نشكركم على زيارة موقع Nature.com. يُعاني متصفحكم من محدودية دعم CSS. للحصول على أفضل تجربة، نوصي باستخدام متصفح مُحدّث (أو تعطيل وضع التوافق في Internet Explorer). في هذه الأثناء، ولضمان استمرار الدعم، سنعرض الموقع بدون أنماط CSS وجافا سكريبت.
شريط تمرير يعرض ثلاث شرائح في وقت واحد. استخدم زري "السابق" و"التالي" للتنقل بين الشرائح الثلاث في كل مرة، أو استخدم أزرار التمرير في النهاية للتنقل بين الشرائح الثلاث في كل مرة.
تُحدث تقنية التصنيع بالإضافة ثورةً في أساليب تصميم وتصنيع الأجهزة الكيميائية من قِبل الباحثين والصناعيين لتلبية احتياجاتهم الخاصة. في هذه الورقة، نعرض أول مثال لمفاعل تدفق مُشكَّل بتقنية التصنيع بالإضافة بالموجات فوق الصوتية (UAM) لصفائح معدنية صلبة، مع دمج أجزاء تحفيزية وعناصر استشعار بشكل مباشر. لا تقتصر فوائد تقنية UAM على التغلب على العديد من القيود المرتبطة حاليًا بتصنيع المفاعلات الكيميائية بالإضافة، بل تُوسِّع أيضًا بشكل كبير من إمكانيات هذه الأجهزة. وقد تم بنجاح تخليق وتحسين عدد من مركبات 1،4-ثنائية الاستبدال 1،2،3-تريازول ذات الأهمية البيولوجية، وذلك من خلال تفاعل إضافة حلقية ثنائية القطب 1،3 من نوع هويزجن بوساطة النحاس، باستخدام وحدة UAM الكيميائية. وبفضل الخصائص الفريدة لتقنية UAM ومعالجة التدفق المستمر، يُمكن للجهاز تحفيز التفاعلات الجارية، بالإضافة إلى توفير تغذية راجعة فورية لمراقبة التفاعلات وتحسينها.
نظراً لمزاياها الكبيرة مقارنةً بالكيمياء التقليدية، تُعدّ الكيمياء التدفقية مجالاً هاماً ومتنامياً في الأوساط الأكاديمية والصناعية على حدٍ سواء، وذلك لقدرتها على زيادة انتقائية وكفاءة التخليق الكيميائي. ويشمل ذلك تكوين الجزيئات العضوية البسيطة¹ وصولاً إلى المركبات الصيدلانية^2،3 والمنتجات الطبيعية^4،5،6. ويمكن لأكثر من 50% من التفاعلات في الصناعات الكيميائية الدقيقة والصيدلانية الاستفادة من التدفق المستمر⁷.
في السنوات الأخيرة، برز اتجاه متزايد لدى مجموعات تسعى لاستبدال الأدوات الزجاجية التقليدية أو معدات الكيمياء التدفقية بمفاعلات كيميائية قابلة للتعديل.⁸ يُعدّ التصميم التكراري والتصنيع السريع والقدرات ثلاثية الأبعاد لهذه الطرق مفيدة لمن يرغبون في تخصيص أجهزتهم لمجموعة معينة من التفاعلات أو الأجهزة أو الظروف. وحتى الآن، ركز هذا العمل بشكل شبه حصري على استخدام تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد القائمة على البوليمرات، مثل الطباعة المجسمة (SL)^9،10،11، ونمذجة الترسيب المنصهر (FDM)^{8،12،13،14}، والطباعة النفاثة للحبر^7،15،16. ويُعدّ افتقار هذه الأجهزة إلى الموثوقية والقدرة على إجراء نطاق واسع من التفاعلات/التحليلات الكيميائية^{17،18،19،20} عاملاً رئيسياً يحدّ من تطبيق التصنيع بالإضافة على نطاق أوسع في هذا المجال^{17،18،19،20}.
نظراً لتزايد استخدام كيمياء التدفق والخصائص المميزة للتصنيع بالإضافة، تبرز الحاجة إلى استكشاف تقنيات أفضل تُمكّن المستخدمين من تصنيع أوعية تفاعل تدفقية ذات قدرات كيميائية وتحليلية محسّنة. ينبغي أن تتيح هذه الطرق للمستخدمين اختيار مواد عالية المتانة أو مواد وظيفية قادرة على العمل في ظل ظروف تفاعل متنوعة، فضلاً عن تسهيل الحصول على مخرجات تحليلية مختلفة من الجهاز لتمكين مراقبة التفاعل والتحكم فيه.
إحدى عمليات التصنيع الإضافي التي يمكن استخدامها لتطوير مفاعلات كيميائية مخصصة هي التصنيع الإضافي بالموجات فوق الصوتية (UAM). تعتمد هذه الطريقة، التي تعتمد على ترقيق الصفائح الصلبة، على تطبيق اهتزازات فوق صوتية على رقائق معدنية رقيقة لربطها معًا طبقة تلو الأخرى بأقل قدر من التسخين الحجمي وبدرجة عالية من التدفق اللدن 21، 22، 23. على عكس معظم تقنيات التصنيع الإضافي الأخرى، يمكن دمج UAM مباشرةً مع الإنتاج الطرحي، فيما يُعرف بعملية التصنيع الهجينة، حيث تحدد عمليات الطحن الدورية في الموقع باستخدام التحكم الرقمي (CNC) أو المعالجة بالليزر الشكل النهائي لطبقة المادة المُلصقة 24، 25. هذا يعني أن المستخدم غير مقيد بالمشاكل المرتبطة بإزالة بقايا مواد البناء الأصلية من قنوات السوائل الصغيرة، وهو ما يحدث غالبًا في أنظمة المساحيق والسوائل 26، 27، 28. تمتد حرية التصميم هذه أيضًا إلى اختيار المواد المتاحة - إذ يمكن لـ UAM ربط تركيبات من مواد متشابهة حراريًا ومختلفة في خطوة معالجة واحدة. يُتيح اختيار تركيبات المواد، بما يتجاوز عملية الصهر، تلبية المتطلبات الميكانيكية والكيميائية لتطبيقات محددة على نحو أفضل. فبالإضافة إلى الترابط الصلب، تتميز عملية الربط بالموجات فوق الصوتية بسيولة عالية للمواد البلاستيكية عند درجات حرارة منخفضة نسبيًا.^{29،30،31،32،33} تُمكّن هذه الخاصية الفريدة للربط بالموجات فوق الصوتية من وضع العناصر الميكانيكية/الحرارية بين طبقات المعدن دون إتلافها. كما تُسهّل مستشعرات الربط بالموجات فوق الصوتية المدمجة نقل المعلومات في الوقت الفعلي من الجهاز إلى المستخدم عبر تحليلات متكاملة.
أظهرت دراسة سابقة للمؤلفين (32) قدرة عملية التصنيع بمساعدة الموجات فوق الصوتية (UAM) على إنشاء هياكل معدنية ثلاثية الأبعاد دقيقة الموائع مزودة بإمكانيات استشعار مدمجة. هذا الجهاز مخصص لأغراض المراقبة فقط. تقدم هذه المقالة أول مثال لمفاعل كيميائي دقيق الموائع مصنّع بتقنية UAM، وهو جهاز فعال لا يقتصر دوره على التحكم في التخليق الكيميائي فحسب، بل يحفزه أيضًا باستخدام مواد محفزة مدمجة هيكليًا. يجمع الجهاز بين العديد من المزايا المرتبطة بتقنية UAM في تصنيع الأجهزة الكيميائية ثلاثية الأبعاد، مثل: القدرة على تحويل تصميم ثلاثي الأبعاد كامل مباشرةً من نموذج التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) إلى منتج؛ والتصنيع متعدد المواد لدمج مواد ذات موصلية حرارية عالية ومواد محفزة، بالإضافة إلى مستشعرات حرارية مدمجة مباشرةً بين تيارات المواد المتفاعلة للتحكم الدقيق في درجة حرارة التفاعل وإدارتها. ولإثبات فعالية المفاعل، تم تخليق مجموعة من مركبات 1،4-ثنائية الاستبدال 1،2،3-تريازول ذات الأهمية الصيدلانية عن طريق تفاعل إضافة حلقية ثنائية القطب 1،3-هويزجن المحفز بالنحاس. يسلط هذا العمل الضوء على كيفية إمكانية استخدام علم المواد والتصميم بمساعدة الحاسوب لفتح آفاق وفرص جديدة للكيمياء من خلال البحث متعدد التخصصات.
تم شراء جميع المذيبات والكواشف من شركات سيجما-ألدريتش، وألفا إيسار، وتي سي آي، وفيشر ساينتيفيك، واستُخدمت دون تنقية مسبقة. سُجلت أطياف الرنين النووي المغناطيسي للبروتون (1H) والكربون-13 (13C) عند ترددين 400 و100 ميجاهرتز على التوالي، باستخدام مطياف JEOL ECS-400 بتردد 400 ميجاهرتز أو مطياف Bruker Avance II بتردد 400 ميجاهرتز، مع استخدام الكلوروفورم المديوتيري (CDCl3) أو ثنائي كبريتيد الميثيل (CD3)2SO كمذيب. أُجريت جميع التفاعلات باستخدام منصة Uniqsis FlowSyn للكيمياء التدفقية.
استُخدمت تقنية التصنيع بمساعدة الحاسوب (UAM) في تصنيع جميع الأجهزة في هذه الدراسة. طُوّرت هذه التقنية عام ١٩٩٩، ويمكن الاطلاع على تفاصيلها التقنية ومعايير تشغيلها وتطوراتها منذ ذلك الحين في المراجع المنشورة التالية: ٣٤، ٣٥، ٣٦، ٣٧. تم تنفيذ الجهاز (الشكل ١) باستخدام نظام SonicLayer 4000® UAM عالي الأداء بقدرة ٩ كيلوواط (شركة فابريسونيك، أوهايو، الولايات المتحدة الأمريكية). تم اختيار مادتي Cu-110 وAl 6061 لجهاز التدفق. يتميز Cu-110 بمحتواه العالي من النحاس (99.9% كحد أدنى)، مما يجعله خيارًا مناسبًا للتفاعلات المحفزة بالنحاس، ولذلك يُستخدم كطبقة فعالة داخل المفاعل الدقيق. أما Al 6061، فيُستخدم كمادة أساسية، بالإضافة إلى طبقة التداخل المستخدمة في التحليل؛ حيث تم دمج مكونات سبيكة مساعدة وحالة مُلدّنة مع طبقة Cu-110، وقد وُجد أنها مستقرة كيميائيًا مع الكواشف المستخدمة في هذا العمل. يُعتبر Al 6061 مع Cu-110 مزيجًا متوافقًا من المواد لتقنية UAM، وبالتالي فهو مادة مناسبة لهذه الدراسة.^38،42 هذه الأجهزة مُدرجة في الجدول 1 أدناه.
خطوات تصنيع المفاعل (1) ركيزة من سبائك الألومنيوم 6061 (2) تصنيع القناة السفلية من رقائق النحاس (3) إدخال المزدوجات الحرارية بين الطبقات (4) القناة العلوية (5) المدخل والمخرج (6) المفاعل المتجانس.
تعتمد فلسفة تصميم قناة السوائل على استخدام مسار متعرج لزيادة المسافة التي يقطعها السائل داخل الشريحة مع الحفاظ على حجم مناسب لها. هذه الزيادة في المسافة مرغوبة لزيادة زمن تلامس المحفز والمتفاعلات، وبالتالي تحقيق إنتاجية عالية للمنتج. تستخدم الشرائح انحناءات بزاوية 90 درجة عند نهايات المسار المستقيم لإحداث خلط مضطرب داخل الجهاز، مما يزيد من زمن تلامس السائل مع السطح (المحفز). ولزيادة تحسين الخلط، يتضمن تصميم المفاعل مدخلين للمتفاعلات متصلين على شكل حرف Y قبل دخول قسم ملف الخلط. أما المدخل الثالث، الذي يقطع التدفق في منتصف مساره، فهو مُدرج في خطة تفاعلات التخليق متعددة المراحل المستقبلية.
تتميز جميع القنوات بمقطع عرضي مربع (بدون زوايا مدببة)، وهو نتاج عملية الطحن الدوري باستخدام الحاسوب (CNC) لتشكيل هندسة القناة. تم اختيار أبعاد القناة لتوفير إنتاجية حجمية عالية (بالنسبة للمفاعل الصغير)، مع الحفاظ على صغر حجمها بما يكفي لتسهيل التفاعل مع السطح (المحفزات) لمعظم السوائل الموجودة فيها. استند اختيار الحجم المناسب إلى خبرة المؤلفين السابقة في أجهزة تفاعل المعدن مع السائل. بلغت الأبعاد الداخلية للقناة النهائية 750 ميكرومتر × 750 ميكرومتر، وكان الحجم الكلي للمفاعل 1 مل. يتضمن التصميم موصلًا مدمجًا (خيط 1/4 بوصة - 28 UNF) لتسهيل ربط الجهاز بمعدات كيمياء التدفق التجارية. يتحدد حجم القناة بسماكة مادة الرقاقة، وخصائصها الميكانيكية، ومعايير الربط المستخدمة مع الموجات فوق الصوتية. عند عرض معين لمادة محددة، ستنزلق المادة داخل القناة المُنشأة. لا يوجد حاليًا نموذج محدد لهذا الحساب، لذلك يتم تحديد الحد الأقصى لعرض القناة لمادة وتصميم معينين تجريبيًا، وفي هذه الحالة لن يتسبب عرض 750 ميكرومتر في حدوث ترهل.
يُحدد شكل القناة (المربع) باستخدام قاطع مربع. ويمكن تغيير شكل وحجم القنوات على آلات CNC باستخدام أدوات قطع مختلفة للحصول على معدلات تدفق وخصائص متنوعة. يُمكن الاطلاع على مثال لإنشاء قناة منحنية باستخدام أداة قياس 125 ميكرومتر في مرجع Monaghan45. عند تطبيق طبقة الرقاقة المعدنية بشكل مسطح، يكون سطح تطبيق مادة الرقاقة على القنوات مسطحًا (مربعًا). في هذا العمل، استُخدم محيط مربع للحفاظ على تناظر القناة.
أثناء فترة توقف مُبرمجة في الإنتاج، تُدمج مجسات حرارة مزدوجة (من النوع K) مباشرةً في الجهاز بين مجموعتي القنوات العلوية والسفلية (الشكل 1 - المرحلة 3). تستطيع هذه المجسات الحرارية التحكم في تغيرات درجة الحرارة من -200 إلى 1350 درجة مئوية.
تُجرى عملية ترسيب المعدن بواسطة بوق جهاز التصنيع بالموجات فوق الصوتية (UAM) باستخدام رقائق معدنية بعرض 25.4 مم وسماكة 150 ميكرون. تُربط طبقات هذه الرقائق في سلسلة من الشرائح المتجاورة لتغطية منطقة البناء بالكامل؛ ويكون حجم المادة المُرسبة أكبر من المنتج النهائي نظرًا لأن عملية الطرح تُنتج الشكل النهائي النظيف. تُستخدم آلات CNC لتشكيل الخطوط الخارجية والداخلية للجهاز، مما ينتج عنه تشطيب سطحي للجهاز والقنوات يتوافق مع معايير الأداة المختارة وعملية CNC (في هذا المثال، حوالي 1.6 ميكرون Ra). تُستخدم دورات رش المواد بالموجات فوق الصوتية والتشكيل المستمرة طوال عملية تصنيع الجهاز لضمان الحفاظ على دقة الأبعاد وأن الجزء النهائي يفي بمستويات دقة الطحن الدقيق باستخدام CNC. عرض القناة المستخدمة لهذا الجهاز صغير بما يكفي لضمان عدم "ترهل" مادة الرقائق في قناة السائل، لذا فإن للقناة مقطعًا عرضيًا مربعًا. تم تحديد الفجوات المحتملة في مادة الرقائق ومعايير عملية UAM تجريبياً من قبل شريك التصنيع (Fabrisonic LLC، الولايات المتحدة الأمريكية).
أظهرت الدراسات أنه عند الواجهة 46، 47 لمركب UAM، يكون هناك انتشار ضئيل للعناصر بدون معالجة حرارية إضافية، لذلك بالنسبة للأجهزة في هذا العمل، تظل طبقة Cu-110 مختلفة عن طبقة Al 6061 وتتغير بشكل كبير.
تم تركيب منظم ضغط خلفي مُعاير مسبقًا (BPR) عند ضغط 250 رطل لكل بوصة مربعة (1724 كيلو باسكال) أسفل المفاعل، وضخ الماء عبر المفاعل بمعدل يتراوح بين 0.1 و1 مل/دقيقة. وتمت مراقبة ضغط المفاعل باستخدام محول الضغط FlowSyn المدمج في النظام لضمان ثبات الضغط. وتم اختبار تدرجات درجة الحرارة المحتملة في مفاعل التدفق من خلال رصد أي اختلافات بين المزدوجات الحرارية المدمجة في المفاعل والمزدوجات الحرارية المدمجة في لوحة التسخين الخاصة بشريحة FlowSyn. ويتم ذلك بتغيير درجة حرارة لوحة التسخين المُبرمجة بين 100 و150 درجة مئوية بزيادات قدرها 25 درجة مئوية، ومراقبة أي اختلافات بين درجات الحرارة المُبرمجة والمسجلة. وقد تم ذلك باستخدام مسجل البيانات tc-08 (PicoTech، كامبريدج، المملكة المتحدة) وبرنامج PicoLog المُصاحب له.
تم تحسين ظروف تفاعل الإضافة الحلقية بين فينيل أسيتيلين ويودوإيثان (المخطط 1 - الإضافة الحلقية بين فينيل أسيتيلين ويودوإيثان). وقد أُجري هذا التحسين باستخدام منهجية تصميم التجارب العاملية الكاملة، مع استخدام درجة الحرارة وزمن التفاعل كمتغيرات، مع تثبيت نسبة الألكاين إلى الأزيد عند 1:2.
تم تحضير محاليل منفصلة من أزيد الصوديوم (0.25 مولار، 4:1 ثنائي ميثيل فورماميد:ماء)، ويودوإيثان (0.25 مولار، ثنائي ميثيل فورماميد)، وفينيل أسيتيلين (0.125 مولار، ثنائي ميثيل فورماميد). تم مزج 1.5 مل من كل محلول وضخه عبر المفاعل بمعدل التدفق ودرجة الحرارة المطلوبين. تم حساب استجابة النموذج كنسبة مساحة ذروة ناتج التريازول إلى مساحة ذروة مادة فينيل أسيتيلين الأولية، وتم تحديدها باستخدام كروماتوغرافيا السائل عالي الأداء (HPLC). لضمان اتساق التحليل، أُجريت جميع التفاعلات فور خروج مزيج التفاعل من المفاعل. يوضح الجدول 2 نطاقات المعلمات المختارة للتحسين.
تم تحليل جميع العينات باستخدام نظام كروماتوغرافيا سائلة عالية الأداء (HPLC) من نوع Chromaster (شركة VWR، بنسلفانيا، الولايات المتحدة الأمريكية)، ويتكون من مضخة رباعية، وفرن عمودي، وكاشف للأشعة فوق البنفسجية ذي طول موجي متغير، وجهاز أخذ عينات تلقائي. كان العمود المستخدم من نوع Equivalence 5 C18 (شركة VWR، بنسلفانيا، الولايات المتحدة الأمريكية)، بأبعاد 4.6 × 100 مم، وحجم جسيمات 5 ميكرومتر، ومُحافظ على درجة حرارة 40 درجة مئوية. استُخدم مذيب متساوي التركيز من الميثانول والماء بنسبة 50:50، بمعدل تدفق 1.5 مل/دقيقة. كان حجم الحقن 5 ميكرولتر، وطول موجة الكاشف 254 نانومتر. حُسبت النسبة المئوية لمساحة الذروة لعينة DOE من مساحات ذروات منتجات الألكاين والتريازول المتبقية فقط. يُتيح إدخال المادة الأولية تحديد الذروات المقابلة.
أتاح دمج نتائج تحليل المفاعل مع برنامج MODDE DOE (Umetrics، مالمو، السويد) إجراء تحليل شامل لاتجاهات النتائج وتحديد ظروف التفاعل المثلى لهذا التفاعل الحلقي. يؤدي تشغيل المُحسِّن المدمج واختيار جميع مُعاملات النموذج المهمة إلى إنشاء مجموعة من ظروف التفاعل المصممة لزيادة مساحة ذروة المنتج إلى أقصى حد مع تقليل مساحة ذروة مادة الأسيتيلين الأولية.
تمت أكسدة سطح النحاس في حجرة التفاعل التحفيزي باستخدام محلول بيروكسيد الهيدروجين (36%) المتدفق عبر حجرة التفاعل (معدل التدفق = 0.4 مل/دقيقة، زمن الإقامة = 2.5 دقيقة) قبل تخليق كل مركب من مركبات التريازول.
بمجرد تحديد المجموعة المثلى من الظروف، تم تطبيقها على مجموعة من مشتقات الأسيتيلين والهالوألكان للسماح بتجميع مكتبة تركيب صغيرة، وبالتالي إثبات إمكانية تطبيق هذه الظروف على نطاق أوسع من الكواشف المحتملة (الشكل 1). 2).
حضّر محاليل منفصلة من أزيد الصوديوم (0.25 مولار، 4:1 ثنائي ميثيل فورماميد:ماء)، وهالو ألكانات (0.25 مولار، ثنائي ميثيل فورماميد)، وألكاينات (0.125 مولار، ثنائي ميثيل فورماميد). تم مزج 3 مل من كل محلول وضخها عبر المفاعل بمعدل 75 ميكرولتر/دقيقة عند درجة حرارة 150 درجة مئوية. جُمع الحجم الكلي في قارورة وخُفف بـ 10 مل من أسيتات الإيثيل. غُسل محلول العينة بثلاث دفعات من الماء، كل دفعة 10 مل. جُمعت الطبقات المائية واستُخلصت بـ 10 مل من أسيتات الإيثيل، ثم جُمعت الطبقات العضوية وغُسلت بثلاث دفعات من محلول ملحي، وجُففت فوق كبريتات المغنيسيوم ورُشحت، ثم أُزيل المذيب تحت فراغ. تم تنقية العينات بواسطة كروماتوغرافيا عمود هلام السيليكا باستخدام أسيتات الإيثيل قبل التحليل بواسطة مزيج من HPLC و 1H NMR و 13C NMR وقياس الطيف الكتلي عالي الدقة (HR-MS).
تم الحصول على جميع الأطياف باستخدام مطياف الكتلة Thermofischer Precision Orbitrap مع استخدام تقنية التأين بالرذاذ الإلكتروني (ESI) كمصدر للتأين. تم تحضير جميع العينات باستخدام الأسيتونيتريل كمذيب.
أُجري تحليل الفصل الكروماتوغرافي الطبقي الرقيق على ألواح السيليكا ذات الركيزة الألومنيومية. وتمت معاينة الألواح باستخدام الأشعة فوق البنفسجية (254 نانومتر) أو التلوين بالفانيلين والتسخين.
تم تحليل جميع العينات باستخدام نظام VWR Chromaster (شركة VWR International Ltd.، لايتون بوزارد، المملكة المتحدة) المزود بجهاز أخذ عينات تلقائي، ومضخة ثنائية مع فرن عمود، وكاشف أحادي الطول الموجي. واستُخدم عمود ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4.6 مم، شركة Advanced Chromatography Technologies Ltd.، أبردين، اسكتلندا).
تم حقن 5 ميكرولتر مباشرةً من مزيج التفاعل الخام المخفف (بتخفيف 1:10) وتحليلها باستخدام الماء والميثانول (50:50 أو 70:30)، باستثناء بعض العينات التي استخدمت نظام مذيب بنسبة 70:30 (مشار إليها بالنجمة) بمعدل تدفق 1.5 مل/دقيقة. حُفظ العمود عند درجة حرارة 40 درجة مئوية. يبلغ طول موجة الكاشف 254 نانومتر.
تم حساب النسبة المئوية لمساحة الذروة للعينة من مساحة ذروة الألكاين المتبقي، منتج التريازول فقط، وقد أتاح إدخال المادة الأولية تحديد الذروات المقابلة.
تم تحليل جميع العينات باستخدام جهاز Thermo iCAP 6000 ICP-OES. تم تحضير جميع معايير المعايرة باستخدام محلول قياسي من النحاس بتركيز 1000 جزء في المليون في حمض النيتريك بنسبة 2% (SPEX Certi Prep). تم تحضير جميع المعايير في محلول من ثنائي ميثيل فورماميد (DMF) بنسبة 5% وحمض النيتريك (HNO3) بنسبة 2%، وتم تخفيف جميع العينات 20 مرة بمحلول عينة من ثنائي ميثيل فورماميد وحمض النيتريك.
تستخدم تقنية التصنيع الإضافي بالموجات فوق الصوتية (UAM) اللحام المعدني بالموجات فوق الصوتية كوسيلة لربط رقائق المعدن المستخدمة في تكوين المنتج النهائي. تعتمد هذه التقنية على استخدام أداة معدنية مهتزة (تُسمى البوق أو البوق فوق الصوتي) لتطبيق ضغط على الرقاقة/الطبقة المدمجة مسبقًا المراد ربطها/الطبقة المدمجة مسبقًا عن طريق اهتزاز المادة. في التشغيل المستمر، يكون شكل السونترود أسطوانيًا ويتحرك على سطح المادة، رابطًا كامل المساحة. عند تطبيق الضغط والاهتزاز، قد تتشقق الأكاسيد الموجودة على سطح المادة. يمكن أن يؤدي الضغط والاهتزاز المستمران إلى تدمير خشونة سطح المادة. يؤدي التلامس الوثيق مع الحرارة والضغط الموضعيين إلى تكوين رابطة صلبة عند أسطح التماس بين المواد؛ كما يمكن أن يعزز التماسك عن طريق تغيير طاقة السطح. تتغلب طبيعة آلية الربط هذه على العديد من المشكلات المرتبطة بتغير درجة حرارة الانصهار وتأثيرات درجات الحرارة العالية المذكورة في تقنيات التصنيع الإضافي الأخرى. وهذا يسمح بالاتصال المباشر (أي بدون تعديل السطح أو مواد مالئة أو مواد لاصقة) لعدة طبقات من مواد مختلفة في بنية واحدة متماسكة.
العامل الثاني المُفضّل لتقنية التصنيع بمساعدة الحاسوب (CAM) هو درجة التدفق اللدن العالية التي تُلاحظ في المواد المعدنية حتى في درجات الحرارة المنخفضة، أي أقل بكثير من درجة انصهارها. يُؤدي الجمع بين الاهتزازات فوق الصوتية والضغط إلى مستوى عالٍ من هجرة حدود الحبيبات المحلية وإعادة التبلور دون الارتفاع الكبير في درجة الحرارة الذي يرتبط عادةً بالمواد الصلبة. أثناء إنشاء التجميع النهائي، يُمكن استخدام هذه الظاهرة لتضمين المكونات النشطة وغير النشطة بين طبقات الرقائق المعدنية، طبقة تلو الأخرى. وقد تم دمج عناصر مثل الألياف البصرية 49، والتقوية 46، والإلكترونيات 50، والمزدوجات الحرارية (في هذا العمل) بنجاح في هياكل التصنيع بمساعدة الحاسوب (UAM) لإنشاء تجميعات مركبة نشطة وغير نشطة.
في هذا العمل، تم استخدام كل من قدرات ربط المواد المختلفة وقدرات التداخل UAM لإنشاء مفاعل دقيق مثالي للتحكم في درجة الحرارة التحفيزية.
بالمقارنة مع البلاديوم (Pd) وغيره من المحفزات المعدنية الشائعة الاستخدام، يتميز التحفيز بالنحاس (Cu) بعدة مزايا: (1) من الناحية الاقتصادية، يُعد النحاس أرخص من العديد من المعادن الأخرى المستخدمة في التحفيز، مما يجعله خيارًا جذابًا للصناعات الكيميائية. (2) يتسع نطاق تفاعلات الاقتران المتقاطع المحفزة بالنحاس، ويبدو أنها تُكمل إلى حد ما المنهجيات القائمة على البلاديوم (Pd). (3) تعمل التفاعلات المحفزة بالنحاس بكفاءة في غياب روابط أخرى، وغالبًا ما تكون هذه الروابط بسيطة التركيب وغير مكلفة، على عكس تلك المستخدمة في كيمياء البلاديوم، والتي غالبًا ما تكون معقدة ومكلفة وحساسة للهواء. (4) يُعرف النحاس بقدرته على ربط الألكاينات في التخليق، مثل تفاعل سونوجاشيرا للاقتران ثنائي المعدن المحفز والإضافة الحلقية مع الأزيدات (كيمياء النقر). (5) يمكن للنحاس أيضًا أن يُحفز أريلة بعض النيوكليوفيلات في تفاعلات من نوع أولمان.
أُثبتت مؤخراً أمثلة على تحويل جميع هذه التفاعلات إلى تفاعلات غير متجانسة في وجود النحاس (Cu(0)). ويعود ذلك إلى حد كبير إلى صناعة الأدوية والتركيز المتزايد على استعادة وإعادة استخدام المحفزات المعدنية^55،56.
يُعتبر تفاعل الإضافة الحلقية ثنائية القطب 1،3 بين الأسيتيلين والأزيد لتكوين 1،2،3-تريازول، الذي اقترحه هويزجن لأول مرة في ستينيات القرن الماضي، تفاعلًا توضيحيًا تآزريًا. وتكتسب شظايا 1،2،3-تريازول الناتجة أهمية خاصة كجزء دوائي في اكتشاف الأدوية نظرًا لتطبيقاتها البيولوجية واستخدامها في العديد من العوامل العلاجية.
حظي هذا التفاعل باهتمام متجدد عندما قدم شاربلس وآخرون مفهوم "كيمياء النقر"⁵⁹. يُستخدم مصطلح "كيمياء النقر" لوصف مجموعة من التفاعلات القوية والانتقائية للتخليق السريع لمركبات جديدة ومكتبات تركيبية باستخدام الروابط غير المتجانسة (CXC)⁶⁰. ويعود جاذبية هذه التفاعلات في مجال التخليق إلى عوائدها العالية، وظروفها البسيطة، ومقاومتها للأكسجين والماء، وسهولة فصل المنتج⁶¹.
لا يندرج تفاعل هويزجن الحلقي الكلاسيكي ثنائي القطب 1،3 ضمن فئة "كيمياء النقر". ومع ذلك، أثبت ميدال وشاربلس أن تفاعل اقتران الأزيد-الألكاين هذا يحدث 107-108 في وجود أيونات النحاس الأحادي، مقارنةً بتسارع ملحوظ في معدل تفاعل الإضافة الحلقية ثنائية القطب 1،3 غير المحفز 62،63. لا تتطلب آلية التفاعل المتقدمة هذه مجموعات حماية أو ظروف تفاعل قاسية، وتوفر تحويلًا وانتقائية شبه كاملة لمركبات 1،4-ثنائية الاستبدال 1،2،3-تريازول (مضاد-1،2،3-تريازول) مع مرور الوقت (الشكل 3).
نتائج القياس المتساوي لتفاعلات إضافة هويزجن الحلقية التقليدية والمحفزة بالنحاس. تُنتج تفاعلات إضافة هويزجن الحلقية المحفزة بالنحاس الأحادي فقط مركبات 1،4-ثنائية الاستبدال من نوع 1،2،3-تريازول، بينما تُنتج تفاعلات إضافة هويزجن الحلقية المحفزة حرارياً عادةً مركبات 1،4- و1،5-تريازول، أي خليط بنسبة 1:1 من المتصاوغات الفراغية للأزول.
تتضمن معظم البروتوكولات اختزال مصادر مستقرة لأيونات النحاس الثنائي (Cu(II))، مثل اختزال كبريتات النحاس (CuSO4) أو مركب النحاس الثنائي/النحاس الصفري (Cu(II)) مع أملاح الصوديوم. وبالمقارنة مع التفاعلات الأخرى المحفزة بالمعادن، يتميز استخدام النحاس الأحادي (Cu(I)) بميزتين رئيسيتين: انخفاض التكلفة وسهولة الاستخدام.
أظهرت الدراسات الحركية والنظائرية التي أجراها ووريل وآخرون (65) أنه في حالة الألكينات الطرفية، يشارك مكافئان من النحاس في تنشيط تفاعل كل جزيء مع الأزيد. وتتم الآلية المقترحة عبر حلقة معدنية سداسية من النحاس تتشكل من خلال ارتباط الأزيد بأسيتيليد النحاس المرتبط برابطة سيجما، حيث يعمل النحاس المرتبط برابطة باي كربيطة مانحة مستقرة. وتتكون مشتقات تريازوليل النحاس نتيجة لانكماش الحلقة، يليه تحلل البروتون لتكوين منتجات التريازول، وبذلك تكتمل الدورة التحفيزية.
على الرغم من أن فوائد أجهزة كيمياء التدفق موثقة جيدًا، إلا أن هناك رغبة في دمج الأدوات التحليلية في هذه الأنظمة لمراقبة العمليات في الوقت الفعلي في الموقع 66،67. وقد أثبتت تقنية التصنيع بمساعدة الحاسوب (UAM) أنها طريقة مناسبة لتصميم وتصنيع مفاعلات تدفق ثلاثية الأبعاد معقدة للغاية من مواد نشطة تحفيزيًا وموصلة حراريًا مع عناصر استشعار مدمجة مباشرة (الشكل 4).
مفاعل تدفق من الألومنيوم والنحاس مصنّع بتقنية التصنيع الإضافي بالموجات فوق الصوتية (UAM)، يتميز ببنية قنوات داخلية معقدة، ومزدوجات حرارية مدمجة، وغرفة تفاعل تحفيزي. ولتوضيح مسارات السوائل الداخلية، تم عرض نموذج أولي شفاف مصنوع بتقنية الطباعة المجسمة.
لضمان صلاحية المفاعلات لإجراء التفاعلات العضوية المستقبلية، يجب تسخين المذيبات بأمان فوق درجة غليانها؛ حيث تخضع لاختبارات الضغط ودرجة الحرارة. أظهر اختبار الضغط أن النظام يحافظ على ضغط ثابت ومستقر حتى عند الضغط المرتفع داخله (1.7 ميجا باسكال). أُجريت اختبارات الضغط الهيدروستاتيكي عند درجة حرارة الغرفة باستخدام الماء (H2O) كسائل.
أظهر توصيل المزدوجة الحرارية المدمجة (الشكل 1) بجهاز تسجيل بيانات درجة الحرارة أن درجة حرارة المزدوجة الحرارية كانت أقل بمقدار 6 درجات مئوية (± 1 درجة مئوية) من درجة الحرارة المبرمجة في نظام FlowSyn. عادةً، تؤدي زيادة درجة الحرارة بمقدار 10 درجات مئوية إلى مضاعفة معدل التفاعل، لذا فإن فرقًا في درجة الحرارة لا يتجاوز بضع درجات يمكن أن يُغير معدل التفاعل بشكل ملحوظ. ويعود هذا الفرق إلى فقدان الحرارة عبر وعاء المفاعل النووي نتيجةً لارتفاع معامل الانتشار الحراري للمواد المستخدمة في عملية التصنيع. هذا الانحراف الحراري ثابت، وبالتالي يمكن أخذه في الاعتبار عند إعداد المعدات لضمان الوصول إلى درجات حرارة دقيقة وقياسها بدقة أثناء التفاعل. وبذلك، تُسهّل أداة المراقبة هذه التحكم الدقيق في درجة حرارة التفاعل، وتُساهم في تحسين العملية وتطوير الظروف المثلى. كما يُمكن استخدام هذه المستشعرات للكشف عن التفاعلات الطاردة للحرارة ومنع التفاعلات الخارجة عن السيطرة في الأنظمة واسعة النطاق.
يُعد المفاعل المعروض في هذه الورقة البحثية أول مثال على تطبيق تقنية التصنيع بمساعدة الحاسوب (UAM) في تصنيع المفاعلات الكيميائية، ويعالج العديد من القيود الرئيسية المرتبطة حاليًا بالطباعة ثلاثية الأبعاد لهذه الأجهزة، مثل: (1) التغلب على المشكلات الملحوظة المرتبطة بمعالجة سبائك النحاس أو الألومنيوم، (2) تحسين دقة القناة الداخلية مقارنة بطرق صهر مسحوق الطبقة (PBF) مثل الصهر الانتقائي بالليزر (SLM)25،69، وضعف تدفق المواد وخشونة سطح المادة26، (3) انخفاض درجة حرارة المعالجة، مما يسهل توصيل أجهزة الاستشعار مباشرة، وهو أمر غير ممكن في تقنية صهر مسحوق الطبقة، (4) التغلب على ضعف الخواص الميكانيكية وحساسية المكونات القائمة على البوليمر للمذيبات العضوية الشائعة المختلفة17،19.
تم إثبات فعالية المفاعل من خلال سلسلة من تفاعلات إضافة حلقية للألكينازيد المحفزة بالنحاس في ظروف التدفق المستمر (الشكل 2). تم دمج مفاعل النحاس المطبوع بالموجات فوق الصوتية، الموضح في الشكل 4، مع نظام تدفق تجاري، واستُخدم لتخليق مكتبة أزيدات متنوعة من 1،4-ثنائي الاستبدال 1،2،3-تريازولات باستخدام تفاعل مضبوط الحرارة بين الأسيتيلين وهاليدات مجموعة الألكيل في وجود كلوريد الصوديوم (الشكل 3). يقلل استخدام أسلوب التدفق المستمر من مشاكل السلامة التي قد تنشأ في العمليات الدفعية، نظرًا لأن هذا التفاعل ينتج وسائط أزيدية شديدة التفاعل وخطرة [317]، [318]. في البداية، تم تحسين التفاعل لإضافة حلقية بين فينيل أسيتيلين ويودوإيثان (المخطط 1 - إضافة حلقية بين فينيل أسيتيلين ويودوإيثان) (انظر الشكل 5).
(أعلى اليسار) رسم تخطيطي للإعداد المستخدم لدمج مفاعل ثلاثي الأبعاد في نظام تدفق (أعلى اليمين) تم الحصول عليه من المخطط الأمثل (أسفل) لمخطط إضافة Huisgen 57 الحلقية بين فينيل أسيتيلين ويودو إيثان للتحسين وإظهار معلمات معدل التحويل الأمثل للتفاعل.
من خلال التحكم في زمن بقاء المواد المتفاعلة في القسم التحفيزي للمفاعل، ومراقبة درجة حرارة التفاعل بدقة باستخدام مستشعر حراري مدمج، يمكن تحسين ظروف التفاعل بسرعة ودقة مع الحد الأدنى من الوقت والمواد. وقد تبين سريعًا أن أعلى نسبة تحويل تحققت باستخدام زمن بقاء 15 دقيقة ودرجة حرارة تفاعل 150 درجة مئوية. ويتضح من مخطط معاملات برنامج MODDE أن كلاً من زمن البقاء ودرجة حرارة التفاعل يُعتبران من الشروط المهمة في النموذج. ويؤدي تشغيل المُحسِّن المدمج باستخدام هذه الشروط المختارة إلى إنشاء مجموعة من ظروف التفاعل المصممة لزيادة مساحات قمم المنتج إلى أقصى حد مع تقليل مساحات قمم المواد المتفاعلة. وقد أسفر هذا التحسين عن تحويل بنسبة 53% لمنتج التريازول، وهو ما يتطابق تمامًا مع تنبؤ النموذج البالغ 54%.