acid azotic 2% (SPEX Certi Prep).
UAM utilizează sudarea metalică cu ultrasunete ca tehnică de lipire pentru materialul foliei metalice utilizat pentru a construi ansamblul final. Sudarea metalului cu ultrasunete utilizează o unealtă metalică vibrantă (numită corn sau corn ultrasonic) pentru a aplica presiune pe stratul de folie/stratul consolidat anterior care urmează să fie lipit în timp ce vibrează materialul. se aplică, oxizii de pe suprafața materialului se pot crăpa. Presiunea și vibrațiile continue pot provoca colapsul asperităților materialului 36 . Contactul intim cu căldura și presiunea induse local duce apoi la lipirea în stare solidă la interfețele materialului;poate ajuta, de asemenea, aderența prin modificări ale energiei de suprafață48. Natura mecanismului de lipire depășește multe dintre problemele asociate cu temperatura de topire variabilă și efectele secundare ale temperaturii ridicate menționate în alte tehnici de fabricație aditivă. Acest lucru permite lipirea directă (adică, fără modificarea suprafeței, umpluturi sau adezivi) a mai multor straturi de materiale diferite într-o singură structură consolidată.
Un al doilea factor favorabil pentru UAM este gradul ridicat de curgere plastică observat în materialele metalice, chiar și la temperaturi scăzute, adică mult sub punctul de topire al materialelor metalice. Combinația dintre oscilația ultrasonică și presiunea induce niveluri ridicate de migrare locală a granulelor și recristalizare fără creșterea mare a temperaturii asociată tradițional cu materialele în vrac. , strat cu strat. Elemente precum fibrele optice 49, armăturile 46, electronicele 50 și termocuplurile (această lucrare) au fost toate încorporate cu succes în structurile UAM pentru a crea ansambluri compozite active și pasive.
În această lucrare, atât posibilitățile diferite de legare a materialelor, cât și de intercalare ale UAM au fost utilizate pentru a crea microreactorul final de monitorizare a temperaturii catalitice.
În comparație cu paladiu (Pd) și alți catalizatori metalici utilizați în mod obișnuit, cataliza cu Cu are mai multe avantaje: (i) Din punct de vedere economic, Cu este mai puțin costisitor decât multe alte metale utilizate în cataliză și, prin urmare, este o opțiune atractivă pentru industria de prelucrare chimică (ii) Gama reacțiilor de cuplare încrucișată catalizate cu Cu este în creștere și pare a fi oarecum complementară cu metodologiile bazate pe Cu Pd. reacțiile catalizate funcționează bine în absența altor liganzi. Acești liganzi sunt adesea simpli din punct de vedere structural și ieftini, dacă se dorește, în timp ce cei utilizați în chimia Pd sunt adesea complexe, costisitoare și sensibile la aer (iv) Cu, cunoscut în special pentru capacitatea sa de a lega alchinele în sinteză, De exemplu, catalizarea bimetalică și cuplarea cu Sonogashicicloclick este, de asemenea, cu catalizare bimetalica și cu sonogashicicloclick. capabile să promoveze arilarea mai multor nucleofili în reacțiile de tip Ullmann.
Exemple de heterogenizare a tuturor acestor reacții au fost demonstrate recent în prezența Cu(0). Acest lucru se datorează în mare parte industriei farmaceutice și concentrării tot mai mari pe recuperarea și reutilizarea catalizatorului metalic55,56.
Pionier de Huisgen în anii 196057, reacția de cicloadiție 1,3-dipolară dintre acetilenă și azidă la 1,2,3-triazol este considerată o reacție demonstrativă sinergică. Fragmentele de 1,2,3 triazol rezultate sunt de interes deosebit, deoarece descoperă diverse aplicații farmacoforice în domeniul medicamentelor și utilizării diferitelor medicamente în domeniul farmacoforului5.
Această reacție a intrat din nou în atenție când Sharpless și alții au introdus conceptul de „chimie clic”59. Termenul „chimie clic” este folosit pentru a descrie un set robust, fiabil și selectiv de reacții pentru sinteza rapidă de noi compuși și biblioteci combinatorii prin legături heteroatomice (CXC)60. separarea produselor este simplă61.
Cicloadiția clasică de 1,3-dipol Huisgen nu aparține categoriei „chimiei clicului”. Cu toate acestea, Medal și Sharpless au demonstrat că acest eveniment de cuplare azidă-alchină suferă 107 până la 108 în prezența Cu(I) în comparație cu mecanismul 1,3-dipolar necatalizat, care nu necesită o accelerare semnificativă a mecanismului de reciclare a 1,3-dipolar, care nu necesită o accelerare semnificativă. grupări protectoare sau condiții dure de reacție și produc conversie aproape completă și selectivitate la 1,2,3-triazol 1,4-disubstituiți (anti-1,2,3-triazol) pe o scară de timp (Figura 3).
Rezultatele izometrice ale cicloadițiilor Huisgen convenționale și catalizate cu cupru. Cicloadițiile Huisgen catalizate cu Cu(I) produc numai 1,2,3-triazoli disubstituiți 1,4, în timp ce cicloadițiile Huisgen induse termic produc, de obicei, amestecuri de 1,4 și 1,5-1,5-zole de stereomeri.
Majoritatea protocoalelor implică reducerea surselor stabile de Cu(II), cum ar fi reducerea speciilor CuSO4 sau Cu(II)/Cu(0) în combinație cu săruri de sodiu. În comparație cu alte reacții catalizate de metal, utilizarea Cu(I) are avantajele majore de a fi ieftină și ușor de manevrat.
Studii de etichetare cinetică și izotopică de Worrell și colab.65 a arătat că, în cazul alchinelor terminale, doi echivalenți de cupru sunt implicați în activarea reactivității fiecărei molecule față de azidă. Mecanismul propus se desfășoară printr-un inel metalic de cupru cu șase atomi format prin coordonarea azidei cu acetilida de cupru legată σ cu cuprul legat π ca un donator stabil de ligand de cupru, urmat de derivați formați de ligand de cupru riazolil, formați de derivați. descompunere pentru a furniza produse triazolice și pentru a închide ciclul catalitic.
Deși beneficiile dispozitivelor de chimie în flux sunt bine documentate, a existat dorința de a integra instrumente analitice în aceste sisteme pentru monitorizarea proceselor in-line, in situ66,67.UAM s-a dovedit a fi o metodă potrivită pentru proiectarea și producerea de reactoare de flux 3D extrem de complexe, realizate din materiale conductoare termic active catalitic, cu elemente de detectare încorporate direct 4 (figura 4).
Reactorul de curgere din aluminiu-cupru fabricat prin fabricație aditivă cu ultrasunete (UAM) cu structură internă complexă a canalului, termocupluri încorporate și cameră de reacție catalitică. Pentru a vizualiza căile interne ale fluidului, este de asemenea prezentat un prototip transparent fabricat folosind stereolitografie.
Pentru a se asigura că reactoarele sunt fabricate pentru viitoare reacții organice, solvenții trebuie să fie încălziți în siguranță peste punctul de fierbere;sunt testate la presiune și temperatură. Testul de presiune a arătat că sistemul menține o presiune stabilă și constantă chiar și cu o presiune a sistemului crescută (1,7 MPa). Testul hidrostatic a fost efectuat la temperatura camerei folosind H2O ca fluid.
Conectarea termocuplului încorporat (Figura 1) la înregistratorul de date de temperatură a arătat că termocuplul a fost cu 6 °C (± 1 °C) mai rece decât temperatura programată pe sistemul FlowSyn. În mod obișnuit, o creștere cu 10 °C a temperaturii are ca rezultat o dublare a vitezei de reacție, astfel încât o diferență de temperatură de doar câteva grade poate fi modificată în mod semnificativ datorită diferenței de temperatură ridicate din cauza reacției de reacție a corpului. Difuziunea termică a materialelor utilizate în procesul de fabricație. Această derive termică este consecventă și, prin urmare, poate fi luată în considerare în configurația echipamentului pentru a asigura atingerea și măsurarea exactă a temperaturilor în timpul reacției. Prin urmare, acest instrument de monitorizare online facilitează controlul strict al temperaturii de reacție și facilitează optimizarea mai precisă a procesului și dezvoltarea condițiilor optime de reacție. sisteme.
Reactorul prezentat în această lucrare este primul exemplu de aplicare a tehnologiei UAM la fabricarea reactoarelor chimice și abordează câteva limitări majore asociate în prezent cu imprimarea AM/3D a acestor dispozitive, cum ar fi: (i) depășirea problemelor raportate legate de procesarea cuprului sau aliajului de aluminiu (ii) rezoluție îmbunătățită a canalului intern în comparație cu tehnicile de fuziune în strat de pulbere (PBF), cum ar fi tehnicile de topire a stratului de pulbere (PBF). 6 (iii) Temperatura redusă de procesare, care facilitează legarea directă a senzorilor, ceea ce nu este posibil în tehnologia stratului de pulbere, (v) depășește proprietățile mecanice slabe și sensibilitatea componentelor componentelor pe bază de polimeri la o varietate de solvenți organici obișnuiți17,19.
Funcționalitatea reactorului a fost demonstrată printr-o serie de reacții de cicloadiție de alchinăzidă catalizată cu cupru în condiții de curgere continuă (Fig. 2). Reactorul de cupru imprimat cu ultrasunete detaliat în Figura 4 a fost integrat cu un sistem de curgere comercial și utilizat pentru a sintetiza azide de bibliotecă ale diverselor 1,4-disubstituite disubstituite 1,4-disubstituite ale grupului de control al temperaturii 1,2-alele, reacție 1,2-azolele halogenuri în prezența clorurii de sodiu (Figura 3). Utilizarea unei abordări cu flux continuu atenuează problemele de siguranță care pot apărea în procesele discontinue, deoarece această reacție produce intermediari azidici foarte reactivi și periculoși [317], [318]. lenă şi iodetan) (vezi Figura 5).
(Stânga sus) Schema configurației utilizate pentru încorporarea reactorului 3DP în sistemul de curgere (dreapta sus) obținută în schema optimizată (jos) a schemei de cicloadiție Huisgen 57 între fenilacetilenă și iodetan pentru optimizare și arătând rata de conversie a reacției parametrilor optimizați.
Prin controlul timpului de rezidență al reactivilor în partea catalitică a reactorului și monitorizarea atentă a temperaturii de reacție cu o sondă de termocuplu integrată direct, condițiile de reacție pot fi optimizate rapid și precis, cu timp și consum minim de material. S-a determinat rapid că cele mai mari conversii au fost obținute când un timp de ședere de 15 minute și o temperatură de reacție de 150 °C, în condițiile în care software-ul poate fi folosit atât de coeficient de 150 °C timpul de rezidență și temperatura de reacție sunt considerate termeni importanți ai modelului. Rularea optimizatorului încorporat folosind acești termeni selectați generează un set de condiții de reacție menite să maximizeze zonele de vârf ale produsului, reducând în același timp zonele de vârf ale materialului de pornire. Această optimizare a condus la o conversie de 53% a produsului triazol, care se potrivește îndeaproape cu predicția modelului de 54%.
Pe baza literaturii care arată că oxidul de cupru (I) (Cu2O) poate acționa ca o specie catalitică eficientă pe suprafețele de cupru cu valent zero în aceste reacții, a fost investigată capacitatea de a preoxida suprafața reactorului înainte de efectuarea reacției în flux70,71. Cu toate acestea, monitorizarea prin HPLC a arătat că această conversie a redus semnificativ timpul de reacție excesiv prelungit până la aproximativ 90 de minute, după care activitatea părea să se stabilească și să atingă o „stare de echilibru”. formează CuO și Cu2O care nu sunt straturi de autoprotecție. Acest lucru elimină necesitatea de a adăuga o sursă auxiliară de cupru(II) pentru co-compunere71.