Salamat sa pagbisita sa Nature.com. Ang bersyon ng browser na iyong ginagamit ay may limitadong suporta para sa CSS. Para sa pinakamahusay na karanasan, inirerekomenda namin na gumamit ka ng na-update na browser (o i-off ang compatibility mode sa Internet Explorer). Pansamantala, upang matiyak ang patuloy na suporta, ipapakita namin ang site nang walang mga istilo at JavaScript.
Ang additive manufacturing ay nagbabago sa paraan ng pagdidisenyo at paggawa ng mga mananaliksik at industriyalisado ng mga kemikal na device para matugunan ang kanilang mga partikular na pangangailangan. Sa gawaing ito, iniuulat namin ang unang halimbawa ng flow reactor na nabuo ng solid-state metal sheet lamination technique na Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM) na may direktang pinagsamang mga catalytic parts at sensing elements. kakayahan ng mga naturang device. Matagumpay na na-synthesize at na-optimize ng isang Cu-mediated Huisgen 1,3-dipolar cycloaddition reaction ang device gamit ang isang UAM chemistry set-up. Sa pamamagitan ng paggamit ng mga natatanging katangian ng UAM at patuloy na pagmo-monitor ng reaksyon, ang device ay nagagawang mag-optimize ng reaksyon at pagsubaybay sa oras ng reaksyon.
Dahil sa mga makabuluhang pakinabang nito sa bulk counterpart nito, ang flow chemistry ay isang mahalaga at lumalagong larangan sa parehong pang-akademiko at pang-industriya na mga setting dahil sa kakayahan nitong pataasin ang selectivity at kahusayan ng chemical synthesis. Ito ay umaabot mula sa simpleng organic molecule formation1 hanggang pharmaceutical compounds2,3 at natural na mga produkto4,5,6.Mahigit sa 50% ng mga reaksyon sa pinong industriya ng kemikal at parmasyutiko ay maaaring makinabang mula sa paggamit ng tuluy-tuloy na pagproseso ng daloy7.
Sa nakalipas na mga taon, dumarami ang trend ng mga grupong naghahanap na palitan ang tradisyonal na kagamitang babasagin o flow chemistry ng mga nako-customize na additive manufacturing (AM) chemistry na "reaction vessels" 8. Ang umuulit na disenyo, mabilis na produksyon, at 3-dimensional (3D) na mga kakayahan ng mga diskarteng ito ay kapaki-pakinabang para sa mga gustong i-customize ang kanilang mga device sa isang partikular na hanay ng mga reaksyon, mga device, o mga kundisyon na halos naka-focus sa halos 3D na pag-print. mga pamamaraan tulad ng stereolithography (SL)9,10,11, fused deposition modeling (FDM)8,12,13,14 at inkjet printing 7, 15, 16. Ang kakulangan ng tibay at kakayahan ng mga naturang device na magsagawa ng malawak na hanay ng mga kemikal na reaksyon/pagsusuri17, 18, 19, 20 ay isang mas malawak na salik ng pagpapatupad ng 19, 19, 20 na ito para sa 1 AM na mas malawak na patlang na ito. 20 .
Dahil sa dumaraming paggamit ng flow chemistry at sa mga paborableng katangian na nauugnay sa AM, kailangang mag-explore ng mas advanced na mga diskarte na nagbibigay-daan sa mga user na gumawa ng mga flow reaction vessel na may pinahusay na kemikal at analytical na kakayahan.
Ang isang additive na proseso ng pagmamanupaktura na may potensyal na bumuo ng mga pasadyang mga reaktor ng kemikal ay ang ultrasonic additive manufacturing (UAM) .Ang solid-state sheet lamination technique ay nalalapat ang mga ultrasonic oscillations sa manipis na metal foils upang sumali sa kanila na magkasama layer sa pamamagitan ng layer na may minimal na pag-init ng bulk at isang mataas na antas ng plastik na dumadaloy sa pagmamanupaktura ng karamihan sa iba pang mga teknolohiya ng AM, ang UAM ay maaaring maging direktang pagsamahin sa pagbawas sa pagbawas sa pagbawas sa pagbawas sa pagbawas sa pagbawas sa pagbawas sa pagbawas sa pagbagsak ng mga teknolohiya, . Ang isang solong hakbang na hakbang.Ang pagpili ng mga materyal na kumbinasyon na lampas sa proseso ng matunaw ay nangangahulugan na ang mga hinihingi ng mekanikal at kemikal ng mga tiyak na aplikasyon ay maaaring mas mahusay na matugunan. Ang karagdagan sa solidong bonding ng estado, ang isa pang kababalaghan na nakatagpo sa panahon ng ultrasonic bonding ay ang mataas na daloy ng mga plastik na materyales sa medyo mababang temperatura29,30,31,32,33.Ang mga natatanging tampok ng UAM ay maaaring mapadali ang pag -embed ng mekanikal/thermal elements sa pagitan ng mga metal na paglalagay ng metal. Maaaring mapadali ng mga OR ang paghahatid ng impormasyon sa real-time mula sa aparato sa gumagamit sa pamamagitan ng integrated analytics.
Ang nakaraang gawain ng mga may-akda32 ay nagpakita ng kakayahan ng proseso ng UAM na lumikha ng mga metal na 3D na istrukturang microfluidic na may pinagsamang mga kakayahan sa sensing. Ito ay isang aparato lamang sa pagsubaybay. Ang papel na ito ay nagpapakita ng unang halimbawa ng isang microfluidic chemical reactor na gawa ng UAM;isang aktibong device na hindi lamang sumusubaybay ngunit nag-uudyok din ng chemical synthesis sa pamamagitan ng structurally integrated catalyst materials. Pinagsasama ng device ang ilang mga pakinabang na nauugnay sa teknolohiya ng UAM sa 3D chemical device manufacturing, gaya ng: ang kakayahang direktang i-convert ang buong 3D na disenyo mula sa mga modelo ng computer-aided design (CAD) sa mga produkto;multi-materyal na katha upang pagsamahin ang mataas na thermal conductivity at catalytic na materyales;at pag-embed ng mga thermal sensor nang direkta sa pagitan ng mga stream ng reagent para sa tumpak na pagsubaybay at kontrol sa temperatura ng reaksyon. Upang ipakita ang functionality ng reactor, isang library ng mahalagang pharmaceutically 1,4-disubstituted 1,2,3-triazole compounds ay na-synthesize ng copper-catalyzed Huisgen 1,3-dipolar work cycloaddition at nagagamit ang mga bagong pagkakataon sa computer para sa cycloaddition at pagdidisenyo ng computer na ito. sibilities para sa chemistry sa pamamagitan ng multidisciplinary research.
Ang lahat ng solvents at reagents ay binili mula sa Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI o Fischer Scientific at ginamit nang walang paunang purification.1H at 13C NMR spectra na naitala sa 400 MHz at 100 MHz, ayon sa pagkakabanggit, ay nakuha gamit ang isang JEOL ECS-400 400 MHz MHz spektrometer II o 400 MHz CD Avancemeter II spectrometer o a 400 MHz CD Avancemeter II 400 MHz at 100 MHz. nt. Ang lahat ng mga reaksyon ay isinagawa gamit ang Uniqsis FlowSyn flow chemistry platform.
Ginamit ang UAM sa paggawa ng lahat ng device sa pag-aaral na ito. Naimbento ang teknolohiya noong 1999, at ang mga teknikal na detalye nito, mga parameter ng pagpapatakbo at mga pag-unlad dahil ang pag-imbento nito ay maaaring pag-aralan sa pamamagitan ng mga sumusunod na nai-publish na materyales34,35,36,37. Ang device (Figure 1) ay ipinatupad gamit ang isang ultra-high power, 9kW SonicLayer 4000® UAM, ang sistema ng fabric- (napiling Fabrication® UAM na materyales). Ang 110 at Al 6061.Cu-110 ay may mataas na nilalaman ng tanso (pinakamababang 99.9% na tanso), na ginagawa itong isang mahusay na kandidato para sa mga reaksyong na-catalyzed ng tanso, at samakatuwid ay ginagamit bilang isang "aktibong layer sa loob ng isang microreactor.Ang Al 6061 O ay ginagamit bilang isang "bulk" na materyal, gayundin ang Embedding layer na ginagamit para sa pagsusuri;Alloy auxiliary component embedding at annealed condition na sinamahan ng Cu-110 layer.Ang Al 6061 O ay isang materyal na napatunayang lubos na katugma sa mga proseso ng UAM38, 39, 40, 41 at nasubok at natagpuang matatag sa kemikal kasama ng mga reagent na ginamit sa gawaing ito.Ang kumbinasyon ng Al 6061 O sa Cu-110 ay itinuturing din na isang katugmang kumbinasyon ng materyal para sa UAM at samakatuwid ay isang angkop na materyal para sa pag-aaral na ito.38,42 Ang mga device na ito ay nakalista sa Talahanayan 1 sa ibaba.
Mga yugto ng paggawa ng reactor (1) Al 6061 substrate (2) Fabrication ng bottom channel na nakatakda sa copper foil (3) Pag-embed ng mga thermocouples sa pagitan ng mga layer (4) Top channel (5) Inlet at outlet (6) Monolithic reactor.
Ang pilosopiya ng disenyo ng fluid path ay ang paggamit ng convoluted path upang mapataas ang distansiyang dinadaanan ng fluid sa loob ng chip, habang pinapanatili ang chip sa isang mapapamahalaang laki. Ang pagtaas ng distansya na ito ay kanais-nais upang mapataas ang oras ng pakikipag-ugnayan ng catalyst/reagent at makapagbigay ng mahusay na mga ani ng produkto. Gumagamit ang mga chip ng 90° na baluktot sa mga dulo ng tuwid na daan upang mahikayat ang magulong paghahalo sa ibabaw ng tubig na iyon44. d, ang disenyo ng reactor ay nagtatampok ng dalawang reagent inlets na pinagsama sa Y-junction bago pumasok sa serpentine mixing section. Ang ikatlong inlet, na nag-intersect sa stream sa kalagitnaan ng residency nito, ay kasama sa disenyo ng hinaharap na multistep reaction syntheses.
Ang lahat ng mga channel ay may parisukat na profile (walang mga draft na anggulo), ang resulta ng panaka-nakang paggiling ng CNC na ginamit upang lumikha ng geometry ng channel. Pinili ang mga dimensyon ng channel upang matiyak ang isang mataas na (para sa isang microreactor) na output ng volume, habang ito ay sapat na maliit upang mapadali ang mga interaksyon sa ibabaw (mga catalyst) para sa karamihan ng mga nilalamang likido. Ang naaangkop na sukat ay batay sa nakaraang karanasan ng mga may-akda sa mga metal-fluidic na aparato ay 5µ µ µ µm 7 na panloob na channel para sa reaksyon. at ang kabuuang volume ng reactor ay 1 ml. Isang pinagsamang connector (1/4″—28 UNF thread) ang kasama sa disenyo upang payagan ang simpleng interfacing ng device na may commercial flow chemistry equipment.Ang laki ng channel ay nalilimitahan ng kapal ng materyal na foil, ang mga mekanikal na katangian nito, at ang mga parameter ng pagbubuklod na ginamit sa mga ultrasonic.Sa isang tiyak na lapad para sa isang naibigay na materyal, ang materyal ay "lumulubog" sa ginawang channel.Kasalukuyang walang partikular na modelo para sa pagkalkula na ito, kaya ang maximum na lapad ng channel para sa isang partikular na materyal at disenyo ay tinutukoy sa eksperimentong paraan;sa kasong ito, ang lapad na 750 μm ay hindi magiging sanhi ng sag.
Natutukoy ang hugis (parisukat) ng channel sa pamamagitan ng paggamit ng square cutter. Ang hugis at sukat ng mga channel ay maaaring baguhin ng mga CNC machine gamit ang iba't ibang cutting tool upang makakuha ng iba't ibang mga rate at katangian ng daloy. Ang isang halimbawa ng paglikha ng isang curved shape channel gamit ang 125 μm tool ay matatagpuan sa gawa ng Monaghan45. Kapag ang foil layer ay nadeposito sa ibabaw ng ganitong paraan ng foil. , upang mapanatili ang simetrya ng channel, ginamit ang isang parisukat na balangkas.
Sa panahon ng pre-programmed pause sa paggawa, ang thermocouple temperature probe (Type K) ay direktang naka-embed sa loob ng device sa pagitan ng upper at lower channel group (Figure 1 – Stage 3).
Ang proseso ng pag-deposito ng metal ay ginagawa ng isang sungay ng UAM gamit ang isang 25.4 mm ang lapad, 150 micron na makapal na metal foil. Ang mga layer ng foil na ito ay pinagsasama sa isang serye ng mga katabing strip upang masakop ang buong lugar ng pagtatayo;ang laki ng idineposito na materyal ay mas malaki kaysa sa huling produkto dahil ang subtractive na proseso ay gumagawa ng panghuling hugis ng net. Ang CNC machining ay ginagamit upang makina ang panlabas at panloob na mga contour ng kagamitan, na nagreresulta sa isang surface finish ng kagamitan at mga channel na katumbas ng napiling tool at mga parameter ng proseso ng CNC (humigit-kumulang 1.6 μm Ra sa halimbawang ito). Mga antas ng katumpakan ng paggiling ng CNC finish. Ang lapad ng channel na ginamit para sa device na ito ay sapat na maliit upang matiyak na ang materyal ng foil ay hindi "lumulubog" sa fluid channel, kaya ang channel ay nagpapanatili ng isang parisukat na cross-section. Ang mga posibleng gaps sa foil material at mga parameter ng proseso ng UAM ay natukoy nang eksperimental ng isang manufacturing partner (Fabrisonic LLC, USA).
Ipinakita ng mga pag-aaral na ang maliit na elemental diffusion ay nangyayari sa UAM bonding interface 46, 47 nang walang karagdagang thermal treatment, kaya para sa mga device sa gawaing ito, ang Cu-110 layer ay nananatiling naiiba sa Al 6061 layer at biglang nagbabago.
Mag-install ng pre-calibrated 250 psi (1724 kPa) back pressure regulator (BPR) sa saksakan ng reactor at mag-bomba ng tubig sa pamamagitan ng reactor sa rate na 0.1 hanggang 1 mL min-1. Ang presyon ng reactor ay sinusubaybayan gamit ang FlowSyn built-in na system pressure sensor upang ma-verify na ang system ay maaaring magpanatili ng isang pare-parehong steady na pagkakaiba ng temperatura sa pagitan ng mga pagbabago sa temperatura sa pagitan ng mga pagbabago sa temperatura. mga mag-asawang naka-embed sa loob ng reactor at ang mga naka-embed sa loob ng FlowSyn chip heating plate. Ito ay nakakamit sa pamamagitan ng pag-iiba-iba ng programmable na temperatura ng hotplate sa pagitan ng 100 at 150 °C sa 25 °C na mga pagdaragdag at pagpuna sa anumang pagkakaiba sa pagitan ng naka-program at naitala na mga temperatura. Ito ay nakamit gamit ang tc-08 data logger, UK Picog, at Cambridge software.
Ang mga kondisyon ng reaksyon ng cycloaddition ng phenylacetylene at iodoethane ay na-optimize (Scheme 1- Cycloaddition ng phenylacetylene at iodoethane Scheme 1- Cycloaddition ng phenylacetylene at iodoethane). Ang pag-optimize na ito ay isinagawa sa pamamagitan ng isang buong factorial na disenyo ng mga eksperimento (DOE) na diskarte, habang ginagamit ang ratio ng temperatura at residential na oras ng pag-aayos: 2 al. .
Ang mga hiwalay na solusyon ng sodium azide (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), iodoethane (0.25 M, DMF), at phenylacetylene (0.125 M, DMF) ay inihanda. Isang 1.5 mL aliquot ng bawat solusyon ang pinaghalo at ibinomba sa pamamagitan ng reactor sa nais na rate ng daloy at temperatura ng produkto. d sa pamamagitan ng high performance liquid chromatography (HPLC). Para sa pare-pareho ng pagsusuri, ang lahat ng mga reaksyon ay na-sample pagkatapos lamang umalis ang reaksyong timpla sa reaktor. Ang mga hanay ng parameter na pinili para sa pag-optimize ay ipinapakita sa Talahanayan 2.
Sinuri ang lahat ng sample gamit ang Chromaster HPLC system (VWR, PA, USA) na binubuo ng quaternary pump, column oven, variable wavelength UV detector at autosampler. Ang column ay Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA), 4.6 × 100 mm ang laki, 5 µm particle size, na pinananatili sa 40: water flow rate na 5 °C. 1.5 mL.min-1. Ang dami ng iniksyon ay 5 µL at ang wavelength ng detector ay 254 nm. Ang % peak area para sa sample ng DOE ay kinakalkula mula sa mga peak area ng natitirang alkyne at triazole na mga produkto lamang. Ang pag-iniksyon ng panimulang materyal ay nagbibigay-daan sa pagtukoy ng mga nauugnay na peak.
Ang pagsasama sa output ng pagsusuri ng reactor sa software ng MODDE DOE (Umetrics, Malmö, Sweden) ay nagbigay-daan sa masusing pagsusuri ng mga trend ng resulta at pagtukoy ng pinakamainam na kondisyon ng reaksyon para sa cycloaddition na ito. Ang pagpapatakbo ng built-in na optimizer at pagpili sa lahat ng mahahalagang termino ng modelo ay magbubunga ng isang hanay ng mga kondisyon ng reaksyon na idinisenyo upang i-maximize ang peak area ng produkto habang binabawasan ang lugar ng pagsisimula ng peak para sa acetylene.
Ang oksihenasyon ng ibabaw na tanso sa loob ng catalytic reaction chamber ay nakamit gamit ang isang solusyon ng hydrogen peroxide (36%) na dumadaloy sa reaction chamber (flow rate = 0.4 mL min-1, residence time = 2.5 min) bago ang synthesis ng bawat triazole compound library.
Kapag natukoy ang pinakamainam na hanay ng mga kundisyon, inilapat ang mga ito sa isang hanay ng mga derivatives ng acetylene at haloalkane upang payagan ang pagsasama-sama ng isang maliit na synthesis ng library, sa gayon ay nagtatatag ng kakayahang ilapat ang mga kundisyong ito sa isang mas malawak na hanay ng mga potensyal na reagents (Larawan 1).2).
Maghanda ng hiwalay na mga solusyon ng sodium azide (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), haloalkanes (0.25 M, DMF) at alkynes (0.125 M, DMF).3 mL aliquots ng bawat solusyon ang pinaghalo at ibinomba sa pamamagitan ng reactor sa 75 µL.min-1 at 150 °C na kabuuang dami ng ethyl na nakolekta sa isang 150 °C at thyl. cetate.Ang sample na solusyon ay hinugasan ng 3 × 10 mL ng tubig.Ang may tubig na mga layer ay pinagsama at nakuha na may 10 mL ng ethyl acetate;pagkatapos ay pinagsama ang mga organikong layer, hinugasan ng 3 x 10 mL ng brine, pinatuyo sa MgSO4 at sinala, pagkatapos ay tinanggal ang solvent sa vacuo. Ang mga sample ay dinalisay sa pamamagitan ng column chromatography sa silica gel gamit ang ethyl acetate bago ang pagsusuri sa pamamagitan ng kumbinasyon ng HPLC,1H NMR,13C NMR at high resolution mass spectrometry (HR.
Ang lahat ng spectra ay nakuha gamit ang isang Thermofischer precision Orbitrap resolution mass spectrometer na may ESI bilang ionization source. Ang lahat ng sample ay inihanda gamit ang acetonitrile bilang solvent.
Ang pagsusuri ng TLC ay isinagawa sa aluminum-backed silica plates. Ang mga plate ay na-visualize sa pamamagitan ng UV light (254 nm) o vanillin staining at heating.
Sinuri ang lahat ng sample gamit ang VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) system na nilagyan ng autosampler, column oven binary pump at single wavelength detector. Ang column na ginamit ay isang ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4.6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Scotland).
Ang mga iniksyon (5 µL) ay direktang ginawa mula sa diluted na crude reaction mixture (1:10 dilution) at sinuri gamit ang water:methanol (50:50 o 70:30), maliban sa ilang sample na gumagamit ng 70:30 solvent system (na tinukoy bilang star number) sa rate ng daloy na 1.5 mL/min. Ang column ay pinananatiling 40 °C sa nm.40 °C.
Ang % peak area ng sample ay kinakalkula mula sa peak area ng natitirang alkyne, tanging ang triazole na produkto, at ang pag-iniksyon ng panimulang materyal ay nagpapahintulot sa pagkakakilanlan ng mga nauugnay na peak.
Sinuri ang lahat ng sample gamit ang Thermo iCAP 6000 ICP-OES. Inihanda ang lahat ng pamantayan sa pagkakalibrate gamit ang 1000 ppm Cu standard solution sa 2% nitric acid (SPEX Certi Prep). Inihanda ang lahat ng standard sa 5% DMF at 2% HNO3 solution, at lahat ng sample ay natunaw ng 20-fold sa sample na DMF.
Gumagamit ang UAM ng ultrasonic metal welding bilang isang bonding technique para sa metal foil material na ginamit sa pagbuo ng final assembly. Ultrasonic metal welding ay gumagamit ng vibrating metal tool (tinatawag na sungay o ultrasonic horn) upang ilapat ang pressure sa foil layer/dating pinagsama-samang layer na ibubuklod habang vibrating ang materyal. Para sa tuluy-tuloy na operasyon, ang sonotrode at roll na materyal ay cylindrical sa ibabaw ng materyal na pang-vibrate, ang pang-vibrate na ibabaw at ang roll na lugar. inilapat, ang mga oksido sa ibabaw ng materyal ay maaaring pumutok. Ang patuloy na presyon at panginginig ng boses ay maaaring maging sanhi ng pagbagsak ng mga asperidad ng materyal 36 . Ang matalik na pakikipag-ugnay sa lokal na sapilitan na init at presyon pagkatapos ay humahantong sa solid-state bonding sa mga materyal na interface;maaari din itong tumulong sa pagdirikit sa pamamagitan ng mga pagbabago sa enerhiya sa ibabaw48. Ang likas na katangian ng mekanismo ng pagbubuklod ay nagtagumpay sa marami sa mga problemang nauugnay sa variable na temperatura ng pagkatunaw at mataas na temperatura pagkatapos ng mga epekto na binanggit sa iba pang mga additive na pamamaraan sa pagmamanupaktura.
Ang pangalawang kanais-nais na salik para sa UAM ay ang mataas na antas ng daloy ng plastik na sinusunod sa mga metal na materyales, kahit na sa mababang temperatura, ibig sabihin, mas mababa sa punto ng pagkatunaw ng mga metal na materyales. .Ang mga elemento tulad ng optical fibers 49, reinforcements 46, electronics 50, at thermocouples (trabahong ito) ay matagumpay na lahat ay nai-embed sa mga istruktura ng UAM upang lumikha ng aktibo at passive na composite assemblies.
Sa gawaing ito, ang magkaibang materyal na bonding at intercalation na mga posibilidad ng UAM ay ginamit upang lumikha ng ultimate catalytic temperature monitoring microreactor.
Kung ikukumpara sa palladium (Pd) at iba pang karaniwang ginagamit na mga metal catalyst, ang Cu catalysis ay may ilang mga pakinabang: (i) Sa ekonomiya, ang Cu ay mas mura kaysa sa maraming iba pang mga metal na ginagamit sa catalysis at samakatuwid ay isang kaakit-akit na opsyon para sa industriya ng pagpoproseso ng kemikal (ii) Ang hanay ng mga Cu-catalyzed cross-coupling na mga reaksyon ay tumataas at mukhang medyo nakabatay sa P5, na nakabatay sa mga pamamaraan2, na nakabatay sa reaksyon2, na nakabatay sa 53z1. s gumagana nang maayos sa kawalan ng iba pang mga ligand, Ang mga ligand na ito ay kadalasang simple sa istruktura at mura kung ninanais, samantalang ang mga ginagamit sa Pd chemistry ay kadalasang kumplikado, mahal, at air-sensitive (iv) Cu, lalo na kilala sa kakayahang magbigkis ng mga alkynes sa synthesis, Halimbawa, bimetallic-catalyzed Sonogashiraaddition na may kakayahang mag-promote din ng mga iscyclochemistry at azideshirad ng chemistry. mga nucleophile sa mga reaksyong uri ng Ullmann.
Ang mga halimbawa ng heterogenization ng lahat ng mga reaksyong ito ay ipinakita kamakailan sa pagkakaroon ng Cu(0). Ito ay higit sa lahat dahil sa industriya ng parmasyutiko at ang lumalagong pagtuon sa pagbawi at muling paggamit ng metal catalyst55,56.
Pinangunahan ni Huisgen noong 1960s57, ang 1,3-dipolar cycloaddition na reaksyon sa pagitan ng acetylene at azide sa 1,2,3-triazole ay itinuturing na isang synergistic na demonstration reaction.
Ang reaksyong ito ay muling napagtuunan ng pansin nang ipakilala ni Sharpless at ng iba pa ang konsepto ng "click chemistry"59. Ang terminong "click chemistry" ay ginagamit upang ilarawan ang isang matatag, maaasahan at pumipili na hanay ng mga reaksyon para sa mabilis na synthesis ng mga bagong compound at combinatorial library sa pamamagitan ng heteroatom linkage (CXC)60 Ang sintetikong apela ng mga reaksyong ito ay nagmumula sa kanilang nauugnay na mataas na yields ng tubig, at ang mga kondisyon ng reaksyon ay simple, produkto at mataas na paglaban6.
Ang klasikal na Huisgen 1,3-dipole cycloaddition ay hindi kabilang sa kategorya ng "click chemistry".Gayunpaman, ipinakita ng Medal at Sharpless na ang azide-alkyne coupling event na ito ay sumasailalim sa 107 hanggang 108 sa pagkakaroon ng Cu(I) kumpara sa uncatalyzed 1,3-dipolar cycloaddition na mga grupo na hindi nangangailangan ng makabuluhang reaksyong acceleration na mekanismo na ito ay hindi nangangailangan ng makabuluhang cycloaddition na 62,6 na pagprotekta. o malupit na kondisyon ng reaksyon at nagbubunga ng malapit sa kumpletong conversion at selectivity sa 1,4-disubstituted 1,2,3-triazoles (anti-1,2,3-triazole) sa isang sukat ng oras (Figure 3).
Ang mga resulta ng isometric ng maginoo at tanso-catalyzed huisgen cycloadditions.cu (i) -catalyzed huisgen cycloadditions ay nagbubunga lamang ng 1,4-disubstituted 1,2,3-triazoles, samantalang ang thermally sapilitan na huisgen cycloadditions ay karaniwang nagbubunga ng 1,4- at 1,5-triazoles 1: 1 na pinaghalong mga steroisomer ng azoles.
Karamihan sa mga protocol ay nagsasangkot ng pagbabawas ng mga stable na Cu(II) na pinagmumulan, tulad ng pagbabawas ng CuSO4 o Cu(II)/Cu(0) species na pinagsama-sama ng sodium salts. Kung ikukumpara sa iba pang metal-catalyzed na reaksyon, ang paggamit ng Cu(I) ay may mga pangunahing bentahe ng pagiging mura at madaling hawakan.
Mga pag-aaral ng kinetic at isotopic labeling ni Worrell et al.65 ay nagpakita na, sa kaso ng mga terminal alkynes, dalawang katumbas ng tanso ang kasangkot sa pag-activate ng reaktibiti ng bawat molekula patungo sa azide. Ang iminungkahing mekanismo ay nagpapatuloy sa pamamagitan ng isang anim na miyembro na tansong metal na singsing na nabuo sa pamamagitan ng koordinasyon ng azide sa σ-bonded na tansong acetylide na may π-bonded na tanso bilang isang stable na derivative na tanso bilang isang stable na de-singsing na tanso. , na sinusundan ng proton decomposition upang magbigay ng mga produktong triazole at isara ang catalytic cycle.
Bagama't ang mga benepisyo ng mga flow chemistry device ay mahusay na dokumentado, nagkaroon ng pagnanais na isama ang mga analytical na tool sa mga system na ito para sa in-line, in-situ, process monitoring66,67. Napatunayan na ang UAM ay isang angkop na paraan para sa pagdidisenyo at paggawa ng napakasalimuot na 3D flow reactor na gawa sa catalytically active, thermally conductive na materyales na may direktang naka-embed na sensing element4 (Figure sensing elements).
Aluminum-copper flow reactor na gawa ng ultrasonic additive manufacturing (UAM) na may kumplikadong internal channel structure, naka-embed na thermocouples at catalytic reaction chamber. Para makita ang mga internal fluid pathways, ipinapakita rin ang isang transparent na prototype na gawa gamit ang stereolithography.
Upang matiyak na ang mga reactor ay gawa-gawa para sa hinaharap na mga organikong reaksyon, ang mga solvent ay kailangang ligtas na pinainit sa itaas ng kumukulong punto;ang mga ito ay nasubok sa presyon at temperatura. Ang pagsubok sa presyon ay nagpakita na ang sistema ay nagpapanatili ng isang matatag at pare-pareho ang presyon kahit na may tumaas na presyon ng sistema (1.7 MPa). Ang hydrostatic test ay isinagawa sa temperatura ng silid gamit ang H2O bilang likido.
Ang pagkonekta sa naka-embed na (Figure 1) na thermocouple sa data logger ng temperatura ay nagpakita na ang thermocouple ay 6 °C (± 1 °C) na mas malamig kaysa sa naka-program na temperatura sa FlowSyn system. Kadalasan, ang 10 °C na pagtaas ng temperatura ay nagreresulta sa pagdodoble ng rate ng reaksyon, kaya ang pagkakaiba sa temperatura ng ilang degree lamang ay maaaring makabuluhang baguhin ang pagbabago ng temperatura sa buong temperatura dahil sa rate ng reaksyon sa mataas na temperatura. ang mga materyales na ginamit sa proseso ng pagmamanupaktura. Ang thermal drift na ito ay pare-pareho at samakatuwid ay maaaring isaalang-alang sa setup ng kagamitan upang matiyak na ang mga tumpak na temperatura ay naabot at nasusukat sa panahon ng reaksyon. Samakatuwid, ang online monitoring tool na ito ay nagpapadali sa mahigpit na kontrol sa temperatura ng reaksyon at nagpapadali sa mas tumpak na pag-optimize ng proseso at pagbuo ng mga pinakamainam na kondisyon. Ang mga sensor na ito ay maaari ding gamitin upang matukoy ang mga reaction exotherms at maiwasan ang mga runaway na reaksyon sa mga malalaking sistema.
Ang reaktor na ipinakita sa gawaing ito ay ang unang halimbawa ng aplikasyon ng teknolohiya ng UAM sa paggawa ng mga kemikal na reaktor at tinutugunan ang ilang pangunahing limitasyon na kasalukuyang nauugnay sa AM/3D na pag-print ng mga device na ito, tulad ng: (i) pagtagumpayan ang mga Naiulat na problema na may kaugnayan sa pagproseso ng tanso o aluminyo na haluang metal (ii) pinabuting panloob na resolution ng channel kumpara sa powder bed fusion (PBF) na mga pamamaraan ng melting tulad ng (69 rough material) melting (69 rough material) ng laser flow, at 69 rough material na melting tulad ng (69 rough laser flow). iii) Ang pinababang temperatura sa pagpoproseso, na nagpapadali sa direktang pagbubuklod ng mga sensor, na hindi posible sa teknolohiya ng powder bed, (v) nadaig ang mahihirap na mekanikal na katangian at pagiging sensitibo ng mga bahaging nakabatay sa polimer sa iba't ibang karaniwang organikong solvent17,19.
Ang pag-andar ng reactor ay ipinakita sa pamamagitan ng isang serye ng mga copper-catalyzed alkyne azide cycloaddition reactions sa ilalim ng tuluy-tuloy na mga kondisyon ng daloy (Fig. 2). ides sa pagkakaroon ng sodium chloride (Larawan 3). Ang paggamit ng tuluy-tuloy na diskarte sa daloy ay nagpapagaan sa mga alalahanin sa kaligtasan na maaaring lumitaw sa mga proseso ng batch, dahil ang reaksyong ito ay gumagawa ng lubos na reaktibo at mapanganib na mga intermediate ng azide [317], [318]. Noong una, ang reaksyon ay na-optimize para sa cycloaddition ng phenylacetanethylene at ischemidacetylene at ischemydocetylene at ischemidacetylene. ) (tingnan ang Larawan 5).
(Kaliwa sa itaas) Schematic ng setup na ginamit para isama ang 3DP reactor sa flow system (kanang itaas) na nakuha sa optimized (ibaba) scheme ng Huisgen cycloaddition 57 scheme sa pagitan ng phenylacetylene at iodoethane para sa pag-optimize at pagpapakita ng mga na-optimize na parameter na rate ng conversion ng reaksyon.
Sa pamamagitan ng pagkontrol sa oras ng paninirahan ng mga reagents sa catalytic na bahagi ng reactor at malapit na pagsubaybay sa temperatura ng reaksyon na may direktang pinagsamang thermocouple probe, ang mga kondisyon ng reaksyon ay maaaring ma-optimize nang mabilis at tumpak na may kaunting oras at pagkonsumo ng materyal. Mabilis na natukoy na ang pinakamataas na mga conversion ay nakuha kapag ang oras ng paninirahan na 15 minuto at temperatura ng reaksyon na 150 °C ay maaaring makita na ang koepisyent ng oras ng reaksyon at MOD ay maaaring magamit ang parehong oras ng reaksyon. ang temperatura ay itinuturing na mahahalagang termino ng modelo. Ang pagpapatakbo ng built-in na optimizer gamit ang mga napiling terminong ito ay bumubuo ng isang hanay ng mga kondisyon ng reaksyon na idinisenyo upang i-maximize ang mga lugar ng peak ng produkto habang binabawasan ang mga lugar ng peak ng panimulang materyal. Ang pag-optimize na ito ay nagbunga ng 53% na conversion ng produktong triazole, na malapit na tumugma sa hula ng modelo na 54%.
Batay sa mga literatura na nagpapakita na ang copper(I) oxide (Cu2O) ay maaaring kumilos bilang isang epektibong catalytic species sa zero-valent na ibabaw ng tanso sa mga reaksyong ito, ang kakayahang mag-pre-oxidize sa ibabaw ng reaktor bago isagawa ang reaksyon sa daloy ay sinisiyasat70,71. Ang reaksyon sa pagitan ng phenylacetylene at iodoethane ay ginawa muli sa ilalim ng pinakamainam na mga kondisyon ng conversion. ng panimulang materyal, na kinakalkula na> 99%.Gayunpaman, ang pagsubaybay ng HPLC ay nagpakita na ang conversion na ito ay makabuluhang nabawasan ang labis na matagal na oras ng reaksyon hanggang sa humigit-kumulang 90 minuto, kung saan ang aktibidad ay lumilitaw na bumababa at umabot sa isang "steady state". Iminumungkahi ng obserbasyon na ito na ang pinagmumulan ng catalytic na aktibidad ay nakuha mula sa ibabaw na tanso oxide sa halip na ang temperaturang Cupper oxide sa ibabaw ng OksidoCupper at ang temperaturang walang oxidized na Cupper ay Cupper O sa halip na ang substrate ay Cu22Cupper. self-protective layers.Ito ay nag-aalis ng pangangailangang magdagdag ng pantulong na copper(II) source para sa co-composition71.