Благодарим вас за посещение Nature.com.Используемая вами версия браузера имеет ограниченную поддержку CSS.Для оптимальной работы мы рекомендуем вам использовать обновленный браузер (или отключить режим совместимости в Internet Explorer).Тем временем, чтобы обеспечить постоянную поддержку, мы будем отображать сайт без стилей и JavaScript.
Карусель, показывающая три слайда одновременно.Используйте кнопки «Назад» и «Далее», чтобы перемещаться по трем слайдам за раз, или используйте кнопки ползунка в конце, чтобы перемещаться по трем слайдам за раз.
Аддитивное производство меняет способ, которым исследователи и промышленники проектируют и производят химические устройства для удовлетворения своих конкретных потребностей.В этой статье мы сообщаем о первом примере проточного реактора, образованного ультразвуковым аддитивным производством (UAM) ламинирования твердого металлического листа с непосредственно интегрированными каталитическими частями и чувствительными элементами.Технология UAM не только преодолевает многие ограничения, связанные в настоящее время с аддитивным производством химических реакторов, но и значительно расширяет возможности таких устройств.Ряд биологически важных 1,4-дизамещенных 1,2,3-триазольных соединений был успешно синтезирован и оптимизирован с помощью Cu-опосредованной реакции 1,3-диполярного циклоприсоединения Хьюсгена с использованием химического оборудования UAM.Используя уникальные свойства UAM и обработки в непрерывном потоке, устройство способно катализировать текущие реакции, а также обеспечивать обратную связь в режиме реального времени для мониторинга и оптимизации реакций.
Из-за своих значительных преимуществ по сравнению с объемным аналогом проточная химия является важной и растущей областью как в академических, так и в промышленных условиях из-за ее способности повышать селективность и эффективность химического синтеза.Это простирается от образования простых органических молекул1 до фармацевтических соединений2,3 и натуральных продуктов4,5,6.Более 50 % реакций в тонкой химической и фармацевтической промышленности могут выиграть от непрерывного потока7.
В последние годы наблюдается растущая тенденция групп, стремящихся заменить традиционную стеклянную посуду или оборудование для проточной химии адаптируемыми химическими «реакторами»8.Итеративное проектирование, быстрое производство и трехмерные (3D) возможности этих методов полезны для тех, кто хочет настроить свои устройства для определенного набора реакций, устройств или условий.На сегодняшний день эта работа сосредоточена почти исключительно на использовании методов 3D-печати на основе полимеров, таких как стереолитография (SL)9,10,11, моделирование методом наплавления (FDM)8,12,13,14 и струйная печать7,15., 16. Отсутствие надежности и способности таких устройств проводить широкий спектр химических реакций/анализов17, 18, 19, 20 является основным ограничивающим фактором для более широкого применения АМ в этой области17, 18, 19, 20.
Из-за растущего использования проточной химии и благоприятных свойств, связанных с AM, необходимо изучить более совершенные методы, которые позволят пользователям изготавливать проточные реакционные сосуды с улучшенными химическими и аналитическими возможностями.Эти методы должны позволять пользователям выбирать из ряда высокопрочных или функциональных материалов, способных работать в широком диапазоне условий реакции, а также облегчать различные формы аналитического вывода из устройства, чтобы обеспечить мониторинг и контроль реакции.
Одним из процессов аддитивного производства, который можно использовать для разработки нестандартных химических реакторов, является ультразвуковое аддитивное производство (UAM).В этом методе твердотельного ламинирования тонкой металлической фольги применяются ультразвуковые колебания для соединения их друг с другом слой за слоем с минимальным объемным нагревом и высокой степенью пластического течения 21, 22, 23. В отличие от большинства других технологий AM, UAM может быть напрямую интегрирован с субтрактивным производством, известным как гибридный производственный процесс, в котором периодическое фрезерование на месте с числовым программным управлением (ЧПУ) или лазерная обработка определяют чистую форму слоя склеиваемого материала 24, 25. Это означает, что пользователь не ограничен к проблемам, связанным с удалением остаточного исходного строительного материала из небольших жидкостных каналов, что часто имеет место в порошковых и жидких системах AM26,27,28.Эта свобода проектирования также распространяется на выбор доступных материалов — UAM может соединять комбинации термически схожих и разнородных материалов за один технологический этап.Выбор комбинаций материалов помимо процесса плавления означает, что механические и химические требования конкретных применений могут быть лучше удовлетворены.В дополнение к твердому соединению, еще одно явление, которое происходит при ультразвуковом соединении, - это высокая текучесть пластиковых материалов при относительно низких температурах29,30,31,32,33.Эта уникальная особенность UAM позволяет размещать механические/термические элементы между металлическими слоями без повреждений.Встроенные датчики UAM могут облегчить доставку информации в реальном времени от устройства к пользователю с помощью интегрированной аналитики.
Предыдущая работа авторов32 продемонстрировала способность процесса UAM создавать металлические трехмерные микрожидкостные структуры со встроенными сенсорными возможностями.Это устройство предназначено только для целей мониторинга.В этой статье представлен первый пример микрофлюидного химического реактора производства UAM, активного устройства, которое не только контролирует, но и вызывает химический синтез со структурно интегрированными каталитическими материалами.Устройство сочетает в себе несколько преимуществ, связанных с технологией UAM при производстве 3D-химических устройств, таких как: возможность преобразования полного 3D-проекта непосредственно из модели автоматизированного проектирования (САПР) в продукт;изготовление из нескольких материалов для комбинации материалов с высокой теплопроводностью и каталитических материалов, а также термодатчиков, встроенных непосредственно между потоками реагентов для точного контроля и управления температурой реакции.Чтобы продемонстрировать функциональность реактора, библиотека фармацевтически важных 1,4-дизамещенных 1,2,3-триазольных соединений была синтезирована катализируемым медью 1,3-диполярным циклоприсоединением Хьюсгена.В этой работе подчеркивается, как использование материаловедения и автоматизированного проектирования может открыть новые возможности и возможности для химии посредством междисциплинарных исследований.
Все растворители и реагенты были приобретены у Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI или Fischer Scientific и использовались без предварительной очистки.Спектры ЯМР 1Н и 13С, зарегистрированные при частотах 400 и 100 МГц соответственно, получены на спектрометре JEOL ECS-400 400 МГц или спектрометре Bruker Avance II 400 МГц с использованием CDCl3 или (CD3)2SO в качестве растворителя.Все реакции проводились с использованием платформы для проточной химии Uniqsis FlowSyn.
UAM использовался для изготовления всех устройств в этом исследовании.Технология была изобретена в 1999 году, и ее технические детали, рабочие параметры и разработки с момента ее изобретения можно изучить с помощью следующих опубликованных материалов34,35,36,37.Устройство (рис. 1) было реализовано с использованием сверхмощной системы SonicLayer 4000® UAM мощностью 9 кВт (Fabrisonic, Огайо, США).Материалами, выбранными для проточного устройства, были Cu-110 и Al 6061. Cu-110 имеет высокое содержание меди (минимум 99,9% меди), что делает его хорошим кандидатом для реакций, катализируемых медью, и поэтому используется в качестве «активного слоя внутри микрореактора.В качестве «объемного» материала используется Al 6061 O., а также интеркаляционный слой, используемый для анализа;интеркаляция вспомогательных компонентов сплава и отожженное состояние в сочетании со слоем Cu-110.оказались химически стабильными с реагентами, использованными в данной работе.Al 6061 O в сочетании с Cu-110 также считается совместимой комбинацией материалов для UAM и поэтому является подходящим материалом для данного исследования38,42.Эти устройства перечислены в таблице 1 ниже.
Этапы изготовления реактора (1) Подложка из алюминиевого сплава 6061 (2) Изготовление нижнего канала из медной фольги (3) Вставка термопар между слоями (4) Верхний канал (5) Вход и выход (6) Монолитный реактор.
Философия конструкции жидкостного канала заключается в использовании извилистого пути для увеличения расстояния, проходимого жидкостью внутри чипа, при сохранении управляемого размера чипа.Это увеличение расстояния желательно для увеличения времени контакта катализатора с реагентом и обеспечения превосходных выходов продукта.Чипы используют изгибы на 90° на концах прямого пути, чтобы вызвать турбулентное перемешивание внутри устройства44 и увеличить время контакта жидкости с поверхностью (катализатором).Для дальнейшего улучшения смешивания, которое может быть достигнуто, конструкция реактора включает два входа реагентов, объединенных Y-образным соединением перед входом в секцию смесительного змеевика.Третий вход, пересекающий поток на полпути через его резидентуру, включен в план будущих многостадийных реакций синтеза.
Все каналы имеют квадратный профиль (без углов конусности), что является результатом периодического фрезерования с ЧПУ, используемого для создания геометрии канала.Размеры канала выбраны таким образом, чтобы обеспечить высокий (для микрореактора) объемный выход, но достаточно малый, чтобы облегчить взаимодействие с поверхностью (катализаторы) для большинства содержащихся в нем жидкостей.Соответствующий размер основан на прошлом опыте авторов с устройствами реакции металл-жидкость.Внутренние размеры конечного канала составляли 750 мкм х 750 мкм, а общий объем реактора составлял 1 мл.Встроенный соединитель (резьба 1/4″-28 UNF) включен в конструкцию, чтобы обеспечить простое сопряжение устройства с коммерческим оборудованием для проточной химии.Размер канала ограничен толщиной материала фольги, его механическими свойствами и параметрами соединения, используемыми с ультразвуком.При определенной ширине для данного материала материал будет «провисать» в созданный канал.В настоящее время нет конкретной модели для этого расчета, поэтому максимальная ширина канала для данного материала и конструкции определяется экспериментально, и в этом случае ширина 750 мкм не вызовет провисания.
Форма (квадрат) канала определяется с помощью квадратной фрезы.Форма и размер каналов могут быть изменены на станках с ЧПУ с использованием различных режущих инструментов для получения различных расходов и характеристик.Пример создания изогнутого канала с помощью инструмента 125 мкм можно найти у Monaghan45.Когда слой фольги нанесен плоско, нанесение материала фольги на каналы будет иметь плоскую (квадратную) поверхность.В данной работе для сохранения симметрии канала использовался квадратный контур.
Во время программируемой паузы в производстве термопарные датчики температуры (типа К) встраиваются непосредственно в устройство между верхней и нижней группами каналов (рис. 1 – этап 3).Эти термопары могут контролировать изменения температуры от -200 до 1350 °C.
Процесс напыления металла осуществляется рупором УАМ с использованием металлической фольги шириной 25,4 мм и толщиной 150 мкм.Эти слои фольги соединены в ряд смежных полос, чтобы покрыть всю площадь сборки;размер осажденного материала больше, чем конечный продукт, поскольку процесс вычитания создает окончательную чистую форму.CNC-обработка используется для обработки внешних и внутренних контуров оборудования, в результате чего достигается чистота поверхности оборудования и каналов, соответствующая выбранному инструменту и параметрам процесса CNC (в данном примере около 1,6 мкм Ra).Непрерывные, непрерывные циклы ультразвукового распыления материала и обработки используются на протяжении всего производственного процесса устройства, чтобы гарантировать сохранение точности размеров и соответствие готовой детали уровням точности точного фрезерования с ЧПУ.Ширина канала, используемого для этого устройства, достаточно мала, чтобы материал фольги не «провисал» в канале жидкости, поэтому канал имеет квадратное сечение.Возможные зазоры в материале фольги и параметры процесса УАМ определялись экспериментально партнером-производителем (Fabrisonic LLC, США).
Исследования показали, что на границе раздела 46, 47 соединения УАМ происходит небольшая диффузия элементов без дополнительной термической обработки, поэтому для устройств в данной работе слой Cu-110 остается отличным от слоя Al 6061 и резко меняется.
Установите предварительно откалиброванный регулятор обратного давления (BPR) на 250 фунтов на квадратный дюйм (1724 кПа) после реактора и прокачивайте воду через реактор со скоростью от 0,1 до 1 мл мин-1.Давление в реакторе контролировали с помощью датчика давления FlowSyn, встроенного в систему, чтобы убедиться, что система может поддерживать постоянное устойчивое давление.Потенциальные температурные градиенты в проточном реакторе проверялись путем поиска различий между термопарами, встроенными в реактор, и термопарами, встроенными в нагревательную пластину чипа FlowSyn.Это достигается изменением запрограммированной температуры конфорки в диапазоне от 100 до 150 °C с шагом 25 °C и отслеживанием любых различий между запрограммированной и зарегистрированной температурами.Это было достигнуто с помощью регистратора данных tc-08 (PicoTech, Кембридж, Великобритания) и сопутствующего программного обеспечения PicoLog.
Оптимизированы условия реакции циклоприсоединения фенилацетилена и йодэтана (Схема 1-Циклоприсоединение фенилацетилена и йодэтана, Схема 1-Циклоприсоединение фенилацетилена и йодэтана).Эта оптимизация была выполнена с использованием подхода полного факторного планирования экспериментов (DOE), с использованием температуры и времени пребывания в качестве переменных при фиксации соотношения алкин:азид на уровне 1:2.
Готовили отдельные растворы азида натрия (0,25 М, 4:1 ДМФА:H2O), йодэтана (0,25 М, ДМФА) и фенилацетилена (0,125 М, ДМФА).Аликвоту 1,5 мл каждого раствора смешивали и прокачивали через реактор при желаемой скорости потока и температуре.Отклик модели принимали как отношение площади пика продукта триазола к исходному материалу фенилацетилена и определяли с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ).Для согласованности анализа все реакции брали сразу после выхода реакционной смеси из реактора.Диапазоны параметров, выбранные для оптимизации, показаны в таблице 2.
Все образцы анализировали с использованием системы ВЭЖХ Chromaster (VWR, PA, USA), состоящей из четырехкомпонентного насоса, колоночной печи, УФ-детектора с переменной длиной волны и автоматического пробоотборника.Колонка представляла собой колонку Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA), 4,6×100 мм, размер частиц 5 мкм, поддерживаемую при 40°C.Растворитель представлял собой изократическую смесь метанол:вода 50:50 при скорости потока 1,5 мл·мин-1.Объем инъекции составлял 5 мкл, а длина волны детектора составляла 254 нм.% площади пика для образца DOE рассчитывали только из площадей пиков остаточных алкиновых и триазольных продуктов.Введение исходного вещества позволяет идентифицировать соответствующие пики.
Объединение результатов реакторного анализа с программным обеспечением MODDE DOE (Umetrics, Мальмё, Швеция) позволило провести тщательный анализ тенденций результатов и определить оптимальные условия реакции для этого циклоприсоединения.Запуск встроенного оптимизатора и выбор всех важных членов модели создает набор условий реакции, предназначенных для максимизации площади пика продукта при уменьшении площади пика для ацетиленового сырья.
Окисление поверхности меди в каталитической реакционной камере осуществляли с использованием раствора перекиси водорода (36%), протекающего через реакционную камеру (скорость потока = 0,4 мл мин-1, время пребывания = 2,5 мин) перед синтезом каждого соединения триазола.библиотека.
После того как был определен оптимальный набор условий, они были применены к ряду производных ацетилена и галогеналканов, что позволило составить небольшую библиотеку синтеза, тем самым установив возможность применения этих условий к более широкому кругу потенциальных реагентов (рис. 1).2).
Приготовьте отдельные растворы азида натрия (0,25 М, 4:1 ДМФА:H2O), галогеналканов (0,25 М, ДМФА) и алкинов (0,125 М, ДМФА).Аликвоты по 3 мл каждого раствора смешивали и прокачивали через реактор со скоростью 75 мкл/мин и температурой 150°С.Весь объем собирали во флакон и разбавляли 10 мл этилацетата.Раствор образца промывали водой 3×10 мл.Водные слои объединяли и экстрагировали 10 мл этилацетата, затем органические слои объединяли, промывали 3×10 мл солевого раствора, сушили над MgSO 4 и фильтровали, затем растворитель удаляли в вакууме.Образцы очищали хроматографией на колонке с силикагелем с использованием этилацетата перед анализом с помощью комбинации ВЭЖХ, 1H ЯМР, 13C ЯМР и масс-спектрометрии высокого разрешения (HR-MS).
Все спектры были получены с использованием масс-спектрометра Thermofischer Precision Orbitrap с ESI в качестве источника ионизации.Все образцы были приготовлены с использованием ацетонитрила в качестве растворителя.
ТСХ-анализ проводили на кремнеземных пластинах с алюминиевой подложкой.Планшеты визуализировали УФ-светом (254 нм) или окрашиванием ванилином и нагреванием.
Все образцы анализировали с использованием системы VWR Chromaster (VWR International Ltd., Лейтон Баззард, Великобритания), оснащенной автоматическим пробоотборником, бинарным насосом с печью для колонок и детектором с одной длиной волны.Использовали колонку ACE Equivalence 5 C18 (150×4,6 мм, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Абердин, Шотландия).
Инъекции (5 мкл) делали непосредственно из разбавленной неочищенной реакционной смеси (разведение 1:10) и анализировали смесью вода:метанол (50:50 или 70:30), за исключением некоторых образцов с использованием системы растворителей 70:30 (обозначенной звездочкой) при скорости потока 1,5 мл/мин.Колонку выдерживали при 40°С.Длина волны детектора 254 нм.
% площади пика образца рассчитывали по площади пика остаточного алкина, только триазольного продукта, и введение исходного материала позволило идентифицировать соответствующие пики.
Все образцы были проанализированы с использованием Thermo iCAP 6000 ICP-OES.Все калибровочные стандарты были приготовлены с использованием стандартного раствора Cu с концентрацией 1000 ppm в 2% азотной кислоте (SPEX Certi Prep).Все стандарты были приготовлены в растворе 5% ДМФА и 2% HNO3, и все образцы были разбавлены в 20 раз раствором образца ДМФА-HNO3.
UAM использует ультразвуковую сварку металлов в качестве метода соединения металлической фольги, используемой для создания окончательной сборки.Ультразвуковая сварка металлов использует вибрирующий металлический инструмент (называемый рожком или ультразвуковым рожком) для приложения давления к фольге/ранее консолидированному слою, который должен быть склеен/ранее консолидирован за счет вибрации материала.Для непрерывной работы сонотрод имеет цилиндрическую форму и перекатывается по поверхности материала, проклеивая всю площадь.При приложении давления и вибрации оксиды на поверхности материала могут треснуть.Постоянное давление и вибрация могут привести к разрушению шероховатости материала 36 .Тесный контакт с локализованным теплом и давлением затем приводит к твердофазной связи на границах раздела материалов;он также может способствовать сплочению, изменяя поверхностную энергию48.Природа механизма связывания позволяет преодолеть многие проблемы, связанные с переменной температурой расплава и эффектами высокой температуры, которые упоминаются в других технологиях аддитивного производства.Это позволяет напрямую соединять (т. е. без модификации поверхности, наполнителей или клея) несколько слоев различных материалов в единую консолидированную структуру.
Вторым благоприятным фактором для САМ является высокая степень пластического течения, наблюдаемая в металлических материалах даже при низких температурах, т.е. значительно ниже температуры плавления металлических материалов.Сочетание ультразвуковых колебаний и давления вызывает высокий уровень локальной миграции границ зерен и рекристаллизации без значительного повышения температуры, традиционно связанного с объемными материалами.При создании окончательной сборки это явление можно использовать для встраивания активных и пассивных компонентов между слоями металлической фольги слой за слоем.Такие элементы, как оптическое волокно 49, арматура 46, электроника 50 и термопары (эта работа) были успешно интегрированы в структуры UAM для создания активных и пассивных композитных сборок.
В этой работе для создания идеального микрореактора для каталитического контроля температуры использовались как различные возможности связывания материалов, так и возможности интеркаляции УАМ.
По сравнению с палладием (Pd) и другими обычно используемыми металлическими катализаторами, катализ Cu имеет несколько преимуществ: (i) С экономической точки зрения Cu дешевле, чем многие другие металлы, используемые в катализе, и поэтому является привлекательным вариантом для химической промышленности (ii) диапазон реакций кросс-сочетания, катализируемых медью, расширяется и, по-видимому, в некоторой степени дополняет методологии на основе Pd51, 52, 53 (iii) реакции, катализируемые медью, хорошо работают в отсутствие других лигандов .Эти лиганды часто структурно просты и недороги.при желании, тогда как те, которые используются в химии Pd, часто являются сложными, дорогими и чувствительными к воздуху (iv) Cu, особенно известная своей способностью связывать алкины в синтезе, например, биметаллическое катализируемое сочетание Соногаширы и циклоприсоединение с азидами (клик-химия) (v) Cu также может способствовать арилированию некоторых нуклеофилов в реакциях типа Ульмана.
Недавно были продемонстрированы примеры гетерогенизации всех этих реакций в присутствии Cu(0).Во многом это связано с фармацевтической промышленностью и растущим вниманием к восстановлению и повторному использованию металлических катализаторов55,56.
Реакция 1,3-диполярного циклоприсоединения между ацетиленом и азидом к 1,2,3-триазолу, впервые предложенная Хьюсгеном в 1960-х годах57, считается синергетической демонстрационной реакцией.Полученные фрагменты 1,2,3 триазола представляют особый интерес в качестве фармакофора при открытии лекарств благодаря их биологическому применению и использованию в различных терапевтических средствах 58 .
Эта реакция вновь привлекла внимание, когда Шарплесс и другие ввели понятие «химия кликов»59.Термин «клик-химия» используется для описания надежного и селективного набора реакций для быстрого синтеза новых соединений и комбинаторных библиотек с использованием гетероатомной связи (CXC)60.Синтетическая привлекательность этих реакций связана с высокими выходами, связанными с ними.условия простые, устойчивость к кислороду и воде, разделение продуктов простое61.
Классическое 1,3-дипольное циклоприсоединение Хьюсгена не попадает в категорию «клик-химии».Однако Medal и Sharpless продемонстрировали, что это событие сочетания азид-алкин претерпевает 107–108 в присутствии Cu(I) по сравнению со значительным ускорением скорости некаталитического 1,3-диполярного циклоприсоединения 62,63.Этот усовершенствованный механизм реакции не требует защитных групп или жестких условий реакции и обеспечивает почти полное превращение и селективность в 1,4-дизамещенные 1,2,3-триазолы (анти-1,2,3-триазолы) с течением времени (рис. 3).
Изометрические результаты обычных и катализируемых медью циклоприсоединений Хьюсгена.Катализируемые Cu (I) циклоприсоединения Хюисгена дают только 1,4-дизамещенные 1,2,3-триазолы, в то время как термически индуцированные циклоприсоединения Хюисгена обычно дают 1,4- и 1,5-триазолы в виде смеси стереоизомеров азола 1: 1.
Большинство протоколов включают восстановление стабильных источников Cu(II), таких как восстановление CuSO4 или соединения Cu(II)/Cu(0) в сочетании с солями натрия.По сравнению с другими реакциями, катализируемыми металлами, использование Cu(I) имеет основные преимущества: оно недорогое и простое в обращении.
Кинетические и изотопные исследования Worrell et al.65 показали, что в случае терминальных алкинов два эквивалента меди участвуют в активации реакционной способности каждой молекулы по отношению к азиду.Предлагаемый механизм протекает через шестичленное кольцо металлической меди, образованное координацией азида с σ-связанным ацетилидом меди с π-связанной медью в качестве стабильного донорного лиганда.Производные триазолила меди образуются в результате сжатия кольца с последующим распадом протона с образованием продуктов триазола и замыканием каталитического цикла.
Несмотря на то, что преимущества устройств проточной химии хорошо задокументированы, существует желание интегрировать аналитические инструменты в эти системы для мониторинга процесса в режиме реального времени на месте66,67.UAM оказался подходящим методом для проектирования и изготовления очень сложных трехмерных проточных реакторов из каталитически активных, теплопроводных материалов с непосредственно встроенными чувствительными элементами (рис. 4).
Проточный алюминиево-медный реактор, изготовленный методом ультразвукового аддитивного производства (УАМ) со сложной внутренней структурой каналов, встроенными термопарами и каталитической реакционной камерой.Для визуализации внутренних путей жидкости также показан прозрачный прототип, изготовленный с помощью стереолитографии.
Чтобы гарантировать, что реакторы будут созданы для будущих органических реакций, растворители должны безопасно нагреваться выше их точки кипения;они испытаны давлением и температурой.Опрессовка показала, что система поддерживает стабильное и постоянное давление даже при повышенном давлении в системе (1,7 МПа).Гидростатические испытания проводились при комнатной температуре с использованием H2O в качестве жидкости.
Подключение встроенной (рис. 1) термопары к регистратору данных температуры показало, что температура термопары была на 6 °C (± 1 °C) ниже запрограммированной температуры в системе FlowSyn.Как правило, повышение температуры на 10°C удваивает скорость реакции, поэтому разница температур всего в несколько градусов может значительно изменить скорость реакции.Эта разница обусловлена ​​потерей температуры по всему корпусу реактора из-за высокой температуропроводности материалов, используемых в процессе изготовления.Этот тепловой дрейф является постоянным, и поэтому его можно учитывать при настройке оборудования, чтобы обеспечить достижение и измерение точных температур во время реакции.Таким образом, этот инструмент онлайн-мониторинга облегчает жесткий контроль температуры реакции и способствует более точной оптимизации процесса и созданию оптимальных условий.Эти датчики также можно использовать для обнаружения экзотермических реакций и предотвращения неуправляемых реакций в крупномасштабных системах.
Реактор, представленный в этой статье, является первым примером применения технологии UAM для изготовления химических реакторов и устраняет несколько основных ограничений, связанных в настоящее время с 3D-печатью этих устройств, таких как: (i) преодоление отмеченных проблем, связанных с обработкой медных или алюминиевых сплавов (ii) улучшенное разрешение внутреннего канала по сравнению с методами плавления в порошковом слое (PBF), такими как селективное лазерное плавление (SLM)25,69 Плохой поток материала и шероховатая текстура поверхности26 (iii) более низкая температура обработки, что облегчает прямое подключение датчиков, что невозможно в технологии порошкового слоя, (v) преодоление плохих механических свойств и чувствительности компонентов на полимерной основе к различным обычным органическим растворителям17,19.
Функциональность реактора была продемонстрирована серией реакций циклоприсоединения алкиназидов, катализируемых медью, в условиях непрерывного потока (рис. 2).Ультразвуковой печатный медный реактор, показанный на рис.4 был интегрирован с коммерческой проточной системой и использован для синтеза библиотеки азидов различных 1,4-дизамещенных 1,2,3-триазолов с использованием реакции ацетилена и галогенидов алкильных групп с регулируемой температурой в присутствии хлорида натрия (рис. 3).Использование подхода с непрерывным потоком уменьшает проблемы безопасности, которые могут возникнуть в периодических процессах, поскольку в этой реакции образуются высокореактивные и опасные азидные промежуточные продукты [317], [318].Первоначально реакция была оптимизирована для циклоприсоединения фенилацетилена и иодэтана (Схема 1 – Циклоприсоединение фенилацетилена и иодэтана) (см. рис. 5).
(Вверху слева) Схема установки, используемой для включения реактора 3DP в проточную систему (вверху справа), полученная из оптимизированной (нижней) схемы схемы циклоприсоединения Huisgen 57 между фенилацетиленом и йодэтаном для оптимизации и показывающая оптимизированные параметры скорости превращения реакции.
Контролируя время пребывания реагентов в каталитической секции реактора и тщательно контролируя температуру реакции с помощью непосредственно встроенного датчика термопары, можно быстро и точно оптимизировать условия реакции с минимальными затратами времени и материалов.Было быстро обнаружено, что самая высокая конверсия достигается при времени пребывания 15 минут и температуре реакции 150°С.Из графика коэффициентов программного обеспечения MODDE видно, что как время пребывания, так и температура реакции считаются важными условиями модели.Запуск встроенного оптимизатора с использованием этих выбранных условий создает набор условий реакции, предназначенных для максимизации площадей пиков продукта при уменьшении площадей пиков исходного материала.Эта оптимизация дала 53% конверсию продукта триазола, что точно соответствует предсказанию модели 54%.