Nature.com saytiga tashrif buyurganingiz uchun tashakkur.Siz foydalanayotgan brauzer versiyasi cheklangan CSS-ni qo'llab-quvvatlaydi.Eng yaxshi tajriba uchun yangilangan brauzerdan foydalanishni tavsiya qilamiz (yoki Internet Explorer-da Moslik rejimini o'chirib qo'ying).Shu bilan birga, doimiy qo'llab-quvvatlashni ta'minlash uchun biz saytni uslublarsiz va JavaScript-ni ishlatmasdan taqdim etamiz.
Bir vaqtning o'zida uchta slaydni ko'rsatadigan karusel.Bir vaqtning o'zida uchta slayd bo'ylab harakatlanish uchun "Oldingi" va "Keyingi" tugmalaridan foydalaning yoki bir vaqtning o'zida uchta slayd bo'ylab harakatlanish uchun oxiridagi slayder tugmalaridan foydalaning.
Qo'shimcha ishlab chiqarish tadqiqotchilar va sanoatchilarning o'ziga xos ehtiyojlarini qondirish uchun kimyoviy qurilmalarni loyihalash va ishlab chiqarish usullarini o'zgartiradi.Ushbu maqolada biz to'g'ridan-to'g'ri integratsiyalangan katalitik qismlarga va sezgir elementlarga ega bo'lgan qattiq metall qatlamni ultratovushli qo'shimchalar ishlab chiqarish (UAM) laminatsiyasi natijasida hosil bo'lgan oqim reaktorining birinchi misoli haqida xabar beramiz.UAM texnologiyasi nafaqat kimyoviy reaktorlarni qo'shimchalar ishlab chiqarish bilan bog'liq bo'lgan ko'plab cheklovlarni yengibgina qolmay, balki bunday qurilmalarning imkoniyatlarini sezilarli darajada kengaytiradi.Bir qator biologik ahamiyatga ega 1,4-almashtirilgan 1,2,3-triazol birikmalari UAM kimyo uskunasi yordamida Cu vositachiligidagi 1,3-dipolyar Huisgen siklo yuklanish reaksiyasi orqali muvaffaqiyatli sintez qilindi va optimallashtirildi.UAM va uzluksiz oqimni qayta ishlashning noyob xususiyatlaridan foydalangan holda, qurilma davom etayotgan reaktsiyalarni katalizlashi, shuningdek reaktsiyalarni kuzatish va optimallashtirish uchun real vaqt rejimida fikr-mulohazalarni taqdim etishi mumkin.
Oqim kimyosi o'zining asosiy hamkasbiga nisbatan sezilarli afzalliklari tufayli kimyoviy sintezning selektivligi va samaradorligini oshirish qobiliyati tufayli ham akademik, ham sanoat sharoitida muhim va rivojlanayotgan sohadir.Bu oddiy organik molekulalarning1 hosil bo'lishidan boshlab farmatsevtik birikmalar2,3 va tabiiy mahsulotlar4,5,6gacha.Nozik kimyo va farmatsevtika sanoatidagi reaktsiyalarning 50% dan ortig'i doimiy oqimdan foyda ko'rishi mumkin7.
So'nggi yillarda an'anaviy shisha idishlar yoki oqimli kimyo uskunalarini moslashuvchan kimyoviy "reaktorlar" bilan almashtirishga intilayotgan guruhlarning o'sishi tendentsiyasi kuzatilmoqda8.Ushbu usullarning iterativ dizayni, tezkor ishlab chiqarish va uch o'lchovli (3D) imkoniyatlari o'z qurilmalarini ma'lum reaktsiyalar, qurilmalar yoki shartlar to'plamiga moslashtirmoqchi bo'lganlar uchun foydalidir.Bugungi kunga kelib, bu ish deyarli faqat stereolitografiya (SL)9,10,11, Fused Deposition Modeling (FDM)8,12,13,14 va inkjet bosib chiqarish7,15 kabi polimer asosidagi 3D bosib chiqarish usullaridan foydalanishga qaratilgan., 16. Bunday qurilmalarning ishonchliligi va kimyoviy reaksiyalar/tahlillarning keng doirasini bajarish qobiliyatining yo‘qligi17, 18, 19, 20 AMni ushbu sohada kengroq qo‘llashni cheklovchi asosiy omil hisoblanadi17, 18, 19, 20.
Oqim kimyosidan ko'proq foydalanish va AM bilan bog'liq qulay xususiyatlar tufayli foydalanuvchilarga yaxshilangan kimyo va analitik imkoniyatlarga ega bo'lgan oqim reaktsiyasi idishlarini yaratishga imkon beradigan yaxshiroq usullarni o'rganish kerak.Ushbu usullar foydalanuvchilarga turli xil reaksiya sharoitlarida ishlashga qodir bo'lgan yuqori quvvatli yoki funktsional materiallardan tanlash imkonini berishi kerak, shuningdek, reaktsiyani kuzatish va nazorat qilish uchun qurilmadan tahliliy chiqishning turli shakllarini osonlashtirishi kerak.
Maxsus kimyoviy reaktorlarni ishlab chiqish uchun ishlatilishi mumkin bo'lgan qo'shimchalarni ishlab chiqarish jarayoni ultratovushli qo'shimchalar ishlab chiqarishdir (UAM).Ushbu qattiq qatlamli qatlamli qatlamni laminatsiyalash usuli ultratovush tebranishlarini yupqa metall plyonkalarni minimal hajmli isitish va yuqori darajadagi plastik oqim bilan qatlamma-qatlam bir-biriga yopishtirish uchun qo'llaydi 21, 22, 23. Boshqa ko'plab AM texnologiyalaridan farqli o'laroq, UAM to'g'ridan-to'g'ri gibrid ishlab chiqarish deb nomlanuvchi subtractive ishlab chiqarish bilan birlashtirilishi mumkin bog'langan material qatlamining aniq shakli 24, 25. Bu foydalanuvchi ko'pincha chang va suyuqlik tizimlari AM26,27,28 bo'ladi kichik suyuq kanallar, dan qoldiq original qurilish materiali olib tashlash bilan bog'liq muammolar bilan chegaralanib emas, degan ma'noni anglatadi.Ushbu dizayn erkinligi mavjud materiallarni tanlashga ham taalluqlidir - UAM bir jarayon bosqichida termal jihatdan o'xshash va o'xshash bo'lmagan materiallarning kombinatsiyasini bog'lashi mumkin.Eritma jarayonidan tashqari material birikmalarini tanlash, muayyan ilovalarning mexanik va kimyoviy talablarini yaxshiroq qondirish mumkinligini anglatadi.Qattiq bog'lanishga qo'shimcha ravishda, ultratovushli bog'lanish bilan yuzaga keladigan yana bir hodisa nisbatan past haroratlarda plastik materiallarning yuqori suyuqligidir29,30,31,32,33.UAM ning bu o'ziga xos xususiyati mexanik / termal elementlarni shikastlanmasdan metall qatlamlar orasiga joylashtirish imkonini beradi.O'rnatilgan UAM sensorlari integratsiyalashgan tahlillar orqali real vaqt rejimida qurilmadan foydalanuvchiga ma'lumot yetkazib berishni osonlashtirishi mumkin.
Mualliflarning oldingi ishi32 UAM jarayonining o'rnatilgan sezish qobiliyatiga ega metall 3D mikrofluidik tuzilmalarni yaratish qobiliyatini namoyish etdi.Ushbu qurilma faqat kuzatish uchun mo'ljallangan.Ushbu maqola UAM tomonidan ishlab chiqarilgan mikrosuyuq kimyoviy reaktorning birinchi namunasini taqdim etadi, u nafaqat boshqaruvchi, balki tarkibiy jihatdan birlashtirilgan katalitik materiallar bilan kimyoviy sintezni keltirib chiqaradigan faol qurilma.Qurilma 3D-kimyoviy qurilmalarni ishlab chiqarishda UAM texnologiyasi bilan bog‘liq bo‘lgan bir qancha afzalliklarni o‘zida mujassam etgan, masalan: to‘liq 3D-dizaynni to‘g‘ridan-to‘g‘ri kompyuter quvvatlangan dizayn (SAPR) modelidan mahsulotga aylantirish imkoniyati;yuqori issiqlik o'tkazuvchanligi va katalitik materiallarning kombinatsiyasi uchun ko'p materiallarni ishlab chiqarish, shuningdek, reaksiya haroratini aniq nazorat qilish va boshqarish uchun reaktiv oqimlari orasiga bevosita o'rnatilgan termal sensorlar.Reaktorning funksionalligini ko'rsatish uchun farmatsevtik jihatdan muhim bo'lgan 1,4-almashtirilgan 1,2,3-triazol birikmalari kutubxonasi mis katalizlangan 1,3-dipolyar Gyuisgen siklo yuklanishi orqali sintez qilindi.Ushbu ish materialshunoslik va kompyuter yordamida dizayndan foydalanish fanlararo tadqiqotlar orqali kimyo uchun yangi imkoniyatlar va imkoniyatlarni ochishi mumkinligini ta'kidlaydi.
Barcha erituvchilar va reagentlar Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI yoki Fischer Scientific'dan sotib olingan va oldindan tozalashsiz ishlatilgan.400 va 100 MGts chastotada qayd etilgan 1H va 13C NMR spektrlari mos ravishda JEOL ECS-400 400 MGts spektrometrida yoki erituvchi sifatida CDCl3 yoki (CD3) 2SO bilan Bruker Avance II 400 MGts spektrometrida olingan.Barcha reaksiyalar Uniqsis FlowSyn flow kimyo platformasi yordamida amalga oshirildi.
UAM ushbu tadqiqotdagi barcha qurilmalarni ishlab chiqarish uchun ishlatilgan.Texnologiya 1999 yilda ixtiro qilingan va uning texnik tafsilotlari, ish parametrlari va ixtiro qilinganidan keyingi ishlanmalarni quyidagi nashr etilgan materiallar yordamida o'rganish mumkin34,35,36,37.Qurilma (1-rasm) 9 kVt quvvatga ega SonicLayer 4000® UAM tizimi (Fabrisonic, Ogayo, AQSh) yordamida amalga oshirildi.Oqim qurilmasi uchun tanlangan materiallar Cu-110 va Al 6061 edi. Cu-110 yuqori mis tarkibiga ega (minimal 99,9% mis), uni mis katalizlangan reaktsiyalar uchun yaxshi nomzod qiladi va shuning uchun "mikroreaktor ichidagi faol qatlam" sifatida ishlatiladi.Al 6061 O "ommaviy" material sifatida ishlatiladi., shuningdek, tahlil qilish uchun ishlatiladigan interkalatsiya qatlami;yordamchi qotishma komponentlarini interkalatsiyasi va Cu-110 qatlami bilan birgalikda tavlangan holat.bu ishda ishlatiladigan reagentlar bilan kimyoviy jihatdan barqaror ekanligi aniqlandi.Al 6061 O Cu-110 bilan birgalikda UAM uchun mos material birikmasi hisoblanadi va shuning uchun ushbu tadqiqot uchun mos material hisoblanadi38,42.Ushbu qurilmalar quyidagi 1-jadvalda keltirilgan.
Reaktor ishlab chiqarish bosqichlari (1) 6061 alyuminiy qotishma substrati (2) Mis folgadan pastki kanalni yasash (3) Qatlamlar orasiga termojuftlarni kiritish (4) Yuqori kanal (5) Kirish va chiqish (6) Monolitik reaktor.
Suyuqlik kanalini loyihalash falsafasi boshqariladigan chip hajmini saqlab, chip ichidagi suyuqlik bosib o'tgan masofani oshirish uchun aylanma yo'ldan foydalanishdan iborat.Masofaning bu o'sishi katalizator-reaktiv bilan aloqa qilish vaqtini oshirish va mukammal mahsulot rentabelligini ta'minlash uchun maqsadga muvofiqdir.Chipslar qurilma44 ichida turbulent aralashtirishni keltirib chiqarish va suyuqlikning sirt (katalizator) bilan aloqa qilish vaqtini oshirish uchun to'g'ri yo'lning uchlarida 90° egilishlardan foydalanadi.Erishilishi mumkin bo'lgan aralashtirishni yanada kuchaytirish uchun reaktorning dizayni aralashtirish bobini qismiga kirishdan oldin Y-ulanishda birlashtirilgan ikkita reaktiv kirish joyini o'z ichiga oladi.Rezidentligining yarmida oqimni kesib o'tuvchi uchinchi kirish kelajakdagi ko'p bosqichli sintez reaktsiyalari rejasiga kiritilgan.
Barcha kanallar kvadrat profilga ega (konusning burchaklari yo'q), bu kanal geometriyasini yaratish uchun ishlatiladigan davriy CNC frezalash natijasidir.Kanal o'lchamlari yuqori (mikroreaktor uchun) hajmli rentabellikni ta'minlash uchun tanlangan, ammo undagi suyuqliklarning aksariyati uchun sirt (katalizatorlar) bilan o'zaro ta'sirini osonlashtirish uchun etarlicha kichik.Tegishli o'lcham mualliflarning metall-suyuqlik reaktsiyasi qurilmalari bilan o'tgan tajribasiga asoslanadi.Yakuniy kanalning ichki o'lchamlari 750 mikron x 750 mikron va umumiy reaktor hajmi 1 ml edi.Qurilmani tijorat oqimli kimyo uskunalari bilan oson bog'lash uchun dizaynga o'rnatilgan ulagich (1/4″-28 UNF ip) kiritilgan.Kanal o'lchami folga materialining qalinligi, uning mexanik xususiyatlari va ultratovush bilan ishlatiladigan bog'lash parametrlari bilan cheklangan.Berilgan material uchun ma'lum bir kenglikda material yaratilgan kanalga "choklanadi".Hozirgi vaqtda ushbu hisob-kitob uchun maxsus model mavjud emas, shuning uchun ma'lum bir material va dizayn uchun maksimal kanal kengligi eksperimental tarzda aniqlanadi, bu holda 750 mkm kenglik sarkmaga olib kelmaydi.
Kanalning shakli (kvadrati) kvadrat to'sar yordamida aniqlanadi.Kanallarning shakli va o'lchamlari turli oqim tezligi va xususiyatlarini olish uchun turli kesish asboblari yordamida CNC dastgohlarida o'zgartirilishi mumkin.125 mkm asbob bilan kavisli kanal yaratish misolini Monaghan45 da topish mumkin.Folga qatlami tekis qo'llanilganda, folga materialining kanallarga qo'llanilishi tekis (kvadrat) yuzaga ega bo'ladi.Ushbu ishda kanal simmetriyasini saqlab qolish uchun kvadrat kontur ishlatilgan.
Ishlab chiqarishda dasturlashtirilgan pauza vaqtida termojuft harorat sensorlari (K turi) to'g'ridan-to'g'ri qurilmaga yuqori va pastki kanal guruhlari o'rtasida o'rnatiladi (1-rasm - 3-bosqich).Ushbu termojuftlar -200 dan 1350 ° C gacha bo'lgan harorat o'zgarishini nazorat qila oladi.
Metall cho'kma jarayoni UAM shoxi tomonidan kengligi 25,4 mm va qalinligi 150 mikron bo'lgan metall folga yordamida amalga oshiriladi.Ushbu folga qatlamlari butun qurilish maydonini qoplash uchun bir qator qo'shni chiziqlar bilan bog'langan;yotqizilgan materialning o'lchami yakuniy mahsulotdan kattaroqdir, chunki olib tashlash jarayoni yakuniy toza shaklni yaratadi.CNC ishlov berish uskunaning tashqi va ichki konturlarini qayta ishlash uchun ishlatiladi, natijada tanlangan asbob va CNC jarayoni parametrlariga mos keladigan uskuna va kanallarning sirtini tugatish (bu misolda, taxminan 1,6 mkm Ra).Doimiy, uzluksiz ultratovushli materiallarni püskürtme va ishlov berish davrlari o'lchov aniqligini ta'minlash va tayyor qism CNC nozik frezalash nozik darajalariga mos kelishini ta'minlash uchun qurilmani ishlab chiqarish jarayonida qo'llaniladi.Ushbu qurilma uchun ishlatiladigan kanalning kengligi folga materialining suyuqlik kanalida "sarkmasligini" ta'minlash uchun etarlicha kichik, shuning uchun kanal kvadrat kesimga ega.Folga materialidagi mumkin bo'lgan bo'shliqlar va UAM jarayonining parametrlari ishlab chiqaruvchi hamkor (Fabrisonic MChJ, AQSh) tomonidan eksperimental tarzda aniqlangan.
Tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, UAM birikmasining 46, 47 interfeysida qo'shimcha issiqlik bilan ishlov berilmagan elementlarning ozgina tarqalishi mavjud, shuning uchun bu ishdagi qurilmalar uchun Cu-110 qatlami Al 6061 qatlamidan farq qiladi va keskin o'zgaradi.
Reaktorning quyi oqimida 250 psi (1724 kPa) ga oldindan kalibrlangan orqa bosim regulyatorini (BPR) o'rnating va suvni reaktor orqali 0,1 dan 1 ml min-1 tezlikda pompalang.Tizim doimiy barqaror bosimni saqlab turishini ta'minlash uchun tizimga o'rnatilgan FlowSyn bosim o'tkazgich yordamida reaktor bosimi nazorat qilindi.Oqim reaktoridagi potentsial harorat gradientlari reaktorga o'rnatilgan termojuftlar va FlowSyn chipining isitish plitasiga o'rnatilgan termojuftlar o'rtasidagi har qanday farqlarni izlash orqali sinovdan o'tkazildi.Bunga dasturlashtirilgan isitish plitasi haroratini 25 °C bosqichda 100 dan 150 °C gacha o'zgartirish va dasturlashtirilgan va qayd etilgan haroratlar o'rtasidagi har qanday farqni kuzatish orqali erishiladi.Bunga tc-08 ma'lumotlar jurnali (PicoTech, Kembrij, Buyuk Britaniya) va unga hamroh bo'lgan PicoLog dasturi yordamida erishildi.
Fenilatsetilen va yodoetanning siklo yuklanish reaksiyasi uchun sharoit optimallashtirilgan (1-sxema-Fenilasetilen va yodoetanning siklo yuklanishi, 1-sxema-fenilatsetilen va yodoetanning siklo yuklanishi).Ushbu optimallashtirish to'liq faktorial tajriba dizayni (DOE) yondashuvi yordamida, harorat va yashash vaqtini o'zgaruvchilar sifatida ishlatib, alkin: azid nisbatini 1: 2 da o'rnatdi.
Natriy azid (0,25 M, 4:1 DMF: H2O), yodoetan (0,25 M, DMF) va fenilasetilen (0,125 M, DMF) ning alohida eritmalari tayyorlandi.Har bir eritmaning 1,5 ml alikvoti aralashtiriladi va kerakli oqim tezligi va haroratda reaktor orqali pompalanadi.Modelning javobi triazol mahsulotining eng yuqori maydonining fenilatsetilenning boshlang'ich moddasiga nisbati sifatida qabul qilindi va yuqori samarali suyuqlik xromatografiyasi (HPLC) yordamida aniqlandi.Tahlilning mustahkamligi uchun barcha reaktsiyalar reaksiya aralashmasi reaktordan chiqqandan so'ng darhol qabul qilindi.Optimallashtirish uchun tanlangan parametr diapazonlari 2-jadvalda keltirilgan.
Barcha namunalar to'rtlamchi nasos, ustunli pech, o'zgaruvchan to'lqin uzunligi UV detektori va avtonamunalagichdan iborat Chromaster HPLC tizimi (VWR, PA, AQSh) yordamida tahlil qilindi.Ustun ekvivalenti 5 C18 (VWR, PA, AQSh), 4,6 x 100 mm, zarracha hajmi 5 mkm, 40°C da saqlanadi.Erituvchi izokratik metanol edi: suv 50:50 1,5 ml · min-1 oqim tezligida.In'ektsiya hajmi 5 mkl va detektorning to'lqin uzunligi 254 nm edi.DOE namunasi uchun % tepalik maydoni faqat qoldiq alkin va triazol mahsulotlarining eng yuqori joylaridan hisoblab chiqilgan.Boshlang'ich materialning kiritilishi mos keladigan cho'qqilarni aniqlash imkonini beradi.
Reaktor tahlili natijalarini MODDE DOE dasturiy ta'minoti bilan birlashtirish (Umetrics, Malmö, Shvetsiya) natijalarni to'liq trend tahlil qilish va ushbu tsiklik yuklanish uchun optimal reaktsiya sharoitlarini aniqlash imkonini berdi.O'rnatilgan optimallashtiruvchini ishga tushirish va barcha muhim model shartlarini tanlash asetilen xom ashyosi uchun cho'qqi maydonini kamaytirish bilan birga mahsulotning eng yuqori maydonini maksimal darajada oshirish uchun mo'ljallangan reaktsiya sharoitlari to'plamini yaratadi.
Katalitik reaksiya kamerasida mis sirtining oksidlanishiga har bir triazol birikmasini sintez qilishdan oldin reaksiya kamerasidan oqib o‘tuvchi vodorod periks eritmasi (36%) (oqim tezligi = 0,4 ml min-1, yashash vaqti = 2,5 min) yordamida erishildi.kutubxona.
Optimal shartlar to'plami aniqlangandan so'ng, ular kichik sintez kutubxonasini tuzishga imkon berish uchun bir qator asetilen va haloalkan hosilalariga qo'llanildi va shu bilan bu shartlarni kengroq potentsial reagentlarga qo'llash imkoniyatini o'rnatdi (1-rasm).2).
Natriy azid (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), galoalkanlar (0,25 M, DMF) va alkinlarning (0,125 M, DMF) alohida eritmalarini tayyorlang.Har bir eritmadan 3 ml dan alikvotlar aralashtiriladi va 75 µl/min tezlikda va 150°C haroratda reaktor orqali pompalanadi.Barcha hajm flakonda to'plangan va 10 ml etil asetat bilan suyultirilgan.Namuna eritmasi 3 x 10 ml suv bilan yuviladi.Suvli qatlamlar birlashtirildi va 10 ml etil asetat bilan ekstrakt qilindi, so'ngra organik qatlamlar birlashtirildi, 3 × 10 ml sho'r suv bilan yuvildi, MgSO 4 ustida quritildi va filtrlanadi, so'ngra erituvchi vakuumda chiqariladi.Namunalar HPLC, 1H NMR, 13C NMR va yuqori aniqlikdagi massa spektrometriyasi (HR-MS) kombinatsiyasi bilan tahlil qilishdan oldin etil asetat yordamida silika jeli ustunli xromatografiya bilan tozalandi.
Barcha spektrlar ionlanish manbai sifatida ESI bo'lgan Thermofischer Precision Orbitrap massa spektrometri yordamida olingan.Barcha namunalar erituvchi sifatida asetonitril yordamida tayyorlangan.
TLC tahlili alyuminiy substratli silika plitalarida o'tkazildi.Plitalar ultrabinafsha nurlari (254 nm) yoki vanillin bilan bo'yash va isitish bilan vizualizatsiya qilingan.
Barcha namunalar avtosampler, ustunli pechli ikkilik nasos va bitta to'lqin uzunligi detektori bilan jihozlangan VWR Chromaster tizimi (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, Buyuk Britaniya) yordamida tahlil qilindi.ACE Equivalence 5 C18 ustuni (150 x 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdin, Shotlandiya) ishlatilgan.
In'ektsiya (5 µl) to'g'ridan-to'g'ri suyultirilgan xom reaksiya aralashmasidan (1:10 suyultirish) qilingan va suv: metanol (50:50 yoki 70:30) bilan tahlil qilingan, ba'zi namunalar bundan mustasno, 1,5 ml/min oqim tezligida 70:30 erituvchi tizimi (yulduzcha raqami bilan belgilangan) qo'llaniladi.Ustun 40 ° C da saqlanadi.Detektorning to'lqin uzunligi 254 nm.
Namunaning% tepalik maydoni qoldiq alkinning cho'qqi maydonidan hisoblangan, faqat triazol mahsuloti va boshlang'ich materialning kiritilishi mos keladigan cho'qqilarni aniqlashga imkon berdi.
Barcha namunalar Thermo iCAP 6000 ICP-OES yordamida tahlil qilindi.Barcha kalibrlash standartlari 2% nitrat kislotada (SPEX Certi Prep) 1000 ppm Cu standart eritmasi yordamida tayyorlangan.Barcha standartlar 5% DMF va 2% HNO3 eritmasida tayyorlangan va barcha namunalar DMF-HNO3 namuna eritmasi bilan 20 marta suyultirilgan.
UAM yakuniy yig'ilishni yaratish uchun ishlatiladigan metall plyonkani birlashtirish usuli sifatida ultratovushli metall payvandlashdan foydalanadi.Ultrasonik metallni payvandlash materialni tebranish orqali yopishtirish uchun folga / ilgari konsolidatsiyalangan qatlamga bosim o'tkazish uchun tebranish metall asbobdan (shox yoki ultratovushli shox deb ataladi) foydalanadi.Uzluksiz ishlash uchun sonotrod silindrsimon shaklga ega va butun maydonni yopishtirib, materialning yuzasiga aylanadi.Bosim va tebranish qo'llanilganda, material yuzasida oksidlar yorilishi mumkin.Doimiy bosim va tebranish materialning pürüzlülüğünün yo'q qilinishiga olib kelishi mumkin 36 .Mahalliylashtirilgan issiqlik va bosim bilan yaqin aloqa, keyin material interfeyslarida qattiq faza bog'lanishiga olib keladi;shuningdek, sirt energiyasini o'zgartirib, birlashishga yordam berishi mumkin48.Bog'lanish mexanizmining tabiati boshqa qo'shimchalar ishlab chiqarish texnologiyalarida qayd etilgan o'zgaruvchan eritma harorati va yuqori harorat ta'siri bilan bog'liq ko'plab muammolarni bartaraf etadi.Bu turli materiallarning bir nechta qatlamlarini yagona konsolidatsiyalangan tuzilishga to'g'ridan-to'g'ri ulash imkonini beradi (ya'ni, sirtni o'zgartirish, plomba yoki yopishtiruvchi moddalarsiz).
CAM uchun ikkinchi qulay omil - bu past haroratlarda ham, ya'ni metall materiallarning erish nuqtasidan ancha pastda ham metall materiallarda kuzatiladigan yuqori darajadagi plastik oqimdir.Ultrasonik tebranishlar va bosimning kombinatsiyasi an'anaviy ravishda quyma materiallar bilan bog'liq bo'lgan haroratning sezilarli o'sishisiz mahalliy don chegarasi migratsiyasining yuqori darajasini va qayta kristallanishni keltirib chiqaradi.Yakuniy yig'ilishni yaratish jarayonida ushbu hodisa faol va passiv komponentlarni metall folga qatlamlari orasidagi qatlam qatlamiga joylashtirish uchun ishlatilishi mumkin.Optik tolalar 49, armatura 46, elektronika 50 va termojuftlar (bu ish) faol va passiv kompozit birikmalarni yaratish uchun UAM tuzilmalariga muvaffaqiyatli birlashtirilgan.
Ushbu ishda katalitik haroratni nazorat qilish uchun ideal mikroreaktorni yaratish uchun turli xil materiallarni bog'lash imkoniyatlari va UAM interkalatsiya imkoniyatlari ishlatilgan.
Palladiy (Pd) va boshqa tez-tez ishlatiladigan metall katalizatorlar bilan solishtirganda Cu katalizi bir qator afzalliklarga ega: (i) iqtisodiy jihatdan Cu katalizda ishlatiladigan boshqa metallarga qaraganda arzonroq va shuning uchun kimyo sanoati uchun jozibador variant (ii) Cu-katalizlangan oʻzaro bogʻlanish reaksiyalari diapazoni kengaymoqda va birmuncha toʻldiruvchi usul boʻlib koʻrinadi. ) Cu-katalizlangan reaksiyalar boshqa ligandlar bo'lmaganda yaxshi ishlaydi.Ushbu ligandlar ko'pincha strukturaviy jihatdan oddiy va arzon.Agar so'ralsa, Pd kimyosida qo'llaniladiganlar ko'pincha murakkab, qimmat va havoga sezgir (iv) Cu, ayniqsa sintezda alkinlarni bog'lash qobiliyati bilan mashhur, masalan, Sonogashiraning bimetalik katalizlangan birikmasi va azidlar bilan siklo yuklanishi (klik kimyosi) (v) Cu ham ba'zi nukulyar reaktsiyalarni rag'batlantirishi mumkin.
Yaqinda Cu(0) ishtirokida bu reaksiyalarning barchasini geterogenlash misollari ko'rsatildi.Bu asosan farmatsevtika sanoati va metall katalizatorlarni qayta tiklash va qayta ishlatishga bo'lgan e'tiborning kuchayishi bilan bog'liq55,56.
Asetilen va azid o'rtasidagi 1,2,3-triazolgacha bo'lgan 1,3-dipolyar tsiklik yuklanish reaksiyasi, birinchi marta 1960-yillarda Gyuisgen tomonidan taklif qilingan57, sinergik namoyish reaktsiyasi hisoblanadi.Olingan 1,2,3 triazol fragmentlari biologik qo'llanilishi va turli terapevtik vositalarda qo'llanilishi tufayli dori-darmonlarni kashf qilishda farmakofor sifatida alohida qiziqish uyg'otadi 58 .
Sharpless va boshqalar "klik kimyosi" kontseptsiyasini kiritganlarida, bu reaktsiya yana e'tiborni tortdi."Klik kimyosi" atamasi heteroatomik bog'lanish (CXC) 60 dan foydalangan holda yangi birikmalar va kombinator kutubxonalarini tez sintez qilish uchun mustahkam va selektiv reaktsiyalar to'plamini tavsiflash uchun ishlatiladi.Ushbu reaksiyalarning sintetik jozibadorligi ular bilan bog'liq yuqori rentabellik bilan bog'liq.sharoitlari oddiy, kislorod va suvga chidamliligi, mahsulotni ajratish oddiy61.
Klassik 1,3 dipolli Huisgen siklo yuklanishi "klik kimyosi" toifasiga kirmaydi.Biroq, Medal va Sharpless shuni ko'rsatdiki, bu azid-alkin bog'lanish hodisasi Cu(I) ishtirokida 107-108 ga, katalitik bo'lmagan 1,3-dipolyar siklo yuklanish tezligining sezilarli tezlashishi 62,63 ga nisbatan sodir bo'ladi.Ushbu ilg'or reaktsiya mexanizmi himoya guruhlari yoki qattiq reaktsiya sharoitlarini talab qilmaydi va vaqt o'tishi bilan 1,4-almashtirilgan 1,2,3-triazollarga (anti-1,2,3-triazollarga) deyarli to'liq konversiya va selektivlikni ta'minlaydi (3-rasm).
An'anaviy va mis katalizlangan Huisgen siklo yuklamalarining izometrik natijalari.Cu(I) katalizlangan Gyuisgen siklo yuklamalari atigi 1,4-almashtirilgan 1,2,3-triazollarni beradi, termal induktsiyalangan Gyuisgen siklo yuklamalari esa odatda 1,4 va 1,5-triazollarda azol stereoizomerlarining 1:1 aralashmasini beradi.
Ko'pgina protokollar CuSO4 yoki Cu (II) / Cu (0) birikmasini natriy tuzlari bilan birgalikda kamaytirish kabi barqaror Cu (II) manbalarini kamaytirishni o'z ichiga oladi.Boshqa metall katalizlangan reaktsiyalar bilan solishtirganda, Cu (I) dan foydalanish arzon va ishlov berish oson bo'lgan asosiy afzalliklarga ega.
Worrell va boshqalar tomonidan kinetik va izotopik tadqiqotlar.65 terminal alkinlar holatida har bir molekulaning azidga nisbatan reaktivligini faollashtirishda ikki ekvivalent mis ishtirok etishini ko'rsatdi.Taklif etilayotgan mexanizm barqaror donor ligand sifatida p-bog'langan mis bilan azidni s-bog'langan mis atsetilidga muvofiqlashtirish natijasida hosil bo'lgan olti a'zoli mis metall halqa orqali davom etadi.Mis triazolil hosilalari halqaning qisqarishi, so'ngra protonning parchalanishi natijasida triazol mahsulotlarini hosil qilish va katalitik tsiklni yopish natijasida hosil bo'ladi.
Oqim kimyosi qurilmalarining afzalliklari yaxshi hujjatlashtirilgan bo'lsa-da, real vaqt rejimida situ66,67 jarayonni kuzatish uchun analitik vositalarni ushbu tizimlarga integratsiya qilish istagi bor edi.UAM to'g'ridan-to'g'ri o'rnatilgan sezgir elementlarga ega bo'lgan katalitik faol, issiqlik o'tkazuvchan materiallardan juda murakkab 3D oqim reaktorlarini loyihalash va ishlab chiqarish uchun mos usul ekanligini isbotladi (4-rasm).
Murakkab ichki kanal tuzilishi, o'rnatilgan termojuftlar va katalitik reaktsiya kamerasi bilan ultratovushli qo'shimchalar ishlab chiqarish (UAM) tomonidan ishlab chiqarilgan alyuminiy-mis oqim reaktori.Ichki suyuqlik yo'llarini tasavvur qilish uchun stereolitografiya yordamida tayyorlangan shaffof prototip ham ko'rsatilgan.
Reaktorlarning kelajakdagi organik reaktsiyalar uchun tayyorlanishini ta'minlash uchun erituvchilar qaynash nuqtasidan xavfsiz tarzda qizdirilishi kerak;ular bosim va harorat sinovidan o'tkaziladi.Bosim sinovi shuni ko'rsatdiki, tizim hatto yuqori bosimda (1,7 MPa) tizim barqaror va doimiy bosimni saqlab turadi.Gidrostatik sinovlar suyuqlik sifatida H2O yordamida xona haroratida o'tkazildi.
O'rnatilgan (1-rasm) termojuftni harorat ma'lumotlarini qayd qiluvchiga ulash termojuft harorati FlowSyn tizimidagi dasturlashtirilgan haroratdan 6 °C (± 1 °C) past ekanligini ko'rsatdi.Odatda, haroratning 10 ° C ga oshishi reaktsiya tezligini ikki baravar oshiradi, shuning uchun faqat bir necha daraja harorat farqi reaktsiya tezligini sezilarli darajada o'zgartirishi mumkin.Bu farq ishlab chiqarish jarayonida ishlatiladigan materiallarning yuqori termal diffuziyasi tufayli RPV davomida haroratning yo'qolishi bilan bog'liq.Ushbu termal siljish doimiydir va shuning uchun reaksiya davomida aniq haroratga erishish va o'lchash uchun uskunani o'rnatishda hisobga olinishi mumkin.Shunday qilib, ushbu onlayn monitoring vositasi reaktsiya haroratini qattiq nazorat qilishni osonlashtiradi va jarayonni yanada aniq optimallashtirish va optimal sharoitlarni ishlab chiqishga yordam beradi.Ushbu sensorlar ekzotermik reaktsiyalarni aniqlash va keng ko'lamli tizimlarda qochib ketish reaktsiyalarini oldini olish uchun ham ishlatilishi mumkin.
Ushbu maqolada taqdim etilgan reaktor UAM texnologiyasini kimyoviy reaktorlarni ishlab chiqarishda qo'llashning birinchi namunasidir va hozirda ushbu qurilmalarni AM/3D bosib chiqarish bilan bog'liq bo'lgan bir qator asosiy cheklovlarni ko'rib chiqadi, masalan: (i) mis yoki alyuminiy qotishmalarini qayta ishlash bilan bog'liq qayd etilgan muammolarni bartaraf etish (ii) chang qatlamini eritish bilan solishtirganda yaxshilangan ichki kanal o'lchamlari (PB29) yoki selektiv eritish usullari (PB29) va qo'pol sirt teksturasi26 (iii) past ishlov berish harorati, bu to'g'ridan-to'g'ri ulanish datchiklarini osonlashtiradi, bu kukunli qatlam texnologiyasida mumkin emas, (v) turli xil keng tarqalgan organik erituvchilarga polimer asosidagi komponentlarning zaif mexanik xususiyatlarini va sezgirligini bartaraf etish17,19.
Reaktorning funksionalligi uzluksiz oqim sharoitida mis-katalizlangan alkinazidning bir qator yuklanish reaksiyalari bilan ko'rsatildi (2-rasm).Anjirda ko'rsatilgan ultratovushli bosilgan mis reaktor.4 tijorat oqim tizimi bilan birlashtirilgan va natriy xlorid ishtirokida asetilen va alkil guruhi galogenidlarining harorat bilan boshqariladigan reaktsiyasi yordamida turli xil 1,4-almashtirilgan 1,2,3-triazollarning azid kutubxonasini sintez qilish uchun ishlatilgan (3-rasm).Uzluksiz oqim yondashuvidan foydalanish partiyaviy jarayonlarda yuzaga kelishi mumkin bo'lgan xavfsizlik muammolarini kamaytiradi, chunki bu reaktsiya yuqori reaktiv va xavfli azid qidiruv mahsulotlarini ishlab chiqaradi [317], [318].Dastlab, reaksiya fenilatsetilen va yodoetanning siklo yuklanishi uchun optimallashtirildi (1-sxema - fenilatsetilen va yodoetanning sikl yuklanishi) (5-rasmga qarang).
(Yuqori chap) 3DP reaktorini oqim tizimiga (yuqori o'ngda) kiritish uchun ishlatiladigan o'rnatish sxemasi (yuqori o'ngda) Huisgen 57 siklo yuklash sxemasining optimallashtirilgan (pastki) sxemasidan fenilasetilen va yodoetan o'rtasida optimallashtirish va optimallashtirilgan konversiya tezligi parametrlarini ko'rsatish uchun.
Reaktorning katalitik qismida reaktivlarning turish vaqtini nazorat qilish va to'g'ridan-to'g'ri o'rnatilgan termojuft sensori bilan reaksiya haroratini diqqat bilan kuzatib borish orqali reaktsiya sharoitlarini minimal vaqt va materiallar bilan tez va aniq optimallashtirish mumkin.Tezda aniqlandiki, eng yuqori konversiyaga 15 minutlik yashash vaqti va 150°C reaksiya harorati yordamida erishilgan.MODDE dasturining koeffitsient grafigidan ko'rinib turibdiki, turish vaqti ham, reaksiya harorati ham modelning muhim shartlari hisoblanadi.Ushbu tanlangan sharoitlardan foydalangan holda o'rnatilgan optimallashtiruvchini ishga tushirish mahsulotning eng yuqori nuqtalarini ko'paytirish va boshlang'ich materialning eng yuqori joylarini kamaytirish uchun mo'ljallangan reaktsiya sharoitlari to'plamini yaratadi.Ushbu optimallashtirish triazol mahsulotini 53% konvertatsiya qilish imkonini berdi, bu modelning 54% bashoratiga to'liq mos keldi.