Дякуємо за відвідування Nature.com. Версія веб-переглядача, яку ви використовуєте, має обмежену підтримку CSS. Для найкращого досвіду ми рекомендуємо вам використовувати оновлений браузер (або вимкнути режим сумісності в Internet Explorer). Тим часом, щоб забезпечити постійну підтримку, ми відображатимемо сайт без стилів і JavaScript.
Адитивне виробництво змінює спосіб, у який дослідники та промисловці проектують і виготовляють хімічні пристрої відповідно до їхніх конкретних потреб. У цій роботі ми повідомляємо про перший приклад проточного реактора, створеного за допомогою технології ламінування твердого металевого листа Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM) із безпосередньо інтегрованими каталітичними частинами та чутливими елементами. Технологія UAM не лише долає багато обмежень, які зараз пов’язані з адитивним виробництвом хімічних реакторів, але й це також значно збільшує можливості таких пристроїв. Серія біологічно важливих 1,4-дизаміщених 1,2,3-тріазолових сполук була успішно синтезована та оптимізована за допомогою Cu-опосередкованої реакції 1,3-диполярного циклоприєднання Гюйсгена з використанням хімічної установки UAM. Завдяки використанню унікальних властивостей UAM і безперервної обробки потоку пристрій здатний каталізувати поточні реакції, а також забезпечувати реальні час зворотного зв'язку для моніторингу та оптимізації реакції.
Завдяки суттєвим перевагам над масовою хімією, хімія потоків є важливою галуззю, що розвивається як в академічних, так і в промислових умовах, завдяки своїй здатності підвищувати селективність і ефективність хімічного синтезу. Це поширюється від утворення простих органічних молекул1 до фармацевтичних сполук2,3 і природних продуктів4,5,6.Понад 50% реакцій у тонкій хімічній та фармацевтичній промисловості можуть виграти від використання безперервної обробки потоку7.
Останніми роками зростає тенденція груп, які прагнуть замінити традиційний скляний посуд або обладнання для потокової хімії на настроювані «реакційні посудини» хімічного адитивного виробництва (AM)8. Ітеративний дизайн, швидке виробництво та тривимірні (3D) можливості цих методів є корисними для тих, хто хоче налаштувати свої пристрої для певного набору реакцій, пристроїв або умов. На сьогоднішній день ця робота зосереджена майже виключно на використання методів 3D-друку на основі полімерів, таких як стереолітографія (SL) 9, 10, 11, моделювання осадження плавленням (FDM) 8, 12, 13, 14 та струменевий друк 7, 15, 16. Відсутність надійності та здатності таких пристроїв виконувати широкий спектр хімічних реакцій/аналізів 17, 18, 19, 20 є основним обмежуючим фактором для більш широкого впровадження AM у цій галузі. 17, 18, 19, 20.
У зв’язку зі збільшенням використання хімії потоку та сприятливих властивостей, пов’язаних з АМ, існує потреба у дослідженні більш досконалих методів, які дозволять користувачам виготовляти проточні реакційні судини з розширеними хімічними та аналітичними можливостями. Ці методи мають дозволити користувачам вибирати з ряду високоміцних або функціональних матеріалів, здатних працювати з широким діапазоном умов реакції, а також сприяти різноманітним формам аналітичного виходу з пристрою для моніторингу та контролю реакції.
Одним із процесів адитивного виробництва, який має потенціал для розробки спеціальних хімічних реакторів, є ультразвукове адитивне виробництво (UAM). Ця техніка твердотільного листового ламінування застосовує ультразвукові коливання до тонкої металевої фольги, щоб з’єднати їх разом шар за шаром із мінімальним об’ємним нагріванням і високим ступенем пластичного потоку 21, 22, 23. На відміну від більшості інших технологій AM, UAM можна безпосередньо інтегрувати з субтрактивним виробництвом. uring, відомий як гібридний виробничий процес, у якому фрезерування на місці з періодичним комп’ютерним числовим керуванням (ЧПК) або лазерна обробка визначають чисту форму шару зв’язаного матеріалу 24, 25. Це означає, що користувач не обмежений проблемами, пов’язаними з видаленням залишків сировини будівельного матеріалу з малих рідинних каналів, що часто буває у порошкових і рідких системах AM26,27,28. Ця свобода дизайну також поширюється на вибір матеріалу. доступні – UAM може з’єднувати термічно схожі та різні комбінації матеріалів за один етап процесу. Вибір комбінацій матеріалів поза процесом плавлення означає, що механічні та хімічні вимоги до конкретних застосувань можуть бути краще задоволені. Окрім твердотільного склеювання, ще одним явищем, яке зустрічається під час ультразвукового склеювання, є висока текучість пластикових матеріалів при відносно низьких температурах29,30,31,32,33. Ця унікальна механічна особливість UAM може полегшити вбудовування /теплові елементи між металевими шарами без пошкоджень. Вбудовані датчики UAM можуть полегшити доставку інформації в реальному часі від пристрою до користувача за допомогою інтегрованої аналітики.
Попередня робота авторів32 продемонструвала здатність процесу UAM створювати металеві тривимірні мікрофлюїдні структури з інтегрованими сенсорними можливостями. Це пристрій лише для моніторингу. У цій статті представлено перший приклад мікрофлюїдного хімічного реактора, виготовленого UAM;активний пристрій, який не тільки відстежує, але й індукує хімічний синтез за допомогою структурно інтегрованих каталізаторів. Пристрій поєднує в собі кілька переваг, пов’язаних з технологією UAM у виробництві 3D-хімічних пристроїв, таких як: здатність перетворювати повні 3D-проекти безпосередньо з моделей автоматизованого проектування (CAD) у продукти;багатоматеріальне виготовлення для поєднання високої теплопровідності та каталітичних матеріалів;і вбудовування теплових датчиків безпосередньо між потоками реагентів для точного моніторингу та контролю температури реакції. Щоб продемонструвати функціональність реактора, бібліотеку фармацевтично важливих 1,4-дизаміщених 1,2,3-тріазолових сполук було синтезовано шляхом каталізованого міддю 1,3-диполярного циклоприєднання Гюїзгена. Ця робота підкреслює, як використання матеріалознавства та автоматизованого проектування може відкрити нові можливості та можливості для хімії через міждисциплінарні дослідження.
Усі розчинники та реагенти були придбані у Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI або Fischer Scientific і використовувалися без попереднього очищення. Спектри ЯМР 1H і 13C, записані при 400 МГц і 100 МГц відповідно, були отримані за допомогою спектрометра JEOL ECS-400 400 МГц або спектрометра Bruker Avance II 400 МГц і CDCl3 або (CD3) 2SO як розчинник. Усі реакції проводили з використанням потокової хімічної платформи Uniqsis FlowSyn.
UAM використовувався для виготовлення всіх пристроїв у цьому дослідженні. Цю технологію було винайдено в 1999 році, а її технічні деталі, робочі параметри та розробки з моменту її винаходу можна вивчити за такими опублікованими матеріалами34,35,36,37. Пристрій (рис. 1) було реалізовано за допомогою надвисокої потужності, 9 кВт системи UAM SonicLayer 4000® (Fabrisonic, Огайо, США). Матеріали, вибрані для виготовлення потокового пристрою, були Cu-110 та Al 6061. Cu-110 має високий вміст міді (мінімум 99,9%), що робить його хорошим кандидатом для реакцій, які каталізуються міддю, і тому використовується як «активний шар у мікрореакторі».Al 6061 O використовується як «об’ємний» матеріал, також для аналізу використовується вбудовуючий шар;Вставлення допоміжних компонентів сплаву та стан відпалу в поєднанні з шаром Cu-110.Al 6061 O — це матеріал, який, як було показано, має високу сумісність із процесами UAM38, 39, 40, 41 і був протестований і визнаний хімічно стабільним з реагентами, використаними в цій роботі.Комбінація Al 6061 O з Cu-110 також вважається сумісною комбінацією матеріалів для UAM і тому є придатним матеріалом для цього дослідження.38,42 Ці пристрої перераховані в таблиці 1 нижче.
Етапи виготовлення реактора (1) Підкладка з Al 6061 (2) Виготовлення нижнього каналу на мідній фользі (3) Вбудовування термопар між шарами (4) Верхній канал (5) Вхідний і вихідний отвір (6) Монолітний реактор.
Філософія дизайну рідинного шляху полягає у використанні заплутаного шляху для збільшення відстані, яку проходить рідина всередині чіпа, зберігаючи при цьому чіп керованого розміру. Це збільшення відстані бажано для збільшення часу взаємодії каталізатора з реагентом і забезпечення відмінного виходу продукту. Чіпи використовують вигини на 90° на кінцях прямого шляху, щоб викликати турбулентне змішування всередині пристрою44 і збільшити час контакту рідини з поверхнею (каталог). lyst). Для подальшого збільшення змішування, якого можна досягти, конструкція реактора має два входи для реагентів, об’єднані в Y-подібному з’єднанні перед входом у змієподібну секцію змішування. Третій вхід, який перетинає потік на півдорозі через його постійне місце проживання, включено до конструкції майбутніх багатоетапних реакцій синтезу.
Усі канали мають квадратний профіль (без кутів осідання), що є результатом періодичного фрезерування з ЧПК, що використовується для створення геометрії каналу. Розміри каналу вибрано для забезпечення високого (для мікрореактора) об’ємного виходу, водночас вони достатньо малі, щоб полегшити поверхневі взаємодії (каталізатори) для більшості рідин, що містяться. Відповідний розмір базується на минулому досвіді авторів із металево-рідинними пристроями для реакції. Внутрішні розміри кінцевого каналу становили 750 мкм. x 750 мкм, а загальний об’єм реактора становив 1 мл. Інтегрований з’єднувач (різьба 1/4″—28 UNF) включений у конструкцію, щоб забезпечити просте сполучення пристрою з комерційним обладнанням потокової хімії.Розмір каналу обмежений товщиною матеріалу фольги, її механічними властивостями та параметрами зв’язку, які використовуються з ультразвуком.При певній ширині для даного матеріалу матеріал «провисатиме» у створений канал.Наразі немає конкретної моделі для цього розрахунку, тому максимальна ширина каналу для даного матеріалу та конструкції визначається експериментально;в цьому випадку ширина 750 мкм не викличе провисання.
Форма (квадрат) каналу визначається за допомогою квадратного різака. Форму та розмір каналів можна змінити за допомогою верстатів з ЧПК за допомогою різних ріжучих інструментів для отримання різних витрат і характеристик. Приклад створення каналу зігнутої форми за допомогою інструмента 125 мкм можна знайти в роботі Monaghan45. Коли шар фольги наноситься планарним способом, накладення матеріалу фольги на канали матиме плоску (квадратну) поверхню. У даній роботі з метою дотримання симетрії русла використовувався квадратний контур.
Під час попередньо запрограмованої паузи у виробництві датчики температури термопар (Тип K) вбудовані безпосередньо в пристрій між верхньою та нижньою групами каналів (Малюнок 1 – Етап 3). Ці термопари можуть відстежувати зміни температури від −200 до 1350 °C.
Процес осадження металу виконується рупором UAM з використанням металевої фольги шириною 25,4 мм і товщиною 150 мікрон. Ці шари фольги з’єднані в серію суміжних смуг, щоб покрити всю площу конструкції;розмір нанесеного матеріалу більший, ніж кінцевий продукт, оскільки субтрактивний процес створює кінцеву чисту форму. Обробка з ЧПК використовується для обробки зовнішніх і внутрішніх контурів обладнання, в результаті чого обробка поверхні обладнання та каналів дорівнює обраному інструменту та параметрам процесу ЧПК (приблизно 1,6 мкм Ra у цьому прикладі). Безперервне, безперервне ультразвукове нанесення матеріалу та цикли обробки використовуються протягом усього процесу виробництва пристрою щоб гарантувати точність розмірів і готову деталь відповідати рівням точності чистового фрезерування з ЧПУ. Ширина каналу, що використовується для цього пристрою, достатньо мала, щоб гарантувати, що матеріал фольги не «провисає» в канал рідини, тому канал зберігає квадратний поперечний переріз. Можливі зазори в матеріалі фольги та параметри процесу UAM були визначені експериментально партнером-виробником (Fabrisonic LLC, США).
Дослідження показали, що незначна елементарна дифузія відбувається на межі з’єднання UAM 46, 47 без додаткової термічної обробки, тому для пристроїв у цій роботі шар Cu-110 залишається відмінним від шару Al 6061 і раптово змінюється.
Встановіть попередньо відкалібрований регулятор протитиску (BPR) 250 psi (1724 кПа) на виході з реактора та прокачуйте воду через реактор зі швидкістю від 0,1 до 1 мл хв-1. Тиск у реакторі контролювався за допомогою вбудованого в систему датчика тиску FlowSyn, щоб переконатися, що система може підтримувати постійний постійний тиск. Потенційні температурні градієнти в проточному реакторі перевірялися шляхом виявлення будь-яких відмінностей між Термопари, вбудовані в реактор, і термопари, вбудовані в нагрівальну пластину мікросхеми FlowSyn. Це досягається зміною програмованої температури конфорки між 100 і 150 °C з кроком 25 °C і записом будь-яких відмінностей між запрограмованою та записаною температурами. Це було досягнуто за допомогою реєстратора даних tc-08 (PicoTech, Cambridge, UK) і супровідного програмного забезпечення PicoLog.
Умови реакції циклоприєднання фенілацетилену та йодетану були оптимізовані (схема 1 - Циклоприєднання фенілацетилену та йодетану Схема 1 - Циклоприєднання фенілацетилену та йодетану). Цю оптимізацію було виконано за допомогою підходу повного факторного плану експериментів (DOE), використовуючи температуру та час перебування як змінні параметри, одночасно фіксуючи al співвідношення кін:азид 1:2.
Були приготовлені окремі розчини азиду натрію (0,25 М, 4:1 ДМФА:H2O), йодетану (0,25 М, ДМФА) і фенілацетилену (0,125 М, ДМФА). 1,5 мл аліквоти кожного розчину змішали та прокачали через реактор при бажаній швидкості потоку та температурі. Відповідь моделі було прийнято як співвідношення площі піку продукту триазолу до фенілацету. вихідний матеріал тилену та визначений за допомогою високоефективної рідинної хроматографії (ВЕРХ). Для узгодженості аналізу зразки всіх реакцій були відібрані одразу після виходу реакційної суміші з реактора. Діапазони параметрів, вибрані для оптимізації, наведені в таблиці 2.
Усі зразки аналізували за допомогою системи ВЕРХ Chromaster (VWR, Пенсильванія, США), що складається з четвертинного насоса, духовки колонки, УФ-детектора зі змінною довжиною хвилі та автосамплера. Колонка була Equivalence 5 C18 (VWR, Пенсильванія, США), розміром 4,6 × 100 мм, розміром частинок 5 мкм, підтримувалася при 40 °C. Розчинник був ізократичним 50:50 метанол:вода зі швидкістю потоку 1,5 мл.хв-1. Об’єм ін’єкції становив 5 мкл, а довжина хвилі детектора становила 254 нм. % площі піку для зразка DOE було розраховано на підставі площі піків лише залишкових алкінових і триазолових продуктів. Введення вихідного матеріалу дозволяє ідентифікувати відповідні піки.
Поєднання вихідних даних аналізу реактора з програмним забезпеченням MODDE DOE (Umetrics, Мальме, Швеція) дозволило провести ретельний аналіз тенденцій результатів і визначити оптимальні умови реакції для цього циклододавання. Запуск вбудованого оптимізатора та вибір усіх важливих умов моделі дає набір умов реакції, призначених для максимізації площі піку продукту при зменшенні площі піку для вихідного матеріалу ацетилену.
Окислення поверхні міді в каталітичній реакційній камері було досягнуто за допомогою розчину перекису водню (36%), що протікає через реакційну камеру (швидкість потоку = 0,4 мл хв-1, час перебування = 2,5 хв) перед синтезом кожної бібліотеки триазолових сполук.
Після того, як було визначено оптимальний набір умов, їх застосували до ряду похідних ацетилену та галогеналканів, щоб скласти невелику бібліотеку синтезу, таким чином створивши можливість застосувати ці умови до більш широкого діапазону потенційних реагентів (рис. 1).2).
Приготуйте окремі розчини азиду натрію (0,25 М, 4:1 ДМФА:H2O), галогеналканів (0,25 М, ДМФА) та алкінів (0,125 М, ДМФА). Аліквоти 3 мл кожного розчину змішують і прокачують через реактор при 75 мкл.хв-1 і 150 °C. Загальний об’єм збирають у пробірку та розбавляють 10 мл етилацетату. Розчин зразка промивали 3 × 10 мл води. Водні шари об’єднували та екстрагували 10 мл етилацетату;органічні шари потім об’єднували, промивали 3 х 10 мл розсолу, сушили над MgSO4 і фільтрували, потім розчинник видаляли у вакуумі. Зразки очищали колонковою хроматографією на силікагелі з використанням етилацетату перед аналізом за допомогою комбінації ВЕРХ, 1H ЯМР, 13C ЯМР і мас-спектрометрії високої роздільної здатності (HR-MS).
Усі спектри були отримані за допомогою прецизійного мас-спектрометра Thermofischer Orbitrap із ESI як джерелом іонізації. Усі зразки були підготовлені з використанням ацетонітрилу як розчинника.
Аналіз ТШХ проводили на пластинах з кремнезему з алюмінієвою підкладкою. Пластини візуалізували УФ-світлом (254 нм) або фарбуванням ваніліном і нагріванням.
Усі зразки аналізували за допомогою системи VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, Великобританія), оснащеної автоматичним пробовідбірником, бінарним насосом у колонній печі та детектором з однією довжиною хвилі. Використовувалася колонка ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4,6 мм, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Абердін, Шотландія).
Ін'єкції (5 мкл) здійснювали безпосередньо з розведеної сирої реакційної суміші (1:10 розведення) та проаналізували водою: метанол (50:50 або 70:30), за винятком деяких зразків, що використовують систему розчинника 70:30 (позначалися як зоряне число) зі швидкістю потоку 1,5 мл/хв. Колонка зберігалася при 40 ° C.
% площі піку зразка розраховували на підставі площі піку залишкового алкіну, лише продукту триазолу, і введення вихідного матеріалу дозволило ідентифікувати відповідні піки.
Усі зразки аналізували за допомогою Thermo iCAP 6000 ICP-OES. Усі калібрувальні стандарти готували з використанням стандартного розчину Cu 1000 ppm у 2% азотній кислоті (SPEX Certi Prep). Усі стандарти готували в 5% DMF та 2% розчині HNO3, і всі зразки розводили у 20 разів розчином DMF-HNO3.
UAM використовує ультразвукове зварювання металу як метод склеювання матеріалу металевої фольги, який використовується для створення остаточної збірки. Ультразвукове зварювання металу використовує вібруючий металевий інструмент (так званий ріг або ультразвуковий ріг), щоб застосувати тиск до шару фольги/раніше консолідованого шару, який потрібно склеїти, під час вібрації матеріалу. Для безперервної роботи сонотрод є циліндричним і котиться по поверхні матеріалу, склеюючи уся площа. Під час застосування тиску та вібрації оксиди на поверхні матеріалу можуть розтріскатися. Постійний тиск і вібрація можуть спричинити руйнування нерівностей матеріалу 36. Тісний контакт із локально викликаним теплом і тиском призводить до твердотільного зв’язку на поверхні розділу матеріалів;він також може сприяти адгезії через зміни поверхневої енергії48. Природа механізму з’єднання долає багато проблем, пов’язаних зі змінною температурою розплаву та високотемпературними наслідками, згаданими в інших техніках адитивного виробництва. Це дозволяє здійснювати пряме з’єднання (тобто без модифікації поверхні, наповнювачів або адгезивів) кількох шарів різних матеріалів в єдину консолідовану структуру.
Другим сприятливим фактором для UAM є високий ступінь пластичної течії, що спостерігається в металевих матеріалах, навіть при низьких температурах, тобто значно нижче точки плавлення металевих матеріалів. Поєднання ультразвукових коливань і тиску викликає високі рівні локальної міграції меж зерен і рекристалізації без значного підвищення температури, традиційно пов’язаного з сипучими матеріалами. Під час будівництва остаточного складання це явище можна використовувати для вбудовування активних і пасивних компонентів між шарами металу. фольга, шар за шаром. Такі елементи, як оптичні волокна 49, посилення 46, електроніка 50 і термопари (ця робота) усі були успішно вбудовані в структури UAM для створення активних і пасивних композитних вузлів.
У цій роботі як різні можливості зв’язування матеріалів, так і можливості інтеркаляції UAM були використані для створення ідеального мікрореактора каталітичного моніторингу температури.
Порівняно з паладієм (Pd) та іншими широко використовуваними металевими каталізаторами мідний каталіз має кілька переваг: (i) Економічно Cu дешевше, ніж багато інших металів, що використовуються в каталізі, і тому є привабливим варіантом для хімічної промисловості (ii) Діапазон реакцій перехресного сполучення, що каталізуються Cu, зростає і, здається, дещо доповнює методології на основі Pd51,52,53 (ii) i) Реакції, каталізовані Cu, добре працюють за відсутності інших лігандів. Ці ліганди часто структурно прості та недорогі, якщо це бажано, тоді як ті, що використовуються в хімії Pd, часто складні, дорогі та чутливі до повітря (iv) Cu, особливо відома своєю здатністю зв’язувати алкіни в синтезі, наприклад, біметалічний каталізатор з’єднання Соногашири та циклоприєднання з азидами (клацніть хімік ry) (v)Cu також здатна стимулювати арилування кількох нуклеофілів у реакціях типу Ульмана.
Приклади гетерогенізації всіх цих реакцій нещодавно були продемонстровані в присутності Cu(0). Це значною мірою пов’язано з фармацевтичною промисловістю та зростаючою увагою до відновлення та повторного використання металевих каталізаторів55,56.
Реакція 1,3-диполярного циклоприєднання між ацетиленом і азидом до 1,2,3-тріазолу, започаткована Huisgen у 1960-х роках57, вважається синергетичною демонстраційною реакцією. Отримані фрагменти 1,2,3 триазолу становлять особливий інтерес як фармакофор у галузі відкриття ліків через їх біологічне застосування та використання в різних терапевтичних агентах 58 .
Ця реакція знову опинилася в центрі уваги, коли Шарплесс та інші ввели концепцію «хімії клацання»59. Термін «хімія клацання» використовується для опису стійкого, надійного та селективного набору реакцій для швидкого синтезу нових сполук і комбінаторних бібліотек за допомогою гетероатомного зв’язку (CXC)60. Синтетична привабливість цих реакцій пов’язана з пов’язаними з ними високими виходами, умовами реакції є простими, стійкістю до кисню та води та розділення продукту просте61.
Класичне 1,3-дипольне циклоприєднання Гюїзгена не належить до категорії «хімії клацань». Однак Medal і Sharpless продемонстрували, що ця подія сполучення азид-алкін зазнає від 107 до 108 у присутності Cu(I) порівняно зі значним прискоренням швидкості некаталізованого 1,3-диполярного циклоприєднання 62,63. Цей покращений механізм реакції не потребує захисту. груп або суворих реакційних умовах і забезпечує майже повну конверсію та селективність до 1,4-дизаміщених 1,2,3-триазолів (анти-1,2,3-триазолу) у часовому масштабі (рис. 3).
Ізометричні результати звичайних та каталізованих міддю циклоприєднань Гюйсгена. Каталізовані Cu(I) циклоприєднання Гюйсгена дають лише 1,4-дизаміщені 1,2,3-тріазоли, тоді як термічно індуковані циклоприєднання Гюїзгена зазвичай дають 1,4- та 1,5-тріазоли 1:1 суміші стереоізомерів азоли.
Більшість протоколів передбачають зменшення кількості стабільних джерел Cu(II), наприклад зменшення концентрації CuSO4 або Cu(II)/Cu(0) у комбінації з солями натрію. Порівняно з іншими реакціями, які каталізуються металами, використання Cu(I) має основні переваги, оскільки він недорогий і простий у використанні.
Дослідження кінетичного та ізотопного маркування Worrell et al.65 показали, що у випадку кінцевих алкінів два еквіваленти міді беруть участь в активації реакційної здатності кожної молекули по відношенню до азиду. Запропонований механізм відбувається через шестичленне мідне металеве кільце, утворене координацією азиду з σ-зв’язаним ацетилідом міді з π-зв’язаною міддю як стабільним донорним лігандом. Триазолільні похідні міді утворюються шляхом усадки кільця, а потім про тонного розкладання з утворенням триазолових продуктів і замикання каталітичного циклу.
Незважаючи на те, що переваги потокових хімічних пристроїв добре задокументовані, існувало бажання інтегрувати аналітичні інструменти в ці системи для поточного моніторингу процесів на місці66,67. UAM виявився придатним методом для проектування та виробництва дуже складних 3D-проточних реакторів, виготовлених з каталітично активних, теплопровідних матеріалів із безпосередньо вбудованими чутливими елементами (рис. 4).
Алюмінієво-мідний проточний реактор, виготовлений методом ультразвукового адитивного виробництва (UAM) зі складною структурою внутрішнього каналу, вбудованими термопарами та каталітичною реакційною камерою. Для візуалізації внутрішніх шляхів рідини також показано прозорий прототип, виготовлений за допомогою стереолітографії.
Щоб забезпечити виготовлення реакторів для майбутніх органічних реакцій, розчинники необхідно безпечно нагріти вище точки кипіння;вони пройшли випробування тиском і температурою. Випробування тиском показало, що система підтримує стабільний і постійний тиск навіть за підвищеного тиску системи (1,7 МПа). Гідростатичне випробування проводилося при кімнатній температурі з використанням H2O як рідини.
Підключення вбудованої (рис. 1) термопари до реєстратора температурних даних показало, що термопара була на 6 °C (± 1 °C) нижчою за запрограмовану температуру в системі FlowSyn. Як правило, підвищення температури на 10 °C призводить до подвоєння швидкості реакції, тому різниця температур лише в кілька градусів може значно змінити швидкість реакції. Ця різниця пов’язана з втратою температури в корпусі реактора через висока теплопровідність матеріалів, що використовуються у виробничому процесі. Цей температурний дрейф є постійним і, отже, може бути врахований у налаштуванні обладнання, щоб забезпечити досягнення та вимірювання точних температур під час реакції. Таким чином, цей онлайн-інструмент моніторингу полегшує жорсткий контроль температури реакції та сприяє точнішій оптимізації процесу та розробці оптимальних умов. Ці датчики також можна використовувати для виявлення екзотермічних реакцій і запобігання реакцій, що витікають у великому масштабі.
Реактор, представлений у цій роботі, є першим прикладом застосування технології UAM для виготовлення хімічних реакторів і усуває кілька основних обмежень, пов’язаних із AM/3D-друком цих пристроїв, як-от: (i) подолання повідомлених проблем, пов’язаних з обробкою міді або алюмінієвих сплавів (ii) покращена роздільна здатність внутрішнього каналу порівняно з методами плавлення порошкового шару (PBF), такими як селективне лазерне плавлення (SLM)25,69 Поганий потік матеріалу та шорстка поверхня texture26 (iii) Знижена температура обробки, яка полегшує пряме з’єднання сенсорів, що неможливо в технології порошкового шару, (v) долає погані механічні властивості та чутливість компонентів на основі полімерів до різноманітних звичайних органічних розчинників17,19.
Працездатність реактора була продемонстрована серією каталізованих міддю реакцій циклоприєднання алкіназиду в умовах безперервного потоку (рис. 2). Мідний реактор з ультразвуковим друком, детально описаний на малюнку 4, був інтегрований із комерційною потоковою системою та використовувався для синтезу бібліотеки азидів різних 1,4-дизаміщених 1,2,3-триазолів за допомогою реакції з контрольованою температурою ацетилену та алкільних груп. галогеніди в присутності хлориду натрію (рис. 3). Використання підходу безперервного потоку зменшує проблеми безпеки, які можуть виникнути в періодичних процесах, оскільки ця реакція дає високореакційноздатні та небезпечні азидні проміжні продукти [317], [318]. Спочатку реакція була оптимізована для циклоприєднання фенілацетилену та йодетану (схема 1 – циклоприєднання фенілацету). тилену та йодетану) (див. Малюнок 5).
(Вгорі ліворуч) Схема установки, яка використовується для включення реактора 3DP в систему потоку (вгорі праворуч), отримана в оптимізованій (нижній) схемі схеми циклоприєднання 57 Гюїзгена між фенілацетиленом і йодетаном для оптимізації та показує оптимізовану швидкість реакції перетворення параметрів.
Контролюючи час перебування реагентів у каталітичній частині реактора та ретельно відстежуючи температуру реакції за допомогою безпосередньо інтегрованого зонда термопари, можна швидко й точно оптимізувати умови реакції з мінімальними витратами часу та матеріалів. Було швидко визначено, що найвищі конверсії були отримані, коли використовувався час перебування 15 хвилин і температура реакції 150 °C. З графіка коефіцієнтів програмного забезпечення MODDE видно, що як час перебування, так і температура реакції вважаються важливими параметрами моделі. Запуск вбудованого оптимізатора з використанням цих вибраних термінів генерує набір умов реакції, призначених для максимізації площі піків продукту при одночасному зменшенні площ піків вихідного матеріалу. Ця оптимізація дала 53% конверсії продукту триазолу, що близько відповідало прогнозу моделі в 54%.
На підставі літературних даних, які показують, що оксид міді(I) (Cu2O) може діяти як ефективний каталітичний вид на поверхнях нуль-валентної міді в цих реакціях, була досліджена здатність попередньо окислювати поверхню реактора перед проведенням реакції в потоці70,71. Потім реакцію між фенілацетиленом і йодетаном проводили знову в оптимальних умовах і порівнювали виходи. Було помічено, що ця підготовка призвела до значне збільшення конверсії вихідного матеріалу, яке було розраховано на >99%. Однак моніторинг за допомогою ВЕРХ показав, що ця конверсія значно скоротила надмірно подовжений час реакції приблизно до 90 хвилин, після чого активність вирівнювалася та досягала «стаціонарного стану». Це спостереження свідчить про те, що джерело каталітичної активності отримано з поверхні оксиду міді, а не з мідної підкладки з нульовою валентністю. Метал Cu легко окислюється при кімнатній температурі з утворенням CuO та Cu2O, які не є самозахисними шарами. Це усуває потребу додавати допоміжне джерело міді(II) для спільної композиції71.