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 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 không có kiểu và JavaScript.
Một băng chuyền hiển thị ba trang trình bày cùng một lúc.Sử dụng các nút Trước và Tiếp theo để di chuyển qua ba trang chiếu cùng một lúc hoặc sử dụng các nút thanh trượt ở cuối để di chuyển qua ba trang chiếu cùng một lúc.
Sản xuất phụ gia 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 lớp sản xuất phụ gia siêu âm (UAM) của một tấm kim loại rắn với các bộ phận xúc tác và các bộ phận cảm biến được tích hợp trực tiếp.Công nghệ UAM không chỉ khắc phục được nhiều hạn chế hiện nay liên quan đến sản xuất phụ gia của các lò phản ứng hóa học, mà còn mở rộng đáng kể khả năng của các thiết bị đó.Một số hợp chất 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-lưỡng cực qua trung gian Cu sử dụng cơ sở hóa học UAM.Sử dụng các thuộc tính độc đáo của UAM và xử lý dòng liên tục, thiết bị có thể xúc tác cho các phản ứng đang diễn ra cũng như cung cấp phản hồi theo thời gian thực để theo dõi và tối ưu hóa các phản ứng.
Do những lợi thế đáng kể của nó so với đối tác số lượng lớn của nó, hóa học dòng chảy là một lĩnh vực quan trọng và đang phát triển trong cả môi trường học thuật và công nghiệp do khả năng tăng tính chọn lọc và hiệu quả của quá trình tổng hợp hóa học.Điều này kéo dài 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 ngành công nghiệp hóa chất và dược phẩm có thể được hưởng lợi từ dòng chảy liên tục7.
Trong những năm gần đây, xu hướng ngày càng tăng của các nhóm tìm cách thay thế thiết bị thủy tinh hoặc thiết bị hóa học dòng truyền thống bằng “lò phản ứng” hóa học có thể thích ứng8.Khả năng thiết kế lặp lại, sản xuất nhanh và ba chiều (3D) của các phương pháp này rất hữu ích cho những ai muốn tùy chỉnh thiết bị của mình cho một nhóm phản ứng, thiết bị hoặc điều kiện cụ thể.Cho đến nay, công việc này hầu như chỉ tập trung vào việc sử dụng các kỹ thuật in 3D dựa trên polymer như kỹ thuật in lập thể (SL)9,10,11, Mô hình lắng đọng hợp nhất (FDM)8,12,13,14 và in phun7,15., 16. Việc thiếu độ tin cậy và khả năng của các thiết bị như vậy để thực hiện nhiều loại phản ứng/phân tích hóa học17, 18, 19, 20 là một yếu tố hạn chế chính đối với việc áp dụng AM rộng rãi hơn 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, các kỹ thuật tốt hơn cần được khám phá 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 nhiều loại vật liệu có độ bền cao hoặc chức năng có khả năng hoạt động trong nhiều điều kiện phản ứng, cũng như tạo điều kiện thuận lợi cho các dạng đầu ra phân tích khác nhau từ thiết bị để cho phép theo dõi và kiểm soát phản ứng.
Một quy trình sản xuất bồi đắp có thể được sử dụng để phát triển các lò phản ứng hóa học tùy chỉnh là Sản xuất bồi đắp siêu âm (UAM).Phương pháp cán tấm ở trạng thái rắn này áp dụng các rung động siêu âm cho các lá kim loại mỏng để liên kết chúng lại với nhau từng lớp với nhiệt độ thể tích tối thiểu và mức độ chảy nhựa 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 trừ, được gọi là quy trình sản xuất lai, trong đó quá trình phay điều khiển số tại chỗ (CNC) định kỳ hoặc xử lý 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 loại bỏ vật liệu xây dựng ban đầu còn sót lại từ 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 các vật liệu có sẵn – UAM có thể liên kết các tổ hợp vật liệu tương tự và khác nhau về nhiệt trong một bước quy trình.Sự lựa chọn kết hợp vật liệu ngoài quá trình nóng chảy có nghĩa là các yêu cầu 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 phần tử cơ/nhiệt được đặt giữa các lớp kim loại mà không bị hư hại.Các cảm biến UAM được nhúng có thể tạo điều kiện thuận lợi cho việc cung cấp thông tin theo thời gian thực từ thiết bị đến người dùng thông qua các phân tích tích hợp.
Công trình trước đây của các tác giả32 đã chứng minh khả năng của quy trình UAM trong việc tạo ra các cấu trúc vi lỏng 3D kim loại với các khả năng cảm biến nhúng.Thiết bị này chỉ dành cho mục đích giám sát.Bài viết này trình bày ví dụ đầu tiên về lò phản ứng hóa học vi lỏng do UAM sản xuất, một thiết bị hoạt động không chỉ điều khiển mà còn tạo ra sự tổng hợp hóa học với các vật liệu xúc tác tích hợp cấu trúc.Thiết bị này 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 có sự trợ giúp của máy tính (CAD) thành sản phẩm;chế tạo đa vật liệu cho sự kết hợp giữa tính dẫn nhiệt cao và vật liệu xúc tác, cũng như các cảm biến nhiệt được nhúng trực tiếp giữa các dòng 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 1,2,3-triazole quan trọng về mặt dược phẩm đã được tổng hợp bằng phản ứng tuần hoàn Huisgen 1,3 lưỡng cực được xúc tác đồng.Công trình này nhấn mạnh cách sử dụng khoa học vật liệu và thiết kế có sự trợ giúp của 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 Khoa học và được sử dụng mà không cần tinh chế trước.Phổ 1H và 13C NMR được ghi lần lượt ở 400 và 100 MHz, 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 cách sử dụng nền tảng hóa học dòng chảy Uniqsis FlowSyn.
UAM đã 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 của nó kể từ khi phát minh ra nó có thể được nghiên cứu bằng cách sử dụng các tài liệu đã xuất bản sau đây34,35,36,37.Thiết bị (Hình 1) được triển khai bằng cách sử dụng hệ thống SonicLayer 4000® UAM 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 sáng giá cho các phản ứng xúc tác 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 "số lượng lớn"., cũng như lớp xen kẽ được sử dụng để phân tích;xen kẽ các thành phần hợp kim phụ và trạng thái ủ kết hợp với lớp Cu-110.được tìm thấy là ổn định về mặt hóa học với các thuốc thử được sử dụng trong công việc này.Al 6061 O kết hợp với Cu-110 cũng được coi là tổ 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 dưới đây.
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 di chuyển của chất lỏng bên trong chip trong khi vẫn duy trì kích thước chip có thể quản lý được.Sự gia tăng khoảng cách này là mong muốn để tăng thời gian tiếp xúc của chất xúc tác-chất phản ứng và mang lại năng suất sản phẩm tuyệt vời.Các con chip sử dụng các khúc cua 90° ở cuối đường thẳng để tạo ra sự trộn 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 theo kết nối chữ Y trước khi đi vào phần cuộn dây trộn.Lối vào thứ ba, băng qua dòng chảy giữa nơi cư 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 cấu hình vuông (không có góc côn), đây là kết quả của quá trình phay CNC định kỳ được sử dụng để tạo hình dạng kênh.Kích thước kênh được chọn để mang lại 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 (luồng 1/4″-28 UNF) 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, tính chất cơ học của nó và các thông số liên kết được sử dụng với siêu âm.Ở một độ rộng nhất định đối với vật liệu nhất định, vật liệu sẽ “chảy xệ” vào kênh được tạo.Hiện tại không có mô hình cụ thể cho tính toán 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 độ võng.
Hình dạng (hình vuông) của kênh được xác định bằng máy cắt hình 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 thu được các đặc tính và tốc độ dòng chảy khác nhau.Có thể tìm thấy ví dụ về cách tạo kênh cong bằng công cụ 125 µm trong Monaghan45.Khi lớp giấy bạc được áp dụng phẳng, việc áp dụng vật liệu giấy bạc vào các kênh sẽ có bề mặt phẳng (hình vuông).Trong tác phẩm này, một đường viền hình vuông đã được sử dụng để duy trì 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).Những 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 còi UAM sử dụng lá kim loại rộng 25,4 mm và dày 150 micron.Các lớp giấy bạc 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 quy 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 tham số quy trình CNC (trong ví dụ này, khoảng 1,6 µm Ra).Các chu trình gia công và phun vật liệu siêu âm liên tục, liên tục 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 của phay tinh CNC.Chiều rộng của kênh được sử dụng cho thiết bị này đủ nhỏ để đảm bảo rằng vật liệu lá kim loại không bị "chảy xệ" trong kênh chất lỏng, vì vậy kênh có tiết diện hình vuông.Các khoảng trống có thể có trong vật liệu lá kim loại và các thông số của quy trình UAM 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 có rất ít sự khuếch tán của các nguyên tố mà không cần xử lý nhiệt bổ sung, vì vậy đối với các thiết bị trong công việc này, lớp Cu-110 vẫn khác với lớp Al 6061 và thay đổi đáng kể.
Lắp đặt bộ điều chỉnh áp suất ngược (BPR) đã hiệu chuẩn trước ở 250 psi (1724 kPa) ở phía sau 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 cách sử dụng bộ chuyển đổi áp suất FlowSyn được tích hợp trong hệ thống để đảm bảo rằng hệ thống có thể duy trì áp suất ổn định không đổi.Độ dốc nhiệt độ tiềm năng trong lò phản ứng dòng chảy đã được kiểm tra bằng cách tìm kiếm bất kỳ sự khác biệt nào giữa cặp nhiệt điện được tích hợp trong lò phản ứng và cặp nhiệt điện được tích hợp trong tấm gia nhiệt của chip FlowSyn.Điều này đạt được bằng cách thay đổi nhiệt độ đĩa hâm được lập trình trong khoảng từ 100 đến 150 °C với mức tăng 25 °C và theo dõi bất kỳ sự khác biệt nào giữa nhiệt độ được lập trình và nhiệt độ được ghi lại.Điều này đạt được bằng cách sử dụng bộ ghi dữ liệu tc-08 (PicoTech, Cambridge, UK) và phần mềm PicoLog đi kèm.
Các điều kiện cho phản ứng cộng vòng của phenylaxetylen và iodoetan được tối ưu hóa (Sơ đồ 1-Phản ứng vòng vòng của phenylaxetylen và iodoetan, Sơ đồ 1-Phản ứng vòng vòng của phenylaxetylen và iodoetan).Việc tối ưu hóa này được thực hiện bằng cách sử dụng phương pháp thiết kế thử nghiệm (DOE) theo giai thừa đầy đủ, sử dụng nhiệt độ và thời gian lưu trú làm các biến trong khi cố định tỷ lệ alkyne:azide ở mức 1:2.
Các dung dịch riêng biệt của natri azit (0,25 M, DMF:H2O 4:1), iodoetan (0,25 M, DMF) và phenylaxetylen (0,125 M, DMF) đã được điều chế.Một phần 1,5 ml của mỗi dung dịch được trộn và bơm qua lò phản ứng ở tốc độ dòng chảy và nhiệt độ mong muốn.Đáp ứng của mô hình được lấy bằng tỷ lệ diện tích pic của sản phẩm triazole với nguyên liệu ban đầu là phenylacetylene và được xác định bằng sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC).Để phân tích thống nhất, tất cả các phản ứng được thực hiện ngay sau khi hỗn hợp phản ứng rời khỏi lò phản ứng.Phạm vi tham số được chọn để tối ưu hóa được hiển thị trong Bảng 2.
Tất cả các mẫu được phân tích bằng hệ thống HPLC Chromaster (VWR, PA, Hoa Kỳ) bao gồm bơm bậc bốn, lò cột, máy dò UV bước sóng thay đổi và bộ lấy mẫu tự động.Cột là Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA), 4,6 x 100 mm, kích thước hạt 5 µm, được duy trì ở 40°C.Dung môi là metanol đẳng trương:nước 50:50 với tốc độ dòng 1,5 ml·min-1.Thể tích tiêm là 5 μl và bước sóng của máy dò là 254nm.% diện tích pic của mẫu DOE chỉ được tính từ diện tích pic của các sản phẩm alkyne và triazole còn lại.Việc giới thiệu nguyên liệu ban đầu giúp xác định các đỉnh tương ứng.
Kết hợp các kết quả phân tích lò phản ứng với phần mềm MODDE DOE (Umetrics, Malmö, Thụy Điển) cho phép phân tích xu hướng kỹ lưỡng của các kết quả và xác định các điều kiện phản ứng tối ưu cho chu kỳ này.Chạy trình tối ưu hóa tích hợp và chọn tất cả các thuật ngữ mô hình quan trọng sẽ tạo ra một tập hợp các điều kiện phản ứng được thiết kế để tối đa hóa diện tích pic của sản phẩm trong khi giảm diện tích pic cho nguyên liệu axetylen.
Quá trình oxy hóa bề mặt đồng trong buồng phản ứng xúc tác đã đạt được bằng cách sử dụng dung dịch hydro peroxide (36%) chảy qua buồng phản ứng (tốc độ dòng chảy = 0,4 ml phút-1, thời gian lưu trú = 2,5 phút) trước khi tổng hợp từng hợp chất triazole.thư viện.
Sau khi đã xác định được tập hợp các điều kiện tối ưu, chúng được áp dụng cho một loạt các dẫn xuất axetylen và haloalkane để cho phép biên soạn một thư viện tổng hợp nhỏ, từ đó thiết lập khả năng áp dụng các điều kiện này cho nhiều loại thuốc thử tiềm năng hơn (Hình 1).2).
Chuẩn bị các dung dịch riêng biệt của natri azit (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), haloalkan (0,25 M, DMF) và alkyne (0,125 M, DMF).Các phần 3 ml của mỗi dung dịch được trộn 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 lọ và pha loãng với 10 ml etyl axetat.Dung dịch mẫu được rửa bằng 3 x 10 ml nước.Các lớp nước được gộp lại và chiết bằng 10 ml etyl axetat, sau đó các lớp hữu cơ được gộp lại, rửa bằng nước muối 3×10 ml, làm khô trên MgSO 4 và lọc, sau đó loại bỏ dung môi 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 có độ phân giải cao (HR-MS).
Tất cả các phổ thu được bằng máy quang phổ khối quỹ đạo chính xác Thermofischer với ESI làm nguồn ion hóa.Tất cả các mẫu được chuẩn bị bằng acetonitril làm dung môi.
Phân tích TLC được thực hiện trên các tấm silica với chất nền nhôm.Các tấm được hiển thị bằng ánh sáng tia cực tím (254nm) hoặc nhuộm vanillin và gia nhiệt.
Tất cả các mẫu được phân tích bằng hệ thống VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) được trang bị bộ lấy mẫu tự động, bơm nhị phân có lò cột và máy dò bước sóng đơn.Cột ACE Equivalence 5 C18 (150 x 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Scotland) đã được sử dụng.
Các lần tiêm (5 µl) được thực hiện trực tiếp từ hỗn hợp phản ứng thô đã pha loãng (pha loãng 1:10) và được phân tích với nước:metanol (50:50 hoặc 70:30), ngoại trừ một số mẫu sử dụng hệ dung môi 70:30 (ký hiệu là số sao ) ở tốc độ dòng 1,5 ml/phút.Cột được giữ ở 40°C.Bước sóng của máy dò là 254 nm.
% diện tích pic của mẫu được tính từ diện tích pic của alkyne dư, chỉ sản phẩm triazole và việc đưa nguyên liệu ban đầu vào giúp xác định các pic tương ứng.
Tất cả các mẫu được phân tích bằng Thermo iCAP 6000 ICP-OES.Tất cả các chất chuẩn hiệu chuẩn được chuẩn bị bằng dung dịch chuẩn 1000 ppm Cu trong axit nitric 2% (SPEX Certi Prep).Tất cả các chất chuẩn được chuẩn bị trong dung dịch 5% DMF và 2% HNO3, và tất cả các mẫu được pha loãng 20 lần với dung dịch mẫu DMF-HNO3.
UAM sử dụng hàn kim loại siêu âm như một phương pháp nối các lá kim loại được sử dụng để tạo ra bộ phận lắp ráp cuối cùng.Hàn kim loại siêu âm sử dụng một công cụ kim loại rung (được gọi là còi hoặc còi siêu âm) để tạo áp lực lên lá kim loại/lớp đã được cố kết trước đó để được liên kết/đã được củng cố trước đó bằng cách rung vật liệu.Để hoạt động liên tục, sonotrode có dạng 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 không đổi có thể dẫn đến phá hủy độ nhám của vật liệu 36 .Tiếp xúc gần với nhiệt 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 mặt48.Bản chất của cơ chế liên kết khắc phục nhiều vấn đề liên quan đến nhiệt độ nóng chảy thay đổi và 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 (nghĩa 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 hợp nhất duy nhất.
Yếu tố thuận lợi thứ hai đối với CAM là mức độ chảy dẻo cao được quan sát thấy trong vật liệu kim loại ngay cả ở nhiệt độ thấp, nghĩa là thấp hơn nhiều so với điểm nóng chảy của vật liệu kim loại.Sự kết hợp giữa 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 làm tăng nhiệt độ đáng kể theo truyền thống liên quan đến vật liệu rời.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 phần tử như sợi quang 49, phần gia cố 46, thiết bị điện tử 50 và cặp nhiệt điện (công việc này) đã được tích hợp thành công vào cấu trúc UAM để tạo ra các tổ hợp hỗn hợp chủ động và thụ động.
Trong công việc này, cả hai khả năng liên kết vật liệu khác nhau và khả năng xen kẽ UAM đã được sử dụng để tạo ra một lò phản ứng vi mô lý tưởng để kiểm soát nhiệt độ xúc tác.
So với palladi (Pd) và các chất xúc tác kim loại thường được sử dụng khác, xúc tác Cu có một số ưu điểm: (i) Về mặt kinh tế, Cu rẻ hơn so với nhiều kim loại khác được sử dụng trong xúc tác và do đó là một lựa chọn hấp dẫn cho ngành hóa chất (ii) phạm vi của các phản ứng ghép chéo do Cu xúc tác đang mở rộng và dường như phần nào bổ sung cho các phương pháp dựa trên Pd51, 52, 53 (iii) Các phản ứng xúc tác Cu hoạt động tốt khi không có các phối tử khác.Những phối tử này thường có cấu trúc đơn giản và rẻ tiền.nếu muốn, trong khi những chất 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 alkynes trong quá trình tổng hợp, chẳng hạn như liên kết xúc tác lưỡng kim của Sonogashira và phản ứng vòng vòng với azide (hóa học nhấp chuột) (v) Cu cũng có thể thúc đẩy quá trình aryl hóa một số nucleophile trong các phản ứng kiểu Ullmann.
Gần đây, các ví dụ về quá trình dị hóa của tất cả các phản ứng này với sự có mặt của 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 các chất xúc tác kim loại55,56.
Phản ứng cộng vòng 1,3 lưỡng cực giữa acetylene và azide thành 1,2,3-triazole, lần đầu tiên được đề xuất bởi Huisgen vào những năm 196057, được coi là một phản ứng trình diễn hiệp đồng.Các mảnh 1,2,3 triazole thu được được đặc biệt quan tâm như một dược điển trong khám phá thuốc do các ứng dụng sinh học của chúng và sử dụng trong các tác nhân trị liệu 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 chuột”59.Thuật ngữ “hóa học nhấp chuột” được sử dụng để mô tả một tập hợp mạnh mẽ và có chọn lọc các phản ứng để tổng hợp nhanh chóng các hợp chất mới và thư viện tổ hợp bằng cách sử dụng liên kết dị nguyên tử (CXC)60.Sự hấp dẫn tổng hợp của các phản ứng này là do sản lượng cao liên quan đến chúng.điều kiện đơn giản, khả năng chống oxy và nước, và tách sản phẩm đơn giản61.
Phép cộng vòng Huisgen 1,3 lưỡng cực cổ điển không thuộc loại “hóa học nhấp chuột”.Tuy nhiên, Medal và Sharpless đã chứng minh rằng sự kiện ghép azide-alkyne này trải qua 107–108 với sự có mặt của Cu(I) so với sự gia tốc đáng kể về tốc độ của phản ứng cộng vòng 1,3 lưỡng cực không xúc tác 62,63.Cơ chế phản ứng tiên tiến này không yêu cầu các nhóm bảo vệ hoặc các điều kiện phản ứng khắc nghiệt và cung cấp khả năng chuyển đổi và chọn lọc gần như hoàn toàn thành 1,2,3-triazoles bị thay thế 1,4 (anti-1,2,3-triazoles) theo thời gian (Hình 3 ).
Kết quả đẳng cự của các chu kỳ Huisgen thông thường và xúc tác bằng đồng.Các phản ứng cộng vòng Huisgen được xúc tác Cu(I) chỉ tạo ra 1,2,3-triazole bị phân hủy 1,4, trong khi các phản ứng cộng vòng Huisgen cảm ứng nhiệt thường tạo ra 1,4- và 1,5-triazole là hỗn hợp 1:1 của các đồng phân lập thể azole.
Hầu hết các quy trình liên quan đến việc khử các nguồn Cu(II) ổn định, chẳng hạn như khử CuSO4 hoặc hợp chất Cu(II)/Cu(0) kết hợp với muối natri.So với các phản ứng xúc tác kim loại khác, việc sử dụng Cu(I) có ưu điểm chính là rẻ và dễ xử lý.
Nghiên cứu động học và đồng vị của Worrell et al.65 đã chỉ ra rằng trong trường hợp của các alkynes cuối cùng, hai đương lượng đồng tham gia vào việc kích hoạt khả năng phản ứng của mỗi phân tử đối với azide.Cơ chế được đề xuất tiến hành thông qua một vòng kim loại đồng sáu thành viên được hình thành bởi sự phối hợp của azide với acetylide đồng 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 sau đó là sự phân hủy proton để tạo thành các sản phẩm triazol 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 được 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, có hoạt tính xúc tác với các phần tử cảm biến 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 các đường dẫn chất lỏng bên trong, một nguyên mẫu trong suốt được tạo bằng kỹ thuật in lập thể cũng được hiển thị.
Để đảm bảo rằng các lò phản ứng được chế tạo cho các phản ứng hữu cơ trong tương lai, dung môi phải được đun nóng an toàn trên điểm sôi của chúng;chúng được kiểm tra 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 sử dụng H2O làm chất lỏng.
Việc 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 làm tăng gấp đôi tốc độ phản ứng, do đó, chênh lệch nhiệt độ chỉ một vài độ cũng có thể thay đổi đáng kể tốc độ phản ứng.Sự khác biệt này là do tổn thất nhiệt độ trong suốt RPV do khả năng khuếch tán nhiệt cao của vật liệu được sử dụng trong quá trình sản xuất.Độ trôi nhiệt này là không đổi và do đó có thể được tính đến khi thiết lập thiết bị để đảm bảo đạt được và đo được 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.Những cảm biến này cũng có thể được sử dụng để phát hiện các phản ứng tỏa nhiệt và ngăn chặn các phản ứng quá mức 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 để chế tạo lò phản ứng hóa học và giải quyết một số hạn chế chính hiện nay liên quan đến in AM/3D của các thiết bị này, chẳng hạn như: (i) Khắc phục các vấn đề đã lưu ý liên quan đến xử lý hợp kim đồng hoặc nhôm (ii) cải thiện độ phân giải kênh bên trong so với các phương pháp nung chảy lớp bột (PBF) như nung chảy bằng laser chọn lọc (SLM) công nghệ, (v) khắc phục các tính chất cơ học kém và độ nhạy của các thành phần dựa trên polyme đối với các dung môi hữu cơ phổ biến khác nhau17,19.
Chức năng của lò phản ứng đã được chứng minh bằng một loạt các phản ứng cộng vòng vòng alkinazide được xúc tác bằng đồng trong điều kiện dòng chảy liên tục (Hình 2).Lò phản ứng đồng in siêu âm thể hiện trong hình.4 được tích hợp với hệ thống dòng chảy thương mại và được sử dụng để tổng hợp thư viện azide gồm 1,2,3-triazole khác nhau được phân tách bằng cách sử dụng phản ứng được kiểm soát nhiệt độ của axetylen và nhóm alkyl halogenua với sự có mặt của natri clorua (Hình 3).Việc sử dụng phương pháp tiếp cận dòng chảy liên tục làm giảm các vấn đề an toàn có thể phát sinh trong các quy trình theo lô, vì phản ứng này tạo ra các chất trung gian azide có tính phản ứng cao và nguy hiểm [317], [318].Ban đầu, phản ứng được tối ưu hóa cho phản ứng cộng vòng phenylaxetylen và iodoetan (Sơ đồ 1 – Cộng vòng vòng phenylaxetylen và iodoetan) (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 hóa (phía dưới) của sơ đồ cộng vòng tuần hoàn 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 các chất phản ứng trong phần xúc tác của lò phản ứng và theo dõi cẩn thận nhiệt độ phản ứng bằng cảm biến cặp 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 chuyển đổi cao nhất đã 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 và nhiệt độ phản ứng đều được coi là điều kiện quan trọng của mô hình.Chạy trình tối ưu hóa tích hợp bằng cách sử dụng 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 pic của sản phẩm trong khi giảm diện tích pic của nguyên liệu ban đầu.Sự tối ưu hóa này mang lại tỷ lệ chuyển đổi sản phẩm triazole là 53%, hoàn toàn khớp với dự đoán của mô hình là 54%.