Tack för att du besöker Nature.com.Webbläsarversionen du använder har begränsat CSS-stöd.För bästa upplevelse rekommenderar vi att du använder en uppdaterad webbläsare (eller inaktiverar kompatibilitetsläge i Internet Explorer).Under tiden, för att säkerställa fortsatt support, kommer vi att rendera webbplatsen utan stilar och JavaScript.
En karusell som visar tre bilder samtidigt.Använd knapparna Föregående och Nästa för att gå igenom tre bilder åt gången, eller använd skjutknapparna i slutet för att gå igenom tre bilder åt gången.
Additiv tillverkning förändrar hur forskare och industrimän designar och tillverkar kemiska produkter för att möta deras specifika behov.I detta dokument rapporterar vi det första exemplet på en flödesreaktor bildad av ultraljudstillverkning (UAM) laminering av en solid metallplåt med direkt integrerade katalytiska delar och avkänningselement.UAM-teknik övervinner inte bara många av de begränsningar som för närvarande är förknippade med additiv tillverkning av kemiska reaktorer, utan utökar också kraftigt kapaciteten hos sådana anordningar.Ett antal biologiskt viktiga 1,4-disubstituerade 1,2,3-triazolföreningar har framgångsrikt syntetiserats och optimerats genom en Cu-medierad 1,3-dipolär Huisgen-cykloadditionsreaktion med användning av UAM-kemianläggningen.Genom att använda de unika egenskaperna hos UAM och kontinuerlig flödesbearbetning kan enheten katalysera pågående reaktioner samt ge feedback i realtid för att övervaka och optimera reaktioner.
På grund av dess betydande fördelar jämfört med sin bulkmotsvarighet är flödeskemi ett viktigt och växande område i både akademiska och industriella miljöer på grund av dess förmåga att öka selektiviteten och effektiviteten av kemisk syntes.Detta sträcker sig från bildandet av enkla organiska molekyler1 till farmaceutiska föreningar2,3 och naturliga produkter4,5,6.Över 50 % av reaktionerna inom finkemi- och läkemedelsindustrin kan dra nytta av kontinuerligt flöde7.
Under de senaste åren har det funnits en växande trend av grupper som vill ersätta traditionell glas- eller flödeskemiutrustning med anpassningsbara kemiska "reaktorer"8.Den iterativa designen, snabba tillverkningen och tredimensionella (3D) kapaciteterna hos dessa metoder är användbara för dem som vill anpassa sina enheter för en viss uppsättning reaktioner, enheter eller förhållanden.Hittills har detta arbete nästan uteslutande fokuserat på användningen av polymerbaserade 3D-utskriftstekniker som stereolitografi (SL)9,10,11, Fused Deposition Modeling (FDM)8,12,13,14 och bläckstråleutskrift7,15., 16. Bristen på tillförlitlighet och förmåga hos sådana enheter att utföra ett brett spektrum av kemiska reaktioner/analyser17, 18, 19, 20 är en stor begränsande faktor för den bredare tillämpningen av AM inom detta område17, 18, 19, 20.
På grund av den ökande användningen av flödeskemi och de gynnsamma egenskaperna förknippade med AM, behöver bättre tekniker utforskas som gör det möjligt för användare att tillverka flödesreaktionskärl med förbättrad kemi och analytisk förmåga.Dessa metoder bör tillåta användare att välja från en rad höghållfasta eller funktionella material som kan fungera under ett brett spektrum av reaktionsförhållanden, samt underlätta olika former av analytisk utdata från enheten för att möjliggöra övervakning och kontroll av reaktionen.
En additiv tillverkningsprocess som kan användas för att utveckla skräddarsydda kemiska reaktorer är Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM).Denna solid-state arklamineringsmetod applicerar ultraljudsvibrationer på tunna metallfolier för att binda samman dem lager för lager med minimal volymetrisk uppvärmning och hög grad av plastflöde 21, 22, 23. Till skillnad från de flesta andra AM-teknologier kan UAM direkt integreras med subtraktiv produktion, känd som en hybridtillverkningsprocess, där periodisk in-situ-processform av laser- eller netto-processstyrning bestämmer laserns form. 24, 25. Detta innebär att användaren inte är begränsad till de problem som är förknippade med att avlägsna resterande originalbyggmaterial från små vätskekanaler, vilket ofta är fallet i pulver- och vätskesystem AM26,27,28.Denna designfrihet sträcker sig även till valet av tillgängliga material – UAM kan binda samman kombinationer av termiskt liknande och olika material i ett enda processsteg.Valet av materialkombinationer utöver smältprocessen gör att de mekaniska och kemiska kraven för specifika applikationer bättre kan tillgodoses.Förutom fast bindning är ett annat fenomen som uppstår med ultraljudsbindning den höga flytbarheten hos plastmaterial vid relativt låga temperaturer29,30,31,32,33.Denna unika egenskap hos UAM gör att mekaniska/termiska element kan placeras mellan metallskikt utan skador.Inbyggda UAM-sensorer kan underlätta leverans av realtidsinformation från enheten till användaren genom integrerad analys.
Tidigare arbete av författarna32 visade förmågan hos UAM-processen att skapa metalliska 3D-mikrofluidstrukturer med inbäddade avkänningsmöjligheter.Denna enhet är endast avsedd för övervakningsändamål.Denna artikel presenterar det första exemplet på en mikrofluidisk kemisk reaktor tillverkad av UAM, en aktiv enhet som inte bara kontrollerar utan också inducerar kemisk syntes med strukturellt integrerade katalytiska material.Enheten kombinerar flera fördelar förknippade med UAM-teknik vid tillverkning av kemiska 3D-enheter, såsom: möjligheten att konvertera en komplett 3D-design direkt från en datorstödd design (CAD)-modell till en produkt;multimaterialtillverkning för en kombination av hög värmeledningsförmåga och katalytiska material, samt termiska sensorer inbäddade direkt mellan reaktantströmmarna för exakt kontroll och hantering av reaktionstemperaturen.För att demonstrera reaktorns funktionalitet syntetiserades ett bibliotek av farmaceutiskt viktiga 1,4-disubstituerade 1,2,3-triazolföreningar genom kopparkatalyserad 1,3-dipolär Huisgen-cykloaddition.Detta arbete belyser hur användningen av materialvetenskap och datorstödd design kan öppna nya möjligheter och möjligheter för kemi genom tvärvetenskaplig forskning.
Alla lösningsmedel och reagens köptes från Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI eller Fischer Scientific och användes utan föregående rening.IH- och 13C NMR-spektra registrerade vid 400 respektive 100 MHz erhölls på en JEOL ECS-400 400 MHz-spektrometer eller en Bruker Avance II 400 MHz-spektrometer med CDCl3 eller (CD3)2SO som lösningsmedel.Alla reaktioner utfördes med hjälp av Uniqsis FlowSyn flödeskemiplattform.
UAM användes för att tillverka alla enheter i denna studie.Tekniken uppfanns 1999 och dess tekniska detaljer, driftsparametrar och utvecklingar sedan dess uppfinning kan studeras med hjälp av följande publicerade material34,35,36,37.Enheten (Fig. 1) implementerades med ett kraftigt 9 kW SonicLayer 4000® UAM-system (Fabrisonic, Ohio, USA).Materialen som valdes för flödesanordningen var Cu-110 och Al 6061. Cu-110 har en hög kopparhalt (minst 99,9% koppar), vilket gör den till en bra kandidat för kopparkatalyserade reaktioner och används därför som ett "aktivt skikt inuti mikroreaktorn.Al 6061 O används som "bulk" material., såväl som interkaleringsskiktet som används för analys;interkalering av hjälplegeringskomponenter och glödgat tillstånd i kombination med Cu-110-skikt.visat sig vara kemiskt stabila med de reagenser som används i detta arbete.Al 6061 O i kombination med Cu-110 anses också vara en kompatibel materialkombination för UAM och är därför ett lämpligt material för denna studie38,42.Dessa enheter listas i Tabell 1 nedan.
Reaktortillverkningssteg (1) 6061 aluminiumlegeringssubstrat (2) Tillverkning av nedre kanal från kopparfolie (3) Införande av termoelement mellan skikt (4) Övre kanal (5) Inlopp och utlopp (6) Monolitisk reaktor.
Vätskekanaldesignfilosofin är att använda en krokig bana för att öka avståndet som vätskan tillryggalägger inuti chipet samtidigt som en hanterbar chipstorlek bibehålls.Denna ökning i avstånd är önskvärd för att öka kontakttiden mellan katalysator och reaktant och ge utmärkta produktutbyten.Flisen använder 90°-böjar i ändarna av en rak bana för att inducera turbulent blandning i enheten44 och öka kontakttiden för vätskan med ytan (katalysatorn).För att ytterligare förbättra den blandning som kan uppnås inkluderar reaktorns utformning två reaktantinlopp kombinerade i en Y-anslutning innan de går in i blandningsspolsektionen.Den tredje ingången, som korsar flödet halvvägs genom sin residens, ingår i planen för framtida flerstegssyntesreaktioner.
Alla kanaler har en fyrkantig profil (inga koniska vinklar), vilket är resultatet av den periodiska CNC-fräsning som används för att skapa kanalgeometrin.Kanaldimensionerna är valda för att ge ett högt (för en mikroreaktor) volymetriskt utbyte, men ändå tillräckligt små för att underlätta interaktion med ytan (katalysatorer) för de flesta av de vätskor som den innehåller.Lämplig storlek är baserad på författarnas tidigare erfarenhet av metall-vätskereaktionsanordningar.Den slutliga kanalens inre dimensioner var 750 µm x 750 µm och den totala reaktorvolymen var 1 ml.En inbyggd kontakt (1/4″-28 UNF-gänga) ingår i designen för att möjliggöra enkel gränssnitt av enheten med kommersiell flödeskemiutrustning.Kanalstorleken begränsas av foliematerialets tjocklek, dess mekaniska egenskaper och de bindningsparametrar som används med ultraljud.Vid en viss bredd för givet material kommer materialet att "sjunka" ner i den skapade kanalen.Det finns för närvarande ingen specifik modell för denna beräkning, så den maximala kanalbredden för ett givet material och design bestäms experimentellt, i vilket fall en bredd på 750 µm inte kommer att orsaka nedhängning.
Kanalens form (fyrkant) bestäms med hjälp av en fyrkantsskärare.Formen och storleken på kanalerna kan ändras på CNC-maskiner med olika skärverktyg för att få olika flödeshastigheter och egenskaper.Ett exempel på att skapa en krökt kanal med ett 125 µm verktyg finns i Monaghan45.När folieskiktet appliceras plant kommer appliceringen av foliematerialet på kanalerna att ha en plan (fyrkantig) yta.I detta arbete användes en kvadratisk kontur för att bevara kanalens symmetri.
Under en programmerad paus i produktionen är termoelementtemperaturgivare (typ K) inbyggda direkt i enheten mellan den övre och nedre kanalgruppen (fig. 1 – steg 3).Dessa termoelement kan kontrollera temperaturförändringar från -200 till 1350 °C.
Metallavsättningsprocessen utförs av UAM-hornet med metallfolie 25,4 mm bred och 150 mikron tjock.Dessa lager av folie är sammankopplade i en serie intilliggande remsor för att täcka hela byggområdet;storleken på det avsatta materialet är större än slutprodukten eftersom subtraktionsprocessen skapar den slutliga rena formen.CNC-bearbetning används för att bearbeta utrustningens yttre och inre konturer, vilket resulterar i en ytfinish på utrustningen och kanalerna som motsvarar det valda verktyget och CNC-processparametrarna (i detta exempel, ca 1,6 µm Ra).Kontinuerliga, kontinuerliga materialsprutnings- och bearbetningscykler med ultraljud används under hela enhetens tillverkningsprocess för att säkerställa att dimensionsnoggrannheten bibehålls och att den färdiga delen uppfyller CNC-finfräsningsprecisionsnivåerna.Bredden på kanalen som används för denna enhet är tillräckligt liten för att säkerställa att foliematerialet inte "sjunker" i vätskekanalen, så kanalen har ett kvadratiskt tvärsnitt.Möjliga luckor i foliematerialet och parametrarna för UAM-processen bestämdes experimentellt av tillverkningspartnern (Fabrisonic LLC, USA).
Studier har visat att det vid gränssnittet 46, 47 av UAM-föreningen är liten diffusion av element utan ytterligare värmebehandling, så för enheterna i detta arbete förblir Cu-110-skiktet annorlunda än Al 6061-skiktet och förändras dramatiskt.
Installera en förkalibrerad mottrycksregulator (BPR) vid 250 psi (1724 kPa) nedströms reaktorn och pumpa vatten genom reaktorn med en hastighet av 0,1 till 1 ml min-1.Reaktortrycket övervakades med hjälp av FlowSyn-tryckgivaren inbyggd i systemet för att säkerställa att systemet kunde upprätthålla ett konstant konstant tryck.Potentiella temperaturgradienter i flödesreaktorn testades genom att leta efter eventuella skillnader mellan termoelementen inbyggda i reaktorn och termoelementen inbyggda i värmeplattan på FlowSyn-chippet.Detta uppnås genom att ändra den programmerade värmeplattans temperatur mellan 100 och 150 °C i steg om 25 °C och övervaka eventuella skillnader mellan de programmerade och registrerade temperaturerna.Detta uppnåddes med hjälp av tc-08 datalogger (PicoTech, Cambridge, Storbritannien) och den medföljande programvaran PicoLog.
Betingelserna för cykloadditionsreaktionen av fenylacetylen och jodoetan är optimerade (Schema 1 - Cykloaddition av fenylacetylen och jodoetan, Schema 1 - Cykloaddition av fenylacetylen och jodoetan).Denna optimering utfördes med användning av en fullständig faktoriell design av experiment (DOE) tillvägagångssätt, med användning av temperatur och uppehållstid som variabler samtidigt som alkyn:azid-förhållandet fixerades till 1:2.
Separata lösningar av natriumazid (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), jodoetan (0,25 M, DMF) och fenylacetylen (0,125 M, DMF) framställdes.En 1,5 ml alikvot av varje lösning blandades och pumpades genom reaktorn vid önskad flödeshastighet och temperatur.Modellens svar togs som förhållandet mellan topparean för triazolprodukten och utgångsmaterialet för fenylacetylen och bestämdes med hjälp av högpresterande vätskekromatografi (HPLC).För analyskonsistens togs alla reaktioner omedelbart efter att reaktionsblandningen lämnat reaktorn.De parameterområden som valts för optimering visas i tabell 2.
Alla prover analyserades med användning av ett Chromaster HPLC-system (VWR, PA, USA) bestående av en kvartär pump, kolonnugn, UV-detektor med variabel våglängd och autosampler.Kolonnen var en Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA), 4,6 x 100 mm, 5 µm partikelstorlek, hållen vid 40°C.Lösningsmedlet var isokratisk metanol:vatten 50:50 vid en flödeshastighet av 1,5 ml-min-1.Injektionsvolymen var 5 μl och detektorns våglängd var 254 nm.Den procentuella topparean för DOE-provet beräknades endast från toppareorna för de kvarvarande alkyn- och triazolprodukterna.Införandet av utgångsmaterialet gör det möjligt att identifiera motsvarande toppar.
Genom att kombinera resultaten av reaktoranalysen med MODDE DOE-mjukvaran (Umetrics, Malmö, Sverige) möjliggjordes en grundlig trendanalys av resultaten och bestämning av de optimala reaktionsförhållandena för denna cykloaddition.Genom att köra den inbyggda optimeraren och välja alla viktiga modelltermer skapas en uppsättning reaktionsförhållanden utformade för att maximera produktens topparea samtidigt som topparean för acetylenråvaran minskas.
Oxidation av kopparytan i den katalytiska reaktionskammaren uppnåddes med användning av en väteperoxidlösning (36%) som strömmade genom reaktionskammaren (flödeshastighet = 0,4 ml min-1, uppehållstid = 2,5 min) före syntesen av varje triazolförening.bibliotek.
När den optimala uppsättningen av villkor hade bestämts, applicerades de på en rad acetylen- och haloalkanderivat för att möjliggöra sammanställningen av ett litet syntesbibliotek, vilket därigenom etablerade möjligheten att tillämpa dessa betingelser på ett bredare spektrum av potentiella reagens (Fig. 1).2).
Bered separata lösningar av natriumazid (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), haloalkaner (0,25 M, DMF) och alkyner (0,125 M, DMF).Alikvoter om 3 ml av varje lösning blandades och pumpades genom reaktorn med en hastighet av 75 ul/min och en temperatur av 150°C.Hela volymen uppsamlades i en ampull och späddes med 10 ml etylacetat.Provlösningen tvättades med 3 x 10 ml vatten.De vattenhaltiga skikten kombinerades och extraherades med 10 ml etylacetat, sedan kombinerades de organiska skikten, tvättades med 3 x 10 ml saltlösning, torkades över MgS04 och filtrerades, sedan avlägsnades lösningsmedlet i vakuum.Prover renades genom silikagelkolonnkromatografi med användning av etylacetat före analys med en kombination av HPLC, 1H NMR, 13C NMR och högupplösande masspektrometri (HR-MS).
Alla spektra erhölls med användning av en Thermofischer Precision Orbitrap-masspektrometer med ESI som joniseringskälla.Alla prover framställdes med användning av acetonitril som lösningsmedel.
TLC-analys utfördes på silikaplattor med ett aluminiumsubstrat.Plattorna visualiserades med UV-ljus (254 nm) eller vanillinfärgning och upphettning.
Alla prover analyserades med användning av ett VWR Chromaster-system (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, Storbritannien) utrustat med en autosampler, en binär pump med en kolonnugn och en enda våglängdsdetektor.En ACE Equivalence 5 C18-kolonn (150 x 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Skottland) användes.
Injektioner (5 µl) gjordes direkt från den utspädda råa reaktionsblandningen (1:10 utspädning) och analyserades med vatten:metanol (50:50 eller 70:30), förutom vissa prover med användning av ett 70:30 lösningsmedelssystem (betecknat som stjärnnummer) vid en flödeshastighet av 1,5 ml/min.Kolonnen hölls vid 40°C.Detektorns våglängd är 254 nm.
Den procentuella topparean av provet beräknades från topparean för den kvarvarande alkynen, endast triazolprodukten, och införandet av utgångsmaterialet gjorde det möjligt att identifiera motsvarande toppar.
Alla prover analyserades med hjälp av Thermo iCAP 6000 ICP-OES.Alla kalibreringsstandarder framställdes med användning av en 1000 ppm Cu-standardlösning i 2% salpetersyra (SPEX Certi Prep).Alla standarder framställdes i en lösning av 5 % DMF och 2 % HNO3, och alla prover späddes 20 gånger med en provlösning av DMF-HNO3.
UAM använder ultraljudsmetallsvetsning som en metod för att sammanfoga metallfolien som används för att skapa den slutliga monteringen.Ultraljudsmetallsvetsning använder ett vibrerande metallverktyg (kallat ett horn eller ultraljudshorn) för att applicera tryck på folien/det tidigare konsoliderade lagret som ska limmas/tidigare konsolideras genom att vibrera materialet.För kontinuerlig drift har sonotroden en cylindrisk form och rullar över ytan av materialet och limmar hela området.När tryck och vibrationer appliceras kan oxiderna på materialets yta spricka.Konstant tryck och vibrationer kan leda till att materialets grovhet förstörs 36 .Nära kontakt med lokaliserat värme och tryck leder sedan till en fastfasbindning vid materialgränsytan;det kan också främja sammanhållning genom att förändra ytenergin48.Bindningsmekanismens natur övervinner många av de problem som är förknippade med den variabla smälttemperaturen och höga temperatureffekter som nämns i andra tillsatstillverkningsteknologier.Detta möjliggör direkt anslutning (dvs utan ytmodifiering, fyllmedel eller lim) av flera lager av olika material till en enda konsoliderad struktur.
Den andra gynnsamma faktorn för CAM är den höga graden av plastiskt flöde som observeras i metalliska material även vid låga temperaturer, dvs långt under smältpunkten för metalliska material.Kombinationen av ultraljudsvibrationer och tryck orsakar en hög nivå av lokal korngränsmigrering och omkristallisering utan den betydande temperaturökning som traditionellt förknippas med bulkmaterial.Under skapandet av den slutliga monteringen kan detta fenomen användas för att bädda in aktiva och passiva komponenter mellan lager av metallfolie, lager för lager.Element som optisk fiber 49, förstärkning 46, elektronik 50 och termoelement (detta arbete) har framgångsrikt integrerats i UAM-strukturer för att skapa aktiva och passiva kompositenheter.
I detta arbete användes både olika materialbindningsförmåga och UAM-interkaleringsförmåga för att skapa en idealisk mikroreaktor för katalytisk temperaturkontroll.
Jämfört med palladium (Pd) och andra vanligen använda metallkatalysatorer har Cu-katalys flera fördelar: (i) Ekonomiskt sett är Cu billigare än många andra metaller som används i katalys och är därför ett attraktivt alternativ för den kemiska industrin (ii) utbudet av Cu-katalyserade korskopplingsreaktioner expanderar och verkar vara något P2513-metoder som kompletterar P251, iii) katalyserade reaktioner fungerar bra i frånvaro av andra ligander.Dessa ligander är ofta strukturellt enkla och billiga.om så önskas, medan de som används i Pd-kemi ofta är komplexa, dyra och luftkänsliga (iv) Cu, särskilt känd för sin förmåga att binda alkyner i syntes, såsom Sonogashiras bimetalliska katalyserade koppling och cykloaddition med azider (klickkemi) (v) Cu kan också främja arylering av vissa nuklemannofileringsreaktioner av U.U.
Nyligen har exempel på heterogenisering av alla dessa reaktioner i närvaro av Cu(0) visats.Detta beror till stor del på läkemedelsindustrin och det växande fokuset på att återvinna och återanvända metallkatalysatorer55,56.
Den 1,3-dipolära cykloadditionsreaktionen mellan acetylen och azid till 1,2,3-triazol, som först föreslogs av Huisgen på 1960-talet57, anses vara en synergistisk demonstrationsreaktion.De resulterande 1,2,3-triazolfragmenten är av särskilt intresse som en farmakofor i läkemedelsupptäckten på grund av deras biologiska tillämpningar och användning i olika terapeutiska medel 58 .
Denna reaktion fick förnyad uppmärksamhet när Sharpless och andra introducerade begreppet "klickkemi"59.Termen "klickkemi" används för att beskriva en robust och selektiv uppsättning reaktioner för snabb syntes av nya föreningar och kombinatoriska bibliotek med användning av heteroatomic bonding (CXC)60.Det syntetiska tilltalande av dessa reaktioner beror på de höga utbyten som är förknippade med dem.förhållandena är enkla, motståndet mot syre och vatten och produktseparationen är enkel61.
Den klassiska 1,3-dipolen Huisgen cykloaddition faller inte i kategorin "klickkemi".Medal och Sharpless visade dock att denna azid-alkynkopplingshändelse genomgår 107–108 i närvaro av Cu(I) jämfört med en signifikant acceleration i hastigheten för icke-katalytisk 1,3-dipolär cykloaddition 62,63.Denna avancerade reaktionsmekanism kräver inte skyddsgrupper eller hårda reaktionsförhållanden och ger nästan fullständig omvandling och selektivitet till 1,4-disubstituerade 1,2,3-triazoler (anti-1,2,3-triazoler) över tiden (Fig. 3).
Isometriska resultat av konventionella och kopparkatalyserade Huisgen-cykloadditioner.Cu(I)-katalyserade Huisgen-cykloadditioner ger endast 1,4-disubstituerade 1,2,3-triazoler, medan termiskt inducerade Huisgen-cykloadditioner typiskt ger 1,4- och 1,5-triazoler en 1:1-blandning av azolstereoisomerer.
De flesta protokoll involverar reduktion av stabila källor för Cu(II), såsom reduktion av CuSO4 eller Cu(II)/Cu(0)-föreningen i kombination med natriumsalter.Jämfört med andra metallkatalyserade reaktioner har användningen av Cu(I) de främsta fördelarna av att vara billig och lätt att hantera.
Kinetiska och isotopiska studier av Worrell et al.65 har visat att i fallet med terminala alkyner är två ekvivalenter koppar involverade i att aktivera reaktiviteten hos varje molekyl med avseende på azid.Den föreslagna mekanismen fortsätter genom en sexledad kopparmetallring bildad av koordinationen av azid till σ-bunden kopparacetylid med π-bunden koppar som en stabil donatorligand.Koppartriazolylderivat bildas som ett resultat av ringkontraktion följt av protonnedbrytning för att bilda triazolprodukter och stänga den katalytiska cykeln.
Även om fördelarna med flödeskemienheter är väldokumenterade, har det funnits en önskan att integrera analytiska verktyg i dessa system för processövervakning i realtid på plats66,67.UAM har visat sig vara en lämplig metod för att designa och tillverka mycket komplexa 3D-flödesreaktorer från katalytiskt aktiva, termiskt ledande material med direkt inbäddade avkänningselement (Fig. 4).
Aluminium-kopparflödesreaktor tillverkad av ultraljudstillverkning (UAM) med en komplex inre kanalstruktur, inbyggda termoelement och en katalytisk reaktionskammare.För att visualisera de inre vätskebanorna visas också en transparent prototyp gjord med stereolitografi.
För att säkerställa att reaktorer är gjorda för framtida organiska reaktioner, måste lösningsmedel säkert värmas över sin kokpunkt;de är tryck- och temperaturtestade.Tryckprovningen visade att systemet håller ett stabilt och konstant tryck även vid förhöjt tryck i systemet (1,7 MPa).Hydrostatiska tester utfördes vid rumstemperatur med användning av H2O som vätska.
Anslutning av det inbyggda (Figur 1) termoelementet till temperaturdataloggern visade att termoelementets temperatur var 6 °C (± 1 °C) under den programmerade temperaturen i FlowSyn-systemet.Vanligtvis fördubblar en temperaturökning på 10°C reaktionshastigheten, så en temperaturskillnad på bara några grader kan ändra reaktionshastigheten avsevärt.Denna skillnad beror på temperaturförlusten genom hela RPV på grund av den höga termiska diffusiviteten hos materialen som används i tillverkningsprocessen.Denna termiska drift är konstant och kan därför tas med i beräkningen när du ställer in utrustningen för att säkerställa att exakta temperaturer uppnås och mäts under reaktionen.Således underlättar detta onlineövervakningsverktyg en noggrann kontroll av reaktionstemperaturen och bidrar till mer exakt processoptimering och utveckling av optimala förhållanden.Dessa sensorer kan också användas för att detektera exoterma reaktioner och förhindra flyktreaktioner i storskaliga system.
Reaktorn som presenteras i denna artikel är det första exemplet på tillämpningen av UAM-teknik för tillverkning av kemiska reaktorer och adresserar flera stora begränsningar som för närvarande är förknippade med AM/3D-utskrift av dessa enheter, såsom: (i) Att övervinna de noterade problemen som är förknippade med bearbetning av koppar eller aluminiumlegering (ii) förbättrad intern upplösning jämfört med pulverbäddsmaterialsmältning (SLF, 95) lasersmältningsmetod (SLF2 eller 95) texture26 (iii) lägre bearbetningstemperatur, vilket underlättar direktanslutning av sensorer, vilket inte är möjligt i pulverbäddsteknik, (v) övervinna de dåliga mekaniska egenskaperna och känsligheten hos polymerbaserade komponenter för olika vanliga organiska lösningsmedel17,19.
Funktionaliteten hos reaktorn demonstrerades av en serie kopparkatalyserade alkinazidcykloadditionsreaktioner under kontinuerliga flödesbetingelser (fig. 2).Den ultraljudstryckta kopparreaktorn som visas i fig.4 integrerades med ett kommersiellt flödessystem och användes för att syntetisera ett azidbibliotek av olika 1,4-disubstituerade 1,2,3-triazoler med användning av en temperaturkontrollerad reaktion av acetylen- och alkylgrupphalogenider i närvaro av natriumklorid (fig. 3).Användningen av det kontinuerliga flödessättet minskar säkerhetsproblemen som kan uppstå i batchprocesser, eftersom denna reaktion producerar mycket reaktiva och farliga azidintermediärer [317], [318].Inledningsvis optimerades reaktionen för cykloaddition av fenylacetylen och jodoetan (schema 1 – cykloaddition av fenylacetylen och jodoetan) (se fig. 5).
(Övre vänster) Schematisk beskrivning av uppställningen som används för att införliva en 3DP-reaktor i ett flödessystem (övre till höger) erhållet från det optimerade (nedre) schemat i Huisgen 57 cykloadditionsschemat mellan fenylacetylen och jodoetan för optimering och visar reaktionens optimerade omvandlingshastighetsparametrar.
Genom att kontrollera reaktanternas uppehållstid i reaktorns katalytiska sektion och noggrant övervaka reaktionstemperaturen med en direkt integrerad termoelementsensor, kan reaktionsförhållandena snabbt och noggrant optimeras med ett minimum av tid och material.Det visade sig snabbt att den högsta omvandlingen uppnåddes med användning av en uppehållstid av 15 minuter och en reaktionstemperatur av 150°C.Det kan ses från koefficientdiagrammet för MODDE-programvaran att både uppehållstiden och reaktionstemperaturen anses vara viktiga villkor för modellen.Att köra den inbyggda optimeraren med dessa utvalda förhållanden skapar en uppsättning reaktionsbetingelser utformade för att maximera produktens toppareor samtidigt som utgångsmaterialets toppareor minskas.Denna optimering gav en omvandling på 53 % av triazolprodukten, vilket exakt matchade modellens förutsägelse på 54 %.