Tack för att du besöker Nature.com. Webbläsarversionen du använder har begränsat stöd för CSS. För bästa upplevelse rekommenderar vi att du använder en uppdaterad webbläsare (eller stänger av kompatibilitetsläget i Internet Explorer). Under tiden, för att säkerställa fortsatt support, kommer vi att visa webbplatsen utan stilar och JavaScript.
Additiv tillverkning förändrar hur forskare och industrimän designar och tillverkar kemiska anordningar för att möta deras specifika behov. I detta arbete rapporterar vi det första exemplet på en flödesreaktor som bildas av solid-state metal sheet lamineringstekniken Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM) med direkt integrerade katalytiska delar och avkänningselement. s, men det ökar också avsevärt kapaciteten hos sådana anordningar. En serie biologiskt viktiga 1,4-disubstituerade 1,2,3-triazolföreningar syntetiserades och optimerades framgångsrikt av en Cu-medierad Huisgen 1,3-dipolär cykloadditionsreaktion med hjälp av en UAM-kemiuppsättning. ge feedback i realtid för reaktionsövervakning och optimering.
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 enkel organisk molekylbildning1 till farmaceutiska föreningar2,3 och naturliga produkter4,5,6.Mer än 50 % av reaktionerna inom finkemi- och läkemedelsindustrin kan dra nytta av användningen av kontinuerlig flödesbearbetning7.
Under de senaste åren har det funnits en växande trend av grupper som vill ersätta traditionell glas- eller flödeskemiutrustning med anpassningsbar additiv tillverkning (AM) kemi "reaktionskärl". polymerbaserade 3D-utskriftstekniker såsom stereolitografi (SL)9,10,11, fused deposition modeling (FDM)8,12,13,14 och bläckstråleutskrift 7, 15, 16. Bristen på robusthet och förmåga hos sådana anordningar att utföra ett brett spektrum av kemiska reaktioner/analyser17, 18 är en stor gräns för detta område, 18,18 för implementering av detta område,17,18. , 18, 19, 20 .
På grund av den ökande användningen av flödeskemi och de gynnsamma egenskaperna förknippade med AM, finns det ett behov av att utforska mer avancerade tekniker som gör det möjligt för användare att tillverka flödesreaktionskärl med förbättrad kemisk och analytisk förmåga. Dessa tekniker bör göra det möjligt för användare att välja mellan en rad mycket robusta eller funktionella material som kan hantera ett brett spektrum av reaktionsförhållanden, samtidigt som de möjliggör olika former av övervakning och kontroll av reaktionseffekter från enheten till analytisk produktion.
En additiv tillverkningsprocess som har potential att utveckla skräddarsydda kemiska reaktorer är Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM). Denna solid-state arklamineringsteknik tillämpar ultraljudsvängningar på tunna metallfolier för att sammanfoga dem lager för lager med minimal bulkuppvärmning och en hög grad av plastflöde 21 , 22 .U, 21 , 22 . turing, känd som en hybridtillverkningsprocess, där in-situ periodisk datornumerisk styrning (CNC) fräsning eller laserbearbetning definierar nettoformen av ett lager av limmat material 24, 25. Detta innebär att användaren inte begränsas av problemen som är förknippade med att ta bort resterande råmaterial från små vätskekanaler, vilket ofta är fallet med fria vätske- och vätskesystem,26,28. – UAM kan binda termiskt likartade och olika materialkombinationer i ett enda processsteg. Valet av materialkombinationer utöver smältprocessen innebär att de mekaniska och kemiska kraven för specifika applikationer kan tillgodoses bättre. Förutom solid state bonding, är ett annat fenomen som uppstår under ultraljudsbindning det höga flödet av plastmaterial vid relativt låga temperaturer29,32,331 av UAM, 32,331. termiska element mellan metallskikt utan skada. UAM-inbäddade sensorer kan underlätta leverans av realtidsinformation från enheten till användaren genom integrerad analys.
Författarnas tidigare arbete32 demonstrerade förmågan hos UAM-processen att skapa metalliska 3D-mikrofluidstrukturer med integrerade avkänningsmöjligheter.Detta är endast en övervakningsenhet. Denna artikel presenterar det första exemplet på en mikrofluidisk kemisk reaktor tillverkad av UAM;en aktiv enhet som inte bara övervakar utan också inducerar kemisk syntes genom strukturellt integrerade katalysatormaterial. Enheten kombinerar flera fördelar förknippade med UAM-teknik vid 3D-tillverkning av kemiska enheter, såsom: möjligheten att konvertera fullständig 3D-design direkt från datorstödd design (CAD)-modeller till produkter;multi-material tillverkning för att kombinera hög värmeledningsförmåga och katalytiska material;och inbäddning av termiska sensorer direkt mellan reagensströmmar för exakt övervakning och kontroll av reaktionstemperaturen. För att demonstrera reaktorns funktionalitet, syntetiserades ett bibliotek av farmaceutiskt viktiga 1,4-disubstituerade 1,2,3-triazolföreningar av kopparkatalyserad Huisgen 1,3-dipolära material. möjligheter och möjligheter till kemi genom multidisciplinär forskning.
Alla lösningsmedel och reagens köptes från Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI eller Fischer Scientific och användes utan föregående rening.1H- och 13C NMR-spektra registrerade vid 400 MHz respektive 100 MHz, erhölls med användning av en JEOL ECS-400 400 MHz spektrometer eller en CD200, Avspect II 300 och CD2000 spektrometer eller en Solr SO 300 eller en SolrSO 300 MHz spektrometer. vent. Alla reaktioner utfördes med Uniqsis FlowSyn flödeskemiplattform.
UAM användes för att tillverka alla enheter i den här studien. Tekniken uppfanns 1999, och dess tekniska detaljer, driftsparametrar och utvecklingar sedan dess uppfinning kan studeras genom följande publicerade material34,35,36,37. Enheten (Figur 1) implementerades med en ultrahög effekt, 9kW SonicLayer 4000®, väven för material från OHFabrisen, USA UAM-material (OHFabrisen, väven, materialet OHFabrisen). 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 i en mikroreaktor.Al 6061 O används som ett "bulk" material, även inbäddningsskikt som används för analys;Legeringshjälpkomponentinbäddning och glödgat tillstånd kombinerat med Cu-110-skikt.Al 6061 O är ett material som har visat sig vara mycket kompatibelt med UAM-processer38, 39, 40, 41 och som har testats och befunnits kemiskt stabilt med de reagenser som används i detta arbete.Kombinationen av Al 6061 O med Cu-110 anses också vara en kompatibel materialkombination för UAM och är därför ett lämpligt material för denna studie.38,42 Dessa enheter listas i Tabell 1 nedan.
Reaktortillverkningssteg (1) Al 6061 substrat (2) Tillverkning av bottenkanal inställd på kopparfolie (3) Inbäddning av termoelement mellan skikt (4) Toppkanal (5) Inlopp och utlopp (6) Monolitisk reaktor.
Vätskebanans designfilosofi är att använda en krystad bana för att öka avståndet som vätskan färdas inuti chipet, samtidigt som chipet hålls i en hanterbar storlek. Denna ökning av avståndet är önskvärd för att öka interaktionstiden mellan katalysator och reagens och ge utmärkta produktutbyten. Chipsen använder 90° böjningar i ändarna av den raka vägen för att inducera ytans turbulens i vätskan (4). För att ytterligare öka blandningen som kan uppnås har reaktordesignen två reagensinlopp kombinerade vid Y-korsningen innan de går in i serpentinblandningssektionen. Det tredje inloppet, som skär strömmen halvvägs genom dess residens, ingår i utformningen av framtida flerstegsreaktionssynteser.
Alla kanaler har en fyrkantig profil (inga dragvinklar), resultatet av den periodiska CNC-fräsning som används för att skapa kanalgeometrin. Kanaldimensionerna är valda för att säkerställa en hög (för en mikroreaktor) volymeffekt, samtidigt som de är tillräckligt små för att underlätta ytinteraktioner (katalysatorer) för de flesta av de ingående vätskorna. Den lämpliga storleken är baserad på författarnas tidigare dimensioner för den interna reaktionen från författarnas tidigare 5 reaktionskanal. µm x 750 µm och den totala reaktorvolymen var 1 ml. En integrerad koppling (1/4″—28 UNF-gänga) ingår i designen för att möjliggöra enkel gränssnitt mellan enheten med kommersiell flödeskemiutrustning.Kanalstorleken begränsas av foliematerialets tjocklek, dess mekaniska egenskaper och de bindningsparametrar som används med ultraljud.Vid en specifik bredd för ett givet material kommer materialet att "sjunka" in 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 detta fall kommer en bredd på 750 μm inte att orsaka nedhängning.
Kanalens form (fyrkant) bestäms med hjälp av en fyrkantsskärare. Formen och storleken på kanalerna kan ändras av CNC-maskiner som använder olika skärverktyg för att erhålla olika flödeshastigheter och egenskaper. Ett exempel på att skapa en böjd kanal med hjälp av 125 μm-verktyget finns i Monaghan45s arbete. När folieplanet av materialet läggs över en platt kanal kommer folien att läggas över en platt kanal (över en platt kanal). ) finish.I detta arbete användes en fyrkantig kontur för att bibehålla kanalens symmetri.
Under en förprogrammerad paus i tillverkningen är termoelementtemperatursonder (Typ K) inbäddade direkt i enheten mellan de övre och nedre kanalgrupperna (Figur 1 – Steg 3). Dessa termoelement kan övervaka temperaturförändringar från -200 till 1350 °C.
Metallavsättningsprocessen utförs av ett UAM-horn som använder en 25,4 mm bred, 150 mikron tjock metallfolie. Dessa folieskikt är sammanfogade till en serie intilliggande remsor för att täcka hela byggområdet;storleken på det deponerade materialet är större än slutprodukten eftersom den subtraktiva processen producerar den slutliga nettoformen. CNC-bearbetning används för att bearbeta utrustningens yttre och inre konturer, vilket resulterar i en ytfinish på utrustningen och kanalerna som är lika med det valda verktyget och CNC-processparametrarna (ungefär 1,6 μm Ra i detta exempel). för att säkerställa att dimensionsnoggrannheten bibehålls och den färdiga delen kommer att uppfylla CNC-finishfräsningsnoggrannhetsnivåerna. Kanalbredden som används för den här enheten är tillräckligt liten för att säkerställa att foliematerialet inte "sjunker" in i vätskekanalen, så att kanalen bibehåller ett kvadratiskt tvärsnitt. Möjliga luckor i foliematerial och UAM-processparametrar bestämdes experimentellt av en tillverkningspartner LLC (USA).
Studier har visat att lite elementär diffusion sker vid UAM-bindningsgränssnittet 46, 47 utan ytterligare värmebehandling, så för enheterna i detta arbete förblir Cu-110-skiktet skilt från Al 6061-skiktet och förändras abrupt.
Installera en förkalibrerad 250 psi (1724 kPa) mottrycksregulator (BPR) till reaktorns utlopp och pumpa vatten genom reaktorn med en hastighet av 0,1 till 1 mL min-1. Reaktortrycket övervakades med hjälp av FlowSyns inbyggda systemtrycksensor för att verifiera att systemet kunde upprätthålla en konstant temperaturskillnad med jämn flödesskillnad med konstant flödesskillnad. mellan termoelementen inbäddade i reaktorn och de inbäddade i FlowSyn-chipvärmeplattan. Detta uppnås genom att variera den programmerbara värmeplattans temperatur mellan 100 och 150 °C i steg om 25 °C och notera eventuella skillnader mellan de programmerade och registrerade temperaturen.
Cykloadditionsreaktionsförhållandena för fenylacetylen och jodoetan optimerades (Schema 1 - Cykloaddition av fenylacetylen och jodoetan Schema 1 - Cykloaddition av fenylacetylen och jodoetan). Denna optimering utfördes genom en fullständig faktoriell design av experiment med användning av variabel tid (DOE) som temperatur- och residensmetod (DOE) 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 alikvot på 1,5 ml av varje lösning blandades och pumpades genom reaktorn och pumpades genom reaktorn för att uppnå önskad flödeshastighet för produktens flödeshastighet och den önskade flödeshastigheten för triazol-produkten. etylenutgångsmaterial och bestämts med högpresterande vätskekromatografi (HPLC). För analysens konsistens togs prov från alla reaktioner precis efter att reaktionsblandningen lämnade 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 × 100 mm i storlek, 5 µm partikelstorlek, hölls vid 50 methanol: 50 methanol: 50 methanol. en flödeshastighet på 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. Injektion av utgångsmaterial möjliggör identifiering av relevanta toppar.
Att koppla reaktoranalysutgången till MODDE DOE-mjukvaran (Umetrics, Malmö, Sverige) möjliggjorde en grundlig analys av resultattrender och bestämning av optimala reaktionsförhållanden för denna cykloaddition. Att köra den inbyggda optimeraren och välja alla viktiga modelltermer ger en uppsättning reaktionsförhållanden som är utformade för att maximera produktens topparea samtidigt som den minskar toppytan för acetylenmaterial.
Oxidationen av ytkoppar i den katalytiska reaktionskammaren uppnåddes med användning av en lösning av väteperoxid (36%) som strömmade genom reaktionskammaren (flödeshastighet = 0,4 ml min-1, uppehållstid = 2,5 min) före syntes av varje triazolföreningsbibliotek.
När en optimal uppsättning villkor identifierats, applicerades de på en rad acetylen- och haloalkanderivat för att möjliggöra sammanställningen av en liten bibliotekssyntes, och därigenom etablera förmågan att tillämpa dessa betingelser på ett bredare spektrum av potentiella reagens (Figur 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). 3 ml alikvoter av varje lösning blandades och pumpades genom reaktorn vid 75 µL.min-1 och 1 a0 ml volym uppsamlades med totalt 1 a0 ml. etylacetat. Provlösningen tvättades med 3 x 10 mL vatten. De vattenhaltiga skikten kombinerades och extraherades med 10 mL etylacetat;de organiska skikten kombinerades sedan, tvättades med 3 x 10 ml saltlösning, torkades över MgS04 och filtrerades, sedan avlägsnades lösningsmedlet i vakuum. Proverna renades genom kolonnkromatografi på silikagel med användning av etylacetat före analys med en kombination av HPLC,1H NMR,13C NMR och högupplösande masspektrom).
Alla spektra förvärvades med användning av en Thermofischer precision Orbitrap-upplösningsmasspektrometer med ESI som joniseringskälla. Alla prover preparerades med användning av acetonitril som lösningsmedel.
TLC-analys utfördes på kiseldioxidplattor med aluminiumbaksida. Plattorna visualiserades med UV-ljus (254 nm) eller vanillinfärgning och upphettning.
Alla prover analyserades med ett VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, Storbritannien) system utrustat med en autosampler, kolonnugns binär pump och enkelvåglängdsdetektor. Kolonnen som användes var en ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Skottland).
Injektioner (5 µL) gjordes direkt från utspädd rå reaktionsblandning (1:10 utspädning) och analyserades med vatten:metanol (50:50 eller 70:30), med undantag för några prover som använde 70:30 lösningsmedelssystemet (betecknat som ett stjärntal) vid en flödeshastighet av 1,5 ml/min. 4 °C hölls vid 4 °C.
Den procentuella topparean för provet beräknades från topparean för den kvarvarande alkynen, endast triazolprodukten, och injektionen av utgångsmaterialet möjliggjorde identifieringen av de relevanta topparna.
Alla prover analyserades med en Thermo iCAP 6000 ICP-OES. Alla kalibreringsstandarder bereddes med en 1000 ppm Cu-standardlösning i 2 % salpetersyra (SPEX Certi Prep). Alla standarder bereddes i 5 % DMF och 2 % HNO3-lösning, och alla prover späddes 20-faldigt i DMF-HNO3-provlösning.
UAM använder ultraljudsmetallsvetsning som en bindningsteknik för metallfoliematerialet som används för att bygga den slutliga monteringen. Ultraljudsmetallsvetsning använder ett vibrerande metallverktyg (kallat ett horn eller ultraljudshorn) för att applicera tryck på folieskiktet/det tidigare konsoliderade skiktet som ska bindas samtidigt som materialet vibreras. joner appliceras kan oxiderna på materialets yta spricka. Fortsatt tryck och vibrationer kan göra att materialets ojämnheter kollapsar 36 .Intim kontakt med lokalt inducerad värme och tryck leder sedan till fast tillståndsbindning vid materialgränssnitt;det kan också hjälpa vidhäftning genom förändringar i ytenergi48. Bindningsmekanismens natur övervinner många av problemen som är förknippade med den variabla smälttemperaturen och höga temperatureftereffekter som nämns i andra additiv tillverkningstekniker. Detta möjliggör direkt bindning (dvs utan ytmodifiering, fyllmedel eller lim) av flera lager av olika material till en enda konsoliderad struktur.
En andra gynnsam faktor för UAM är den höga graden av plastflöde som observeras i metalliska material, även vid låga temperaturer, dvs långt under smältpunkten för metalliska material. Kombinationen av ultraljudsoscillation och tryck inducerar höga nivåer av lokal korngränsmigrering och omkristallisation utan den stora temperaturökningen som traditionellt förknippas med bulkmaterial. folie, lager för lager. Element som optiska fibrer 49, förstärkningar 46, elektronik 50 och termoelement (detta arbete) har alla framgångsrikt bäddats in i UAM-strukturer för att skapa aktiva och passiva kompositenheter.
I detta arbete har både de olika materialbindnings- och interkaleringsmöjligheterna för UAM använts för att skapa den ultimata mikroreaktorn för katalytisk temperaturövervakning.
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 processindustrin. analyserade 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, speciellt känd för sin förmåga att binda alkyner i syntes, Till exempel, bimetallisk-katalyserad kopplings- och kemikadikdition (Cyklodring) kan också främja aryleringen av flera nukleofiler i reaktioner av Ullmann-typ.
Exempel på heterogenisering av alla dessa reaktioner har nyligen påvisats i närvaro av Cu(0). Detta beror till stor del på läkemedelsindustrin och det växande fokuset på återvinning och återanvändning av metallkatalysatorer55,56.
Pionjären av Huisgen på 1960-talet57, anses den 1,3-dipolära cykloadditionsreaktionen mellan acetylen och azid till 1,2,3-triazol vara en synergistisk demonstrationsreaktion. De resulterande 1,2,3-triazoldelarna är av särskilt intresse som farmakofor inom området för olika läkemedelsupptäckt5 och deras terapeutiska 8 användningsområden.
Denna reaktion kom i fokus igen när Sharpless och andra introducerade begreppet "klickkemi"59. Termen "klickkemi" används för att beskriva en robust, tillförlitlig och selektiv uppsättning reaktioner för snabb syntes av nya föreningar och kombinatoriska bibliotek via heteroatomlänkning (CXC)60 Den syntetiska dragningskraften hos dessa reaktioner, syreresistens och reaktionsförhållanden är associerade med dessa reaktionsförhållanden, syreresistens och reaktionsförhållanden. är enkelt61.
Den klassiska Huisgen 1,3-dipol-cykloadditionen tillhör inte kategorin "klickkemi". Medal och Sharpless visade dock att denna azid-alkyn-kopplingshändelse genomgår 107 till 108 i närvaro av Cu(I) jämfört med den okatalyserade 1,3-dipolära cykloadditionsmekanismen, vilket inte kräver signifikanta accelerations- eller cykloadditionsmekanismer. sh reaktionsbetingelser och ger nästan fullständig omvandling och selektivitet till 1,4-disubstituerade 1,2,3-triazoler (anti-1,2,3-triazol) på en tidsskala (Figur 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 1,54-triazoler, 1,54- och 1,54-triazoler.
De flesta protokoll involverar reduktion av stabila Cu(II)-källor, såsom reduktion av CuSO4 eller Cu(II)/Cu(0)-arter i kombination med natriumsalter. Jämfört med andra metallkatalyserade reaktioner har användningen av Cu(I) de stora fördelarna av att vara billig och lätt att hantera.
Kinetiska och isotopiska märkningsstudier av Worrell et al.65 visade att, i fallet med terminala alkyner, är två ekvivalenter koppar involverade i att aktivera reaktiviteten hos varje molekyl mot 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 för stabila donatorer, som följs av Triazolyl-ligandhr. protonnedbrytning för att tillhandahålla triazolprodukter och stänga den katalytiska cykeln.
Även om fördelarna med flödeskemianordningar är väldokumenterade, har det funnits en önskan att integrera analytiska verktyg i dessa system för in-line, in-situ, processövervakning66,67.UAM visade sig vara en lämplig metod för att designa och producera mycket komplexa 3D-flödesreaktorer gjorda av katalytiskt aktiva, termiskt ledande material med direkt inbäddade avkänningselement (Fiegur).
Aluminium-kopparflödesreaktor tillverkad av ultraljudstillverkning (UAM) med komplex intern kanalstruktur, inbäddade termoelement och katalytisk reaktionskammare. För att visualisera interna vätskebanor visas också en transparent prototyp tillverkad med stereolitografi.
För att säkerställa att reaktorerna är tillverkade för framtida organiska reaktioner, måste lösningsmedel säkert värmas över kokpunkten;de är tryck- och temperaturtestade. Trycktestet visade att systemet bibehåller ett stabilt och konstant tryck även med ett ökat systemtryck (1,7 MPa). Det hydrostatiska testet utfördes vid rumstemperatur med H2O som vätska.
Anslutning av det inbäddade (Figur 1) termoelementet till temperaturdataloggern visade att termoelementet var 6 °C (± 1 °C) kallare än den programmerade temperaturen på FlowSyn-systemet. Vanligtvis resulterar en temperaturökning på 10 °C i en fördubbling av reaktionshastigheten, så en temperaturskillnad på bara några få grader kan påverka reaktionshastigheten avsevärt på grund av denna temperaturförlust i kroppen. dålig diffusivitet hos materialen som används i tillverkningsprocessen. Denna termiska drift är konsekvent och kan därför redovisas i utrustningsuppsättningen för att säkerställa att exakta temperaturer uppnås och mäts under reaktionen. Därför underlättar detta onlineövervakningsverktyg en noggrann kontroll av reaktionstemperaturen och underlättar mer exakt processoptimering och utveckling av optimala förhållanden. Dessa sensorer kan även användas för att identifiera reaktionssystem i exotermisk skala och förhindra reaktioner i stor skala.
Reaktorn som presenteras i detta arbete 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 rapporterade problemen relaterade till koppar- eller aluminiumlegeringsbearbetning (ii) förbättrad inre kanalupplösning jämfört med pulverbäddssmältning (PBMF) och selektivt flödesteknik (SLF) för lasersmältning (PBMF), t.ex. 26 (iii) Minskad processtemperatur, vilket underlättar direkt bindning av sensorer, vilket inte är möjligt i pulverbäddsteknik, (v) övervinner dåliga mekaniska egenskaper och känslighet hos polymerbaserade komponenters komponenter för en mängd vanliga organiska lösningsmedel17,19.
Funktionaliteten hos reaktorn demonstrerades av en serie kopparkatalyserade alkynazidcykloadditionsreaktioner under kontinuerliga flödesförhållanden (Fig. 2). Den ultraljudstryckta kopparreaktorn som beskrivs i Figur 4 integrerades med ett kommersiellt flödessystem och användes för att syntetisera biblioteksazider av olika 1,4-,3-disubstituerade azider av 1,4-,3- och 1,4-1-disubstituerade alkylen och acetylen. grupper halogenider i närvaro av natriumklorid (Figur 3). Användningen av ett kontinuerligt flödestillvägagångssätt minskar säkerhetsproblemen som kan uppstå i satsvisa processer, eftersom denna reaktion producerar mycket reaktiva och farliga azidintermediärer [317], [318]. Inledningsvis optimerades reaktionen för cykloaddition av fenylacetylen och cydolacetylen (cydolacetylen och scydolacetylen1) etylen och jodoetan) (se figur 5).
(Överst till vänster) Schematisk uppställning som används för att införliva 3DP-reaktorn i flödessystemet (överst till höger) som erhålls i det optimerade (nedre) schemat i Huisgen cycloaddition 57-schemat mellan fenylacetylen och jodoetan för optimering och visar de optimerade parametrarnas reaktionsomvandlingshastighet.
Genom att kontrollera uppehållstiden för reagenserna i den katalytiska delen av reaktorn och noggrant övervaka reaktionstemperaturen med en direkt integrerad termoelementsond, kan reaktionsförhållandena optimeras snabbt och exakt med minimal tid och materialåtgång. Det fastställdes snabbt att de högsta omvandlingarna erhölls när en uppehållstid på 15 minuter och en reaktionstemperatur på 150 °C av residenskoefficienten användes, både som MODF från residenstiden och som kan användas, både i mjukvaran och av MODDE-koefficienten. reaktionstemperaturen anses vara viktiga modelltermer. Att köra den inbyggda optimeraren med dessa utvalda termer genererar en uppsättning reaktionsbetingelser som är utformade för att maximera produktens toppareor samtidigt som utgångsmaterialets toppareor reduceras. Denna optimering gav en 53 % omvandling av triazolprodukten, vilket nära matchade modellens förutsägelse på 54 %.
Baserat på den litteratur som visar att koppar(I)oxid (Cu2O) kan fungera som en effektiv katalytisk substans på nollvärda kopparytor i dessa reaktioner, undersöktes förmågan att föroxidera reaktorytan innan reaktionen i flöde genomfördes70,71. en signifikant ökning av omvandlingen av utgångsmaterialet, som beräknades till >99%. Övervakning med HPLC visade dock att denna omvandling signifikant reducerade den alltför förlängda reaktionstiden till cirka 90 minuter, varpå aktiviteten verkade plana ut och nå ett "steady state". Denna observation antyder att källan till katalytisk aktivitet erhålls från ytan av kopparoxiden, istället för kopparoxid, som lätt kan användas i rumstemperatur än kopparoxid. bildar CuO och Cu2O som inte är självskyddande lager. Detta eliminerar behovet av att lägga till en extra koppar(II)källa för samkomposition71.