Спасибо за посещение Nature.com. Версия браузера, которую вы используете, имеет ограниченную поддержку CSS. Для наилучшего опыта мы рекомендуем вам использовать обновленный браузер (или отключить режим совместимости в Internet Explorer). В то же время, чтобы обеспечить постоянную поддержку, мы будем отображать сайт без стилей и JavaScript.
Карусель, показывающая три слайда одновременно. Используйте кнопки «Предыдущий» и «Следующий», чтобы перемещаться по трем слайдам за раз, или используйте кнопки слайдера 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) ламинированием сплошного металлического листа с непосредственно интегрированными каталитическими частями и чувствительными элементами. Технология UAM не только преодолевает многие ограничения, в настоящее время связанные с аддитивным производством химических реакторов, но и значительно расширяет возможности таких устройств. Ряд биологически важных 1,4-дизамещенных 1,2,3-триазольных соединений были успешно синтезированы и оптимизированы с помощью Cu-опосредованной 1,3-диполярной реакции циклоприсоединения Хьюзгена с использованием химического объекта UAM. Используя уникальные свойства UAM и непрерывную поточную обработку, устройство способно катализировать текущие реакции, а также обеспечивать обратную связь в реальном времени для мониторинга и оптимизации реакций.
Благодаря своим значительным преимуществам по сравнению с объемным аналогом, химия потока 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 на адаптируемые химические «реакторы»8. Итеративный дизайн, 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 была сосредоточена почти исключительно на использовании методов 3D-печати на основе полимеров, таких как стереолитография (SL)9,10,11, моделирование методом послойного наплавления (FDM)8,12,13,14 и струйная печать7,15. , 16. Отсутствие надежности и способности таких устройств выполнять широкий спектр химических реакций/анализов17, 18, 19, 20 является основным ограничивающим фактором для более широкого применения AM в этой области17, 18, 19, 20.
В связи с растущим использованием поточной химии и благоприятными свойствами, связанными с AM, необходимо изучить лучшие методы, которые позволят пользователям изготавливать сосуды для проточной реакции с улучшенными химическими и аналитическими возможностями. Эти методы должны позволить пользователям выбирать из ряда высокопрочных или функциональных материалов, способных работать в широком диапазоне условий реакции, а также облегчать различные формы аналитического вывода из устройства для обеспечения мониторинга и управления реакцией.
Одним из процессов аддитивного производства, который может быть использован для разработки индивидуальных химических реакторов, является ультразвуковое аддитивное производство (UAM). Этот метод ламинирования твердотельных листов применяет ультразвуковые колебания к тонкой металлической фольге, чтобы скрепить их вместе слой за слоем с минимальным объемным нагревом и высокой степенью пластического течения21, 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 с числовым программным управлением (ЧПУ) на месте или лазерная обработка определяют чистую форму слоя связанного материала24, 25. Это означает, что пользователь не ограничен проблемами, связанными с удалением остаточного исходного строительного материала из небольших жидкостных каналов, что часто имеет место в порошковых и жидкостных системах AM26,27,28. Эта свобода проектирования также распространяется на выбор доступных материалов — UAM может склеивать комбинации термически похожих и разнородных материалов за один технологический этап. Выбор комбинаций материалов за пределами процесса плавления означает, что механические и химические требования конкретных приложений могут быть лучше удовлетворены. В дополнение к твердому склеиванию, еще одним явлением, которое происходит при ультразвуковом склеивании, является 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 повреждения. 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 3D микрофлюидные структуры со встроенными сенсорными возможностями. Это устройство предназначено только для целей мониторинга. В этой статье представлен первый пример микрофлюидного химического реактора, изготовленного UAM, активного устройства, которое не только контролирует, но и вызывает химический синтез с помощью структурно интегрированных каталитических материалов. Устройство сочетает в себе несколько преимуществ, связанных с технологией UAM при производстве 3D химических устройств, таких как: возможность преобразования полной 3D-конструкции непосредственно из модели автоматизированного проектирования (САПР) в продукт; многоматериальное изготовление для комбинации высокой теплопроводности и каталитических материалов, а также тепловые датчики, встроенные непосредственно между потоками реагентов для точного контроля и управления температурой реакции. Для демонстрации функциональности реактора была синтезирована библиотека фармацевтически важных 1,4-дизамещенных 1,2,3-триазольных соединений с помощью катализируемого медью 1,3-диполярного циклоприсоединения Хьюзгена. В данной работе подчеркивается, как использование материаловедения и компьютерного проектирования может открыть новые возможности и горизонты 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 1H и 13C, записанные при 400 и 100 МГц соответственно, были 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 были выполнены с использованием платформы проточной химии Uniqsis FlowSyn.
Для изготовления всех устройств в этом исследовании использовался UAM. 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 9-киловаттной системы SonicLayer 4000® UAM (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». Al 6061 O используется в качестве «объемного» материала. , а также интеркаляционного слоя, используемого для анализа; интеркаляция вспомогательных компонентов сплава и отожженное состояние в сочетании со слоем Cu-110. оказался химически стабильным с реагентами, используемыми в этой работе. Al 6061 O в сочетании с Cu-110 также считается совместимой комбинацией материалов для UAM и, следовательно, является подходящим материалом для этого 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 превосходного выхода продукта. Чипы используют 90° изгибы на концах прямого пути для того, чтобы вызвать турбулентное смешивание внутри устройства44 и увеличить время контакта жидкости с поверхностью (катализатором). Для дальнейшего улучшения смешивания, которое может быть достигнуто, конструкция реактора включает два входа реагента, объединенных в Y-образное соединение перед входом в секцию смесительного змеевика. Третий вход, который пересекает поток на полпути через его резидентство, включен в план для будущих многоступенчатых реакций синтеза.
Все каналы имеют квадратный профиль (без углов конусности), что является результатом периодической фрезеровки с ЧПУ, используемой для создания геометрии канала. Размеры канала выбраны для обеспечения высокого (для микрореактора) объемного выхода, но при этом достаточно малы для облегчения взаимодействия с поверхностью (катализаторами) большинства содержащихся в нем жидкостей. Соответствующий размер основан на прошлом опыте авторов с устройствами для реакции металл-жидкость. Внутренние размеры конечного канала составляли 750 мкм x 750 мкм, а общий объем реактора составлял 1 мл. Встроенный соединитель (резьба 1/4″-28 UNF) включен в конструкцию для обеспечения легкого сопряжения устройства с коммерческим оборудованием для химии потока. Размер канала ограничен толщиной материала фольги, его механическими свойствами и параметрами связывания, используемыми с ультразвуком. При определенной ширине для данного материала материал «провиснет» в созданном канале. В настоящее время не существует конкретной модели для такого расчета, поэтому максимальная ширина канала для данного материала и конструкции определяется экспериментально, в этом случае ширина 750 мкм не приведет к провисанию.
Форма (квадрат) канала определяется с помощью квадратного резака. Форму и размер каналов можно изменять на станках с ЧПУ с использованием различных режущих инструментов для получения различных скоростей потока и характеристик. Пример создания изогнутого канала с помощью инструмента 125 мкм можно найти в Monaghan45. При плоском нанесении слоя фольги на каналы наложение материала фольги 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 изменение температуры от -200 до 1350 °C.
Процесс осаждения металла осуществляется рупором UAM с использованием металлической фольги шириной 25,4 мм и толщиной 150 микрон. Эти слои фольги соединены в ряд смежных полос, чтобы покрыть всю область сборки; размер осажденного материала больше, чем конечный продукт, поскольку процесс вычитания создает окончательную чистую форму. Обработка с ЧПУ используется для обработки внешних и внутренних контуров оборудования, в результате чего достигается отделка поверхности оборудования и каналов, соответствующая выбранному инструменту и параметрам процесса ЧПУ (в этом примере около 1,6 мкм Ra). Непрерывные, непрерывные циклы ультразвукового распыления материала и обработки используются на протяжении всего процесса изготовления устройства, чтобы гарантировать сохранение точности размеров и соответствие готовой детали уровням точности фрезерования с ЧПУ. Ширина канала, используемого для этого устройства, достаточно мала, чтобы гарантировать, что материал фольги не «провиснет» в канале жидкости, поэтому канал имеет квадратное поперечное сечение. Возможные зазоры в материале фольги и параметры процесса UAM были определены экспериментально партнером-производителем (Fabrisonic LLC, США).
Исследования показали, что на границе раздела 46, 47 соединения УАМ наблюдается незначительная диффузия элементов без дополнительной термической обработки, поэтому для приборов в данной работе слой Cu-110 остается отличным от слоя Al 6061 и кардинально изменяется.
Установите предварительно откалиброванный регулятор обратного давления (BPR) на 250 фунтов на кв. дюйм (1724 кПа) ниже по потоку от реактора и прокачайте воду через реактор со скоростью от 0,1 до 1 мл мин-1. Давление в реакторе контролировалось с помощью встроенного в систему датчика давления FlowSyn, чтобы гарантировать, что система может поддерживать постоянное устойчивое давление. Потенциальные градиенты температуры в проточном реакторе проверялись путем поиска любых различий между термопарами, встроенными в реактор, и термопарами, встроенными в нагревательную пластину чипа FlowSyn. Это достигается путем изменения запрограммированной температуры нагревательной пластины от 100 до 150 °C с шагом 25 °C и отслеживания любых различий между запрограммированной и зарегистрированной температурами. Это достигалось с помощью регистратора данных tc-08 (PicoTech, Кембридж, Великобритания) и сопутствующего программного обеспечения PicoLog.
Оптимизированы условия для реакции циклоприсоединения фенилацетилена и иодэтана (Схема 1-Циклоприемлнение фенилацетилена и иодэтана, Схема 1-Циклоприемлнение фенилацетилена и иодэтана). Эта оптимизация была выполнена с использованием подхода полного факторного дизайна экспериментов (DOE), используя температуру и время пребывания в качестве переменных при фиксированном соотношении алкин:азид на уровне 1:2.
Были приготовлены отдельные растворы азида натрия (0,25 М, 4:1 ДМФА:H2O), йодэтана (0,25 М, ДМФА) и фенилацетилена (0,125 М, ДМФА). Аликвота объемом 1,5 мл каждого раствора была смешана и прокачана через реактор при желаемой скорости потока и температуре. Отклик модели был взят как отношение площади пика продукта триазола к исходному материалу фенилацетилена и был определен с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ). Для согласованности анализа все реакции были взяты сразу после того, как реакционная смесь покинула реактор. Диапазоны параметров, выбранные для оптимизации, показаны в таблице 2.
Все образцы анализировались с использованием системы ВЭЖХ Chromaster (VWR, PA, США), состоящей из кватернального насоса, колоночной печи, УФ-детектора с переменной длиной волны и автосэмплера. Колонка представляла собой Equivalence 5 C18 (VWR, PA, США), 4,6 x 100 мм, размер частиц 5 мкм, поддерживаемая при 40 °C. Растворитель представлял собой изократический метанол:вода 50:50 при скорости потока 1,5 мл·мин-1. Объем инъекции составлял 5 мкл, а длина волны детектора составляла 254 нм. Площадь пика в % для образца DOE рассчитывалась из площадей пиков только остаточных алкиновых и триазольных продуктов. Введение исходного материала позволяет идентифицировать соответствующие пики.
Объединение результатов анализа реактора 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, разработанных для максимизации площади пика продукта при одновременном уменьшении площади пика для исходного ацетилена.
Окисление поверхности меди в каталитической реакционной камере достигалось с помощью раствора перекиси водорода (36%), протекающего через реакционную камеру (скорость потока = 0,4 мл мин-1, время пребывания = 2,5 мин) перед синтезом каждого триазольного соединения. библиотека.
После определения оптимального набора 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).
Подготовьте 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 °C. Весь объем собирали во флакон и разбавляли 10 мл этилацетата. Раствор образца промывали 3 x 10 мл воды. Водные слои объединяли и экстрагировали 10 мл этилацетата, затем органические слои объединяли, промывали 3×10 мл рассола, сушили над MgSO4 и фильтровали, затем растворитель удаляли в вакууме. Образцы очищали с помощью колоночной хроматографии на силикагеле 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.
Анализ ТСХ проводили на пластинах из кремния с алюминиевой подложкой. Пластины визуализировали с помощью УФ-света (254 нм) или окрашивания ванилином и нагревания.
Все образцы анализировались с использованием системы VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK), оснащенной автосемплером, бинарным насосом с колоночной печью и одноволновым детектором. Использовалась колонка ACE Equivalence 5 C18 (150 x 4,6 мм, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Scotland).
Инъекции (5 мкл) производились непосредственно из разбавленной сырой реакционной смеси (разбавление 1:10) и анализировались с водой:метанолом (50:50 или 70:30), за исключением некоторых образцов, использующих систему растворителей 70:30 (обозначенную как звездочка) при скорости потока 1,5 мл/мин. Колонка поддерживалась при 40°C. Длина волны детектора составляет 254 нм.
Процент площади пика образца рассчитывался из площади пика остаточного алкина, только продукта триазола, а введение исходного материала позволило идентифицировать соответствующие пики.
Все образцы были проанализированы с помощью Thermo iCAP 6000 ICP-OES. Все калибровочные стандарты были приготовлены с использованием стандартного раствора Cu 1000 ppm в 2% азотной кислоте (SPEX Certi Prep). Все стандарты были приготовлены в растворе 5% DMF и 2% HNO3, и все образцы были разбавлены в 20 раз раствором образца DMF-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 рупором или ультразвуковым рупором) для приложения давления к фольге/ранее консолидированному слою, который должен быть связан/ранее консолидирован путем вибрации материала. Для непрерывной работы сонотрод имеет цилиндрическую форму и катится по поверхности материала, склеивая всю область. При приложении давления и вибрации оксиды на поверхности материала могут треснуть. Постоянное давление и вибрация могут привести к разрушению шероховатости материала36. Тесный контакт с локализованным теплом и давлением затем приводит к твердофазной связи на границах раздела материалов; он также может способствовать когезионному эффекту, изменяя поверхностную энергию48. Природа механизма связи преодолевает многие проблемы, связанные с переменной температурой расплава и высокотемпературными эффектами, упомянутыми в других технологиях аддитивного производства. Это позволяет напрямую соединять (т. е. без модификации поверхности, наполнителей или клеев) несколько слоев различных материалов в единую консолидированную структуру.
Вторым благоприятным фактором для CAM является высокая степень пластического течения, наблюдаемая в металлических материалах даже при низких температурах, т. е. значительно ниже точки 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. Во время создания окончательной сборки это явление можно использовать для внедрения 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 данной работе были использованы как различные возможности связывания материалов, так и возможности интеркаляции UAM для создания идеального микрореактора для каталитического контроля температуры.
По сравнению с палладием (Pd) и другими обычно используемыми металлическими катализаторами, катализ Cu имеет несколько преимуществ: (i) Экономически Cu дешевле многих других металлов, используемых в катализе, и поэтому является привлекательным вариантом для химической промышленности (ii) диапазон реакций кросс-сочетания, катализируемых Cu, расширяется и, по-видимому, в некоторой степени дополняет методологии на основе Pd51, 52, 53 (iii) Реакции, катализируемые Cu, хорошо работают в отсутствие других лигандов. Эти лиганды часто структурно просты и недороги. при желании, тогда как те, которые используются в химии Pd, часто сложны, дороги и чувствительны к воздуху (iv) Cu, особенно известная своей способностью связывать алкины в синтезе, таком как биметаллическое катализируемое сочетание и циклоприсоединение Соногаширы 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). Это во многом 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 Хейсгеном в 1960-х годах57, считается синергической демонстрационной реакцией. Полученные фрагменты 1,2,3-триазола представляют особый интерес в качестве фармакофора в разработке лекарств из-за их биологического применения и использования в различных терапевтических агентах58.
Эта реакция вновь привлекла внимание, когда Шарплесс и другие ввели концепцию «клик-химии»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 обусловлена ​​высокими выходами, связанными с ними. условия просты, устойчивость к кислороду и воде, а разделение продуктов простое61.
Классическое 1,3-дипольное циклоприсоединение Хьюзгена не попадает в категорию «клик-химии». Однако Медал и Шарплесс продемонстрировали, что это событие связывания азида с алкином происходит 107–108 в присутствии Cu(I) по сравнению со значительным ускорением скорости некаталитического 1,3-диполярного циклоприсоединения 62,63. Этот передовой механизм реакции не требует защитных групп или жестких условий реакции и обеспечивает почти полную конверсию и селективность к 1,4-дизамещенным 1,2,3-триазолам (анти-1,2,3-триазолам) с течением времени (рис. 3).
Изометрические результаты обычных и катализируемых медью циклоприсоединений Хьюзгена. Катализируемые Cu(I) циклоприсоединения Хьюзгена дают только 1,4-дизамещенные 1,2,3-триазолы, тогда как термически индуцированные циклоприсоединения Хьюзгена обычно дают 1,4- и 1,5-триазолы в виде смеси стереоизомеров азола в соотношении 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 в виде дешевизны и простоты в обращении.
Кинетические и изотопные исследования, проведенные Уорреллом и др. 65, показали, что в случае терминальных алкинов два эквивалента меди участвуют в активации реакционной способности каждой молекулы по отношению к азиду. Предложенный механизм протекает через шестичленное медное металлическое кольцо, 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 разложением протона с образованием триазольных продуктов и замыканием каталитического цикла.
Хотя преимущества устройств для химии потока хорошо документированы, возникло желание интегрировать аналитические инструменты в эти системы для мониторинга процесса в реальном времени in situ66,67. UAM оказался подходящим методом для проектирования и изготовления очень сложных трехмерных проточных реакторов из каталитически активных, теплопроводящих материалов с непосредственно встроенными чувствительными элементами (рис. 4).
Алюминиево-медный проточный реактор, изготовленный методом ультразвуковой аддитивной обработки (UAM) со сложной внутренней структурой каналов, встроенными термопарами и каталитической реакционной камерой. Для визуализации внутренних путей движения жидкости также показан прозрачный прототип, изготовленный с помощью стереолитографии.
Чтобы обеспечить создание реакторов для будущих органических реакций, растворители должны быть безопасно нагреты выше точки кипения; они испытываются давлением и температурой. Испытание давлением показало, 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 (рисунок 1) термопары к регистратору данных температуры показало, что температура термопары была на 6 °C (± 1 °C) ниже запрограммированной температуры в системе FlowSyn. Обычно 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 производства. Этот тепловой дрейф постоянен и поэтому может учитываться при настройке оборудования для обеспечения достижения и измерения точных температур во время реакции. Таким образом, этот онлайн-инструмент мониторинга обеспечивает жесткий контроль температуры реакции и способствует более точной оптимизации процесса и разработке оптимальных условий. Эти датчики также могут использоваться для обнаружения экзотермических реакций и предотвращения неконтролируемых реакций в крупномасштабных системах.
Реактор, представленный в этой статье, является первым примером применения технологии UAM для изготовления химических реакторов и решает несколько основных ограничений, в настоящее время связанных с AM/3D-печатью этих устройств, таких как: (i) Преодоление отмеченных проблем, связанных с обработкой медного или алюминиевого сплава, (ii) улучшенное разрешение внутреннего канала по сравнению с методами плавления в порошковом слое (PBF), такими как селективная лазерная плавка (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 основе полимеров к различным распространенным органическим растворителям17,19.
Функциональность реактора была продемонстрирована серией реакций циклоприсоединения алканазида, катализируемых медью, в условиях непрерывного потока (рис. 2). Ультразвуковой печатный медный реактор, показанный на рис. 4, был интегрирован с коммерческой системой потока и использовался для синтеза библиотеки азидов различных 1,4-дизамещенных 1,2,3-триазолов с использованием контролируемой температурой реакции ацетилена и галогенидов алкильных групп в присутствии хлорида натрия (рис. 3). Использование подхода непрерывного потока снижает проблемы безопасности, которые могут возникнуть в периодических процессах, поскольку эта реакция дает высокореакционноспособные и опасные промежуточные азиды [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 циклоприсоединения Huisgen 57 между фенилацетиленом и иодэтаном для оптимизации и показывающая оптимизированные параметры скорости конверсии реакции.
Контролируя время пребывания реагентов в каталитической секции реактора и тщательно отслеживая температуру реакции с помощью непосредственно интегрированного термопарного датчика, можно быстро и точно оптимизировать условия реакции с минимальными затратами времени и материалов. Было быстро обнаружено, что наивысшая конверсия была достигнута при использовании времени пребывания 15 минут и температуры реакции 150 °C. 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, разработанных для максимизации площадей пиков продукта при уменьшении площадей пиков исходного материала. Эта оптимизация дала 53% конверсии триазольного продукта, что точно соответствовало прогнозу модели в 54%.