شكرًا لك على زيارة Nature.com.إصدار المتصفح الذي تستخدمه لديه دعم محدود لـ CSS.للحصول على أفضل تجربة ، نوصي باستخدام مستعرض محدث (أو تعطيل وضع التوافق في Internet Explorer).في غضون ذلك ، لضمان استمرار الدعم ، سنعرض الموقع بدون أنماط وجافا سكريبت.
عرض دائري يعرض ثلاث شرائح في نفس الوقت.استخدم الزرين السابق والتالي للتنقل عبر ثلاث شرائح في وقت واحد ، أو استخدم أزرار شريط التمرير في النهاية للتنقل عبر ثلاث شرائح في المرة الواحدة.
يعمل التصنيع الإضافي على تغيير طريقة تصميم الباحثين والصناعيين وتصنيعهم للأجهزة الكيميائية لتلبية احتياجاتهم الخاصة.في هذا البحث ، قمنا بالإبلاغ عن المثال الأول لمفاعل التدفق المتكون من تصفيح التصنيع الإضافي بالموجات فوق الصوتية (UAM) لصفائح معدنية صلبة بأجزاء تحفيزية متكاملة وعناصر استشعار مباشرة.لا تتغلب تقنية UAM فقط على العديد من القيود المرتبطة حاليًا بالتصنيع الإضافي للمفاعلات الكيميائية ، ولكنها تعمل أيضًا على توسيع قدرات هذه الأجهزة بشكل كبير.تم تصنيع عدد من مركبات 1،2،3-تريازول المهمة بيولوجيًا وتم تصنيعها بنجاح وتحسينها عن طريق تفاعل Huisgen cycloaddition ذو 1.3 ثنائي القطب من Cu باستخدام منشأة الكيمياء UAM.باستخدام الخصائص الفريدة لـ UAM ومعالجة التدفق المستمر ، يمكن للجهاز تحفيز التفاعلات المستمرة بالإضافة إلى توفير ردود فعل في الوقت الفعلي لمراقبة التفاعلات وتحسينها.
نظرًا لمزاياها الكبيرة على نظيرتها السائبة ، تعد كيمياء التدفق مجالًا مهمًا ومتزايدًا في كل من الأوساط الأكاديمية والصناعية نظرًا لقدرتها على زيادة انتقائية وكفاءة التخليق الكيميائي.يمتد هذا من تكوين الجزيئات العضوية البسيطة 1 إلى المركبات الصيدلانية 2،3 والمنتجات الطبيعية 4،5،6.يمكن أن تستفيد أكثر من 50٪ من التفاعلات في الصناعات الكيميائية والدوائية الدقيقة من التدفق المستمر 7.
في السنوات الأخيرة ، كان هناك اتجاه متزايد للمجموعات التي تسعى إلى استبدال الأواني الزجاجية التقليدية أو معدات كيمياء التدفق بـ "مفاعلات" كيميائية قابلة للتكيف 8.يعد التصميم التكراري والتصنيع السريع والإمكانيات ثلاثية الأبعاد لهذه الأساليب مفيدة لأولئك الذين يرغبون في تخصيص أجهزتهم لمجموعة معينة من التفاعلات أو الأجهزة أو الشروط.حتى الآن ، ركز هذا العمل بشكل حصري تقريبًا على استخدام تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد القائمة على البوليمر مثل الطباعة الحجرية المجسمة (SL) 9،10،11 ونمذجة الترسيب المنصهر (FDM) 8،12،13،14 والطباعة النافثة للحبر.، 16. عدم موثوقية هذه الأجهزة وقدرتها على إجراء مجموعة واسعة من التفاعلات / التحليلات الكيميائية 17 ، 18 ، 19 ، 20 هو عامل مقيد رئيسي للتطبيق الأوسع لـ AM في هذا المجال 17 ، 18 ، 19 ، 20.
نظرًا للاستخدام المتزايد لكيمياء التدفق والخصائص المفضلة المرتبطة بـ AM ، يجب استكشاف تقنيات أفضل تسمح للمستخدمين بتصنيع أوعية تفاعل التدفق مع تحسين الكيمياء والقدرات التحليلية.يجب أن تسمح هذه الطرق للمستخدمين بالاختيار من بين مجموعة من المواد عالية القوة أو الوظيفية القادرة على العمل في ظل مجموعة واسعة من ظروف التفاعل ، بالإضافة إلى تسهيل الأشكال المختلفة للمخرجات التحليلية من الجهاز لتمكين مراقبة التفاعل والتحكم فيه.
إحدى عمليات التصنيع المضافة التي يمكن استخدامها لتطوير مفاعلات كيميائية مخصصة هي التصنيع بالموجات فوق الصوتية المضافة (UAM).تطبق طريقة تصفيح الألواح الصلبة هذه اهتزازات فوق صوتية على رقائق معدنية رفيعة لربطها معًا طبقة تلو الأخرى مع الحد الأدنى من التسخين الحجمي ودرجة عالية من تدفق البلاستيك 21 ، 22 ، 23. على عكس معظم تقنيات AM الأخرى ، يمكن دمج UAM مباشرة مع الإنتاج الطرحي ، المعروف باسم عملية التصنيع الهجين ، حيث تحدد هذه الطبقة أو المعالجة بالليزر ذات التحكم الرقمي في الموقع. إزالة مواد البناء الأصلية المتبقية من القنوات السائلة الصغيرة ، وهو ما يحدث غالبًا في أنظمة المسحوق والسائل AM26،27،28.تمتد حرية التصميم هذه أيضًا إلى اختيار المواد المتاحة - يمكن لـ UAM ربط مجموعات من المواد المتشابهة وغير المتشابهة حرارياً في خطوة عملية واحدة.يعني اختيار مجموعات المواد التي تتجاوز عملية الصهر أنه يمكن تلبية المتطلبات الميكانيكية والكيميائية لتطبيقات معينة بشكل أفضل.بالإضافة إلى الترابط الصلب ، هناك ظاهرة أخرى تحدث مع الترابط فوق الصوتي وهي السيولة العالية للمواد البلاستيكية عند درجات حرارة منخفضة نسبيًا.تسمح هذه الميزة الفريدة لـ UAM بوضع العناصر الميكانيكية / الحرارية بين الطبقات المعدنية دون تلف.يمكن لأجهزة استشعار UAM المدمجة تسهيل تسليم المعلومات في الوقت الفعلي من الجهاز إلى المستخدم من خلال التحليلات المتكاملة.
أظهر العمل السابق الذي قام به المؤلفون قدرة عملية UAM على إنشاء هياكل موائع جزيئية معدنية ثلاثية الأبعاد مع إمكانات استشعار مضمنة.هذا الجهاز لأغراض المراقبة فقط.تقدم هذه المقالة المثال الأول لمفاعل كيميائي موائع جزيئية تم تصنيعه بواسطة UAM ، وهو جهاز نشط لا يتحكم فحسب ، بل يحفز أيضًا التوليف الكيميائي باستخدام مواد تحفيزية متكاملة 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 الكمبيوتر (CAD) إلى منتج ؛تصنيع متعدد المواد للجمع بين الموصلية الحرارية العالية والمواد التحفيزية ، بالإضافة إلى المستشعرات الحرارية المدمجة مباشرة بين التيارات المتفاعلة للتحكم الدقيق وإدارة درجة حرارة التفاعل.لإثبات وظائف المفاعل ، تم تصنيع مكتبة ذات أهمية صيدلانية من 1،4 مركبات 1،2،3-تريازول بواسطة تحفيز النحاس 1،3 ثنائي القطب Huisgen cycloaddition.يسلط هذا العمل الضوء على كيف يمكن لاستخدام علم المواد والتصميم بمساعدة الكمبيوتر أن يفتح إمكانيات وفرصًا جديدة للكيمياء من خلال البحث متعدد التخصصات.
تم شراء جميع المذيبات والكواشف من Sigma-Aldrich أو Alfa Aesar أو TCI أو Fischer Scientific واستخدامها دون تنقية مسبقة.تم الحصول على أطياف 1H و 13 C NMR المسجلة عند 400 و 100 ميجاهرتز ، على التوالي ، على مطياف JEOL ECS-400 400 ميجاهرتز أو مطياف Bruker Avance II بسرعة 400 ميجاهرتز مع CDCl3 أو (CD3) 2SO كمذيب.تم إجراء جميع التفاعلات باستخدام منصة كيمياء التدفق Uniqsis FlowSyn.
تم استخدام UAM لتصنيع جميع الأجهزة في هذه الدراسة.تم اختراع التكنولوجيا في عام 1999 ويمكن دراسة تفاصيلها الفنية ومعلمات التشغيل والتطورات منذ اختراعها باستخدام المواد المنشورة التالية 34،35،36،37.تم تنفيذ الجهاز (الشكل 1) باستخدام نظام SonicLayer 4000® UAM شديد التحمل 9 كيلو واط (Fabrisonic ، أوهايو ، الولايات المتحدة الأمريكية).المواد المختارة لجهاز التدفق هي Cu-110 و Al 6061. يحتوي Cu-110 على نسبة عالية من النحاس (99.9٪ كحد أدنى من النحاس) ، مما يجعله مرشحًا جيدًا للتفاعلات المحفزة بالنحاس وبالتالي يستخدم كـ "طبقة نشطة داخل المفاعل الدقيق.يستخدم Al 6061 O كمادة "سائبة".، وكذلك طبقة الإقحام المستخدمة للتحليل ؛إقحام مكونات السبائك الإضافية والحالة الملدنة في تركيبة مع طبقة Cu-110.وجد أنه مستقر كيميائيًا مع الكواشف المستخدمة في هذا العمل.يعتبر Al 6061 O بالاشتراك مع Cu-110 أيضًا مزيجًا متوافقًا من المواد لـ UAM وبالتالي فهو مادة مناسبة لهذه الدراسة.تم سرد هذه الأجهزة في الجدول 1 أدناه.
خطوات تصنيع المفاعل (1) 6061 ركيزة من سبائك الألومنيوم (2) تصنيع القناة السفلية من رقائق النحاس (3) إدخال مزدوجات حرارية بين الطبقات (4) القناة العلوية (5) مدخل ومخرج (6) مفاعل متآلف.
تتمثل فلسفة تصميم قناة السوائل في استخدام مسار متعرج لزيادة المسافة التي يقطعها السائل داخل الشريحة مع الحفاظ على حجم رقاقة يمكن التحكم فيه.هذه الزيادة في المسافة مرغوبة لزيادة وقت تلامس المادة الحفازة المتفاعلة وتوفير عوائد منتج ممتازة.تستخدم الرقائق منحنيات 90 درجة في نهايات المسار المستقيم للحث على الخلط المضطرب داخل الجهاز وزيادة وقت ملامسة السائل مع السطح (محفز).لزيادة تعزيز الخلط الذي يمكن تحقيقه ، يشتمل تصميم المفاعل على مدخلين متفاعلين مدمجين في وصلة Y قبل الدخول إلى قسم ملف الخلط.المدخل الثالث ، الذي يعبر التدفق في منتصف طريقه ، مدرج في خطة ردود الفعل التوليفية المستقبلية متعددة المراحل.
تحتوي جميع القنوات على ملف تعريف مربع (بدون زوايا مستدقة) ، وهو نتيجة لطحن CNC الدوري المستخدم لإنشاء هندسة القناة.يتم اختيار أبعاد القناة لتوفير ناتج حجمي مرتفع (لمفاعل دقيق) ، ومع ذلك فهي صغيرة بما يكفي لتسهيل التفاعل مع السطح (المحفزات) لمعظم السوائل التي تحتوي عليها.يعتمد الحجم المناسب على خبرة المؤلفين السابقة في أجهزة التفاعل بين المعادن والسائل.كانت الأبعاد الداخلية للقناة النهائية 750 ميكرومتر × 750 ميكرومتر وكان الحجم الإجمالي للمفاعل 1 مل.تم تضمين موصل مدمج (1/4 ″ -28 مؤشر ترابط UNF) في التصميم للسماح بالتوصيل السهل للجهاز بمعدات كيمياء التدفق التجارية.حجم القناة محدود بسماكة مادة الرقائق وخصائصها الميكانيكية ومعلمات الترابط المستخدمة مع الموجات فوق الصوتية.عند عرض معين لمادة معينة ، فإن المادة "تتدلى" في القناة التي تم إنشاؤها.لا يوجد حاليًا نموذج محدد لهذا الحساب ، لذلك يتم تحديد الحد الأقصى لعرض القناة لمادة وتصميم معينين بشكل تجريبي ، وفي هذه الحالة لن يتسبب عرض 750 ميكرومتر في الترهل.
يتم تحديد شكل (مربع) القناة باستخدام قاطع مربع.يمكن تغيير شكل وحجم القنوات على ماكينات CNC باستخدام أدوات قطع مختلفة للحصول على معدلات تدفق وخصائص مختلفة.يمكن العثور على مثال لإنشاء قناة منحنية بأداة 125 ميكرومتر في Monaghan45.عندما يتم تطبيق طبقة الرقائق بشكل مسطح ، فإن تطبيق مادة الرقاقة على القنوات سيكون لها سطح مستو (مربع).في هذا العمل ، تم استخدام كفاف مربع للحفاظ على تناظر القناة.
أثناء التوقف المؤقت المبرمج في الإنتاج ، يتم إنشاء مستشعرات درجة الحرارة المزدوجة الحرارية (النوع K) مباشرة في الجهاز بين مجموعتي القناة العلوية والسفلية (الشكل 1 - المرحلة 3).يمكن لهذه المزدوجات الحرارية التحكم في تغيرات درجة الحرارة من -200 إلى 1350 درجة مئوية.
يتم تنفيذ عملية ترسيب المعادن بواسطة قرن UAM باستخدام رقائق معدنية بعرض 25.4 مم وسمك 150 ميكرون.ترتبط طبقات الرقائق هذه في سلسلة من الأشرطة المجاورة لتغطية مساحة البناء بالكامل ؛حجم المادة المودعة أكبر من المنتج النهائي لأن عملية الطرح تخلق الشكل النهائي النظيف.تُستخدم المعالجة باستخدام الحاسب الآلي لتصنيع الخطوط الخارجية والداخلية للمعدات ، مما ينتج عنه تشطيب سطحي للمعدات والقنوات المقابلة للأداة المحددة ومعلمات عملية CNC (في هذا المثال ، حوالي 1.6 ميكرومتر رع).يتم استخدام دورات الرش والتشغيل المستمر للمواد بالموجات فوق الصوتية طوال عملية تصنيع الجهاز لضمان الحفاظ على دقة الأبعاد والجزء النهائي يلبي مستويات دقة الطحن الدقيق باستخدام الحاسب الآلي.عرض القناة المستخدمة لهذا الجهاز صغير بما يكفي للتأكد من أن مادة الرقاقة لا "تتدلى" في قناة السوائل ، وبالتالي تحتوي القناة على مقطع عرضي مربع.تم تحديد الفجوات المحتملة في مادة الرقائق ومعلمات عملية UAM بشكل تجريبي من قبل شريك التصنيع (Fabrisonic LLC ، الولايات المتحدة الأمريكية).
أظهرت الدراسات أنه في الواجهة 46 ، 47 من مركب UAM يوجد القليل من انتشار العناصر دون معالجة حرارية إضافية ، لذلك بالنسبة للأجهزة في هذا العمل ، تظل طبقة Cu-110 مختلفة عن طبقة Al 6061 وتتغير بشكل كبير.
قم بتركيب منظم ضغط خلفي تمت معايرته مسبقًا (BPR) عند 250 رطل لكل بوصة مربعة (1724 كيلو باسكال) في اتجاه مجرى المفاعل وضخ الماء عبر المفاعل بمعدل 0.1 إلى 1 مل دقيقة -1.تمت مراقبة ضغط المفاعل باستخدام محول ضغط FlowSyn المدمج في النظام للتأكد من أن النظام يمكنه الحفاظ على ضغط ثابت ثابت.تم اختبار تدرجات درجة الحرارة المحتملة في مفاعل التدفق من خلال البحث عن أي اختلافات بين المزدوجات الحرارية المدمجة في المفاعل والمزدوجات الحرارية المدمجة في لوحة التسخين لرقاقة FlowSyn.يتم تحقيق ذلك عن طريق تغيير درجة حرارة لوح التسخين المبرمجة بين 100 و 150 درجة مئوية بزيادات قدرها 25 درجة مئوية ومراقبة أي اختلافات بين درجات الحرارة المبرمجة والمسجلة.تم تحقيق ذلك باستخدام مسجل البيانات tc-08 (PicoTech ، كامبريدج ، المملكة المتحدة) وبرنامج PicoLog المصاحب.
تم تحسين شروط تفاعل cycloaddition لفينيل أسيتيلين واليودويثان (المخطط 1-Cycloaddition للفينيل أسيتيلين واليودويثان ، مخطط 1-Cycloaddition للفينيل أسيتيلين واليودويثان).تم إجراء هذا التحسين باستخدام تصميم عاملي كامل لنهج التجارب (DOE) ، باستخدام درجة الحرارة ووقت الإقامة كمتغيرات أثناء تحديد نسبة alkyne: azide عند 1: 2.
تم تحضير محاليل منفصلة لأزيد الصوديوم (0.25 م ، 4: 1 DMF: H2O) ، يود إيثان (0.25 م ، DMF) ، و فينيل أسيتيلين (0.125 م ، DMF).تم خلط قسامة 1.5 مل من كل محلول وضخها خلال المفاعل بمعدل التدفق ودرجة الحرارة المطلوبين.تم أخذ استجابة النموذج كنسبة من منطقة الذروة لمنتج التريازول إلى مادة البداية من فينيل أسيتيلين وتم تحديدها باستخدام كروماتوجرافيا سائلة عالية الأداء (HPLC).لاتساق التحليل ، تم أخذ جميع التفاعلات مباشرة بعد مغادرة خليط التفاعل للمفاعل.نطاقات المعلمات المحددة للتحسين موضحة في الجدول 2.
تم تحليل جميع العينات باستخدام نظام Chromaster HPLC (VWR ، PA ، الولايات المتحدة الأمريكية) الذي يتكون من مضخة رباعية ، وفرن عمودي ، وكاشف للأشعة فوق البنفسجية بأطوال موجية متغيرة وجهاز أخذ العينات.كان العمود مكافئًا 5 C18 (VWR ، PA ، الولايات المتحدة الأمريكية) ، 4.6 × 100 مم ، حجم جسيم 5 ميكرومتر ، تم الحفاظ عليه عند 40 درجة مئوية.كان المذيب عبارة عن ميثانول متساوي: ماء 50:50 بمعدل تدفق 1.5 مل · دقيقة -1.كان حجم الحقن 5 ميكرولتر وكان الطول الموجي للكاشف 254 نانومتر.تم حساب مساحة الذروة المئوية لعينة DOE من مناطق الذروة لمنتجات alkyne و triazole المتبقية فقط.يتيح إدخال مادة البداية تحديد القمم المقابلة.
سمح الجمع بين نتائج تحليل المفاعل مع برنامج MODDE DOE (Umetrics ، مالمو ، السويد) بإجراء تحليل شامل لاتجاه النتائج وتحديد ظروف التفاعل المثلى لهذه العملية.يؤدي تشغيل المحسن المدمج واختيار جميع شروط النموذج المهمة إلى إنشاء مجموعة من ظروف التفاعل المصممة لزيادة مساحة الذروة للمنتج مع تقليل مساحة الذروة لمادة وسيطة الأسيتيلين.
تم تحقيق أكسدة سطح النحاس في غرفة التفاعل الحفاز باستخدام محلول بيروكسيد الهيدروجين (36٪) يتدفق عبر غرفة التفاعل (معدل التدفق = 0.4 مل دقيقة -1 ، زمن الإقامة = 2.5 دقيقة) قبل تخليق كل مركب تريازول.مكتبة.
بمجرد تحديد المجموعة المثلى من الشروط ، تم تطبيقها على مجموعة من مشتقات الأسيتيلين والهالوكين للسماح بتجميع مكتبة تخليق صغيرة ، وبالتالي تحديد إمكانية تطبيق هذه الشروط على نطاق أوسع من الكواشف المحتملة (الشكل 1).2).
قم بإعداد حلول منفصلة من أزيد الصوديوم (0.25 م ، 4: 1 DMF: H2O) ، هالو ألكانات (0.25 م ، DMF) ، والألكينات (0.125 م ، DMF).تم خلط قسامات مقدارها 3 مل من كل محلول وضخها خلال المفاعل بمعدل 75 ميكرولتر / دقيقة ودرجة حرارة 150 درجة مئوية.تم جمع الحجم بالكامل في قنينة وتم تخفيفه باستخدام 10 مل من أسيتات الإيثيل.تم غسل محلول العينة بـ 3 × 10 مل من الماء.تم تجميع الطبقات المائية واستخلاصها باستخدام 10 مل من أسيتات الإيثيل ، ثم تم دمج الطبقات العضوية ، وغسلها باستخدام 3 × 10 مل من محلول ملحي ، وتجفيفها باستخدام MgSO4 وترشيحها ، ثم تمت إزالة المذيب في وسط مفرغ.تمت تنقية العينات بواسطة كروماتوجرافيا عمود هلام السيليكا باستخدام أسيتات الإيثيل قبل التحليل بواسطة مزيج من HPLC و 1 H NMR و 13 C NMR ومقياس الطيف الكتلي عالي الدقة (HR-MS).
تم الحصول على جميع الأطياف باستخدام مطياف الكتلة Thermofischer Precision Orbitrap مع ESI كمصدر التأين.تم تحضير جميع العينات باستخدام الاسيتونيتريل كمذيب.
تم إجراء تحليل TLC على ألواح السيليكا مع ركيزة من الألومنيوم.تم تصور اللوحات باستخدام ضوء الأشعة فوق البنفسجية (254 نانومتر) أو تلطيخ وتسخين الفانيلين.
تم تحليل جميع العينات باستخدام نظام VWR Chromaster (VWR International Ltd. ، Leighton Buzzard ، المملكة المتحدة) المجهز بجهاز أخذ عينات تلقائي ، ومضخة ثنائية مع فرن عمودي وكاشف طول موجي واحد.تم استخدام عمود ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4.6 مم ، Advanced Chromatography Technologies Ltd. ، أبردين ، اسكتلندا).
تم عمل الحقن (5 ميكرولتر) مباشرة من خليط التفاعل الخام المخفف (تخفيف 1:10) وتحليلها بالماء: ميثانول (50:50 أو 70:30) ، باستثناء بعض العينات باستخدام نظام مذيب 70:30 (يشار إليه كرقم نجم) بمعدل تدفق 1.5 مل / دقيقة.تم الاحتفاظ بالعمود عند 40 درجة مئوية.الطول الموجي للكاشف 254 نانومتر.
تم حساب النسبة المئوية لمساحة الذروة للعينة من منطقة الذروة للألكين المتبقي ، منتج التريازول فقط ، وإدخال مادة البداية جعل من الممكن تحديد القمم المقابلة.
تم تحليل جميع العينات باستخدام Thermo iCAP 6000 ICP-OES.تم تحضير جميع معايير المعايرة باستخدام 1000 جزء في المليون من محلول النحاس القياسي في 2٪ حمض النيتريك (SPEX Certi Prep).تم تحضير جميع المعايير في محلول من 5٪ DMF و 2٪ HNO3 ، وتم تخفيف جميع العينات 20 مرة بمحلول عينة DMF-HNO.
يستخدم UAM اللحام المعدني بالموجات فوق الصوتية كطريقة لربط الرقائق المعدنية المستخدمة لإنشاء التجميع النهائي.يستخدم اللحام المعدني بالموجات فوق الصوتية أداة معدنية تهتز (تسمى بوقًا أو بوقًا بالموجات فوق الصوتية) للضغط على الرقاقة / الطبقة المدمجة سابقًا ليتم ربطها / دمجها مسبقًا عن طريق اهتزاز المادة.للتشغيل المستمر ، يكون للسونوترود شكل أسطواني ويتدحرج فوق سطح المادة ، ويلصق المنطقة بأكملها.عندما يتم تطبيق الضغط والاهتزاز ، يمكن أن تتكسر الأكاسيد الموجودة على سطح المادة.يمكن أن يؤدي الضغط والاهتزاز المستمر إلى تدمير خشونة المادة 36.يؤدي التلامس الوثيق مع الحرارة والضغط الموضعيان بعد ذلك إلى رابطة طور صلبة في واجهات المواد ؛يمكنه أيضًا تعزيز التماسك عن طريق تغيير طاقة السطح.تتغلب طبيعة آلية الترابط على العديد من المشكلات المرتبطة بدرجة حرارة الذوبان المتغيرة وتأثيرات درجات الحرارة المرتفعة المذكورة في تقنيات تصنيع المواد المضافة الأخرى.يسمح هذا بالاتصال المباشر (أي بدون تعديل السطح أو الحشو أو المواد اللاصقة) لعدة طبقات من مواد مختلفة في هيكل واحد موحد.
العامل المفضل الثاني لـ CAM هو الدرجة العالية لتدفق البلاستيك الملحوظ في المواد المعدنية حتى في درجات الحرارة المنخفضة ، أي أقل بكثير من نقطة انصهار المواد المعدنية.يؤدي الجمع بين الاهتزازات فوق الصوتية والضغط إلى مستوى عالٍ من هجرة حدود الحبوب المحلية وإعادة التبلور دون زيادة كبيرة في درجة الحرارة مرتبطة تقليديًا بالمواد السائبة.أثناء إنشاء التجميع النهائي ، يمكن استخدام هذه الظاهرة لتضمين المكونات النشطة والسلبية بين طبقات الرقائق المعدنية ، طبقة تلو الأخرى.تم دمج عناصر مثل الألياف الضوئية 49 ، والتعزيز 46 ، والإلكترونيات 50 والمزدوجات الحرارية (هذا العمل) بنجاح في هياكل UAM لإنشاء تجميعات مركبة نشطة وسلبية.
في هذا العمل ، تم استخدام كل من إمكانيات ربط المواد المختلفة وقدرات إقحام UAM لإنشاء مفاعل دقيق مثالي للتحكم في درجة الحرارة التحفيزية.
بالمقارنة مع البلاديوم (Pd) وغيره من المحفزات المعدنية الشائعة الاستخدام ، فإن تحفيز النحاس له العديد من المزايا: (1) اقتصاديًا ، يعتبر النحاس أرخص من العديد من المعادن الأخرى المستخدمة في التحفيز وبالتالي فهو خيار جذاب للصناعة الكيميائية (2) يتوسع نطاق تفاعلات الاقتران المتقاطع المحفز بالنحاس ويبدو أنه مكمل إلى حد ما للتفاعلات القائمة على النحاس (Pd51، iii، 53).غالبًا ما تكون هذه الروابط بسيطة من الناحية الهيكلية وغير مكلفة.إذا رغبت في ذلك ، في حين أن تلك المستخدمة في كيمياء Pd غالبًا ما تكون معقدة ومكلفة وحساسة للهواء (4) النحاس ، والمعروف بشكل خاص بقدرته على ربط الألكينات في التوليف ، مثل اقتران Sonogashira المحفز ثنائي المعدن و cycloaddition مع azides (انقر فوق كيمياء) (v) يمكن للنحاس أيضًا تعزيز تفاعل أريل لبعض أنواع النواة في أولمان.
في الآونة الأخيرة ، تم عرض أمثلة على عدم التجانس لجميع هذه التفاعلات في وجود النحاس (0).هذا يرجع إلى حد كبير إلى صناعة الأدوية والتركيز المتزايد على استعادة المحفزات المعدنية وإعادة استخدامها.
يعتبر تفاعل 1،3-ثنائي القطب cycloaddition بين الأسيتيلين وأزيد إلى 1،2،3-تريازول ، الذي اقترحه Huisgen لأول مرة في الستينيات 57 ، بمثابة تفاعل عرض تآزري.تعتبر شظايا 1،2،3 تريازول الناتجة ذات أهمية خاصة كحامل دوائي في اكتشاف الأدوية بسبب تطبيقاتها البيولوجية واستخدامها في العديد من العوامل العلاجية.
تلقى هذا التفاعل اهتمامًا متجددًا عندما قدم Sharpless وآخرون مفهوم "انقر فوق الكيمياء" 59.يستخدم مصطلح "انقر فوق الكيمياء" لوصف مجموعة قوية وانتقائية من التفاعلات للتوليف السريع للمركبات الجديدة والمكتبات التوافقية باستخدام الترابط غير المتجانسة (CXC) 60.يرجع الجاذبية التركيبية لهذه التفاعلات إلى الغلات المرتفعة المرتبطة بها.الظروف بسيطة ، ومقاومة الأكسجين والماء ، وفصل المنتج بسيط.
لا يندرج محرك Huisgen cycloaddition الكلاسيكي ذو قطب 1،3 ثنائي القطب في فئة "انقر فوق الكيمياء".ومع ذلك ، أظهر Medal و Sharpless أن حدث اقتران أزيد-ألكين هذا يخضع 107-108 في وجود النحاس (I) مقارنة مع تسارع كبير في معدل التحميل غير التحفيزي 1.3-ثنائي القطب 62،63.لا تتطلب آلية التفاعل المتقدمة هذه حماية المجموعات أو ظروف التفاعل القاسية وتوفر تحويلًا وانتقائية شبه كاملة إلى 1.4-disubstated 1،2،3-triazoles (anti-1،2،3-triazoles) بمرور الوقت (الشكل 3).
نتائج متساوية القياس لأحمال Huisgen الدورانية التقليدية والنحاسية المحفزة.تعطي إصدارات Huisgen الحلقية المحفزة بالنحاس (I) فقط 1،4-disubstitated 1،2،3-triazoles ، بينما تعطي Huisgen cycloadditions المستحثة حرارياً عادةً 1: 1 و 1،5-triazoles مزيج 1: 1 من الأيزومرات الفراغية الآزولية.
تتضمن معظم البروتوكولات تقليل المصادر المستقرة لـ Cu (II) ، مثل تقليل CuSO4 أو مركب Cu (II) / Cu (0) في تركيبة مع أملاح الصوديوم.بالمقارنة مع التفاعلات المعدنية المحفزة الأخرى ، فإن استخدام النحاس (I) له المزايا الرئيسية لكونه غير مكلف وسهل التعامل معه.
الدراسات الحركية والنظيرية بواسطة Worrell et al.أظهر 65 أنه في حالة الألكينات الطرفية ، يشارك مكافئان من النحاس في تنشيط تفاعل كل جزيء فيما يتعلق بالأزيد.تستمر الآلية المقترحة من خلال حلقة معدنية نحاسية مكونة من ستة أعضاء تتكون من تنسيق أزيد إلى أسيتيل النحاس المرتبط بـ مع النحاس المرتبط بـ π باعتباره يجند مانح ثابتًا.تتشكل مشتقات ترايازوليل النحاس نتيجة تقلص الحلقة متبوعًا بتحلل البروتون لتشكيل منتجات تريازول وإغلاق الدورة التحفيزية.
في حين أن فوائد أجهزة كيمياء التدفق موثقة جيدًا ، كانت هناك رغبة في دمج الأدوات التحليلية في هذه الأنظمة لمراقبة العملية في الوقت الفعلي في الموقع.أثبتت UAM أنها طريقة مناسبة لتصميم وتصنيع مفاعلات تدفق ثلاثية الأبعاد معقدة للغاية من مواد نشطة تحفيزيًا موصلة حراريًا مع عناصر استشعار مدمجة مباشرة (الشكل 4).
مفاعل تدفق الألومنيوم والنحاس المصنوع عن طريق التصنيع الإضافي بالموجات فوق الصوتية (UAM) بهيكل قناة داخلي معقد ومزدوجات حرارية مدمجة وغرفة تفاعل تحفيزي.لتصور مسارات السوائل الداخلية ، يتم أيضًا عرض نموذج أولي شفاف مصنوع باستخدام الطباعة الحجرية الحجرية.
لضمان تصنيع المفاعلات للتفاعلات العضوية المستقبلية ، يجب تسخين المذيبات بأمان فوق نقطة غليانها ؛يتم اختبار الضغط ودرجة الحرارة.أظهر اختبار الضغط أن النظام يحافظ على ضغط ثابت وثابت حتى عند الضغط المرتفع في النظام (1.7 ميجا باسكال).أجريت الاختبارات الهيدروستاتيكية في درجة حرارة الغرفة باستخدام H2O كسائل.
أظهر توصيل المزدوجات الحرارية المدمجة (الشكل 1) بمسجل بيانات درجة الحرارة أن درجة حرارة الازدواج الحراري كانت 6 درجات مئوية (± 1 درجة مئوية) أقل من درجة الحرارة المبرمجة في نظام FlowSyn.عادةً ، تؤدي زيادة درجة الحرارة بمقدار 10 درجات مئوية إلى مضاعفة معدل التفاعل ، لذا فإن اختلاف درجة الحرارة بمقدار بضع درجات فقط يمكن أن يغير معدل التفاعل بشكل كبير.يرجع هذا الاختلاف إلى فقد درجة الحرارة في جميع أنحاء RPV بسبب الانتشار الحراري العالي للمواد المستخدمة في عملية التصنيع.هذا الانجراف الحراري ثابت وبالتالي يمكن أخذه في الاعتبار عند إعداد الجهاز لضمان الوصول إلى درجات حرارة دقيقة وقياسها أثناء التفاعل.وبالتالي ، فإن أداة المراقبة عبر الإنترنت هذه تسهل التحكم الدقيق في درجة حرارة التفاعل وتساهم في تحسين العملية بشكل أكثر دقة وتطوير الظروف المثلى.يمكن أيضًا استخدام هذه المستشعرات لاكتشاف التفاعلات الطاردة للحرارة ومنع التفاعلات الجامحة في الأنظمة واسعة النطاق.
المفاعل المقدم في هذه الورقة هو المثال الأول لتطبيق تقنية UAM في تصنيع المفاعلات الكيميائية ويعالج العديد من القيود الرئيسية المرتبطة حاليًا بطباعة AM / 3D لهذه الأجهزة ، مثل: (1) التغلب على المشكلات الملحوظة المرتبطة بمعالجة النحاس أو سبائك الألومنيوم (2) دقة القناة الداخلية المحسنة مقارنة بطرق ذوبان طبقة المسحوق (PBF) مثل ذوبان السطح بالليزر الانتقائي (SLM) وتدفق الملمس الخشن (26) ، وتسهيل درجة الحرارة المنخفضة للتدفق (SLM) ، وانخفاض تدفق الملمس. ممكن في تقنية طبقة المسحوق ، (5) التغلب على الخصائص الميكانيكية الضعيفة وحساسية المكونات القائمة على البوليمر لمختلف المذيبات العضوية الشائعة.
تم توضيح وظيفة المفاعل من خلال سلسلة من تفاعلات تحميل ألكينازيد cycloaddition المحفز بالنحاس في ظل ظروف التدفق المستمر (الشكل 2).مفاعل النحاس المطبوع بالموجات فوق الصوتية الموضح في الشكل.تم دمج 4 مع نظام تدفق تجاري واستخدمت لتجميع مكتبة أزيد من 1،2،3-تريازولات مختلفة باستخدام تفاعل متحكم في درجة الحرارة من الأسيتيلين وهاليدات مجموعة الألكيل في وجود كلوريد الصوديوم (الشكل 3).يقلل استخدام نهج التدفق المستمر من مشكلات السلامة التي يمكن أن تنشأ في عمليات الدُفعات ، نظرًا لأن هذا التفاعل ينتج مواد وسيطة شديدة التفاعل والخطرة [317] ، [318].في البداية ، تم تحسين التفاعل من أجل تفريغ الحمولة الحلقية للفينيل أسيتيلين واليودوإيثان (المخطط 1 - تحميل Cycloaddition للفينيل أسيتيلين واليودويثان) (انظر الشكل 5).
(أعلى اليسار) رسم تخطيطي للإعداد المستخدم لدمج مفاعل ثلاثي الأبعاد في نظام تدفق (أعلى اليمين) تم الحصول عليه من المخطط الأمثل (السفلي) لمخطط Huisgen 57 cycloaddition بين فينيل أسيتيلين واليودويثان من أجل التحسين وإظهار معلمات معدل التحويل الأمثل للتفاعل.
من خلال التحكم في وقت مكوث المواد المتفاعلة في القسم التحفيزي من المفاعل والمراقبة الدقيقة لدرجة حرارة التفاعل باستخدام مستشعر مزدوج حراري متكامل ، يمكن تحسين ظروف التفاعل بسرعة وبدقة مع الحد الأدنى من الوقت والمواد.تم العثور بسرعة على أن أعلى تحويل تم تحقيقه باستخدام وقت مكوث يبلغ 15 دقيقة ودرجة حرارة تفاعل 150 درجة مئوية.يمكن أن نرى من مخطط المعامل لبرمجيات MODDE أن كلاً من وقت الإقامة ودرجة حرارة التفاعل يعتبران من الشروط الهامة للنموذج.يؤدي تشغيل المحسن المدمج باستخدام هذه الظروف المحددة إلى إنشاء مجموعة من ظروف التفاعل المصممة لزيادة مناطق ذروة المنتج مع تقليل مناطق ذروة مواد البداية.أسفر هذا التحسين عن تحويل 53٪ من منتج التريازول ، وهو ما يطابق تمامًا تنبؤات النموذج البالغة 54٪.