Faleminderit që vizituat Nature.com.Versioni i shfletuesit që po përdorni ka mbështetje të kufizuar për CSS.Për përvojën më të mirë, ju rekomandojmë të përdorni një shfletues të përditësuar (ose çaktivizoni modalitetin e përputhshmërisë në Internet Explorer).Ndërkohë, për të siguruar mbështetje të vazhdueshme, ne do ta bëjmë faqen pa stile dhe JavaScript.
Një karusel që tregon tre rrëshqitje në të njëjtën kohë.Përdorni butonat Previous dhe Next për të lëvizur nëpër tre rrëshqitje në të njëjtën kohë, ose përdorni butonat rrëshqitës në fund për të lëvizur nëpër tre rrëshqitje në të njëjtën kohë.
Prodhimi aditiv po ndryshon mënyrën se si studiuesit dhe industrialistët projektojnë dhe prodhojnë pajisje kimike për të përmbushur nevojat e tyre specifike.Në këtë punim, ne raportojmë shembullin e parë të një reaktori rrjedhës të formuar nga petëzimi i prodhimit të aditivëve tejzanor (UAM) të një fletë metalike të ngurtë me pjesë katalitike të integruara drejtpërdrejt dhe elementë sensorë.Teknologjia UAM jo vetëm që kapërcen shumë nga kufizimet që lidhen aktualisht me prodhimin e aditivëve të reaktorëve kimikë, por gjithashtu zgjeron shumë aftësitë e pajisjeve të tilla.Një numër i komponimeve 1,2,3-triazole të 1,4-të zvendësuara nga pikëpamja biologjikisht të rëndësishme janë sintetizuar dhe optimizuar me sukses nga një reaksion i cikloadicionit 1,3-dipolar Huisgen të ndërmjetësuar nga Cu duke përdorur strukturën e kimisë UAM.Duke përdorur vetitë unike të UAM-it dhe përpunimin e rrjedhës së vazhdueshme, pajisja është në gjendje të katalizojë reagimet e vazhdueshme, si dhe të sigurojë reagime në kohë reale për të monitoruar dhe optimizuar reagimet.
Për shkak të avantazheve të saj të rëndësishme ndaj homologut të saj në masë, kimia e rrjedhës është një fushë e rëndësishme dhe në rritje si në mjediset akademike ashtu edhe në ato industriale për shkak të aftësisë së saj për të rritur selektivitetin dhe efikasitetin e sintezës kimike.Kjo shtrihet nga formimi i molekulave të thjeshta organike1 deri te komponimet farmaceutike2,3 dhe produktet natyrore4,5,6.Mbi 50% e reaksioneve në industritë e shkëlqyera kimike dhe farmaceutike mund të përfitojnë nga rrjedha e vazhdueshme7.
Vitet e fundit, ka pasur një tendencë në rritje të grupeve që kërkojnë të zëvendësojnë pajisjet tradicionale të qelqit ose pajisjet e kimisë së rrjedhës me "reaktorë" kimikë të adaptueshëm8.Dizajni përsëritës, prodhimi i shpejtë dhe aftësitë tredimensionale (3D) të këtyre metodave janë të dobishme për ata që duan të personalizojnë pajisjet e tyre për një grup të caktuar reagimesh, pajisjesh ose kushtesh.Deri më sot, kjo punë është fokusuar pothuajse ekskluzivisht në përdorimin e teknikave të printimit 3D të bazuara në polimer si stereolithography (SL) 9,10,11, Fused Deposition Modeling (FDM)8,12,13,14 dhe printimi me bojë7,15., 16. Mungesa e besueshmërisë dhe aftësisë së pajisjeve të tilla për të kryer një gamë të gjerë reaksionesh/analizash kimike17, 18, 19, 20 është një faktor kryesor kufizues për aplikimin më të gjerë të AM në këtë fushë17, 18, 19, 20.
Për shkak të përdorimit në rritje të kimisë së rrjedhës dhe vetive të favorshme që lidhen me AM, duhen eksploruar teknika më të mira që do t'i lejojnë përdoruesit të prodhojnë enë reaksioni të rrjedhës me kimi të përmirësuar dhe aftësi analitike.Këto metoda duhet t'i lejojnë përdoruesit të zgjedhin nga një sërë materialesh me forcë të lartë ose funksionale të afta për të vepruar në një gamë të gjerë kushtesh reagimi, si dhe të lehtësojnë forma të ndryshme të prodhimit analitik nga pajisja për të mundësuar monitorimin dhe kontrollin e reagimit.
Një proces i prodhimit të aditivëve që mund të përdoret për të zhvilluar reaktorë kimikë me porosi është Prodhimi i Aditivëve Ultrasonik (UAM).Kjo metodë e petëzimit të fletëve në gjendje të ngurtë zbaton dridhjet tejzanor në fletë metalike të holla për t'i lidhur ato së bashku shtresë pas shtrese me ngrohje minimale volumetrike dhe një shkallë të lartë të rrjedhjes plastike 21, 22, 23. Ndryshe nga shumica e teknologjive të tjera AM, UAM mund të integrohet drejtpërdrejt me prodhimin zbritës, i njohur si një hibrid në procesin e kontrollit të përpunimit të përpunimit numerues ose NC. forma neto e shtresës së materialit të lidhur 24, 25. Kjo do të thotë që përdoruesi nuk kufizohet në problemet që lidhen me heqjen e materialit të mbetur origjinal të ndërtimit nga kanalet e vogla të lëngshme, gjë që ndodh shpesh në sistemet e pluhurit dhe të lëngjeve AM26,27,28.Kjo liri e projektimit shtrihet edhe në zgjedhjen e materialeve të disponueshme - UAM mund të lidh kombinime të materialeve termikisht të ngjashëm dhe të ndryshëm në një hap të vetëm procesi.Zgjedhja e kombinimeve të materialeve përtej procesit të shkrirjes do të thotë që kërkesat mekanike dhe kimike të aplikacioneve specifike mund të përmbushen më mirë.Përveç lidhjes së ngurtë, një fenomen tjetër që ndodh me lidhjen tejzanor është rrjedhshmëria e lartë e materialeve plastike në temperatura relativisht të ulëta29,30,31,32,33.Kjo veçori unike e UAM lejon që elementët mekanikë/termikë të vendosen midis shtresave metalike pa dëmtuar.Sensorët e integruar UAM mund të lehtësojnë shpërndarjen e informacionit në kohë reale nga pajisja te përdoruesi përmes analitikës së integruar.
Puna e mëparshme nga autorët32 tregoi aftësinë e procesit UAM për të krijuar struktura metalike mikrofluidike 3D me aftësi të ngulitura ndijuese.Kjo pajisje është vetëm për qëllime monitorimi.Ky artikull paraqet shembullin e parë të një reaktori kimik mikrofluidik të prodhuar nga UAM, një pajisje aktive që jo vetëm kontrollon, por gjithashtu nxit sintezën kimike me materiale katalitike të integruara strukturore.Pajisja kombinon disa avantazhe që lidhen me teknologjinë UAM në prodhimin e pajisjeve kimike 3D, të tilla si: aftësia për të shndërruar një dizajn të plotë 3D direkt nga një model dizajni me ndihmën e kompjuterit (CAD) në një produkt;fabrikim me shumë materiale për një kombinim të përçueshmërisë së lartë termike dhe materialeve katalitike, si dhe sensorë termikë të ngulitur drejtpërdrejt midis rrymave të reaktantëve për kontrollin dhe menaxhimin e saktë të temperaturës së reaksionit.Për të demonstruar funksionalitetin e reaktorit, një bibliotekë e komponimeve të rëndësishme farmaceutike të 1,2,3-triazolit 1,4-të dyzëvendësuara u sintetizua nga cycloadition 1,3-dipolar Huisgen të katalizuar nga bakri.Kjo punë thekson se si përdorimi i shkencës së materialeve dhe dizajnit të ndihmuar nga kompjuteri mund të hapë mundësi dhe mundësi të reja për kiminë përmes kërkimit ndërdisiplinor.
Të gjithë tretësit dhe reagentët janë blerë nga Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI ose Fischer Scientific dhe janë përdorur pa pastrim paraprak.Spektrat 1H dhe 13C NMR të regjistruara në 400 dhe 100 MHz, përkatësisht, u morën në një spektrometër JEOL ECS-400 400 MHz ose një spektrometër Bruker Avance II 400 MHz me CDCl3 ose (CD3)2SO si tretës.Të gjitha reagimet u kryen duke përdorur platformën e kimisë së rrjedhës Uniqsis FlowSyn.
UAM u përdor për të fabrikuar të gjitha pajisjet në këtë studim.Teknologjia u shpik në vitin 1999 dhe detajet e saj teknike, parametrat e funksionimit dhe zhvillimet që nga shpikja e saj mund të studiohen duke përdorur materialet e mëposhtme të publikuara34,35,36,37.Pajisja (Fig. 1) u implementua duke përdorur një sistem të rëndë SonicLayer 4000® UAM 9 kW (Fabrisonic, Ohio, SHBA).Materialet e zgjedhura për pajisjen e rrjedhës ishin Cu-110 dhe Al 6061. Cu-110 ka një përmbajtje të lartë bakri (minimumi 99,9% bakër), duke e bërë atë një kandidat të mirë për reaksionet e katalizuara të bakrit dhe për këtë arsye përdoret si një "shtresë aktive brenda mikroreaktorit".Al 6061 O përdoret si material "madh"., si dhe shtresa e ndërthurjes që përdoret për analizë;ndërthurja e përbërësve ndihmës të aliazhit dhe gjendja e pjekjes në kombinim me shtresën Cu-110.është gjetur të jetë kimikisht i qëndrueshëm me reagentët e përdorur në këtë punë.Al 6061 O në kombinim me Cu-110 konsiderohet gjithashtu si një kombinim material i pajtueshëm për UAM dhe për këtë arsye është një material i përshtatshëm për këtë studim38,42.Këto pajisje janë renditur në tabelën 1 më poshtë.
Hapat e fabrikimit të reaktorit (1) 6061 substrati i aliazhit të aluminit (2) Fabrikimi i kanalit të poshtëm nga fletë bakri (3) Futja e termoçifteve ndërmjet shtresave (4) Kanali i sipërm (5) Hyrja dhe dalja (6) Reaktor monolit.
Filozofia e projektimit të kanalit të lëngjeve është përdorimi i një rruge të përdredhur për të rritur distancën e përshkuar nga lëngu brenda çipit duke ruajtur një madhësi të menaxhueshme të çipit.Kjo rritje në distancë është e dëshirueshme për të rritur kohën e kontaktit të katalizatorit-reaktant dhe për të siguruar rendimente të shkëlqyera të produktit.Çipat përdorin kthesa 90° në skajet e një rruge të drejtë për të nxitur përzierjen e turbullt brenda pajisjes44 dhe për të rritur kohën e kontaktit të lëngut me sipërfaqen (katalizatorin).Për të përmirësuar më tej përzierjen që mund të arrihet, dizajni i reaktorit përfshin dy hyrje të reaktantëve të kombinuara në një lidhje Y përpara se të hyjnë në seksionin e bobinës së përzierjes.Hyrja e tretë, e cila përshkon rrjedhën në gjysmë të vendbanimit të saj, përfshihet në planin për reaksionet e ardhshme të sintezës me shumë faza.
Të gjitha kanalet kanë një profil katror (pa kënde të ngushta), i cili është rezultat i bluarjes periodike CNC të përdorur për të krijuar gjeometrinë e kanalit.Dimensionet e kanalit janë zgjedhur për të siguruar një rendiment vëllimor të lartë (për një mikroreaktor), por mjaft i vogël për të lehtësuar ndërveprimin me sipërfaqen (katalizatorët) për shumicën e lëngjeve që përmban.Madhësia e duhur bazohet në përvojën e kaluar të autorëve me pajisjet e reagimit metal-lëng.Dimensionet e brendshme të kanalit përfundimtar ishin 750 µm x 750 µm dhe vëllimi i përgjithshëm i reaktorit ishte 1 ml.Një lidhës i integruar (fije 1/4″-28 UNF) është përfshirë në dizajn për të lejuar ndërlidhjen e lehtë të pajisjes me pajisjet komerciale të kimisë së rrjedhës.Madhësia e kanalit kufizohet nga trashësia e materialit të fletës, vetitë e tij mekanike dhe parametrat e lidhjes të përdorura me ultratinguj.Në një gjerësi të caktuar për materialin e caktuar, materiali do të "varet" në kanalin e krijuar.Aktualisht nuk ka një model specifik për këtë llogaritje, kështu që gjerësia maksimale e kanalit për një material dhe dizajn të caktuar përcaktohet në mënyrë eksperimentale, në të cilin rast një gjerësi prej 750 µm nuk do të shkaktojë ulje.
Forma (katrori) e kanalit përcaktohet duke përdorur një prerës katror.Forma dhe madhësia e kanaleve mund të ndryshohet në makinat CNC duke përdorur mjete të ndryshme prerëse për të marrë shpejtësi dhe karakteristika të ndryshme rrjedhjeje.Një shembull i krijimit të një kanali të lakuar me një mjet 125 µm mund të gjendet në Monaghan45.Kur shtresa e folisë aplikohet e sheshtë, aplikimi i materialit të folieve në kanale do të ketë një sipërfaqe të sheshtë (katrore).Në këtë punim u përdor një kontur katror për të ruajtur simetrinë e kanalit.
Gjatë një pauze të programuar në prodhim, sensorët e temperaturës së termoçiftit (lloji K) ndërtohen drejtpërdrejt në pajisje midis grupeve të kanaleve të sipërme dhe të poshtme (Fig. 1 – faza 3).Këta termoçifte mund të kontrollojnë ndryshimet e temperaturës nga -200 në 1350 °C.
Procesi i depozitimit të metalit kryhet nga briri UAM duke përdorur fletë metalike 25,4 mm të gjerë dhe 150 mikron të trashë.Këto shtresa petë janë të lidhura në një seri shiritash ngjitur për të mbuluar të gjithë zonën e ndërtimit;madhësia e materialit të depozituar është më e madhe se produkti përfundimtar pasi procesi i zbritjes krijon formën përfundimtare të pastër.Përpunimi me CNC përdoret për të përpunuar konturet e jashtme dhe të brendshme të pajisjes, duke rezultuar në një përfundim sipërfaqësor të pajisjeve dhe kanaleve që korrespondojnë me veglën e zgjedhur dhe parametrat e procesit CNC (në këtë shembull, rreth 1,6 µm Ra).Ciklet e vazhdueshme dhe të vazhdueshme të spërkatjes dhe përpunimit me ultratinguj të materialit përdoren gjatë gjithë procesit të prodhimit të pajisjes për të siguruar ruajtjen e saktësisë së dimensioneve dhe se pjesa e përfunduar plotëson nivelet e precizitetit të prerjes së imët CNC.Gjerësia e kanalit të përdorur për këtë pajisje është mjaft e vogël për të siguruar që materiali i fletës të mos "varet" në kanalin e lëngut, kështu që kanali ka një seksion kryq katror.Boshllëqet e mundshme në materialin e fletës dhe parametrat e procesit UAM u përcaktuan eksperimentalisht nga partneri prodhues (Fabrisonic LLC, USA).
Studimet kanë treguar se në ndërfaqen 46, 47 të përbërjes UAM ka pak difuzion të elementeve pa trajtim shtesë termik, kështu që për pajisjet në këtë punë shtresa Cu-110 mbetet e ndryshme nga shtresa Al 6061 dhe ndryshon në mënyrë dramatike.
Instaloni një rregullator të para-kalibruar të presionit të kundërt (BPR) në 250 psi (1724 kPa) në rrjedhën e poshtme të reaktorit dhe pomponi ujin përmes reaktorit me një shpejtësi prej 0,1 deri në 1 ml min-1.Presioni i reaktorit u monitorua duke përdorur transduktorin e presionit FlowSyn të integruar në sistem për të siguruar që sistemi mund të mbajë një presion konstant të qëndrueshëm.Gradientët e mundshëm të temperaturës në reaktorin e rrjedhës u testuan duke kërkuar ndonjë ndryshim midis termoçifteve të ndërtuara në reaktor dhe termoçifteve të ndërtuara në pllakën ngrohëse të çipit FlowSyn.Kjo arrihet duke ndryshuar temperaturën e programuar të pllakës së nxehtësisë midis 100 dhe 150 °C me rritje prej 25 °C dhe duke monitoruar çdo ndryshim midis temperaturave të programuara dhe të regjistruara.Kjo u arrit duke përdorur regjistruesin e të dhënave tc-08 (PicoTech, Cambridge, MB) dhe softuerin shoqërues PicoLog.
Kushtet për reaksionin e cikloaditimit të fenilacetilenit dhe jodoetanit janë optimizuar (Skema 1-Cikloadimi i fenilacetilenit dhe jodoetanit, Skema 1-Cikloadimi i fenilacetilenit dhe jodoetanit).Ky optimizim u krye duke përdorur një qasje të projektimit të plotë faktorial të eksperimenteve (DOE), duke përdorur temperaturën dhe kohën e qëndrimit si variabla duke fiksuar raportin alkin:azid në 1:2.
U përgatitën tretësira të veçanta të azidit të natriumit (0,25 M, 4:1 DMF: H2O), jodoetanit (0,25 M, DMF) dhe fenilacetilenit (0,125 M, DMF).Një sasi prej 1.5 ml e secilës zgjidhje u përzie dhe u pompua përmes reaktorit në shpejtësinë dhe temperaturën e dëshiruar të rrjedhës.Përgjigja e modelit u mor si raporti i zonës së pikut të produktit të triazolit me materialin fillestar të fenilacetilenit dhe u përcaktua duke përdorur kromatografinë e lëngshme me performancë të lartë (HPLC).Për konsistencën e analizës, të gjitha reagimet u morën menjëherë pasi përzierja e reaksionit u largua nga reaktori.Gama e parametrave të zgjedhur për optimizim janë paraqitur në tabelën 2.
Të gjitha mostrat u analizuan duke përdorur një sistem Chromaster HPLC (VWR, PA, USA) i përbërë nga një pompë kuaternare, furrë kolone, detektor UV me gjatësi vale të ndryshueshme dhe autosampler.Kolona ishte një Ekuivalencë 5 C18 (VWR, PA, USA), 4,6 x 100 mm, madhësia e grimcave 5 µm, e mbajtur në 40°C.Tretësi ishte metanol:ujë izokratik 50:50 me një shpejtësi rrjedhjeje 1,5 ml·min-1.Vëllimi i injektimit ishte 5 μl dhe gjatësia e valës së detektorit ishte 254 nm.Zona % e pikut për kampionin DOE u llogarit vetëm nga zonat e pikut të produkteve të mbetura të alkinit dhe triazolit.Futja e materialit fillestar bën të mundur identifikimin e majave përkatëse.
Kombinimi i rezultateve të analizës së reaktorit me softuerin MODDE DOE (Umetrics, Malmö, Suedi) lejoi një analizë të plotë të trendit të rezultateve dhe përcaktimin e kushteve optimale të reagimit për këtë cikloshtim.Përdorimi i optimizuesit të integruar dhe zgjedhja e të gjithë termave të rëndësishëm të modelit krijon një sërë kushtesh reagimi të dizajnuara për të maksimizuar zonën e pikut të produktit ndërsa zvogëlon zonën e pikut për lëndën e parë të acetilenit.
Oksidimi i sipërfaqes së bakrit në dhomën e reaksionit katalitik u arrit duke përdorur një zgjidhje të peroksidit të hidrogjenit (36%) që rrjedh nëpër dhomën e reaksionit (shkalla e rrjedhjes = 0,4 ml min-1, koha e qëndrimit = 2,5 min) përpara sintezës së secilit përbërës të triazolit.librari.
Pasi të ishte përcaktuar grupi optimal i kushteve, ato u aplikuan në një sërë derivatesh të acetilenit dhe haloalkanit për të lejuar përpilimin e një biblioteke të vogël sinteze, duke krijuar kështu mundësinë e zbatimit të këtyre kushteve në një gamë më të gjerë reagentësh potencialë (Fig. 1).2).
Përgatitni tretësira të veçanta të azidit të natriumit (0,25 M, 4:1 DMF: H2O), haloalkaneve (0,25 M, DMF) dhe alkineve (0,125 M, DMF).Pjesët prej 3 ml të secilës zgjidhje u përzien dhe u pompuan përmes reaktorit me një shpejtësi prej 75 µl/min dhe një temperaturë prej 150°C.I gjithë vëllimi u mblodh në një shishkë dhe u hollua me 10 ml acetat etilik.Tretësira e mostrës është larë me 3 x 10 ml ujë.Shtresat ujore u kombinuan dhe u ekstraktuan me 10 ml acetat etilik, më pas shtresat organike u kombinuan, u lanë me 3×10 ml shëllirë, u thanë mbi MgSO 4 dhe u filtruan, më pas tretësi u hoq në vakuo.Mostrat u pastruan me kromatografi kolone me xhel silicë duke përdorur acetat etilik përpara analizës me një kombinim të HPLC, 1H NMR, 13C NMR dhe spektrometrisë së masës me rezolucion të lartë (HR-MS).
Të gjitha spektrat janë marrë duke përdorur një spektrometër masiv Thermofischer Precision Orbitrap me ESI si burim jonizimi.Të gjitha mostrat u përgatitën duke përdorur acetonitrilin si tretës.
Analiza TLC u krye në pllaka silici me një substrat alumini.Pllakat u vizualizuan me dritë UV (254 nm) ose ngjyrosje dhe ngrohje me vanilinë.
Të gjitha mostrat u analizuan duke përdorur një sistem VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, MB) i pajisur me një kampionues automatik, një pompë binare me një furrë kolone dhe një detektor me gjatësi vale të vetme.Është përdorur një kolonë ACE Equivalence 5 C18 (150 x 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Skoci).
Injeksionet (5 µl) u bënë direkt nga përzierja e holluar e reaksionit të papërpunuar (hollimi 1:10) dhe u analizuan me ujë:metanol (50:50 ose 70:30), me përjashtim të disa mostrave duke përdorur një sistem tretësish 70:30 (të shënuar si numër ylli) me një shpejtësi rrjedhjeje prej 1.5 ml/min.Kolona u mbajt në 40°C.Gjatësia e valës së detektorit është 254 nm.
Zona % e pikut të kampionit u llogarit nga zona e pikut të alkinit të mbetur, vetëm produkti i triazolit dhe futja e materialit fillestar bëri të mundur identifikimin e majave përkatëse.
Të gjitha mostrat u analizuan duke përdorur Thermo iCAP 6000 ICP-OES.Të gjitha standardet e kalibrimit u përgatitën duke përdorur një zgjidhje standarde Cu 1000 ppm në acid nitrik 2% (SPEX Certi Prep).Të gjitha standardet u përgatitën në një tretësirë ​​prej 5% DMF dhe 2% HNO3, dhe të gjitha mostrat u holluan 20 herë me një tretësirë ​​mostër të DMF-HNO3.
UAM përdor saldimin e metalit tejzanor si një metodë për bashkimin e fletës metalike të përdorur për të krijuar montimin përfundimtar.Saldimi me metal tejzanor përdor një mjet metalik vibrues (i quajtur bri ose bri tejzanor) për të ushtruar presion në fletë metalike/shtresën e konsoliduar më parë që do të lidhet/konsolidohet më parë duke vibruar materialin.Për funksionimin e vazhdueshëm, sonotrode ka një formë cilindrike dhe rrotullohet mbi sipërfaqen e materialit, duke ngjitur të gjithë zonën.Kur aplikohen presion dhe dridhje, oksidet në sipërfaqen e materialit mund të plasariten.Presioni dhe dridhja e vazhdueshme mund të çojnë në shkatërrimin e vrazhdësisë së materialit 36 ​​.Kontakti i ngushtë me nxehtësinë dhe presionin e lokalizuar më pas çon në një lidhje fazore të ngurtë në ndërfaqet e materialit;ai gjithashtu mund të nxisë kohezionin duke ndryshuar energjinë sipërfaqësore48.Natyra e mekanizmit të lidhjes kapërcen shumë nga problemet që lidhen me temperaturën e ndryshueshme të shkrirjes dhe efektet e temperaturës së lartë të përmendura në teknologjitë e tjera të prodhimit të aditivëve.Kjo lejon lidhjen direkte (dmth. pa modifikime sipërfaqësore, mbushëse ose ngjitëse) të disa shtresave të materialeve të ndryshme në një strukturë të vetme të konsoliduar.
Faktori i dytë i favorshëm për CAM është shkalla e lartë e rrjedhjes plastike që vërehet në materialet metalike edhe në temperatura të ulëta, pra shumë nën pikën e shkrirjes së materialeve metalike.Kombinimi i dridhjeve tejzanor dhe presionit shkakton një nivel të lartë të migrimit dhe rikristalizimit të kufirit lokal të kokrrizave pa një rritje të konsiderueshme të temperaturës që tradicionalisht lidhet me materialet me shumicë.Gjatë krijimit të montimit përfundimtar, ky fenomen mund të përdoret për të futur përbërës aktivë dhe pasivë midis shtresave të fletës metalike, shtresë pas shtrese.Elemente të tilla si fibra optike 49, përforcimi 46, elektronika 50 dhe termoçiftet (kjo punë) janë integruar me sukses në strukturat UAM për të krijuar asamble të përbëra aktive dhe pasive.
Në këtë punë, si aftësitë e ndryshme të lidhjes së materialit ashtu edhe aftësitë e ndërthurjes së UAM u përdorën për të krijuar një mikroreaktor ideal për kontrollin katalitik të temperaturës.
Krahasuar me paladiumin (Pd) dhe katalizatorët e tjerë metalikë të përdorur zakonisht, katalizimi i Cu ka disa avantazhe: (i) Metoda ekonomike, Cu është më e lirë se shumë metale të tjera të përdorura në katalizë dhe për këtë arsye është një opsion tërheqës për industrinë kimike (ii) gama e reaksioneve të ndërlidhura të katalizuara me Cu po zgjerohet dhe duket të jetë disi e komplikuar (35,51). ) Reaksionet e katalizuara nga Cu funksionojnë mirë në mungesë të ligandëve të tjerë.Këta ligandë shpesh janë strukturorë të thjeshtë dhe të lirë.nëse dëshirohet, ndërsa ato të përdorura në kiminë e Pd janë shpesh komplekse, të shtrenjta dhe të ndjeshme ndaj ajrit (iv) Cu, veçanërisht i njohur për aftësinë e tij për të lidhur alkinet në sintezë, siç është bashkimi i katalizuar bimetalik i Sonogashira dhe shtimi ciklo me azidet (klikoni kiminë) (v) Cu mund të nxisë gjithashtu disa reaksione të tipit nucleemanol.
Kohët e fundit, janë demonstruar shembuj të heterogjenizimit të të gjitha këtyre reaksioneve në prani të Cu (0).Kjo është kryesisht për shkak të industrisë farmaceutike dhe fokusit në rritje në rikuperimin dhe ripërdorimin e katalizatorëve metalikë55,56.
Reaksioni i cikloaditimit 1,3-dipolar midis acetilenit dhe azidit në 1,2,3-triazol, i propozuar për herë të parë nga Huisgen në vitet 196057, konsiderohet të jetë një reagim demonstrues sinergjik.Fragmentet 1,2,3 të triazolit që rezultojnë janë me interes të veçantë si një farmakofor në zbulimin e barnave për shkak të aplikimeve të tyre biologjike dhe përdorimit në agjentë të ndryshëm terapeutikë 58 .
Ky reagim mori vëmendje të përtërirë kur Sharpless dhe të tjerët prezantuan konceptin e "kimisë së klikimeve"59.Termi "kimi i klikimeve" përdoret për të përshkruar një grup reaksionesh të fuqishme dhe selektive për sintezën e shpejtë të përbërjeve të reja dhe bibliotekave kombinuese duke përdorur lidhjen heteroatomike (CXC)60.Apeli sintetik i këtyre reaksioneve është për shkak të rendimenteve të larta që lidhen me to.kushtet janë të thjeshta, rezistenca ndaj oksigjenit dhe ujit dhe ndarja e produktit është e thjeshtë61.
Shtesa klasike 1,3-dipole e Huisgen-it cikloadicioni nuk bën pjesë në kategorinë e "kimisë së klikimeve".Megjithatë, Medal dhe Sharpless demonstruan se kjo ngjarje e bashkimit azid-alkin i nënshtrohet 107-108 në prani të Cu (I) krahasuar me një përshpejtim domethënës në shkallën e cikloadditimit jo-katalitik 1,3-dipolar 62,63.Ky mekanizëm i avancuar i reagimit nuk kërkon grupe mbrojtëse ose kushte të ashpra reagimi dhe siguron një konvertim dhe selektivitet pothuajse të plotë në 1,2,3-triazole (anti-1,2,3-triazole) të 1,4-të zëvendësuara (anti-1,2,3-triazole) me kalimin e kohës (Fig. 3).
Rezultatet izometrike të shtesave konvencionale dhe të katalizuara nga bakri Huisgen.Cikloadicionet Huisgen të katalizuara nga Cu(I) japin vetëm 1,4-triazole të dyzëvendësuara, ndërsa cikloadicionet Huisgen të induktuara termikisht zakonisht japin 1,4- dhe 1,5-triazole një përzierje 1:1 të stereoizomerëve të azolit.
Shumica e protokolleve përfshijnë reduktimin e burimeve të qëndrueshme të Cu(II), siç është reduktimi i CuSO4 ose komponimit Cu(II)/Cu(0) në kombinim me kripërat e natriumit.Krahasuar me reaksionet e tjera të katalizuara nga metali, përdorimi i Cu(I) ka avantazhet kryesore të të qenit i lirë dhe i lehtë për t'u trajtuar.
Studime kinetike dhe izotopike nga Worrell et al.65 kanë treguar se në rastin e alkineve terminale, dy ekuivalente të bakrit përfshihen në aktivizimin e reaktivitetit të secilës molekulë në lidhje me azidin.Mekanizmi i propozuar vazhdon përmes një unaze metalike bakri me gjashtë anëtarë të formuar nga koordinimi i azidit me acetilidin e bakrit të lidhur me σ me bakër të lidhur me π si një ligand dhurues i qëndrueshëm.Derivatet e triazolilit të bakrit formohen si rezultat i tkurrjes së unazës, e ndjekur nga dekompozimi i protonit për të formuar produkte triazoli dhe për të mbyllur ciklin katalitik.
Ndërsa përfitimet e pajisjeve të kimisë së rrjedhës janë të dokumentuara mirë, ka pasur një dëshirë për të integruar mjete analitike në këto sisteme për monitorimin e procesit në kohë reale në situ66,67.UAM është dëshmuar të jetë një metodë e përshtatshme për projektimin dhe prodhimin e reaktorëve shumë kompleksë të rrjedhës 3D nga materiale katalitike aktive, termikisht përçuese me elementë sensorë të ngulitur drejtpërdrejt (Fig. 4).
Reaktor rrjedhës alumini-bakër i prodhuar nga prodhimi i aditivëve tejzanor (UAM) me një strukturë komplekse të kanalit të brendshëm, termoçifte të integruar dhe një dhomë reaksioni katalitik.Për të vizualizuar shtigjet e brendshme të lëngjeve, shfaqet gjithashtu një prototip transparent i bërë duke përdorur stereolithografi.
Për të siguruar që reaktorët janë bërë për reaksione organike të ardhshme, tretësit duhet të nxehen në mënyrë të sigurt mbi pikën e tyre të vlimit;ato testohen me presion dhe temperaturë.Testimi i presionit tregoi se sistemi mban një presion të qëndrueshëm dhe konstant edhe në presion të ngritur në sistem (1.7 MPa).Testet hidrostatike u kryen në temperaturën e dhomës duke përdorur H2O si lëng.
Lidhja e termoelementit të integruar (Figura 1) me regjistruesin e të dhënave të temperaturës tregoi se temperatura e termoçiftit ishte 6 °C (± 1 °C) nën temperaturën e programuar në sistemin FlowSyn.Në mënyrë tipike, një rritje prej 10°C në temperaturë dyfishon shpejtësinë e reagimit, kështu që një ndryshim i temperaturës prej vetëm disa gradësh mund të ndryshojë ndjeshëm shpejtësinë e reagimit.Ky ndryshim është për shkak të humbjes së temperaturës në të gjithë RPV për shkak të difuzivitetit të lartë termik të materialeve të përdorura në procesin e prodhimit.Kjo zhvendosje termike është konstante dhe për këtë arsye mund të merret parasysh gjatë vendosjes së pajisjes për të siguruar që temperaturat e sakta të arrihen dhe maten gjatë reaksionit.Kështu, ky mjet monitorimi në internet lehtëson kontrollin e ngushtë të temperaturës së reagimit dhe kontribuon në optimizimin më të saktë të procesit dhe zhvillimin e kushteve optimale.Këta sensorë mund të përdoren gjithashtu për të zbuluar reaksionet ekzotermike dhe për të parandaluar reaksionet e largëta në sisteme në shkallë të gjerë.
Reaktori i paraqitur në këtë punim është shembulli i parë i aplikimit të teknologjisë UAM në fabrikimin e reaktorëve kimikë dhe trajton disa kufizime kryesore që lidhen aktualisht me printimin AM/3D të këtyre pajisjeve, si: (i) Kapërcimi i problemeve të vërejtura që lidhen me përpunimin e bakrit ose lidhjes së aluminit (ii) përmirësimi i rezolucionit të kanalit të brendshëm në krahasim me metodat e shkrirjes së shtratit të pluhurit (PBSLM) (PBSLM). dhe strukturë e përafërt e sipërfaqes26 (iii) temperaturë më e ulët e përpunimit, e cila lehtëson lidhjen e drejtpërdrejtë të sensorëve, gjë që nuk është e mundur në teknologjinë e shtratit pluhur, (v) tejkalimin e vetive të dobëta mekanike dhe ndjeshmërisë së përbërësve me bazë polimeri ndaj tretësve të ndryshëm organikë të zakonshëm17,19.
Funksionaliteti i reaktorit u demonstrua nga një seri reaksionesh cikloaddicioni alkinazide të katalizuara nga bakri në kushte rrjedhjeje të vazhdueshme (Fig. 2).Reaktori i bakrit i printuar me ultratinguj i paraqitur në fig.4 u integrua me një sistem të rrjedhës komerciale dhe u përdor për të sintetizuar një bibliotekë azide të 1,2,3-triazoleve të ndryshme të 1,4-të dyzëvendësuara duke përdorur një reaksion të kontrolluar me temperaturë të acetilenit dhe halogjenëve të grupit alkil në prani të klorurit të natriumit (Fig. 3).Përdorimi i qasjes së rrjedhës së vazhdueshme zvogëlon çështjet e sigurisë që mund të lindin në proceset e grupit, pasi ky reagim prodhon ndërmjetës azide shumë reaktivë dhe të rrezikshëm [317], [318].Fillimisht, reaksioni u optimizua për shtimin e fenilacetilenit dhe jodoetanit (Skema 1 - Ciklodimi i fenilacetilenit dhe jodoetanit) (shih Fig. 5).
(Majtas sipër) Skema e konfigurimit të përdorur për të inkorporuar një reaktor 3DP në një sistem rrjedhjeje (sipër djathtas) i marrë nga skema e optimizuar (poshtë) e skemës së cikloaditimit Huisgen 57 midis fenilacetilenit dhe jodoetanit për optimizimin dhe shfaqjen e parametrave të optimizuar të shkallës së konvertimit të reagimit.
Duke kontrolluar kohën e qëndrimit të reaktantëve në seksionin katalitik të reaktorit dhe duke monitoruar me kujdes temperaturën e reagimit me një sensor termoelement të integruar drejtpërdrejt, kushtet e reagimit mund të optimizohen shpejt dhe saktë me një minimum kohe dhe materialesh.U zbulua shpejt se konvertimi më i lartë u arrit duke përdorur një kohë qëndrimi prej 15 minutash dhe një temperaturë reagimi prej 150°C.Nga grafiku i koeficientit të softuerit MODDE mund të shihet se si koha e qëndrimit ashtu edhe temperatura e reagimit konsiderohen kushte të rëndësishme të modelit.Përdorimi i optimizuesit të integruar duke përdorur këto kushte të zgjedhura krijon një sërë kushtesh reagimi të krijuara për të maksimizuar zonat e pikut të produktit ndërsa zvogëlojnë sipërfaqet e pikut të materialit fillestar.Ky optimizim dha një konvertim 53% të produktit të triazolit, i cili përputhej saktësisht me parashikimin e modelit prej 54%.