Cảm ơn bạn đã ghé thăm Nature.com. Phiên bản trình duyệt bạn đang sử dụng có hỗ trợ CSS hạn chế. Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng trình duyệt đã cập nhật (hoặc tắt Chế độ tương thích trong Internet Explorer). Trong thời gian chờ đợi, để đảm bảo hỗ trợ liên tục, chúng tôi sẽ hiển thị trang web mà không có kiểu dáng và JavaScript.
Một băng chuyền hiển thị ba slide cùng lúc. Sử dụng các nút Trước và Tiếp theo để di chuyển qua ba slide cùng một lúc hoặc sử dụng các nút thanh trượt ở cuối để di chuyển qua ba slide cùng một lúc.
Sản xuất bồi đắp đang thay đổi cách các nhà nghiên cứu và nhà công nghiệp thiết kế và sản xuất các thiết bị hóa học để đáp ứng nhu cầu cụ thể của họ. Trong bài báo này, chúng tôi báo cáo ví dụ đầu tiên về lò phản ứng dòng chảy được hình thành bằng cách cán mỏng sản xuất bồi đắp siêu âm (UAM) của một tấm kim loại rắn với các bộ phận xúc tác và các thành phần cảm biến được tích hợp trực tiếp. Công nghệ UAM không chỉ khắc phục được nhiều hạn chế hiện có liên quan đến sản xuất bồi đắp của lò phản ứng hóa học mà còn mở rộng đáng kể khả năng của các thiết bị như vậy. Một số hợp chất 1,4-disubstituted 1,2,3-triazole quan trọng về mặt sinh học đã được tổng hợp và tối ưu hóa thành công bằng phản ứng cộng vòng Huisgen 1,3-dipolar có trung gian là Cu sử dụng cơ sở hóa học UAM. Sử dụng các đặc tính độc đáo của UAM và xử lý dòng chảy liên tục, thiết bị có thể xúc tác các phản ứng đang diễn ra cũng như cung cấp phản hồi thời gian thực để theo dõi và tối ưu hóa các phản ứng.
Do có những ưu điểm đáng kể so với đối tác khối lượng lớn, hóa học dòng chảy là một lĩnh vực quan trọng và đang phát triển trong cả bối cảnh học thuật và công nghiệp do khả năng tăng tính chọn lọc và hiệu quả của quá trình tổng hợp hóa học. Điều này mở rộng từ sự hình thành các phân tử hữu cơ đơn giản1 đến các hợp chất dược phẩm2,3 và các sản phẩm tự nhiên4,5,6. Hơn 50% phản ứng trong các ngành công nghiệp hóa chất và dược phẩm tinh chế có thể được hưởng lợi từ dòng chảy liên tục7.
Trong những năm gần đây, có một xu hướng ngày càng tăng của các nhóm tìm cách thay thế đồ thủy tinh truyền thống hoặc thiết bị hóa học dòng chảy bằng các "lò phản ứng" hóa học có thể thích ứng8. Thiết kế lặp đi lặp lại, sản xuất nhanh chóng và khả năng ba chiều (3D) của các phương pháp này rất hữu ích cho những ai muốn tùy chỉnh thiết bị của mình cho một tập hợp phản ứng, thiết bị hoặc điều kiện cụ thể. Cho đến nay, công trình này tập trung gần như hoàn toàn vào việc sử dụng các kỹ thuật in 3D dựa trên polyme như quang trùng hợp (SL)9,10,11, Mô hình lắng đọng nóng chảy (FDM)8,12,13,14 và in phun7,15. , 16. Việc các thiết bị như vậy thiếu độ tin cậy và khả năng thực hiện nhiều phản ứng/phân tích hóa học17, 18, 19, 20 là một yếu tố hạn chế chính đối với ứng dụng rộng rãi hơn của AM trong lĩnh vực này17, 18, 19, 20.
Do việc sử dụng hóa học dòng chảy ngày càng tăng và các đặc tính thuận lợi liên quan đến AM, cần phải khám phá các kỹ thuật tốt hơn để cho phép người dùng chế tạo các bình phản ứng dòng chảy với khả năng phân tích và hóa học được cải thiện. Các phương pháp này sẽ cho phép người dùng lựa chọn từ một loạt các vật liệu có độ bền cao hoặc chức năng có khả năng hoạt động trong nhiều điều kiện phản ứng khác nhau, cũng như tạo điều kiện cho nhiều dạng đầu ra phân tích khác nhau từ thiết bị để có thể theo dõi và kiểm soát phản ứng.
Một quy trình sản xuất bồi đắp có thể được sử dụng để phát triển lò phản ứng hóa học tùy chỉnh là Sản xuất bồi đắp siêu âm (UAM). Phương pháp cán màng trạng thái rắn này áp dụng rung động siêu âm vào các lá kim loại mỏng để liên kết chúng với nhau từng lớp với nhiệt độ thể tích tối thiểu và độ chảy dẻo cao 21, 22, 23. Không giống như hầu hết các công nghệ AM khác, UAM có thể được tích hợp trực tiếp với sản xuất cắt gọt, được gọi là quy trình sản xuất lai, trong đó phay điều khiển số tại chỗ (CNC) định kỳ hoặc xử lý bằng laser xác định hình dạng ròng của lớp vật liệu liên kết 24, 25. Điều này có nghĩa là người dùng không bị giới hạn ở các vấn đề liên quan đến việc loại bỏ vật liệu xây dựng ban đầu còn sót lại khỏi các kênh chất lỏng nhỏ, thường xảy ra trong các hệ thống bột và chất lỏng AM26,27,28. Sự tự do thiết kế này cũng mở rộng đến việc lựa chọn vật liệu có sẵn - UAM có thể liên kết các tổ hợp vật liệu giống nhau và khác nhau về nhiệt trong một bước quy trình duy nhất. Việc lựa chọn các tổ hợp vật liệu ngoài quy trình nấu chảy có nghĩa là các yêu cầu về cơ học và hóa học của các ứng dụng cụ thể có thể được đáp ứng tốt hơn. Ngoài liên kết rắn, một hiện tượng khác xảy ra với liên kết siêu âm là tính lưu động cao của vật liệu nhựa ở nhiệt độ tương đối thấp29,30,31,32,33. Tính năng độc đáo này của UAM cho phép các thành phần cơ học/nhiệt được đặt giữa các lớp kim loại mà không bị hư hỏng. Các cảm biến UAM nhúng có thể tạo điều kiện cung cấp thông tin thời gian thực từ thiết bị đến người dùng thông qua phân tích tích hợp.
Các công trình trước đây của tác giả32 đã chứng minh khả năng của quy trình UAM trong việc tạo ra các cấu trúc vi lưu 3D bằng kim loại với khả năng cảm biến nhúng. Thiết bị này chỉ dùng cho mục đích giám sát. Bài viết này trình bày ví dụ đầu tiên về lò phản ứng hóa học vi lưu do UAM sản xuất, một thiết bị hoạt động không chỉ kiểm soát mà còn tạo ra quá trình tổng hợp hóa học với các vật liệu xúc tác tích hợp về mặt cấu trúc. Thiết bị kết hợp một số ưu điểm liên quan đến công nghệ UAM trong sản xuất các thiết bị hóa học 3D, chẳng hạn như: khả năng chuyển đổi thiết kế 3D hoàn chỉnh trực tiếp từ mô hình thiết kế hỗ trợ máy tính (CAD) thành sản phẩm; chế tạo nhiều vật liệu để kết hợp vật liệu có độ dẫn nhiệt cao và vật liệu xúc tác, cũng như các cảm biến nhiệt được nhúng trực tiếp giữa các luồng chất phản ứng để kiểm soát và quản lý chính xác nhiệt độ phản ứng. Để chứng minh chức năng của lò phản ứng, một thư viện các hợp chất 1,4-disubstituted 1,2,3-triazole quan trọng về mặt dược phẩm đã được tổng hợp bằng phản ứng cộng vòng Huisgen 1,3-dipolar xúc tác bằng đồng. Công trình này nhấn mạnh cách sử dụng khoa học vật liệu và thiết kế hỗ trợ máy tính có thể mở ra những khả năng và cơ hội mới cho hóa học thông qua nghiên cứu liên ngành.
Tất cả các dung môi và thuốc thử được mua từ Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI hoặc Fischer Scientific và được sử dụng mà không cần tinh chế trước. Phổ NMR 1H và 13C được ghi lại ở tần số 400 và 100 MHz tương ứng được thu được trên máy quang phổ JEOL ECS-400 400 MHz hoặc máy quang phổ Bruker Avance II 400 MHz với CDCl3 hoặc (CD3)2SO làm dung môi. Tất cả các phản ứng được thực hiện bằng nền tảng hóa học dòng chảy Uniqsis FlowSyn.
UAM được sử dụng để chế tạo tất cả các thiết bị trong nghiên cứu này. Công nghệ này được phát minh vào năm 1999 và các chi tiết kỹ thuật, thông số vận hành và sự phát triển kể từ khi phát minh ra công nghệ này có thể được nghiên cứu bằng cách sử dụng các tài liệu đã công bố sau đây34,35,36,37. Thiết bị (Hình 1) được triển khai bằng cách sử dụng hệ thống UAM SonicLayer 4000® công suất lớn 9 kW (Fabrisonic, Ohio, Hoa Kỳ). Vật liệu được chọn cho thiết bị dòng chảy là Cu-110 và Al 6061. Cu-110 có hàm lượng đồng cao (tối thiểu 99,9% đồng), khiến nó trở thành ứng cử viên tốt cho các phản ứng xúc tác bằng đồng và do đó được sử dụng làm "lớp hoạt động" bên trong lò phản ứng vi mô. Al 6061 O được sử dụng làm vật liệu "khối". , cũng như lớp xen kẽ được sử dụng để phân tích; xen kẽ các thành phần hợp kim phụ trợ và trạng thái ủ kết hợp với lớp Cu-110. được phát hiện là ổn định về mặt hóa học với các thuốc thử được sử dụng trong công trình này. Al 6061 O kết hợp với Cu-110 cũng được coi là sự kết hợp vật liệu tương thích cho UAM và do đó là vật liệu phù hợp cho nghiên cứu này38,42. Các thiết bị này được liệt kê trong Bảng 1 bên dưới.
Các bước chế tạo lò phản ứng (1) Chất nền hợp kim nhôm 6061 (2) Chế tạo kênh dưới từ lá đồng (3) Chèn cặp nhiệt điện giữa các lớp (4) Kênh trên (5) Đầu vào và đầu ra (6) Lò phản ứng nguyên khối.
Triết lý thiết kế kênh chất lỏng là sử dụng đường đi quanh co để tăng khoảng cách mà chất lỏng di chuyển bên trong chip trong khi vẫn duy trì kích thước chip có thể quản lý được. Việc tăng khoảng cách này là mong muốn để tăng thời gian tiếp xúc chất xúc tác-chất phản ứng và cung cấp sản lượng sản phẩm tuyệt vời. Các chip sử dụng các khúc cua 90° ở hai đầu của một đường thẳng để tạo ra sự trộn lẫn hỗn loạn bên trong thiết bị44 và tăng thời gian tiếp xúc của chất lỏng với bề mặt (chất xúc tác). Để tăng cường hơn nữa khả năng trộn có thể đạt được, thiết kế của lò phản ứng bao gồm hai đầu vào chất phản ứng được kết hợp trong một kết nối chữ Y trước khi đi vào phần cuộn trộn. Lối vào thứ ba, đi qua dòng chảy ở giữa thời gian lưu trú của nó, được đưa vào kế hoạch cho các phản ứng tổng hợp nhiều giai đoạn trong tương lai.
Tất cả các kênh đều có mặt cắt vuông (không có góc côn), là kết quả của quá trình phay CNC định kỳ được sử dụng để tạo hình dạng kênh. Kích thước kênh được chọn để cung cấp năng suất thể tích cao (đối với lò phản ứng vi mô), nhưng đủ nhỏ để tạo điều kiện tương tác với bề mặt (chất xúc tác) cho hầu hết các chất lỏng mà nó chứa. Kích thước phù hợp dựa trên kinh nghiệm trước đây của tác giả với các thiết bị phản ứng kim loại-lỏng. Kích thước bên trong của kênh cuối cùng là 750 µm x 750 µm và tổng thể tích lò phản ứng là 1 ml. Một đầu nối tích hợp (ren UNF 1/4″-28) được bao gồm trong thiết kế để cho phép dễ dàng kết nối thiết bị với thiết bị hóa học dòng chảy thương mại. Kích thước kênh bị giới hạn bởi độ dày của vật liệu lá kim loại, các đặc tính cơ học của nó và các thông số liên kết được sử dụng với siêu âm. Ở một chiều rộng nhất định đối với vật liệu nhất định, vật liệu sẽ "chùng" vào kênh được tạo ra. Hiện tại không có mô hình cụ thể nào cho phép tính này, vì vậy chiều rộng kênh tối đa cho một vật liệu và thiết kế nhất định được xác định bằng thực nghiệm. Trong trường hợp đó, chiều rộng 750 µm sẽ không gây ra hiện tượng võng.
Hình dạng (vuông) của kênh được xác định bằng cách sử dụng một máy cắt vuông. Hình dạng và kích thước của các kênh có thể được thay đổi trên các máy CNC bằng các công cụ cắt khác nhau để có được các tốc độ dòng chảy và đặc điểm khác nhau. Một ví dụ về việc tạo kênh cong bằng công cụ 125 µm có thể được tìm thấy trong Monaghan45. Khi lớp lá kim loại được áp dụng phẳng, ứng dụng của vật liệu lá kim loại vào các kênh sẽ có bề mặt phẳng (vuông). Trong công trình này, một đường viền vuông đã được sử dụng để bảo toàn tính đối xứng của kênh.
Trong thời gian tạm dừng sản xuất theo chương trình, các cảm biến nhiệt độ cặp nhiệt điện (loại K) được tích hợp trực tiếp vào thiết bị giữa các nhóm kênh trên và dưới (Hình 1 – giai đoạn 3). Các cặp nhiệt điện này có thể kiểm soát sự thay đổi nhiệt độ từ -200 đến 1350 °C.
Quá trình lắng đọng kim loại được thực hiện bởi sừng UAM sử dụng lá kim loại rộng 25,4 mm và dày 150 micron. Các lớp lá kim loại này được kết nối thành một loạt các dải liền kề để bao phủ toàn bộ khu vực xây dựng; kích thước của vật liệu lắng đọng lớn hơn sản phẩm cuối cùng vì quá trình trừ tạo ra hình dạng sạch cuối cùng. Gia công CNC được sử dụng để gia công các đường viền bên ngoài và bên trong của thiết bị, tạo ra bề mặt hoàn thiện của thiết bị và các kênh tương ứng với công cụ đã chọn và các thông số quy trình CNC (trong ví dụ này, khoảng 1,6 µm Ra). Các chu trình phun vật liệu siêu âm liên tục và gia công được sử dụng trong suốt quá trình sản xuất của thiết bị để đảm bảo duy trì độ chính xác về kích thước và chi tiết hoàn thiện đáp ứng các mức độ chính xác phay mịn CNC. Chiều rộng của kênh được sử dụng cho thiết bị này đủ nhỏ để đảm bảo vật liệu lá kim loại không "chùng" trong kênh chất lỏng, do đó kênh có mặt cắt ngang hình vuông. Các khoảng hở có thể có trong vật liệu lá kim loại và các thông số của quy trình UAM đã được đối tác sản xuất (Fabrisonic LLC, Hoa Kỳ) xác định bằng thực nghiệm.
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng tại giao diện 46, 47 của hợp chất UAM, các nguyên tố khuếch tán rất ít nếu không có quá trình xử lý nhiệt bổ sung, do đó đối với các thiết bị trong nghiên cứu này, lớp Cu-110 vẫn khác với lớp Al 6061 và thay đổi đáng kể.
Lắp đặt bộ điều chỉnh áp suất ngược (BPR) được hiệu chuẩn trước ở mức 250 psi (1724 kPa) hạ lưu của lò phản ứng và bơm nước qua lò phản ứng với tốc độ từ 0,1 đến 1 ml/phút-1. Áp suất lò phản ứng được theo dõi bằng bộ chuyển đổi áp suất FlowSyn tích hợp trong hệ thống để đảm bảo rằng hệ thống có thể duy trì áp suất ổn định không đổi. Các gradient nhiệt độ tiềm ẩn trong lò phản ứng dòng chảy đã được kiểm tra bằng cách tìm kiếm bất kỳ sự khác biệt nào giữa các cặp nhiệt điện được tích hợp trong lò phản ứng và các cặp nhiệt điện được tích hợp trong tấm gia nhiệt của chip FlowSyn. Điều này đạt được bằng cách thay đổi nhiệt độ tấm gia nhiệt đã lập trình giữa 100 và 150 °C theo mức tăng 25 °C và theo dõi bất kỳ sự khác biệt nào giữa nhiệt độ đã lập trình và nhiệt độ đã ghi lại. Điều này đạt được bằng cách sử dụng bộ ghi dữ liệu tc-08 (PicoTech, Cambridge, Vương quốc Anh) và phần mềm PicoLog đi kèm.
Các điều kiện cho phản ứng cộng vòng của phenylacetylene và iodoethane được tối ưu hóa (Sơ đồ 1 - Cộng vòng của phenylacetylene và iodoethane, Sơ đồ 1 - Cộng vòng của phenylacetylene và iodoethane). Quá trình tối ưu hóa này được thực hiện bằng cách sử dụng phương pháp thiết kế thí nghiệm theo giai thừa đầy đủ (DOE), sử dụng nhiệt độ và thời gian lưu trú làm biến trong khi cố định tỷ lệ alkyne:azide ở mức 1:2.
Các dung dịch natri azide riêng biệt (0,25 M, DMF:H2O 4:1), iodoethane (0,25 M, DMF) và phenylacetylene (0,125 M, DMF) đã được chuẩn bị. Một phần 1,5 ml của mỗi dung dịch đã được trộn và bơm qua lò phản ứng ở tốc độ dòng chảy và nhiệt độ mong muốn. Phản ứng của mô hình được lấy là tỷ lệ diện tích đỉnh của sản phẩm triazole với vật liệu ban đầu là phenylacetylene và được xác định bằng sắc ký lỏng hiệu suất cao (HPLC). Để phân tích nhất quán, tất cả các phản ứng đã được thực hiện ngay sau khi hỗn hợp phản ứng rời khỏi lò phản ứng. Các phạm vi thông số được chọn để tối ưu hóa được thể hiện trong Bảng 2.
Tất cả các mẫu đều được phân tích bằng hệ thống Chromaster HPLC (VWR, PA, Hoa Kỳ) bao gồm một bơm bậc bốn, lò cột, đầu dò UV bước sóng thay đổi và máy lấy mẫu tự động. Cột là Equivalence 5 C18 (VWR, PA, Hoa Kỳ), 4,6 x 100 mm, kích thước hạt 5 µm, duy trì ở 40°C. Dung môi là methanol đẳng tích:nước 50:50 ở tốc độ dòng chảy 1,5 ml·phút-1. Thể tích tiêm là 5 μl và bước sóng đầu dò là 254 nm. Diện tích đỉnh % cho mẫu DOE được tính toán chỉ từ diện tích đỉnh của các sản phẩm alkyne và triazole còn lại. Việc đưa vật liệu đầu vào giúp có thể xác định các đỉnh tương ứng.
Kết hợp kết quả phân tích lò phản ứng với phần mềm MODDE DOE (Umetrics, Malmö, Thụy Điển) cho phép phân tích xu hướng toàn diện về kết quả và xác định các điều kiện phản ứng tối ưu cho phản ứng cộng vòng này. Chạy trình tối ưu hóa tích hợp và chọn tất cả các điều khoản mô hình quan trọng sẽ tạo ra một tập hợp các điều kiện phản ứng được thiết kế để tối đa hóa diện tích đỉnh của sản phẩm trong khi giảm diện tích đỉnh cho nguyên liệu axetilen.
Quá trình oxy hóa bề mặt đồng trong buồng phản ứng xúc tác được thực hiện bằng cách sử dụng dung dịch hydro peroxide (36%) chảy qua buồng phản ứng (tốc độ dòng chảy = 0,4 ml/phút, thời gian lưu trú = 2,5 phút) trước khi tổng hợp từng hợp chất triazole. thư viện.
Sau khi xác định được tập hợp các điều kiện tối ưu, chúng được áp dụng cho một loạt các dẫn xuất axetilen và haloalkane để cho phép biên soạn một thư viện tổng hợp nhỏ, do đó thiết lập khả năng áp dụng các điều kiện này cho một loạt các thuốc thử tiềm năng rộng hơn (Hình 1). 2).
Chuẩn bị các dung dịch natri azide riêng biệt (0,25 M, DMF:H2O 4:1), haloalkanes (0,25 M, DMF) và ankin (0,125 M, DMF). Trộn đều các phần 3 ml của mỗi dung dịch và bơm qua lò phản ứng với tốc độ 75 µl/phút và nhiệt độ 150°C. Toàn bộ thể tích được thu thập trong một lọ và pha loãng với 10 ml etyl axetat. Dung dịch mẫu được rửa bằng 3 x 10 ml nước. Các lớp nước được kết hợp và chiết xuất bằng 10 ml etyl axetat, sau đó các lớp hữu cơ được kết hợp, rửa bằng nước muối 3 x 10 ml, làm khô trên MgSO 4 và lọc, sau đó dung môi được loại bỏ trong chân không. Các mẫu được tinh chế bằng sắc ký cột silica gel sử dụng etyl axetat trước khi phân tích bằng sự kết hợp của HPLC, 1H NMR, 13C NMR và khối phổ độ phân giải cao (HR-MS).
Tất cả các phổ đều thu được bằng máy quang phổ khối Thermofischer Precision Orbitrap với ESI là nguồn ion hóa. Tất cả các mẫu đều được chuẩn bị bằng cách sử dụng acetonitrile làm dung môi.
Phân tích TLC được thực hiện trên các tấm silica có chất nền nhôm. Các tấm được quan sát bằng đèn UV (254 nm) hoặc nhuộm vanillin và gia nhiệt.
Tất cả các mẫu đều được phân tích bằng hệ thống VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, Vương quốc Anh) được trang bị bộ lấy mẫu tự động, bơm nhị phân có lò cột và đầu dò bước sóng đơn. Cột ACE Equivalence 5 C18 (150 x 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Scotland) đã được sử dụng.
Tiêm (5 µl) được thực hiện trực tiếp từ hỗn hợp phản ứng thô pha loãng (pha loãng 1:10) và phân tích bằng nước:methanol (50:50 hoặc 70:30), ngoại trừ một số mẫu sử dụng hệ dung môi 70:30 (được biểu thị là số sao) ở tốc độ dòng chảy 1,5 ml/phút. Cột được giữ ở 40°C. Bước sóng của máy dò là 254 nm.
Diện tích % đỉnh của mẫu được tính từ diện tích đỉnh của ankin còn lại, chỉ sản phẩm triazole và việc đưa vật liệu đầu vào giúp xác định được các đỉnh tương ứng.
Tất cả các mẫu được phân tích bằng Thermo iCAP 6000 ICP-OES. Tất cả các chuẩn hiệu chuẩn được chuẩn bị bằng dung dịch chuẩn Cu 1000 ppm trong axit nitric 2% (SPEX Certi Prep). Tất cả các chuẩn được chuẩn bị trong dung dịch 5% DMF và 2% HNO3, và tất cả các mẫu được pha loãng 20 lần bằng dung dịch mẫu DMF-HNO3.
UAM sử dụng hàn kim loại siêu âm như một phương pháp nối lá kim loại được sử dụng để tạo ra cụm lắp ráp cuối cùng. Hàn kim loại siêu âm sử dụng một công cụ kim loại rung (gọi là sừng hoặc sừng siêu âm) để tạo áp lực lên lá kim loại/lớp đã được cố định trước đó để liên kết/đã được cố định trước đó bằng cách rung vật liệu. Đối với hoạt động liên tục, sonotrode có hình trụ và lăn trên bề mặt vật liệu, dán toàn bộ khu vực. Khi áp suất và rung động được áp dụng, các oxit trên bề mặt vật liệu có thể bị nứt. Áp suất và rung động liên tục có thể dẫn đến phá hủy độ nhám của vật liệu 36 . Tiếp xúc chặt chẽ với nhiệt độ và áp suất cục bộ sau đó dẫn đến liên kết pha rắn tại các giao diện vật liệu; nó cũng có thể thúc đẩy sự gắn kết bằng cách thay đổi năng lượng bề mặt 48. Bản chất của cơ chế liên kết khắc phục nhiều vấn đề liên quan đến nhiệt độ nóng chảy thay đổi và các hiệu ứng nhiệt độ cao được đề cập trong các công nghệ sản xuất bồi đắp khác. Điều này cho phép kết nối trực tiếp (tức là không cần sửa đổi bề mặt, chất độn hoặc chất kết dính) của một số lớp vật liệu khác nhau thành một cấu trúc cố định duy nhất.
Yếu tố thuận lợi thứ hai cho CAM là mức độ chảy dẻo cao được quan sát thấy trong vật liệu kim loại ngay cả ở nhiệt độ thấp, tức là thấp hơn nhiều so với điểm nóng chảy của vật liệu kim loại. Sự kết hợp của rung động siêu âm và áp suất gây ra mức độ di chuyển ranh giới hạt cục bộ và kết tinh lại cao mà không có sự gia tăng nhiệt độ đáng kể theo truyền thống liên quan đến vật liệu khối. Trong quá trình tạo cụm lắp ráp cuối cùng, hiện tượng này có thể được sử dụng để nhúng các thành phần chủ động và thụ động giữa các lớp lá kim loại, từng lớp một. Các thành phần như sợi quang 49, cốt thép 46, thiết bị điện tử 50 và cặp nhiệt điện (công trình này) đã được tích hợp thành công vào các cấu trúc UAM để tạo ra các cụm lắp ráp composite chủ động và thụ động.
Trong nghiên cứu này, cả khả năng liên kết vật liệu khác nhau và khả năng xen kẽ UAM đều được sử dụng để tạo ra một lò phản ứng vi mô lý tưởng cho việc kiểm soát nhiệt độ xúc tác.
So với paladi (Pd) và các chất xúc tác kim loại thường dùng khác, xúc tác Cu có một số ưu điểm: (i) Về mặt kinh tế, Cu rẻ hơn nhiều kim loại khác được sử dụng trong xúc tác và do đó là một lựa chọn hấp dẫn cho ngành công nghiệp hóa chất (ii) phạm vi phản ứng ghép chéo xúc tác bởi Cu đang mở rộng và dường như bổ sung cho các phương pháp dựa trên Pd51, 52, 53 (iii) Phản ứng xúc tác bởi Cu hoạt động tốt khi không có các phối tử khác. Các phối tử này thường có cấu trúc đơn giản và không tốn kém. nếu muốn, trong khi những phối tử được sử dụng trong hóa học Pd thường phức tạp, đắt tiền và nhạy cảm với không khí (iv) Cu, đặc biệt được biết đến với khả năng liên kết các ankin trong quá trình tổng hợp, chẳng hạn như phản ứng ghép và cộng vòng xúc tác bởi kim loại kép của Sonogashira với azide (nhấp vào hóa học) (v) Cu cũng có thể thúc đẩy quá trình arylat hóa một số chất ái nhân trong các phản ứng kiểu Ullmann.
Gần đây, các ví dụ về sự dị hợp của tất cả các phản ứng này khi có Cu(0) đã được chứng minh. Điều này phần lớn là do ngành công nghiệp dược phẩm và sự tập trung ngày càng tăng vào việc thu hồi và tái sử dụng chất xúc tác kim loại55,56.
Phản ứng cộng vòng 1,3-dipolar giữa axetilen và azide với 1,2,3-triazole, lần đầu tiên được Huisgen đề xuất vào những năm 196057, được coi là phản ứng trình diễn hiệp đồng. Các mảnh 1,2,3 triazole thu được đặc biệt quan tâm như một dược chất trong quá trình khám phá thuốc do các ứng dụng sinh học và sử dụng của chúng trong nhiều tác nhân điều trị khác nhau 58 .
Phản ứng này đã nhận được sự chú ý mới khi Sharpless và những người khác giới thiệu khái niệm “hóa học nhấp”59. Thuật ngữ “hóa học nhấp” được sử dụng để mô tả một tập hợp mạnh mẽ và có chọn lọc các phản ứng để tổng hợp nhanh các hợp chất mới và các thư viện kết hợp bằng cách sử dụng liên kết dị nguyên tử (CXC)60. Sự hấp dẫn tổng hợp của các phản ứng này là do năng suất cao liên quan đến chúng. điều kiện đơn giản, khả năng chống oxy và nước, và tách sản phẩm đơn giản61.
Phản ứng cộng vòng Huisgen 1,3-dipole cổ điển không nằm trong phạm trù “hóa học nhấp”. Tuy nhiên, Medal và Sharpless đã chứng minh rằng sự kiện ghép azide-alkyne này trải qua 107–108 khi có Cu(I) so với sự tăng tốc đáng kể về tốc độ cộng vòng 1,3-dipolar không xúc tác 62,63. Cơ chế phản ứng tiên tiến này không yêu cầu nhóm bảo vệ hoặc điều kiện phản ứng khắc nghiệt và cung cấp khả năng chuyển đổi và chọn lọc gần như hoàn toàn thành 1,4-disubstituted 1,2,3-triazole (anti-1,2,3-triazole) theo thời gian (Hình 3).
Kết quả đẳng tích của phản ứng cộng vòng Huisgen thông thường và xúc tác bằng đồng. Phản ứng cộng vòng Huisgen xúc tác bằng Cu(I) chỉ tạo ra 1,4-disubstituted 1,2,3-triazole, trong khi phản ứng cộng vòng Huisgen cảm ứng nhiệt thường tạo ra 1,4- và 1,5-triazole hỗn hợp 1:1 các đồng phân lập thể azole.
Hầu hết các giao thức đều liên quan đến việc khử các nguồn ổn định của Cu(II), chẳng hạn như khử CuSO4 hoặc hợp chất Cu(II)/Cu(0) kết hợp với muối natri. So với các phản ứng xúc tác bằng kim loại khác, việc sử dụng Cu(I) có ưu điểm chính là không tốn kém và dễ xử lý.
Các nghiên cứu về động học và đồng vị của Worrell và cộng sự 65 đã chỉ ra rằng trong trường hợp của ankin đầu cuối, hai đương lượng đồng tham gia vào quá trình hoạt hóa phản ứng của mỗi phân tử đối với azide. Cơ chế được đề xuất tiến hành thông qua vòng kim loại đồng sáu cạnh được hình thành bởi sự phối hợp của azide với đồng axetilen liên kết σ với đồng liên kết π như một phối tử cho ổn định. Các dẫn xuất triazolyl đồng được hình thành do sự co vòng tiếp theo là sự phân hủy proton để tạo thành các sản phẩm triazole và khép lại chu trình xúc tác.
Mặc dù lợi ích của các thiết bị hóa học dòng chảy đã được ghi chép đầy đủ, nhưng vẫn có mong muốn tích hợp các công cụ phân tích vào các hệ thống này để theo dõi quy trình theo thời gian thực tại chỗ66,67. UAM đã chứng minh là một phương pháp phù hợp để thiết kế và sản xuất các lò phản ứng dòng chảy 3D rất phức tạp từ các vật liệu dẫn nhiệt, hoạt động xúc tác với các thành phần cảm biến được nhúng trực tiếp (Hình 4).
Lò phản ứng dòng chảy nhôm-đồng được sản xuất bằng phương pháp sản xuất phụ gia siêu âm (UAM) với cấu trúc kênh bên trong phức tạp, cặp nhiệt điện tích hợp và buồng phản ứng xúc tác. Để hình dung đường dẫn chất lỏng bên trong, một nguyên mẫu trong suốt được tạo ra bằng phương pháp quang trùng hợp cũng được hiển thị.
Để đảm bảo rằng các lò phản ứng được tạo ra cho các phản ứng hữu cơ trong tương lai, dung môi phải được đun nóng an toàn trên điểm sôi của chúng; chúng được thử nghiệm áp suất và nhiệt độ. Thử nghiệm áp suất cho thấy hệ thống duy trì áp suất ổn định và không đổi ngay cả khi áp suất trong hệ thống tăng cao (1,7 MPa). Các thử nghiệm thủy tĩnh được thực hiện ở nhiệt độ phòng bằng cách sử dụng H2O làm chất lỏng.
Kết nối cặp nhiệt điện tích hợp (Hình 1) với bộ ghi dữ liệu nhiệt độ cho thấy nhiệt độ của cặp nhiệt điện thấp hơn 6 °C (± 1 °C) so với nhiệt độ được lập trình trong hệ thống FlowSyn. Thông thường, nhiệt độ tăng 10 °C sẽ tăng gấp đôi tốc độ phản ứng, do đó, chênh lệch nhiệt độ chỉ vài độ cũng có thể thay đổi đáng kể tốc độ phản ứng. Sự chênh lệch này là do mất nhiệt độ trong toàn bộ RPV do độ khuếch tán nhiệt cao của vật liệu được sử dụng trong quá trình sản xuất. Độ trôi nhiệt này là hằng số và do đó có thể được tính đến khi thiết lập thiết bị để đảm bảo đạt được và đo nhiệt độ chính xác trong quá trình phản ứng. Do đó, công cụ giám sát trực tuyến này tạo điều kiện kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ phản ứng và góp phần tối ưu hóa quy trình chính xác hơn và phát triển các điều kiện tối ưu. Các cảm biến này cũng có thể được sử dụng để phát hiện các phản ứng tỏa nhiệt và ngăn ngừa các phản ứng mất kiểm soát trong các hệ thống quy mô lớn.
Lò phản ứng được trình bày trong bài báo này là ví dụ đầu tiên về ứng dụng công nghệ UAM vào chế tạo lò phản ứng hóa học và giải quyết một số hạn chế lớn hiện đang liên quan đến việc in AM/3D các thiết bị này, chẳng hạn như: (i) Khắc phục các vấn đề đã lưu ý liên quan đến quá trình xử lý hợp kim đồng hoặc nhôm (ii) cải thiện độ phân giải kênh bên trong so với các phương pháp nấu chảy bột (PBF) như nấu chảy laser chọn lọc (SLM)25,69 Lưu lượng vật liệu kém và kết cấu bề mặt thô ráp26 (iii) nhiệt độ xử lý thấp hơn, tạo điều kiện kết nối trực tiếp các cảm biến, điều này không thể thực hiện được trong công nghệ bột, (v) khắc phục các đặc tính cơ học kém và độ nhạy của các thành phần gốc polyme đối với nhiều dung môi hữu cơ thông thường17,19.
Chức năng của lò phản ứng đã được chứng minh bằng một loạt các phản ứng cộng vòng alkinazide xúc tác bằng đồng trong điều kiện dòng chảy liên tục (Hình 2). Lò phản ứng đồng in siêu âm được thể hiện trong hình 4 đã được tích hợp với hệ thống dòng chảy thương mại và được sử dụng để tổng hợp thư viện azide của nhiều loại 1,4-disubstituted 1,2,3-triazole bằng cách sử dụng phản ứng kiểm soát nhiệt độ của axetilen và các halide nhóm alkyl khi có mặt natri clorua (Hình 3). Việc sử dụng phương pháp dòng chảy liên tục làm giảm các vấn đề về an toàn có thể phát sinh trong các quy trình theo mẻ, vì phản ứng này tạo ra các chất trung gian azide có khả năng phản ứng cao và nguy hiểm [317], [318]. Ban đầu, phản ứng được tối ưu hóa cho phản ứng cộng vòng phenylacetylene và iodoethane (Sơ đồ 1 – Phản ứng cộng vòng phenylacetylene và iodoethane) (xem Hình 5).
(Phía trên bên trái) Sơ đồ thiết lập được sử dụng để kết hợp lò phản ứng 3DP vào hệ thống dòng chảy (phía trên bên phải) thu được từ sơ đồ tối ưu (phía dưới) của sơ đồ phản ứng cộng vòng Huisgen 57 giữa phenylacetylene và iodoethane để tối ưu hóa và hiển thị các thông số tốc độ chuyển đổi được tối ưu hóa của phản ứng.
Bằng cách kiểm soát thời gian lưu trú của chất phản ứng trong phần xúc tác của lò phản ứng và theo dõi cẩn thận nhiệt độ phản ứng bằng cảm biến nhiệt điện tích hợp trực tiếp, các điều kiện phản ứng có thể được tối ưu hóa nhanh chóng và chính xác với thời gian và vật liệu tối thiểu. Người ta nhanh chóng nhận thấy rằng độ chuyển đổi cao nhất đạt được khi sử dụng thời gian lưu trú là 15 phút và nhiệt độ phản ứng là 150°C. Có thể thấy từ biểu đồ hệ số của phần mềm MODDE rằng cả thời gian lưu trú và nhiệt độ phản ứng đều được coi là các điều kiện quan trọng của mô hình. Chạy trình tối ưu hóa tích hợp bằng các điều kiện đã chọn này sẽ tạo ra một tập hợp các điều kiện phản ứng được thiết kế để tối đa hóa diện tích đỉnh sản phẩm trong khi giảm diện tích đỉnh vật liệu ban đầu. Quá trình tối ưu hóa này mang lại độ chuyển đổi 53% của sản phẩm triazole, khớp chính xác với dự đoán của mô hình là 54%.