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 të çaktivizoni modalitetin e përputhshmërisë në Internet Explorer). Ndërkohë, për të siguruar mbështetje të vazhdueshme, ne do ta shfaqim faqen pa stile dhe JavaScript.
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 teknika e petëzimit të fletëve metalike në gjendje të ngurtë, Prodhimi Aditiv Ultrasonik (UAM) me pjesë katalitike të integruara direkt dhe elementë ndijorë. Teknologjia UAM jo vetëm që kapërcen shumë nga kufizimet që lidhen aktualisht me prodhimin aditiv të reaktorëve kimikë, por gjithashtu rrit ndjeshëm aftësitë e pajisjeve të tilla. Një seri komponimesh biologjikisht të rëndësishme 1,2,3-triazol 1,4-disubstitutuar u sintetizuan dhe optimizuan me sukses nga një reaksion cikloadicioni Huisgen 1,3-dipolar i ndërmjetësuar nga Cu duke përdorur një konfigurim kimik UAM. Duke shfrytëzuar vetitë unike të UAM dhe përpunimin e rrjedhës së vazhdueshme, pajisja është në gjendje të katalizojë reaksionet e vazhdueshme, ndërsa gjithashtu ofron reagime në kohë reale për monitorimin dhe optimizimin e reaksionit.
Për shkak të avantazheve të saj të konsiderueshme ndaj homologut të saj me shumicë, kimia e rrjedhjes 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 thjeshtë i molekulave organike1 deri te komponimet farmaceutike2,3 dhe produktet natyrore4,5,6. Më shumë se 50% e reaksioneve në industritë kimike të imëta dhe farmaceutike mund të përfitojnë nga përdorimi i përpunimit me rrjedhje të vazhdueshme7.
Në vitet e fundit, ka pasur një trend në rritje të grupeve që kërkojnë të zëvendësojnë pajisjet tradicionale të qelqit ose të kimisë së rrjedhjes me "ena reagimi" të kimisë së prodhimit aditiv (AM) të personalizueshme8. Projektimi përsëritës, prodhimi i shpejtë dhe aftësitë 3-dimensionale (3D) të këtyre teknikave janë të dobishme për ata që dëshirojnë të personalizojnë pajisjet e tyre në një grup specifik reaksionesh, pajisjesh ose kushtesh. Deri më sot, kjo punë është përqendruar pothuajse ekskluzivisht në përdorimin e teknikave të printimit 3D të bazuara në polimere, siç janë stereolitografia (SL)9,10,11, modelimi i depozitimit të shkrirë (FDM)8,12,13,14 dhe printimi me bojë7, 15, 16. Mungesa e qëndrueshmërisë 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 zbatimin më të gjerë të AM në këtë fushë17, 18, 19, 20.
Për shkak të përdorimit në rritje të kimisë së rrjedhjes dhe vetive të favorshme që lidhen me AM, ekziston nevoja për të eksploruar teknika më të avancuara që u mundësojnë përdoruesve të prodhojnë enë reagimi rrjedhës me aftësi të përmirësuara kimike dhe analitike. Këto teknika duhet t'u mundësojnë përdoruesve të zgjedhin nga një gamë materialesh shumë të forta ose funksionale të afta për të trajtuar një gamë të gjerë kushtesh reagimi, ndërkohë që lehtësojnë gjithashtu forma të ndryshme të rezultatit analitik nga pajisja për të lejuar monitorimin dhe kontrollin e reagimit.
Një proces prodhimi aditiv që ka potencialin për të zhvilluar reaktorë kimikë të personalizuar është Prodhimi Aditiv Ultrasonik (UAM). Kjo teknikë e laminimit të fletëve në gjendje të ngurtë aplikon lëkundje ultrasonike në fletë metalike të holla në mënyrë që t'i bashkojë ato së bashku shtresë pas shtrese me ngrohje minimale në masë 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 proces prodhimi hibrid, në të cilin frezimi periodik i kontrollit numerik kompjuterik (CNC) në vend ose përpunimi me lazer përcakton formën neto të një shtrese të materialit të lidhur 24, 25. Kjo do të thotë që përdoruesi nuk është i kufizuar nga problemet që lidhen me heqjen e materialit të papërpunuar të mbetur nga kanalet e vogla të lëngjeve, gjë që ndodh shpesh me sistemet AM pluhur dhe të lëngshëm 26, 27, 28. Kjo liri projektimi shtrihet edhe në zgjedhjet e materialeve në dispozicion - UAM mund të lidhë kombinime materialesh termikisht të ngjashme dhe të ndryshme 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 në gjendje të ngurtë, një fenomen tjetër që haset gjatë përpunimit me ultratinguj Lidhja është rrjedha e lartë e materialeve plastike në temperatura relativisht të ulëta29,30,31,32,33. Kjo veçori unike e UAM mund të lehtësojë ngulitjen e elementeve mekanike/termike midis shtresave metalike pa dëmtime. Sensorët e ngulitur në UAM mund të lehtësojnë shpërndarjen e informacionit në kohë reale nga pajisja te përdoruesi përmes analizave të integruara.
Puna e mëparshme e autorëve32 demonstroi aftësinë e procesit UAM për të krijuar struktura mikrofluidike metalike 3D me aftësi të integruara ndjeshmërie. Ky është një pajisje vetëm monitorimi. Ky punim paraqet shembullin e parë të një reaktori kimik mikrofluidik të prodhuar nga UAM; një pajisje aktive që jo vetëm monitoron, por edhe nxit sintezën kimike përmes materialeve katalizatorike të integruara në mënyrë strukturore. Pajisja kombinon disa avantazhe të lidhura me teknologjinë UAM në prodhimin e pajisjeve kimike 3D, të tilla si: aftësia për të kthyer dizajne të plota 3D direkt nga modelet e dizajnit të ndihmuar nga kompjuteri (CAD) në produkte; prodhim shumë-materiale për të kombinuar përçueshmëri të lartë termike dhe materiale katalitike; dhe ngulitjen e sensorëve termikë direkt midis rrjedhave të reagentëve për monitorim dhe kontroll të saktë të temperaturës së reagimit. Për të demonstruar funksionalitetin e reaktorit, një bibliotekë e komponimeve farmaceutikisht të rëndësishme 1,4-të disubstitutuara 1,2,3-triazol u sintetizua nga cikloadicioni 1,3-dipolar Huisgen i katalizuar nga bakri. Ky punim thekson se si shfrytëzimi i shkencës së materialeve dhe dizajnit të ndihmuar nga kompjuteri mund të hapë mundësi dhe mundësi të reja për kiminë përmes kërkimit multidisiplinar.
Të gjithë tretësit dhe reagentët u blenë nga Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI ose Fischer Scientific dhe u përdorën pa pastrim paraprak. Spektrat 1H dhe 13C NMR të regjistruar në 400 MHz dhe 100 MHz, përkatësisht, u morën duke përdorur një spektrometër JEOL ECS-400 400 MHz ose një spektrometër Bruker Avance II 400 MHz dhe CDCl3 ose (CD3)2SO4 si tretës. Të gjitha reaksionet u kryen duke përdorur platformën e kimisë së rrjedhës Uniqsis FlowSyn.
UAM u përdor për të prodhuar të gjitha pajisjet në këtë studim. Teknologjia u shpik në vitin 1999, dhe detajet e saj teknike, parametrat operativë dhe zhvillimet që nga shpikja e saj mund të studiohen përmes materialeve të mëposhtme të publikuara34,35,36,37. Pajisja (Figura 1) u zbatua duke përdorur një sistem UAM SonicLayer 4000® me fuqi ultra të lartë, 9kW (Fabrisonic, OH, SHBA). Materialet e zgjedhura për prodhimin e pajisjes së rrjedhjes ishin Cu-110 dhe Al 6061. Cu-110 ka një përmbajtje të lartë bakri (minimum 99.9% bakër), duke e bërë atë një kandidat të mirë për reaksionet e katalizuara nga bakri, dhe për këtë arsye përdoret si një "shtresë aktive brenda një mikroreaktori". Al 6061O përdoret si një material "material", gjithashtu përdoret shtresa e ngulitjes për analizë; ngulitja e komponentëve ndihmës të aliazhit dhe gjendja e pjekjes e kombinuar me shtresën Cu-110. Al 6061O është një material që është treguar të jetë shumë i pajtueshëm me proceset UAM38, 39, 40, 41 dhe është testuar dhe është gjetur kimikisht i qëndrueshëm me reagentët e përdorur në këtë punim. Kombinimi i Al 6061O me Cu-110 konsiderohet gjithashtu një kombinim materialesh i pajtueshëm për UAM dhe për këtë arsye është një material i përshtatshëm për këtë studim. 38,42 Këto pajisje janë renditur në Tabelën 1 më poshtë.
Fazat e fabrikimit të reaktorit (1) Substrati Al 6061 (2) Fabrikimi i kanalit të poshtëm të vendosur në fletë bakri (3) Vendosja e termoçifteve midis shtresave (4) Kanali i sipërm (5) Hyrja dhe dalja (6) Reaktori monolit.
Filozofia e projektimit të rrugës së lëngut është të përdorë një rrugë të ndërlikuar për të rritur distancën që lëngu përshkon brenda çipit, duke e mbajtur çipin në një madhësi të menaxhueshme. Kjo rritje në distancë është e dëshirueshme për të rritur kohën e bashkëveprimit katalizator/reagjent dhe për të siguruar rendimente të shkëlqyera të produktit. Çipat përdorin kthesa 90° në skajet e rrugës së drejtë për të shkaktuar përzierje turbulente brenda pajisjes44 dhe për të rritur kohën e kontaktit të lëngut me sipërfaqen (katalizatorin). Për të rritur më tej përzierjen që mund të arrihet, projektimi i reaktorit përmban dy hyrje reagjenti të kombinuara në kryqëzimin Y para se të hyjnë në seksionin e përzierjes serpentinë. Hyrja e tretë, e cila kryqëzon rrjedhën në gjysmë të rrugës së saj, është përfshirë në projektimin e sintezave të ardhshme të reagimit shumëhapëshor.
Të gjitha kanalet kanë një profil katror (pa kënde tërheqjeje), rezultat i frezimit periodik CNC të përdorur për të krijuar gjeometrinë e kanalit. Dimensionet e kanalit zgjidhen për të siguruar një dalje të lartë vëllimi (për një mikroreaktor), ndërsa janë mjaft të vogla për të lehtësuar ndërveprimet sipërfaqësore (katalizatorët) për shumicën e lëngjeve të përmbajtura. Madhësia e përshtatshme bazohet në përvojën e kaluar të autorëve me pajisjet metal-fluidike për reaksionin. Dimensionet e brendshme të kanalit përfundimtar ishin 750 µm x 750 µm dhe vëllimi total i reaktorit ishte 1 ml. Një lidhës i integruar (fije 1/4″—28 UNF) është përfshirë në dizajn për të lejuar ndërfaqësimin e thjeshtë të pajisjes me pajisjet e kimisë së rrjedhjes komerciale. Madhësia e kanalit është e kufizuar nga trashësia e materialit të fletë metalike, vetitë e tij mekanike dhe parametrat e lidhjes të përdorura me ultratinguj. Në një gjerësi specifike për një material të 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 eksperimentalisht; në këtë rast, një gjerësi prej 750 μm nuk do të shkaktojë varje.
Forma (katrore) e kanalit përcaktohet duke përdorur një prerës katror. Forma dhe madhësia e kanaleve mund të ndryshohen nga makinat CNC duke përdorur mjete të ndryshme prerëse për të marrë shpejtësi dhe karakteristika të ndryshme rrjedhjeje. Një shembull i krijimit të një kanali me formë të lakuar duke përdorur mjetin 125 μm mund të gjendet në punën e Monaghan45. Kur shtresa e petëzës depozitohet në mënyrë planare, mbivendosja e materialit të petëzës mbi kanalet do të ketë një përfundim të sheshtë (katror). Në këtë punë, për të ruajtur simetrinë e kanalit, u përdor një skicë katrore.
Gjatë një pauze të paraprogramuar në prodhim, sondat e temperaturës së termoçifteve (Tipi K) janë të ngulitura direkt brenda pajisjes midis grupeve të kanaleve të sipërme dhe të poshtme (Figura 1 - Faza 3). Këto termoçifte mund të monitorojnë ndryshimet e temperaturës nga -200 në 1350 °C.
Procesi i depozitimit të metalit kryhet nga një bri UAM duke përdorur një fletë metalike me gjerësi 25.4 mm dhe trashësi 150 mikronë. Këto shtresa të fletës metalike 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 zbritës prodhon formën përfundimtare të rrjetës. Përpunimi CNC përdoret për të përpunuar konturet e jashtme dhe të brendshme të pajisjeve, duke rezultuar në një sipërfaqe të përfunduar të pajisjeve dhe kanaleve të barabartë me mjetin e zgjedhur dhe parametrat e procesit CNC (afërsisht 1.6 μm Ra në këtë shembull). Ciklet e vazhdueshme dhe të vazhdueshme të depozitimit të materialit tejzanor dhe të përpunimit përdoren gjatë gjithë procesit të prodhimit të pajisjes për të siguruar që të ruhet saktësia dimensionale dhe pjesa e përfunduar do të përmbushë nivelet e saktësisë së frezimit të përfundimit CNC. Gjerësia e kanalit të përdorur për këtë pajisje është mjaft e vogël për të siguruar që materiali i fletës metalike të mos "varet" në kanalin e lëngut, kështu që kanali ruan një prerje tërthore katrore. Boshllëqet e mundshme në materialin e fletës metalike dhe parametrat e procesit UAM u përcaktuan eksperimentalisht nga një partner prodhimi (Fabrisonic LLC, SHBA).
Studimet kanë treguar se ndodh pak difuzion elementar në ndërfaqen e lidhjes UAM 46, 47 pa trajtim shtesë termik, kështu që për pajisjet në këtë punim, shtresa Cu-110 mbetet e dallueshme nga shtresa Al 6061 dhe ndryshon papritur.
Instaloni një rregullator të presionit të kundërt (BPR) të parakalibruar 250 psi (1724 kPa) në daljen e reaktorit dhe pomponi ujë përmes reaktorit me një shpejtësi prej 0.1 deri në 1 mL min-1. Presioni i reaktorit u monitorua duke përdorur sensorin e presionit të sistemit të integruar FlowSyn për të verifikuar që sistemi mund të mbante një presion konstant dhe të qëndrueshëm. Gradientët e mundshëm të temperaturës në të gjithë reaktorin e rrjedhjes u testuan duke identifikuar çdo ndryshim midis termoçifteve të integruara brenda reaktorit dhe atyre të integruara brenda pllakës ngrohëse të çipit FlowSyn. Kjo arrihet duke ndryshuar temperaturën e programueshme të pllakës së nxehtë midis 100 dhe 150 °C në rritje prej 25 °C dhe duke vënë re çdo ndryshim midis temperaturave të programuara dhe të regjistruara. Kjo u arrit duke përdorur një regjistrues të të dhënave tc-08 (PicoTech, Cambridge, UK) dhe softuerin shoqërues PicoLog.
Kushtet e reaksionit të cikloaddicionit të fenilacetilenit dhe jodoetanit u optimizuan (Skema 1 - Cikloaddicioni i fenilacetilenit dhe jodoetanit Skema 1 - Cikloaddicioni i fenilacetilenit dhe jodoetanit). Ky optimizim u krye me anë të një qasje të plotë faktoriale të projektimit të eksperimenteve (DOE), duke përdorur temperaturën dhe kohën e qëndrimit si parametra të ndryshueshëm, ndërsa raporti alkin:azid u fiksua në 1:2.
U përgatitën tretësira të ndara të azidit të natriumit (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), jodoetanit (0.25 M, DMF) dhe fenilacetilenit (0.125 M, DMF). Një alikuot prej 1.5 mL i secilës tretësirë ​​u përzie dhe u pompua përmes reaktorit me shpejtësinë dhe temperaturën e dëshiruar të rrjedhjes. Përgjigja e modelit u mor si raporti i sipërfaqes së pikut të produktit triazol me materialin fillestar fenilacetilen dhe u përcaktua me anë të kromatografisë së lëngshme me performancë të lartë (HPLC). Për konsistencën e analizës, të gjitha reaksionet u morën si mostra menjëherë pasi përzierja e reaksionit doli nga reaktori. Diapazonet e parametrave të përzgjedhur për optimizim tregohen në Tabelën 2.
Të gjitha mostrat u analizuan duke përdorur një sistem HPLC Chromaster (VWR, PA, SHBA) i përbërë nga një pompë kuaternare, furrë kolone, detektor UV me gjatësi vale të ndryshueshme dhe automomenter. Kolona ishte një Equivalence 5 C18 (VWR, PA, SHBA), me madhësi 4.6 × 100 mm, madhësi grimcash 5 µm, e mbajtur në 40 °C. Tretësira ishte metanol:ujë izokratik 50:50 me një shpejtësi rrjedhjeje prej 1.5 mL.min-1. Vëllimi i injektimit ishte 5 µL dhe gjatësia vale e detektorit ishte 254 nm. % e sipërfaqes së pikut për mostrën DOE u llogarit vetëm nga sipërfaqet e pikut të produkteve të mbetura të alkinit dhe triazolit. Injektimi i materialit fillestar lejon identifikimin e pikut përkatës.
Bashkimi i rezultatit të analizës së reaktorit me programin MODDE DOE (Umetrics, Malmö, Suedi) lejoi një analizë të plotë të tendencave të rezultateve dhe përcaktimin e kushteve optimale të reagimit për këtë cikloaddicion. Ekzekutimi i optimizuesit të integruar dhe përzgjedhja e të gjithë termave të rëndësishëm të modelit jep një sërë kushtesh reagimi të dizajnuara për të maksimizuar sipërfaqen e majës së produktit, duke zvogëluar njëkohësisht sipërfaqen e majës për materialin fillestar të acetilenit.
Oksidimi i bakrit sipërfaqësor brenda dhomës së reaksionit katalitik u arrit duke përdorur një tretësirë ​​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) para sintezës së secilës bibliotekë të përbërjeve të triazoleve.
Pasi u identifikua një grup kushtesh optimale, ato u aplikuan në një gamë derivatesh të acetilenit dhe haloalkanit për të lejuar përpilimin e një sinteze të vogël biblioteke, duke krijuar kështu aftësinë për të aplikuar këto kushte në një gamë më të gjerë reagentësh potencialë (Figura 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). 3 mL alikuota të secilës tretësirë ​​u përzien dhe u pompuan përmes reaktorit në 75 µL.min-1 dhe 150 °C. Vëllimi total u mblodh në një shishe dhe u hollua me 10 mL acetat etili. Tretësira e mostrës u larë me 3 × 10 mL ujë. Shtresat ujore u kombinuan dhe u nxorën me 10 mL acetat etili; shtresat organike u kombinuan më pas, u lanë me 3 x 10 mL shëllirë, u thanë mbi MgSO4 dhe u filtruan, pastaj tretësi u hoq në vakuo. Mostrat u pastruan me kromatografi kolone në xhel silici duke përdorur acetat etili para analizës me një kombinim të HPLC, 1H NMR, 13C NMR dhe spektrometrisë masive me rezolucion të lartë (HR-MS).
Të gjitha spektrat u morën duke përdorur një spektrometër mase me rezolucion preciz Orbitrap Thermofischer me ESI si burim jonizimi. Të gjitha mostrat u përgatitën duke përdorur acetonitril si tretës.
Analiza TLC u krye në pllaka silici të mbështetura në alumin. Pllakat u vizualizuan me anë të dritës UV (254 nm) ose ngjyrosjes dhe ngrohjes me vanilinë.
Të gjitha mostrat u analizuan duke përdorur një sistem VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) të pajisur me një automomenter, pompë binare të furrës së kolonës dhe detektor me gjatësi vale të vetme. Kolona e përdorur ishte një ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4.6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Skoci).
Injeksionet (5 µL) u bënë direkt nga përzierja e holluar e reaksionit të papërpunuar (hollim 1:10) dhe u analizuan me ujë:metanol (50:50 ose 70:30), përveç disa mostrave që përdorin sistemin tretës 70:30 (i 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.
% e sipërfaqes së pikut të mostrës u llogarit nga sipërfaqja e pikut të alkinit të mbetur, vetëm produkti triazol, dhe injektimi i materialit fillestar lejoi identifikimin e pikut përkatës.
Të gjitha mostrat u analizuan duke përdorur një Thermo iCAP 6000 ICP-OES. Të gjitha standardet e kalibrimit u përgatitën duke përdorur një tretësirë ​​standarde Cu 1000 ppm në 2% acid nitrik (SPEX Certi Prep). Të gjitha standardet u përgatitën në tretësirë ​​5% DMF dhe 2% HNO3, dhe të gjitha mostrat u holluan 20-fish në tretësirën e mostrës DMF-HNO3.
UAM përdor saldimin metalik tejzanor si një teknikë lidhjeje për materialin e fletë metalike të përdorur për të ndërtuar montimin përfundimtar. Saldimi metalik tejzanor përdor një mjet metalik vibrues (të quajtur bri ose bri tejzanor) për të ushtruar presion në shtresën e fletës metalike/shtresën e konsoliduar më parë që do të lidhet ndërsa vibron materialin. Për funksionim të vazhdueshëm, sonotroda është cilindrike dhe rrokulliset mbi sipërfaqen e materialit, duke lidhur të gjithë zonën. Kur aplikohet presioni dhe dridhja, oksidet në sipërfaqen e materialit mund të çahen. Presioni dhe dridhja e vazhdueshme mund të shkaktojnë shembjen e asperiteve të materialit 36. Kontakti i ngushtë me nxehtësinë dhe presionin e induktuar lokalisht çon në lidhjen në gjendje të ngurtë në ndërfaqet e materialit; gjithashtu mund të ndihmojë ngjitjen përmes ndryshimeve në energjinë sipërfaqësore 48. 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 teknikat e tjera të prodhimit shtesë. Kjo lejon lidhjen direkte (dmth., pa modifikim sipërfaqësor, mbushës ose ngjitës) të shtresave të shumëfishta të materialeve të ndryshme në një strukturë të vetme të konsoliduar.
Një faktor i dytë i favorshëm për UAM është shkalla e lartë e rrjedhjes plastike e vërejtur në materialet metalike, madje edhe në temperatura të ulëta, pra shumë nën pikën e shkrirjes së materialeve metalike. Kombinimi i lëkundjes tejzanor dhe presionit shkakton nivele të larta të migrimit lokal të kufirit të kokrrizave dhe rikristalizimit pa rritjen e madhe të temperaturës që tradicionalisht shoqërohet me materialet në masë. Gjatë ndërtimit të montimit përfundimtar, ky fenomen mund të shfrytëzohet për të ngulitur komponentë aktivë dhe pasivë midis shtresave të fletës metalike, shtresë pas shtrese. Elementë të tillë si fibrat optike 49, përforcimet 46, elektronika 50 dhe termoçiftet (kjo punë) janë të gjitha të ngulitura me sukses në strukturat UAM për të krijuar montime kompozite aktive dhe pasive.
Në këtë punim, si lidhjet e ndryshme të materialeve ashtu edhe mundësitë e ndërthurjes së UAM-it janë përdorur për të krijuar mikroreaktorin përfundimtar të monitorimit katalitik të temperaturës.
Krahasuar me paladiumin (Pd) dhe katalizatorët e tjerë metalikë të përdorur zakonisht, kataliza e Cu ka disa përparësi: (i) Ekonomikisht, Cu është më pak i kushtueshëm se shumë metale të tjera të përdorura në katalizë dhe për këtë arsye është një mundësi tërheqëse për industrinë e përpunimit kimik (ii) Gama e reaksioneve të çiftëzimit të kryqëzuar të katalizuara nga Cu është duke u rritur dhe duket se është disi plotësuese e metodologjive të bazuara në Pd51,52,53 (iii) Reaksionet e katalizuara nga Cu funksionojnë mirë në mungesë të ligandëve të tjerë. Këta ligandë shpesh janë strukturalisht 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, i njohur veçanërisht për aftësinë e tij për të lidhur alkinet në sintezë. Për shembull, çiftëzimi Sonogashira i katalizuar nga bimetaliku dhe cikloadditi me azide (kimia e klikimit) (v) Cu është gjithashtu në gjendje të nxisë arilimin e disa nukleofileve në reaksionet e tipit Ullmann.
Shembuj të heterogjenizimit të të gjitha këtyre reaksioneve janë demonstruar së fundmi 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.
I nisur nga Huisgen në vitet 196057, reaksioni i cikloadicionit 1,3-dipolar midis acetilenit dhe azidit në 1,2,3-triazol konsiderohet një reaksion demonstrimi sinergjik. Pjesët rezultuese të 1,2,3 triazolit janë me interes të veçantë si farmakoforë në fushën e zbulimit të barnave për shkak të aplikimeve të tyre biologjike dhe përdorimit në agjentë të ndryshëm terapeutikë 58.
Ky reaksion u vu përsëri në qendër të vëmendjes kur Sharpless dhe të tjerë prezantuan konceptin e "kimisë së klikimit"59. Termi "kimi e klikimit" përdoret për të përshkruar një grup reaksionesh të forta, të besueshme dhe selektive për sintezën e shpejtë të përbërjeve të reja dhe bibliotekave kombinatorike nëpërmjet lidhjes heteroatomike (CXC)60. Tërheqja sintetike e këtyre reaksioneve buron nga rendimentet e larta që shoqërohen me to, kushtet e reagimit janë të thjeshta, rezistenca ndaj oksigjenit dhe ujit, dhe ndarja e produktit është e thjeshtë61.
Cikloadicioni klasik Huisgen 1,3-dipol nuk i përket kategorisë së "kimisë së klikimit". Megjithatë, Medal dhe Sharpless demonstruan se ky ngjarje çiftëzimi azid-alkin pëson 107 deri në 108 në prani të Cu(I) krahasuar me përshpejtimin e ndjeshëm të shpejtësisë së cikloadicionit 1,3-dipolar të paktalizuar 62,63. Ky mekanizëm i përmirësuar i reagimit nuk kërkon grupe mbrojtëse ose kushte të ashpra reagimi dhe jep konvertim dhe selektivitet pothuajse të plotë në 1,2,3-triazolet 1,4-të disubstitutuara (anti-1,2,3-triazol) në një shkallë kohore (Figura 3).
Rezultatet izometrike të cikloshtimeve Huisgen konvencionale dhe të katalizuara nga bakri. Cikloshtimet Huisgen të katalizuara nga Cu(I) japin vetëm 1,2,3-triazole të 1,4-disubstitutuara, ndërsa cikloshtimet Huisgen të induktuara termikisht zakonisht japin 1,4- dhe 1,5-triazole si një përzierje 1:1 e stereoizomerëve të azoleve.
Shumica e protokolleve përfshijnë reduktimin e burimeve të qëndrueshme të Cu(II), siç është reduktimi i CuSO4 ose kombinimi i specieve Cu(II)/Cu(0) me kripëra natriumi. Krahasuar me reaksionet e tjera të katalizuara nga metalet, përdorimi i Cu(I) ka avantazhet kryesore të të qenit i lirë dhe i lehtë për t’u trajtuar.
Studimet kinetike dhe izotopike të etiketimit nga Worrell et al. 65 treguan se, në rastin e alkineve terminale, dy ekuivalentë të bakrit janë të përfshirë në aktivizimin e reaktivitetit të secilës molekulë ndaj azidit. Mekanizmi i propozuar vazhdon përmes një unaze metalike bakri me gjashtë anëtarë të formuar nga koordinimi i azidit me acetilid bakri të lidhur σ me bakër të lidhur π si një ligand dhurues i qëndrueshëm. Derivatet e bakrit triazolil formohen nga tkurrja e unazës, e ndjekur nga dekompozimi i protoneve për të siguruar produkte triazoli dhe për të mbyllur ciklin katalitik.
Ndërsa përfitimet e pajisjeve të kimisë së rrjedhjes janë të dokumentuara mirë, ka pasur një dëshirë për të integruar mjete analitike në këto sisteme për monitorimin e procesit në linjë, në vend66,67. UAM rezultoi të jetë një metodë e përshtatshme për projektimin dhe prodhimin e reaktorëve të rrjedhjes 3D shumë kompleksë të bërë nga materiale katalitikisht aktive, termikisht përçuese me elementë ndijorë të ngulitur direkt (Figura 4).
Reaktor rrjedhës alumini-bakri i prodhuar me anë të prodhimit aditiv tejzanor (UAM) me strukturë komplekse të kanalit të brendshëm, termoçifte të integruara dhe dhomë reagimi katalitik. Për të vizualizuar rrugët e brendshme të lëngjeve, tregohet gjithashtu një prototip transparent i prodhuar duke përdorur stereolitografi.
Për të siguruar që reaktorët janë të prodhuar për reaksione organike në të ardhmen, tretësit duhet të ngrohen në mënyrë të sigurt mbi pikën e vlimit; ata testohen për presion dhe temperaturë. Testi i presionit tregoi se sistemi mban një presion të qëndrueshëm dhe konstant edhe me një presion të rritur të sistemit (1.7 MPa). Testi hidrostatik u krye në temperaturë ambienti duke përdorur H2O si lëng.
Lidhja e termoçiftit të integruar (Figura 1) me regjistruesin e të dhënave të temperaturës tregoi se termoçifti ishte 6 °C (± 1 °C) më i ftohtë se temperatura e programuar në sistemin FlowSyn. Në mënyrë tipike, një rritje prej 10 °C e temperaturës rezulton në dyfishimin e shkallës së reagimit, kështu që një ndryshim temperature prej vetëm disa gradësh mund ta ndryshojë ndjeshëm shkallën e reagimit. Ky ndryshim është për shkak të humbjes së temperaturës në të gjithë trupin e reaktorit për shkak të difuzivitetit të lartë termik të materialeve të përdorura në procesin e prodhimit. Kjo zhvendosje termike është e qëndrueshme dhe për këtë arsye mund të merret parasysh në konfigurimin e pajisjeve për të siguruar që temperaturat e sakta të arrihen dhe maten gjatë reagimit. Prandaj, ky mjet monitorimi online lehtëson kontrollin e rreptë të temperaturës së reagimit dhe lehtëson optimizimin më të saktë të procesit dhe zhvillimin e kushteve optimale. Këta sensorë mund të përdoren gjithashtu për të identifikuar ekzotermat e reagimit dhe për të parandaluar reaksionet e pakontrolluara në sisteme në shkallë të gjerë.
Reaktori i paraqitur në këtë punim është shembulli i parë i aplikimit të teknologjisë UAM në prodhimin e reaktorëve kimikë dhe adreson disa kufizime kryesore që aktualisht shoqërohen me printimin AM/3D të këtyre pajisjeve, të tilla si: (i) kapërcimi i problemeve të raportuara në lidhje me përpunimin e bakrit ose lidhjeve të aluminit (ii) përmirësimi i rezolucionit të brendshëm të kanalit krahasuar me teknikat e shkrirjes me shtresë pluhuri (PBF) siç është shkrirja selektive me lazer (SLM)25,69 Rrjedhja e dobët e materialit dhe tekstura e ashpër e sipërfaqes26 (iii) Temperatura e reduktuar e përpunimit, e cila lehtëson lidhjen direkte të sensorëve, e cila nuk është e mundur në teknologjinë me shtresë pluhuri, (v) kapërcen vetitë e dobëta mekanike dhe ndjeshmërinë e dobët të përbërësve të bazuar në polimer ndaj një sërë tretësish organikë të zakonshëm17,19.
Funksionaliteti i reaktorit u demonstrua nga një seri reaksionesh cikloadicioni të azidit alkin të katalizuar nga bakri në kushte rrjedhjeje të vazhdueshme (Fig. 2). Reaktori i bakrit i shtypur me ultratinguj i detajuar në Figurën 4 u integrua me një sistem rrjedhjeje komerciale dhe u përdor për të sintetizuar azide biblioteke të 1,2,3-triazoleve të ndryshme 1,4-të dizëvendësuara nëpërmjet reagimit të kontrolluar nga temperatura e acetilenit dhe halideve të grupeve alkil në prani të klorurit të natriumit (Figura 3). Përdorimi i një qasjeje me rrjedhje të vazhdueshme zbut shqetësimet e sigurisë që mund të lindin në proceset në seri, pasi ky reagim prodhon ndërmjetës azidesh shumë reaktivë dhe të rrezikshëm [317], [318]. Fillimisht, reagimi u optimizua për cikloadicionin e fenilacetilenit dhe jodoetanit (Skema 1 - Cikloadicioni i fenilacetilenit dhe jodoetanit) (shih Figurën 5).
(Lart majtas) Skema e konfigurimit të përdorur për të përfshirë reaktorin 3DP në sistemin e rrjedhjes (lart djathtas) e marrë në skemën e optimizuar (poshtë) të skemës së cikloadditionit Huisgen 57 midis fenilacetilenit dhe jodoetanit për optimizim dhe që tregon shkallën e konvertimit të reaksionit të parametrave të optimizuar.
Duke kontrolluar kohën e qëndrimit të reagentëve në pjesën katalitike të reaktorit dhe duke monitoruar nga afër temperaturën e reagimit me një sondë termoçifti të integruar direkt, kushtet e reagimit mund të optimizohen shpejt dhe me saktësi me konsum minimal të kohës dhe materialit. U përcaktua shpejt se konvertimet më të larta u morën kur u përdor një kohë qëndrimi prej 15 minutash dhe një temperaturë reagimi prej 150 °C. Nga grafiku i koeficientëve të softuerit MODDE, mund të shihet se si koha e qëndrimit ashtu edhe temperatura e reagimit konsiderohen terma të rëndësishëm të modelit. Ekzekutimi i optimizuesit të integruar duke përdorur këto terma të përzgjedhur gjeneron një sërë kushtesh reagimi të dizajnuara për të maksimizuar zonat e majave të produktit duke zvogëluar zonat e majave të materialit fillestar. Ky optimizim dha një konvertim prej 53% të produktit triazol, i cili përputhej ngushtë me parashikimin e modelit prej 54%.
Bazuar në literaturën që tregon se oksidi i bakrit (I) (Cu2O) mund të veprojë si një specie katalitike efektive në sipërfaqet e bakrit me valencë zero në këto reaksione, u hetua aftësia për të para-oksiduar sipërfaqen e reaktorit para se të kryhej reaksioni në rrjedhje70,71. Reaksioni midis fenilacetilenit dhe jodoetanit u krye përsëri në kushte optimale dhe rendimentet u krahasuan. U vu re se kjo përgatitje rezultoi në një rritje të konsiderueshme të konvertimit të materialit fillestar, i cili u llogarit të ishte >99%. Megjithatë, monitorimi me HPLC tregoi se ky konvertim uli ndjeshëm kohën e reagimit tepër të zgjatur deri në afërsisht 90 minuta, pas së cilës aktiviteti duket se u stabilizua dhe arriti një "gjendje të qëndrueshme". Ky vëzhgim sugjeron që burimi i aktivitetit katalitik merret nga oksidi sipërfaqësor i bakrit dhe jo nga substrati i bakrit me valencë zero. Metali Cu oksidohet lehtësisht në temperaturën e dhomës për të formuar CuO dhe Cu2O që nuk janë shtresa vetëmbrojtëse. Kjo eliminon nevojën për të shtuar një burim ndihmës bakri (II) për bashkë-kompozim71.