Nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz. Kullandığınız tarayıcı sürümü sınırlı CSS desteğine sahiptir. En iyi deneyim için güncellenmiş bir tarayıcı kullanmanızı (veya Internet Explorer'da Uyumluluk Modunu devre dışı bırakmanızı) öneririz. Bu arada, sürekli desteği sağlamak için siteyi stiller ve JavaScript olmadan sunacağız.
Aynı anda üç slayt gösteren bir dönence. Üç slaytta aynı anda hareket etmek için Önceki ve Sonraki düğmelerini kullanın veya üç slaytta aynı anda hareket etmek için sondaki kaydırıcı düğmelerini kullanın.
Katkı maddesi üretimi, araştırmacıların ve sanayicilerin kimyasal cihazları kendi özel ihtiyaçlarını karşılayacak şekilde tasarlama ve üretme biçimlerini değiştiriyor. Bu makalede, doğrudan entegre katalitik parçalar ve algılama elemanları ile katı bir metal levhanın ultrasonik katkı maddesi üretimi (UAM) laminasyonuyla oluşturulan bir akış reaktörünün ilk örneğini bildiriyoruz. UAM teknolojisi, kimyasal reaktörlerin katkı maddesi üretimiyle şu anda ilişkilendirilen sınırlamaların çoğunun üstesinden gelmekle kalmıyor, aynı zamanda bu tür cihazların yeteneklerini de büyük ölçüde genişletiyor. Biyolojik açıdan önemli 1,4-disubstitüe 1,2,3-triazol bileşiklerinin birçoğu, UAM kimya tesisi kullanılarak Cu aracılı 1,3-dipolar Huisgen sikloadisyon reaksiyonu ile başarıyla sentezlendi ve optimize edildi. UAM'nin benzersiz özelliklerini ve sürekli akış işlemini kullanan cihaz, devam eden reaksiyonları katalize edebilmenin yanı sıra reaksiyonları izlemek ve optimize etmek için gerçek zamanlı geri bildirim sağlayabiliyor.
Toplu muadiline kıyasla önemli avantajları nedeniyle akış kimyası, kimyasal sentezin seçiciliğini ve verimliliğini artırma yeteneği nedeniyle hem akademik hem de endüstriyel ortamlarda önemli ve büyüyen bir alandır. Bu, basit organik moleküllerin1 oluşumundan farmasötik bileşiklere2,3 ve doğal ürünlere4,5,6 kadar uzanır. İnce kimyasal ve farmasötik endüstrilerindeki reaksiyonların %50'sinden fazlası sürekli akıştan faydalanabilir7.
Son yıllarda, geleneksel cam eşya veya akış kimyası ekipmanlarını uyarlanabilir kimyasal "reaktörler" ile değiştirmeyi amaçlayan gruplarda artan bir eğilim görülmektedir8. Bu yöntemlerin yinelemeli tasarımı, hızlı üretimi ve üç boyutlu (3B) yetenekleri, cihazlarını belirli bir reaksiyon, cihaz veya koşul kümesi için özelleştirmek isteyenler için yararlıdır. Bugüne kadar, bu çalışma neredeyse yalnızca stereolitografi (SL)9,10,11, Erimiş Biriktirme Modellemesi (FDM)8,12,13,14 ve mürekkep püskürtmeli baskı7,15 gibi polimer tabanlı 3B baskı tekniklerinin kullanımına odaklanmıştır. , 16. Bu tür cihazların çok çeşitli kimyasal reaksiyonlar/analizler gerçekleştirme konusundaki güvenilirlik ve yetenek eksikliği17, 18, 19, 20, bu alanda AM'nin daha geniş bir şekilde uygulanması için önemli bir sınırlayıcı faktördür17, 18, 19, 20.
Akış kimyasının artan kullanımı ve AM ile ilişkili olumlu özellikler nedeniyle, kullanıcıların gelişmiş kimya ve analitik yeteneklere sahip akış reaksiyon kapları üretmesine olanak sağlayacak daha iyi tekniklerin araştırılması gerekiyor. Bu yöntemler, kullanıcıların çok çeşitli reaksiyon koşulları altında çalışabilen bir dizi yüksek mukavemetli veya işlevsel malzeme arasından seçim yapmasına olanak sağlamalı ve ayrıca reaksiyonun izlenmesini ve kontrolünü sağlamak için cihazdan çeşitli analitik çıktı biçimlerinin elde edilmesini kolaylaştırmalıdır.
Özel kimyasal reaktörler geliştirmek için kullanılabilen bir katkı üretim süreci Ultrasonik Katkı Üretimi'dir (UAM). Bu katı hal levha laminasyon yöntemi, ince metal folyolara, bunları minimum hacimsel ısıtma ve yüksek derecede plastik akışla katman katman birbirine bağlamak için ultrasonik titreşimler uygular 21, 22, 23. Diğer çoğu AM teknolojisinin aksine, UAM, periyodik yerinde sayısal kontrol (CNC) frezeleme veya lazer işlemenin bağlanmış malzeme katmanının net şeklini belirlediği hibrit bir üretim süreci olarak bilinen çıkarmalı üretimle doğrudan entegre edilebilir 24, 25. Bu, kullanıcının genellikle toz ve sıvı sistemlerinde AM26,27,28 olduğu gibi küçük sıvı kanallarından kalan orijinal yapı malzemesinin çıkarılmasıyla ilişkili sorunlarla sınırlı olmadığı anlamına gelir. Bu tasarım özgürlüğü, mevcut malzemelerin seçimine de uzanır - UAM, termal olarak benzer ve farklı malzeme kombinasyonlarını tek bir işlem adımında bağlayabilir. Eritme işleminin ötesinde malzeme kombinasyonlarının seçilmesi, belirli uygulamaların mekanik ve kimyasal gereksinimlerinin daha iyi karşılanabileceği anlamına gelir. Katı bağlamaya ek olarak, ultrasonik bağlama ile oluşan bir diğer olgu da plastik malzemelerin nispeten düşük sıcaklıklarda yüksek akışkanlığıdır29,30,31,32,33. UAM'nin bu benzersiz özelliği, mekanik/termal elemanların metal katmanlar arasına hasar görmeden yerleştirilmesine olanak tanır. Gömülü UAM sensörleri, entegre analizler aracılığıyla cihazdan kullanıcıya gerçek zamanlı bilgi iletilmesini kolaylaştırabilir.
Yazarların önceki çalışmaları32, UAM sürecinin gömülü algılama yeteneklerine sahip metalik 3B mikroakışkan yapılar oluşturma yeteneğini göstermiştir. Bu cihaz yalnızca izleme amaçlıdır. Bu makale, UAM tarafından üretilen, yalnızca kontrol etmekle kalmayıp aynı zamanda yapısal olarak entegre katalitik malzemelerle kimyasal sentezi başlatan aktif bir cihaz olan mikroakışkan kimyasal reaktörün ilk örneğini sunmaktadır. Cihaz, 3B kimyasal cihazların üretiminde UAM teknolojisiyle ilişkilendirilen çeşitli avantajları bir araya getirir, örneğin: bilgisayar destekli tasarım (CAD) modelinden doğrudan bir ürüne tam bir 3B tasarımı dönüştürme yeteneği; yüksek termal iletkenlik ve katalitik malzemelerin bir kombinasyonu için çok malzemeli üretim ve reaksiyon sıcaklığının hassas kontrolü ve yönetimi için doğrudan reaktan akımları arasına yerleştirilmiş termal sensörler. Reaktörün işlevselliğini göstermek için, bakır katalizli 1,3-dipolar Huisgen sikloadisyonuyla farmasötik açıdan önemli 1,4-disubstitüe 1,2,3-triazol bileşiklerinden oluşan bir kütüphane sentezlendi. Bu çalışma, malzeme bilimi ve bilgisayar destekli tasarımın kullanımının disiplinlerarası araştırma yoluyla kimya için nasıl yeni olasılıklar ve fırsatlar yaratabileceğini vurgulamaktadır.
Tüm çözücüler ve reaktifler Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI veya Fischer Scientific'ten satın alındı ​​ve önceden saflaştırılmadan kullanıldı. Sırasıyla 400 ve 100 MHz'de kaydedilen 1H ve 13C NMR spektrumları, çözücü olarak CDCl3 veya (CD3)2SO ile bir JEOL ECS-400 400 MHz spektrometresi veya bir Bruker Avance II 400 MHz spektrometresi üzerinde elde edildi. Tüm reaksiyonlar Uniqsis FlowSyn akış kimyası platformu kullanılarak gerçekleştirildi.
Bu çalışmada tüm cihazların imalatında UAM kullanılmıştır. Teknoloji 1999 yılında icat edilmiştir ve teknik detayları, çalışma parametreleri ve icat edildiği tarihten bu yana yapılan geliştirmeler aşağıdaki yayınlanmış materyaller kullanılarak incelenebilir34,35,36,37. Cihaz (Şekil 1) ağır hizmet tipi 9 kW SonicLayer 4000® UAM sistemi (Fabrisonic, Ohio, ABD) kullanılarak uygulanmıştır. Akış cihazı için seçilen malzemeler Cu-110 ve Al 6061'di. Cu-110 yüksek bakır içeriğine sahiptir (%99,9 minimum bakır), bu da onu bakır katalizli reaksiyonlar için iyi bir aday yapar ve bu nedenle mikroreaktör içinde "aktif katman" olarak kullanılır. Al 6061 O "yığın" malzeme olarak kullanılır. , ayrıca analiz için kullanılan ara katman; yardımcı alaşım bileşenlerinin ara katmanı ve Cu-110 katmanı ile birlikte tavlanmış durum. Bu çalışmada kullanılan reaktiflerle kimyasal olarak kararlı olduğu bulunmuştur. Cu-110 ile birlikte Al 6061 O da UAM için uyumlu bir malzeme kombinasyonu olarak kabul edilir ve bu nedenle bu çalışma için uygun bir malzemedir38,42. Bu cihazlar aşağıdaki Tablo 1'de listelenmiştir.
Reaktör imalat adımları (1) 6061 alüminyum alaşımlı alt tabaka (2) Bakır folyodan alt kanalın imalatı (3) Katmanlar arasına termokuplların yerleştirilmesi (4) Üst kanal (5) Giriş ve çıkış (6) Monolitik reaktör.
Akışkan kanalı tasarım felsefesi, yönetilebilir bir çip boyutunu korurken, çipin içindeki akışkanın kat ettiği mesafeyi artırmak için kıvrımlı bir yol kullanmaktır. Mesafedeki bu artış, katalizör-reaktan temas süresini artırmak ve mükemmel ürün verimleri sağlamak için arzu edilir. Çipler, cihaz içinde türbülanslı karışımı indüklemek ve sıvının yüzeyle (katalizör) temas süresini artırmak için düz bir yolun uçlarında 90°'lik kıvrımlar kullanır. Elde edilebilecek karışımı daha da artırmak için, reaktörün tasarımı, karıştırma bobini bölümüne girmeden önce Y bağlantısında birleştirilmiş iki reaktan girişi içerir. İkametgahının yarısında akışı kesen üçüncü giriş, gelecekteki çok aşamalı sentez reaksiyonları için plana dahil edilmiştir.
Tüm kanallar, kanal geometrisini oluşturmak için kullanılan periyodik CNC frezelemenin sonucu olan kare bir profile (konik açı yok) sahiptir. Kanal boyutları, yüksek (bir mikroreaktör için) hacimsel verim sağlayacak şekilde seçilirken, içerdiği sıvıların çoğu için yüzeyle (katalizörler) etkileşimi kolaylaştıracak kadar küçüktür. Uygun boyut, yazarların metal-sıvı reaksiyon cihazlarıyla ilgili geçmiş deneyimlerine dayanmaktadır. Son kanalın iç boyutları 750 µm x 750 µm ve toplam reaktör hacmi 1 ml'dir. Cihazın ticari akış kimyası ekipmanıyla kolayca arayüzlenmesini sağlamak için tasarıma dahili bir konektör (1/4″-28 UNF diş) dahil edilmiştir. Kanal boyutu, folyo malzemesinin kalınlığı, mekanik özellikleri ve ultrasonikte kullanılan bağlama parametreleri ile sınırlıdır. Belirli bir malzeme için belirli bir genişlikte, malzeme oluşturulan kanala "sarkacaktır". Bu hesaplama için henüz belirli bir model bulunmadığından, belirli bir malzeme ve tasarım için maksimum kanal genişliği deneysel olarak belirlenir; bu durumda 750 µm'lik bir genişlik sarkmaya neden olmaz.
Kanalın şekli (kare) bir kare kesici kullanılarak belirlenir. Kanalların şekli ve boyutu, farklı akış hızları ve özellikleri elde etmek için farklı kesme takımları kullanan CNC makinelerinde değiştirilebilir. 125 µm'lik bir takımla kavisli bir kanal oluşturma örneği Monaghan45'te bulunabilir. Folyo tabakası düz uygulandığında, folyo malzemesinin kanallara uygulanması düz (kare) bir yüzeye sahip olacaktır. Bu çalışmada, kanal simetrisini korumak için kare bir kontur kullanılmıştır.
Üretimde programlanmış bir duraklama sırasında, termoçift sıcaklık sensörleri (tip K) doğrudan üst ve alt kanal grupları arasına cihaza yerleştirilir (Şekil 1 – aşama 3). Bu termoçiftler -200 ila 1350 °C arasındaki sıcaklık değişimlerini kontrol edebilir.
Metal biriktirme işlemi, 25,4 mm genişliğinde ve 150 mikron kalınlığında metal folyo kullanılarak UAM boynuzu tarafından gerçekleştirilir. Bu folyo katmanları, tüm yapı alanını kaplamak için bir dizi bitişik şerit halinde bağlanır; biriktirilen malzemenin boyutu, çıkarma işlemi son temiz şekli oluşturduğundan son üründen daha büyüktür. CNC işleme, ekipmanın dış ve iç konturlarını işlemek için kullanılır ve bunun sonucunda seçilen takıma ve CNC işlem parametrelerine (bu örnekte yaklaşık 1,6 µm Ra) karşılık gelen ekipman ve kanalların yüzey kalitesi elde edilir. Boyutsal doğruluğun korunmasını ve bitmiş parçanın CNC ince frezeleme hassasiyet seviyelerini karşılamasını sağlamak için cihazın üretim süreci boyunca sürekli, sürekli ultrasonik malzeme püskürtme ve işleme döngüleri kullanılır. Bu cihaz için kullanılan kanalın genişliği, folyo malzemesinin sıvı kanalında "sarkmamasını" sağlayacak kadar küçüktür, bu nedenle kanal kare bir kesite sahiptir. Folyo malzemesindeki olası boşluklar ve UAM işleminin parametreleri, üretim ortağı (Fabrisonic LLC, ABD) tarafından deneysel olarak belirlenmiştir.
Yapılan çalışmalar, UAM bileşiğinin 46, 47 ara yüzünde ilave ısıl işlem uygulanmadan elementlerin çok az difüzyona uğradığını göstermiştir, dolayısıyla bu çalışmadaki cihazlar için Cu-110 tabakası Al 6061 tabakasından farklı kalmakta ve önemli ölçüde değişmektedir.
Reaktörün akış aşağısına 250 psi'de (1724 kPa) önceden kalibre edilmiş bir geri basınç regülatörü (BPR) takın ve reaktörden 0,1 ila 1 ml dak-1 oranında su pompalayın. Sistemin sabit bir sabit basıncı koruyabilmesini sağlamak için reaktör basıncı sisteme yerleştirilmiş FlowSyn basınç dönüştürücüsü kullanılarak izlendi. Akış reaktöründeki potansiyel sıcaklık gradyanları, reaktöre yerleştirilmiş termokupllar ile FlowSyn çipinin ısıtma plakasına yerleştirilmiş termokupllar arasında herhangi bir fark olup olmadığına bakılarak test edildi. Bu, programlanmış sıcak plaka sıcaklığını 25 °C'lik artışlarla 100 ila 150 °C arasında değiştirerek ve programlanmış ve kaydedilmiş sıcaklıklar arasındaki farkları izleyerek elde edilir. Bu, tc-08 veri kaydedicisi (PicoTech, Cambridge, İngiltere) ve beraberindeki PicoLog yazılımı kullanılarak gerçekleştirildi.
Fenilasetilen ve iyodoetanın sikloadisyon reaksiyonunun koşulları optimize edildi (Şema 1-Fenilasetilen ve iyodoetanın sikloadisyon, Şema 1-Fenilasetilen ve iyodoetanın sikloadisyon). Bu optimizasyon, alkin:azid oranını 1:2'de sabitlerken sıcaklık ve kalış süresini değişken olarak kullanan tam faktöriyel deney tasarımı (DOE) yaklaşımı kullanılarak gerçekleştirildi.
Sodyum azit (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), iyodoetan (0,25 M, DMF) ve fenilasetilenin (0,125 M, DMF) ayrı çözeltileri hazırlandı. Her çözeltiden 1,5 ml'lik bir alikot karıştırıldı ve istenen akış hızı ve sıcaklıkta reaktörden pompalandı. Modelin tepkisi, triazol ürününün tepe alanının başlangıç ​​malzemesi olan fenilasetilene oranı olarak alındı ​​ve yüksek performanslı sıvı kromatografisi (HPLC) kullanılarak belirlendi. Analiz tutarlılığı için, tüm reaksiyonlar reaksiyon karışımı reaktörden ayrıldıktan hemen sonra alındı. Optimizasyon için seçilen parametre aralıkları Tablo 2'de gösterilmiştir.
Tüm örnekler, bir kuaterner pompa, kolon fırını, değişken dalga boylu UV dedektörü ve otomatik örnekleyiciden oluşan bir Chromaster HPLC sistemi (VWR, PA, ABD) kullanılarak analiz edildi. Kolon, 40°C'de tutulan Eşdeğerlik 5 C18 (VWR, PA, ABD), 4,6 x 100 mm, 5 µm parçacık boyutuydu. Çözücü, 1,5 ml·dak-1 akış hızında izokratik metanol:su 50:50 idi. Enjeksiyon hacmi 5 μl ve dedektör dalga boyu 254 nm idi. DOE örneği için % pik alanı, yalnızca kalıntı alkin ve triazol ürünlerinin pik alanlarından hesaplandı. Başlangıç ​​materyalinin tanıtımı, karşılık gelen piklerin tanımlanmasını mümkün kılar.
Reaktör analizinin sonuçlarının MODDE DOE yazılımıyla (Umetrics, Malmö, İsveç) birleştirilmesi, sonuçların kapsamlı bir trend analizinin yapılmasına ve bu sikloadisyon için optimum reaksiyon koşullarının belirlenmesine olanak sağladı. Dahili optimizatörün çalıştırılması ve tüm önemli model terimlerinin seçilmesi, ürünün tepe alanını maksimize ederken asetilen hammaddesinin tepe alanını azaltmak için tasarlanmış bir reaksiyon koşulları kümesi oluşturur.
Katalitik reaksiyon odasındaki bakır yüzeyin oksidasyonu, her bir triazol bileşiğinin sentezinden önce reaksiyon odasından akan bir hidrojen peroksit çözeltisi (%36) kullanılarak gerçekleştirildi (akış hızı = 0,4 ml dak-1, kalma süresi = 2,5 dak). kütüphane.
Optimum koşullar kümesi belirlendikten sonra, küçük bir sentez kütüphanesinin derlenmesine olanak sağlamak için bir dizi asetilen ve haloalkan türevine uygulandı ve böylece bu koşulların daha geniş bir potansiyel reaktif yelpazesine uygulanması olasılığı oluşturuldu (Şekil 1).
Sodyum azit (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), haloalkanlar (0,25 M, DMF) ve alkinlerin (0,125 M, DMF) ayrı çözeltilerini hazırlayın. Her çözeltiden 3 ml'lik alikotlar karıştırıldı ve 75 µl/dakika hızında ve 150 °C sıcaklıkta reaktörden pompalandı. Tüm hacim bir şişeye toplandı ve 10 ml etil asetat ile seyreltildi. Örnek çözeltisi 3 x 10 ml su ile yıkandı. Sulu katmanlar birleştirildi ve 10 ml etil asetat ile ekstre edildi, ardından organik katmanlar birleştirildi, 3 x 10 ml tuzlu su ile yıkandı, MgSO4 üzerinde kurutuldu ve süzüldü, ardından çözücü vakumda uzaklaştırıldı. Örnekler, HPLC, 1H NMR, 13C NMR ve yüksek çözünürlüklü kütle spektrometrisi (HR-MS) kombinasyonu ile analiz edilmeden önce etil asetat kullanılarak silika jel kolon kromatografisi ile saflaştırıldı.
Tüm spektrumlar, iyonizasyon kaynağı olarak ESI ile bir Thermofischer Precision Orbitrap kütle spektrometresi kullanılarak elde edildi. Tüm örnekler çözücü olarak asetonitril kullanılarak hazırlandı.
TLC analizi alüminyum substratlı silika plakalar üzerinde gerçekleştirildi. Plakalar UV ışığı (254 nm) veya vanilin boyama ve ısıtma ile görselleştirildi.
Tüm örnekler, otomatik örnekleyici, kolon fırınlı ikili pompa ve tek dalga boyu dedektörü ile donatılmış bir VWR Chromaster sistemi (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, İngiltere) kullanılarak analiz edildi. Bir ACE Equivalence 5 C18 kolonu (150 x 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, İskoçya) kullanıldı.
Enjeksiyonlar (5 µl) doğrudan seyreltilmiş ham reaksiyon karışımından (1:10 seyreltme) yapıldı ve 1,5 ml/dakika akış hızında 70:30 çözücü sistemi (yıldız numarası olarak gösterilir) kullanan bazı örnekler hariç, su:metanol (50:50 veya 70:30) ile analiz edildi. Kolon 40°C'de tutuldu. Dedektörün dalga boyu 254 nm'dir.
Numunenin % pik alanı, sadece triazol ürünü olan kalıntı alkinin pik alanından hesaplandı ve başlangıç ​​materyalinin tanıtılması, karşılık gelen piklerin tanımlanmasını mümkün kıldı.
Tüm örnekler Thermo iCAP 6000 ICP-OES kullanılarak analiz edildi. Tüm kalibrasyon standartları %2 nitrik asitte 1000 ppm Cu standart çözeltisi kullanılarak hazırlandı (SPEX Certi Prep). Tüm standartlar %5 DMF ve %2 HNO3 çözeltisinde hazırlandı ve tüm örnekler DMF-HNO3 örnek çözeltisiyle 20 kat seyreltildi.
UAM, son montajı oluşturmak için kullanılan metal folyoyu birleştirme yöntemi olarak ultrasonik metal kaynak kullanır. Ultrasonik metal kaynak, malzemenin titreştirilmesiyle yapıştırılacak/önceden konsolide edilecek folyoya/önceden konsolide edilmiş katmana basınç uygulamak için titreşimli bir metal alet (korna veya ultrasonik korna olarak adlandırılır) kullanır. Sürekli çalışma için, sonotrot silindirik bir şekle sahiptir ve malzemenin yüzeyi üzerinde yuvarlanarak tüm alanı yapıştırır. Basınç ve titreşim uygulandığında, malzemenin yüzeyindeki oksitler çatlayabilir. Sürekli basınç ve titreşim, malzemenin pürüzlülüğünün bozulmasına yol açabilir 36. Yerelleştirilmiş ısı ve basınçla yakın temas, daha sonra malzeme arayüzlerinde katı faz bağına yol açar; ayrıca yüzey enerjisini değiştirerek kohezyonu da destekleyebilir48. Bağlama mekanizmasının doğası, diğer katkı üretim teknolojilerinde belirtilen değişken eriyik sıcaklığı ve yüksek sıcaklık etkileriyle ilişkili sorunların çoğunun üstesinden gelir. Bu, farklı malzemelerden oluşan birkaç katmanın tek bir konsolide yapıya doğrudan bağlanmasına (yani yüzey modifikasyonu, dolgu maddesi veya yapıştırıcı olmadan) olanak tanır.
CAM için ikinci olumlu faktör, metalik malzemelerde düşük sıcaklıklarda, yani metalik malzemelerin erime noktasının çok altında bile gözlemlenen yüksek plastik akış derecesidir. Ultrasonik titreşimler ve basıncın birleşimi, geleneksel olarak dökme malzemelerle ilişkilendirilen önemli sıcaklık artışı olmadan yüksek düzeyde yerel tane sınırı göçü ve yeniden kristalleşmeye neden olur. Son montajın oluşturulması sırasında, bu fenomen, aktif ve pasif bileşenleri metal folyo katmanları arasına katman katman yerleştirmek için kullanılabilir. Optik fiber 49, takviye 46, elektronik 50 ve termokupllar (bu çalışma) gibi elemanlar, aktif ve pasif kompozit montajlar oluşturmak için UAM yapılarına başarıyla entegre edilmiştir.
Bu çalışmada, katalitik sıcaklık kontrolü için ideal bir mikroreaktör oluşturmak amacıyla hem farklı malzeme bağlama kabiliyetleri hem de UAM interkalasyon kabiliyetleri kullanılmıştır.
Paladyum (Pd) ve yaygın olarak kullanılan diğer metal katalizörlerle karşılaştırıldığında, Cu katalizinin birkaç avantajı vardır: (i) Ekonomik olarak, Cu katalizde kullanılan diğer birçok metalden daha ucuzdur ve bu nedenle kimya endüstrisi için çekici bir seçenektir (ii) Cu katalizli çapraz bağlantı reaksiyonlarının aralığı genişlemektedir ve Pd51, 52, 53 tabanlı metodolojilere bir şekilde tamamlayıcı görünmektedir (iii) Cu katalizli reaksiyonlar diğer ligandların yokluğunda iyi çalışır. Bu ligandlar genellikle istenirse yapısal olarak basit ve ucuzdur, oysa Pd kimyasında kullanılanlar genellikle karmaşık, pahalı ve havaya duyarlıdır (iv) Cu, özellikle sentezde alkinleri bağlama yeteneğiyle bilinir, örneğin Sonogashira'nın bimetalik katalizli bağlantı ve azitlerle sikloadisyon (tıklama kimyası) (v) Cu ayrıca Ullmann tipi reaksiyonlarda bazı nükleofillerin arilasyonunu da teşvik edebilir.
Son zamanlarda, Cu(0) varlığında tüm bu reaksiyonların heterojenizasyonuna dair örnekler gösterilmiştir. Bu büyük ölçüde ilaç endüstrisi ve metal katalizörlerin geri kazanılması ve yeniden kullanılmasına artan odaklanmadan kaynaklanmaktadır55,56.
İlk olarak 1960'larda Huisgen tarafından önerilen asetilen ve azit arasındaki 1,2,3-triazol arasındaki 1,3-dipolar sikloadisyon reaksiyonu sinerjik bir gösteri reaksiyonu olarak kabul edilir. Elde edilen 1,2,3 triazol parçaları biyolojik uygulamaları ve çeşitli terapötik ajanlarda kullanımı nedeniyle ilaç keşfinde bir farmakofor olarak özellikle ilgi çekicidir 58 .
Bu reaksiyon, Sharpless ve diğerleri "klik kimyası" kavramını ortaya attığında yeniden ilgi gördü59. "Klik kimyası" terimi, heteroatomik bağlama (CXC)60 kullanarak yeni bileşiklerin ve kombinasyonel kütüphanelerin hızlı sentezi için sağlam ve seçici bir reaksiyon kümesini tanımlamak için kullanılır. Bu reaksiyonların sentetik çekiciliği, bunlarla ilişkili yüksek verimlerden kaynaklanmaktadır. koşullar basittir, oksijene ve suya karşı direnç ve ürün ayrımı basittir61.
Klasik 1,3-dipol Huisgen sikloadisyon "klik kimyası" kategorisine girmez. Ancak, Medal ve Sharpless, bu azid-alkin kuplaj olayının Cu(I) varlığında 107–108'e uğradığını, katalitik olmayan 1,3-dipolar sikloadisyon oranındaki önemli bir hızlanmanın ise 62,63 olduğunu göstermiştir. Bu gelişmiş reaksiyon mekanizması koruyucu gruplar veya sert reaksiyon koşulları gerektirmez ve zamanla 1,4-disubstitüe 1,2,3-triazollere (anti-1,2,3-triazoller) neredeyse tam dönüşüm ve seçicilik sağlar (Şekil 3).
Geleneksel ve bakır katalizli Huisgen sikloadisyonlarının izometrik sonuçları. Cu(I) katalizli Huisgen sikloadisyonları sadece 1,4-disubstitüe 1,2,3-triazoller verirken, termal olarak indüklenen Huisgen sikloadisyonları tipik olarak 1:1 azol stereoizomerleri karışımı olan 1,4- ve 1,5-triazoller verir.
Çoğu protokol, CuSO4 veya Cu(II)/Cu(0) bileşiğinin sodyum tuzlarıyla kombinasyonu gibi kararlı Cu(II) kaynaklarının indirgenmesini içerir. Diğer metal katalizli reaksiyonlarla karşılaştırıldığında, Cu(I) kullanımı ucuz ve kullanımı kolay olma gibi başlıca avantajlara sahiptir.
Worrell ve ark. tarafından yapılan kinetik ve izotopik çalışmalar 65 terminal alkinler durumunda, her molekülün azide göre reaktifliğini aktive etmede iki eşdeğer bakırın rol oynadığını göstermiştir. Önerilen mekanizma, azidin σ-bağlı bakır asetilid ile π-bağlı bakırın kararlı bir donör ligand olarak koordinasyonuyla oluşan altı üyeli bir bakır metal halkası aracılığıyla ilerler. Bakır triazolil türevleri, triazol ürünleri oluşturmak ve katalitik döngüyü kapatmak için proton ayrışmasının ardından halka daralması sonucu oluşur.
Akış kimyası cihazlarının faydaları iyi belgelenmiş olsa da, bu sistemlere gerçek zamanlı proses izleme için analitik araçların entegre edilmesi isteği olmuştur66,67. UAM, doğrudan gömülü algılama elemanlarına sahip katalitik olarak aktif, termal olarak iletken malzemelerden çok karmaşık 3B akış reaktörleri tasarlamak ve üretmek için uygun bir yöntem olduğunu kanıtlamıştır (Şekil 4).
Ultrasonik katkı imalatı (UAM) ile üretilen, karmaşık bir iç kanal yapısı, yerleşik termokupllar ve katalitik reaksiyon odası bulunan alüminyum-bakır akış reaktörü. İç akışkan yollarını görselleştirmek için stereolitografi kullanılarak yapılmış şeffaf bir prototip de gösterilmiştir.
Reaktörlerin gelecekteki organik reaksiyonlar için yapıldığından emin olmak için, çözücüler güvenli bir şekilde kaynama noktalarının üzerine ısıtılmalıdır; basınç ve sıcaklık testinden geçirilirler. Basınç testi, sistemin yüksek basınçta bile (1,7 MPa) sabit ve stabil bir basınç sağladığını göstermiştir. Hidrostatik testler, sıvı olarak H2O kullanılarak oda sıcaklığında gerçekleştirilmiştir.
Dahili (Şekil 1) termokuplun sıcaklık veri kaydedicisine bağlanması, termokupl sıcaklığının FlowSyn sistemindeki programlanmış sıcaklığın 6 °C (± 1 °C) altında olduğunu gösterdi. Tipik olarak, sıcaklıktaki 10 °C'lik bir artış reaksiyon hızını iki katına çıkarır, bu nedenle sadece birkaç derecelik bir sıcaklık farkı reaksiyon hızını önemli ölçüde değiştirebilir. Bu fark, üretim sürecinde kullanılan malzemelerin yüksek termal difüzivitesi nedeniyle RPV boyunca sıcaklık kaybından kaynaklanmaktadır. Bu termal kayma sabittir ve bu nedenle reaksiyon sırasında doğru sıcaklıklara ulaşılmasını ve ölçülmesini sağlamak için ekipmanı kurarken dikkate alınabilir. Bu nedenle, bu çevrimiçi izleme aracı reaksiyon sıcaklığının sıkı bir şekilde kontrol edilmesini kolaylaştırır ve daha hassas proses optimizasyonuna ve optimum koşulların geliştirilmesine katkıda bulunur. Bu sensörler ayrıca ekzotermik reaksiyonları tespit etmek ve büyük ölçekli sistemlerde kontrolden çıkan reaksiyonları önlemek için de kullanılabilir.
Bu makalede sunulan reaktör, UAM teknolojisinin kimyasal reaktörlerin imalatına uygulanmasının ilk örneğidir ve bu cihazların AM/3D baskısı ile şu anda ilişkilendirilen birkaç önemli sınırlamayı ele almaktadır, örneğin: (i) Bakır veya alüminyum alaşımının işlenmesiyle ilişkili belirtilen sorunların üstesinden gelinmesi (ii) seçici lazer eritme (SLM)25,69 gibi toz yatak eritme (PBF) yöntemlerine kıyasla iyileştirilmiş dahili kanal çözünürlüğü26 (iii) toz yatak teknolojisinde mümkün olmayan sensörlerin doğrudan bağlanmasını kolaylaştıran daha düşük işleme sıcaklığı, (v) polimer bazlı bileşenlerin çeşitli yaygın organik çözücülere karşı zayıf mekanik özelliklerinin ve hassasiyetinin üstesinden gelinmesi17,19.
Reaktörün işlevselliği, sürekli akış koşulları altında bir dizi bakır katalizli alkinazid sikloadisyon reaksiyonu ile gösterilmiştir (Şekil 2). Şekil 4'te gösterilen ultrasonik baskılı bakır reaktör, ticari bir akış sistemi ile entegre edilmiş ve sodyum klorür varlığında asetilen ve alkil grubu halojenürlerin sıcaklık kontrollü reaksiyonu kullanılarak çeşitli 1,4-disubstitüe 1,2,3-triazollerin bir azit kütüphanesini sentezlemek için kullanılmıştır (Şekil 3). Sürekli akış yaklaşımının kullanımı, bu reaksiyon oldukça reaktif ve tehlikeli azit ara maddeleri ürettiğinden, toplu işlemlerde ortaya çıkabilecek güvenlik sorunlarını azaltır [317], [318]. Başlangıçta, reaksiyon fenilasetilen ve iyodoetanın sikloadisyonuna yönelik olarak optimize edilmiştir (Şema 1 – Fenilasetilen ve iyodoetanın sikloadisyonu) (bkz. Şekil 5).
(Sol üst) Fenilasetilen ve iyodoetan arasındaki Huisgen 57 sikloadisyon şemasının optimize edilmiş (alt) şemasından elde edilen bir akış sistemine (sağ üst) bir 3DP reaktörünü dahil etmek için kullanılan kurulumun şeması ve reaksiyonun optimize edilmiş dönüşüm oranı parametrelerini göstermektedir.
Reaktörün katalitik bölümündeki reaktanların kalma süresini kontrol ederek ve reaksiyon sıcaklığını doğrudan entegre edilmiş bir termoçift sensörüyle dikkatlice izleyerek, reaksiyon koşulları minimum zaman ve malzemeyle hızlı ve doğru bir şekilde optimize edilebilir. En yüksek dönüşümün 15 dakikalık bir kalma süresi ve 150°C'lik bir reaksiyon sıcaklığı kullanılarak elde edildiği kısa sürede bulundu. MODDE yazılımının katsayı grafiğinden, hem kalma süresinin hem de reaksiyon sıcaklığının modelin önemli koşulları olarak kabul edildiği görülebilir. Bu seçili koşulları kullanarak yerleşik optimize ediciyi çalıştırmak, başlangıç ​​malzemesi pik alanlarını azaltırken ürün pik alanlarını en üst düzeye çıkarmak için tasarlanmış bir dizi reaksiyon koşulu oluşturur. Bu optimizasyon, modelin %54'lük tahminiyle tam olarak eşleşen triazol ürününün %53'lük bir dönüşümünü sağladı.