نشكرك على زيارة Nature.com. إصدار المتصفح الذي تستخدمه يدعم CSS بشكل محدود. للحصول على أفضل تجربة، نوصيك باستخدام متصفح محدث (أو إيقاف تشغيل وضع التوافق في Internet Explorer). في غضون ذلك، لضمان استمرار الدعم، سنعرض الموقع بدون أنماط وJavaScript.
تغير التصنيع الإضافي الطريقة التي يصمم بها الباحثون والصناعيون الأجهزة الكيميائية ويصنعونها لتلبية احتياجاتهم المحددة. في هذا العمل، نقدم أول مثال لمفاعل تدفق يتكون من تقنية التصفيح بالصفائح المعدنية ذات الحالة الصلبة التصنيع الإضافي بالموجات فوق الصوتية (UAM) مع أجزاء محفزة متكاملة مباشرة وعناصر استشعار. لا تتغلب تقنية UAM على العديد من القيود المرتبطة حاليًا بالتصنيع الإضافي للمفاعلات الكيميائية فحسب، بل إنها تزيد أيضًا بشكل كبير من قدرات هذه الأجهزة. تم تصنيع سلسلة من مركبات 1،4-ثنائية الاستبدال 1،2،3-ترايازول المهمة بيولوجيًا بنجاح وتحسينها من خلال تفاعل إضافة حلقية ثنائي القطب Huisgen 1،3 بوساطة النحاس باستخدام إعداد كيمياء UAM. من خلال الاستفادة من الخصائص الفريدة لـ UAM ومعالجة التدفق المستمر، يتمكن الجهاز من تحفيز التفاعلات الجارية مع توفير ملاحظات في الوقت الفعلي لمراقبة التفاعل وتحسينه.
بفضل مزاياها الكبيرة مقارنةً بنظيرتها السائبة، تُعد كيمياء التدفق مجالًا هامًا ومتناميًا في الأوساط الأكاديمية والصناعية نظرًا لقدرتها على زيادة انتقائية وكفاءة التركيب الكيميائي. ويمتد هذا من تكوين الجزيئات العضوية البسيطة1 إلى المركبات الصيدلانية2،3 والمنتجات الطبيعية4،5،6. ويمكن لأكثر من 50% من التفاعلات في الصناعات الكيميائية والصيدلانية الدقيقة الاستفادة من استخدام معالجة التدفق المستمر7.
في السنوات الأخيرة، كان هناك اتجاه متزايد للمجموعات التي تتطلع إلى استبدال الأدوات الزجاجية التقليدية أو معدات الكيمياء التدفقية بـ "أوعية تفاعل" كيميائية للتصنيع الإضافي (AM) قابلة للتخصيص8. إن التصميم التكراري والإنتاج السريع والقدرات ثلاثية الأبعاد (3D) لهذه التقنيات مفيدة لأولئك الذين يرغبون في تخصيص أجهزتهم لمجموعة محددة من التفاعلات أو الأجهزة أو الظروف. حتى الآن، ركز هذا العمل بشكل حصري تقريبًا على استخدام تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد القائمة على البوليمر مثل الطباعة المجسمة (SL)9،10،11، ونمذجة الترسيب المندمج (FDM)8،12،13،14 والطباعة النافثة للحبر 7،15،16. إن الافتقار إلى المتانة والقدرة على أداء مجموعة واسعة من التفاعلات/التحليلات الكيميائية17،18،19،20 هو عامل تقييد رئيسي للتنفيذ الأوسع للتصنيع الإضافي في هذا المجال17،18،19،20.
بسبب الاستخدام المتزايد للكيمياء التدفقية والخصائص المواتية المرتبطة بالتصنيع الإضافي، هناك حاجة لاستكشاف تقنيات أكثر تقدمًا تمكن المستخدمين من تصنيع أوعية تفاعل التدفق ذات القدرات الكيميائية والتحليلية المحسنة. يجب أن تمكن هذه التقنيات المستخدمين من الاختيار من بين مجموعة من المواد القوية أو الوظيفية القادرة على التعامل مع مجموعة واسعة من ظروف التفاعل، مع تسهيل أشكال مختلفة من الناتج التحليلي من الجهاز للسماح بمراقبة التفاعل والتحكم فيه.
إحدى عمليات التصنيع الإضافي التي لديها القدرة على تطوير مفاعلات كيميائية مخصصة هي التصنيع الإضافي بالموجات فوق الصوتية (UAM). تطبق تقنية تصفيح الصفائح ذات الحالة الصلبة هذه تذبذبات فوق صوتية على رقائق معدنية رقيقة من أجل ربطها معًا طبقة تلو الأخرى مع الحد الأدنى من التسخين الشامل ودرجة عالية من تدفق البلاستيك 21 و 22 و 23. وعلى عكس معظم تقنيات التصنيع الإضافي الأخرى، يمكن دمج UAM بشكل مباشر مع التصنيع الطرحي، والمعروف باسم عملية التصنيع الهجينة، حيث تحدد عمليات الطحن الدورية للتحكم العددي بالحاسوب (CNC) أو التشغيل بالليزر في الموقع الشكل الصافي لطبقة من المواد الملتصقة 24 و 25. وهذا يعني أن المستخدم غير مقيد بالمشاكل المرتبطة بإزالة مواد البناء الخام المتبقية من قنوات السوائل الصغيرة، وهو ما يحدث غالبًا مع أنظمة التصنيع الإضافي للمسحوق والسائل 26 و 27 و 28. وتمتد حرية التصميم هذه أيضًا إلى خيارات المواد المتاحة - يمكن لـ UAM ربط مجموعات مواد متشابهة وغير متشابهة حرارياً في خطوة عملية واحدة. يعني اختيار مجموعات المواد خارج عملية الصهر أن يمكن تلبية المتطلبات الميكانيكية والكيميائية للتطبيقات المحددة بشكل أفضل. بالإضافة إلى الترابط في الحالة الصلبة، هناك ظاهرة أخرى يتم مواجهتها أثناء الترابط بالموجات فوق الصوتية وهي التدفق العالي للمواد البلاستيكية عند درجات حرارة منخفضة نسبيًا29،30،31،32،33. يمكن لهذه الميزة الفريدة لـ UAM تسهيل تضمين العناصر الميكانيكية / الحرارية بين طبقات المعدن دون حدوث ضرر. يمكن لأجهزة الاستشعار المضمنة في UAM تسهيل توصيل المعلومات في الوقت الفعلي من الجهاز إلى المستخدم من خلال التحليلات المتكاملة.
وقد أظهرت أعمال المؤلفين السابقة32 قدرة عملية UAM على إنشاء هياكل ميكروفلويدية معدنية ثلاثية الأبعاد مع قدرات استشعار متكاملة. وهذا جهاز مراقبة فقط. تقدم هذه الورقة أول مثال لمفاعل كيميائي ميكروفلويدي تم تصنيعه بواسطة UAM؛ وهو جهاز نشط لا يراقب فحسب، بل يحفز أيضًا التخليق الكيميائي من خلال مواد حفازة متكاملة هيكليًا. يجمع الجهاز بين العديد من المزايا المرتبطة بتقنية UAM في تصنيع الأجهزة الكيميائية ثلاثية الأبعاد، مثل: القدرة على تحويل التصميمات ثلاثية الأبعاد الكاملة مباشرة من نماذج التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD) إلى منتجات؛ تصنيع متعدد المواد للجمع بين الموصلية الحرارية العالية والمواد الحفازة؛ ولإثبات وظيفة المفاعل، تم تصنيع مكتبة من مركبات 1,2,3-ترايازول ثنائية الاستبدال ذات الأهمية الصيدلانية عن طريق إضافة حلقية ثنائية القطب من هويسجين 1,3 المحفزة بالنحاس. يسلط هذا العمل الضوء على كيفية استخدام علم المواد والتصميم بمساعدة الكمبيوتر لفتح فرص وإمكانيات جديدة للكيمياء من خلال البحث متعدد التخصصات.
تم شراء جميع المذيبات والكواشف من Sigma-Aldrich أو Alfa Aesar أو TCI أو Fischer Scientific وتم استخدامها دون تنقية مسبقة. تم الحصول على أطياف الرنين المغناطيسي النووي 1H و13C المسجلة عند 400 ميجا هرتز و100 ميجا هرتز على التوالي باستخدام مطياف JEOL ECS-400 400 ميجا هرتز أو مطياف Bruker Avance II 400 ميجا هرتز وCDCl3 أو (CD3) 2SO كمذيب. تم إجراء جميع التفاعلات باستخدام منصة الكيمياء التدفقية Uniqsis FlowSyn.
تم استخدام UAM لتصنيع جميع الأجهزة في هذه الدراسة. تم اختراع هذه التقنية في عام 1999، ويمكن دراسة تفاصيلها التقنية ومعايير تشغيلها وتطوراتها منذ اختراعها من خلال المواد المنشورة التالية34،35،36،37. تم تنفيذ الجهاز (الشكل 1) باستخدام نظام SonicLayer 4000® UAM فائق الطاقة بقدرة 9 كيلو واط (Fabrisonic، أوهايو، الولايات المتحدة الأمريكية). المواد المختارة لتصنيع جهاز التدفق هي Cu-110 و Al 6061. يحتوي Cu-110 على نسبة عالية من النحاس (بحد أدنى 99.9٪ نحاس)، مما يجعله مرشحًا جيدًا للتفاعلات المحفزة بالنحاس، وبالتالي يتم استخدامه كـ "طبقة نشطة" داخل مفاعل دقيق. يتم استخدام Al 6061 O كمواد "سائبة"، كما يتم استخدام طبقة التضمين للتحليل؛ تضمين المكونات المساعدة للسبائك وحالة التلدين جنبًا إلى جنب مع طبقة Cu-110. Al 6061 O هي مادة تم إثباتها متوافق بشكل كبير مع عمليات UAM38، 39، 40، 41، وقد تم اختباره وتبين أنه مستقر كيميائيًا مع الكواشف المستخدمة في هذا العمل. كما يُعتبر مزيج Al 6061O مع Cu-110 مزيجًا متوافقًا مع UAM، وبالتالي فهو مادة مناسبة لهذه الدراسة.38،42 هذه الأجهزة مُدرجة في الجدول 1 أدناه.
مراحل تصنيع المفاعل (1) ركيزة Al 6061 (2) تصنيع مجموعة القناة السفلية على رقاقة نحاسية (3) تضمين أجهزة قياس الحرارة بين الطبقات (4) القناة العلوية (5) المدخل والمخرج (6) مفاعل مترابط.
تتمثل فلسفة تصميم مسار السائل في استخدام مسار ملتوي لزيادة المسافة التي يقطعها السائل داخل الشريحة، مع الحفاظ على الشريحة بحجم يمكن التحكم فيه. هذه الزيادة في المسافة مرغوبة لزيادة وقت تفاعل المحفز/الكاشف وتوفير عائدات ممتازة للمنتج. تستخدم الرقائق انحناءات بزاوية 90 درجة في نهايات المسار المستقيم لتحفيز الخلط المضطرب داخل الجهاز44 وزيادة وقت اتصال السائل بالسطح (المحفز). لمزيد من زيادة الخلط الذي يمكن تحقيقه، يتميز تصميم المفاعل بمدخلين للكاشف مدمجين عند الوصلة Y قبل الدخول إلى قسم الخلط السربنتيني. يتم تضمين المدخل الثالث، الذي يتقاطع مع التيار في منتصف طريقه خلال إقامته، في تصميم عمليات تخليق التفاعل متعددة الخطوات المستقبلية.
جميع القنوات لها شكل مربع (بدون زوايا مسودة)، نتيجة الطحن الدوري باستخدام الحاسب الآلي المستخدم لإنشاء هندسة القناة. يتم اختيار أبعاد القناة لضمان خرج حجم مرتفع (للمفاعل الدقيق)، مع كونها صغيرة بما يكفي لتسهيل التفاعلات السطحية (المحفزات) لمعظم السوائل الموجودة. يعتمد الحجم المناسب على خبرة المؤلفين السابقة في الأجهزة المعدنية السائلة للتفاعل. كانت الأبعاد الداخلية للقناة النهائية 750 ميكرومتر × 750 ميكرومتر وكان الحجم الإجمالي للمفاعل 1 مل. تم تضمين موصل متكامل (1/4 بوصة - 28 UNF) في التصميم للسماح بالربط البسيط للجهاز مع معدات الكيمياء التدفقية التجارية. يقتصر حجم القناة على سمك مادة الرقاقة وخصائصها الميكانيكية ومعلمات الترابط المستخدمة مع الموجات فوق الصوتية. عند عرض محدد لمادة معينة، سوف "تتدلى" المادة في القناة التي تم إنشاؤها. لا يوجد حاليًا نموذج محدد لهذا الحساب، لذلك يتم تحديد أقصى عرض للقناة لمادة معينة وتصميمها تجريبيًا؛ في هذه الحالة، لن يؤدي عرض 750 ميكرومتر إلى الترهل.
يتم تحديد شكل (مربع) القناة باستخدام قاطع مربع. يمكن تغيير شكل وحجم القنوات بواسطة آلات CNC باستخدام أدوات قطع مختلفة للحصول على معدلات تدفق وخصائص مختلفة. يمكن العثور على مثال لإنشاء قناة ذات شكل منحني باستخدام أداة 125 ميكرومتر في عمل Monaghan45. عندما يتم ترسيب طبقة الرقائق بشكل مستو، فإن طبقة مادة الرقائق فوق القنوات سيكون لها لمسة نهائية مسطحة (مربعة). في هذا العمل، من أجل الحفاظ على تناسق القناة، تم استخدام مخطط مربع.
أثناء توقف مؤقت مبرمج مسبقًا في التصنيع، يتم تضمين مجسات درجة الحرارة الحرارية (النوع K) مباشرة داخل الجهاز بين مجموعات القنوات العلوية والسفلية (الشكل 1 - المرحلة 3). يمكن لهذه المجسات الحرارية مراقبة التغيرات في درجات الحرارة من -200 إلى 1350 درجة مئوية.
يتم إجراء عملية ترسيب المعادن بواسطة قرن UAM باستخدام رقاقة معدنية بعرض 25.4 مم وسمك 150 ميكرون. يتم ربط طبقات الرقاقة المعدنية هذه في سلسلة من الشرائط المتجاورة لتغطية منطقة البناء بالكامل؛ حجم المادة المترسبة أكبر من المنتج النهائي حيث تنتج عملية الطرح الشكل الصافي النهائي. يتم استخدام التصنيع باستخدام الحاسب الآلي لتصنيع الخطوط الخارجية والداخلية للمعدات، مما ينتج عنه تشطيب سطحي للمعدات والقنوات يساوي الأداة المحددة ومعلمات عملية التصنيع باستخدام الحاسب الآلي (حوالي 1.6 ميكرومتر Ra في هذا المثال). يتم استخدام دورات مستمرة ومتواصلة للترسيب والتصنيع بالموجات فوق الصوتية طوال عملية تصنيع الجهاز لضمان الحفاظ على دقة الأبعاد وأن الجزء النهائي سيلبي مستويات دقة الطحن النهائي باستخدام الحاسب الآلي. عرض القناة المستخدم لهذا الجهاز صغير بما يكفي لضمان عدم "ترهل" مادة الرقائق في قناة السائل، وبالتالي تحافظ القناة على مقطع عرضي مربع. تم تحديد الفجوات المحتملة في مادة الرقائق ومعلمات عملية UAM تجريبياً بواسطة شريك التصنيع (Fabrisonic LLC، الولايات المتحدة الأمريكية).
أظهرت الدراسات أن الانتشار العنصري القليل يحدث عند واجهة ربط UAM 46، 47 بدون معالجة حرارية إضافية، لذلك بالنسبة للأجهزة في هذا العمل، تظل طبقة Cu-110 مميزة عن طبقة Al 6061 وتتغير فجأة.
قم بتثبيت منظم ضغط خلفي (BPR) معاير مسبقًا 250 رطل لكل بوصة مربعة (1724 كيلو باسكال) على مخرج المفاعل وضخ الماء عبر المفاعل بمعدل 0.1 إلى 1 مل في الدقيقة. تمت مراقبة ضغط المفاعل باستخدام مستشعر ضغط النظام المدمج FlowSyn للتحقق من أن النظام يمكنه الحفاظ على ضغط ثابت ثابت. تم اختبار التدرجات المحتملة في درجات الحرارة عبر مفاعل التدفق من خلال تحديد أي اختلافات بين أجهزة قياس الحرارة المضمنة داخل المفاعل وتلك المضمنة داخل لوحة تسخين شريحة FlowSyn. يتم تحقيق ذلك عن طريق تغيير درجة حرارة اللوحة الساخنة القابلة للبرمجة بين 100 و 150 درجة مئوية بزيادات قدرها 25 درجة مئوية وملاحظة أي اختلافات بين درجات الحرارة المبرمجة والمسجلة. تم تحقيق ذلك باستخدام مسجل بيانات tc-08 (PicoTech، كامبريدج، المملكة المتحدة) وبرنامج PicoLog المصاحب.
تم تحسين ظروف تفاعل الإضافة الحلقية للفينيل أسيتيلين واليودو إيثان (الشكل 1- الإضافة الحلقية للفينيل أسيتيلين واليودو إيثان). تم إجراء هذا التحسين من خلال نهج التصميم العاملي الكامل للتجارب (DOE)، باستخدام درجة الحرارة ووقت الإقامة كمعلمات متغيرة، مع تثبيت نسبة الألكاين: الأزيد عند 1:2.
تم تحضير محاليل منفصلة من أزيد الصوديوم (0.25 مولار، 4:1 DMF:H2O)، ويودو إيثان (0.25 مولار، DMF)، وفينيل أسيتيلين (0.125 مولار، DMF). تم خلط 1.5 مل من كل محلول وضخه عبر المفاعل عند معدل التدفق ودرجة الحرارة المطلوبين. تم أخذ استجابة النموذج كنسبة مساحة الذروة لمنتج التريازول إلى مادة فينيل أسيتيلين الأولية وتم تحديدها بواسطة كروماتوغرافيا السائل عالية الأداء (HPLC). من أجل اتساق التحليل، تم أخذ عينات من جميع التفاعلات مباشرة بعد خروج خليط التفاعل من المفاعل. تظهر نطاقات المعلمات المختارة للتحسين في الجدول 2.
تم تحليل جميع العينات باستخدام نظام كروماستر HPLC (VWR، PA، الولايات المتحدة الأمريكية) المكون من مضخة رباعية وفرن عمودي وكاشف الأشعة فوق البنفسجية ذي الطول الموجي المتغير وجهاز أخذ العينات التلقائي. كان العمود مكافئًا لـ 5 C18 (VWR، PA، الولايات المتحدة الأمريكية)، بحجم 4.6 × 100 مم، وحجم جسيمات 5 ميكرومتر، ومحفوظ عند 40 درجة مئوية. كان المذيب متساوي الحرارة بنسبة 50:50 ميثانول: ماء بمعدل تدفق 1.5 مل. دقيقة -1. كان حجم الحقن 5 ميكرولتر وكان طول موجة الكاشف 254 نانومتر. تم حساب نسبة مساحة الذروة لعينة DOE من مساحات ذروة منتجات الألكاين والتريازول المتبقية فقط. يسمح حقن المادة الأولية بتحديد القمم ذات الصلة.
سمح ربط مخرجات تحليل المفاعل ببرنامج MODDE DOE (Umetrics، مالمو، السويد) بإجراء تحليل شامل لاتجاهات النتائج وتحديد ظروف التفاعل المثالية لهذه الإضافة الحلقية. يؤدي تشغيل المُحسِّن المدمج واختيار جميع مصطلحات النموذج المهمة إلى مجموعة من ظروف التفاعل المصممة لتعظيم مساحة ذروة المنتج مع تقليل مساحة الذروة لمادة الأسيتيلين الأولية.
تم تحقيق أكسدة النحاس السطحي داخل غرفة التفاعل الحفزي باستخدام محلول بيروكسيد الهيدروجين (36٪) المتدفق عبر غرفة التفاعل (معدل التدفق = 0.4 مل دقيقة -1، وقت الإقامة = 2.5 دقيقة) قبل تخليق كل مكتبة مركبات تريازول.
بمجرد تحديد مجموعة مثالية من الظروف، تم تطبيقها على مجموعة من مشتقات الأسيتيلين والهالوألكان للسماح بتجميع مكتبة صغيرة من التوليف، وبالتالي إرساء القدرة على تطبيق هذه الظروف على مجموعة أوسع من الكواشف المحتملة (الشكل 1).2).
إعداد محاليل منفصلة من أزيد الصوديوم (0.25 مولار، 4:1 DMF:H2O)، هالو ألكانات (0.25 مولار، DMF) وألكاينات (0.125 مولار، DMF). تم خلط 3 مل من كل محلول وضخها عبر المفاعل عند 75 ميكرولتر/دقيقة و150 درجة مئوية. تم جمع الحجم الإجمالي في قارورة وتم تخفيفه بـ 10 مل من أسيتات الإيثيل. تم غسل محلول العينة بـ 3 × 10 مل من الماء. تم دمج الطبقات المائية واستخراجها بـ 10 مل من أسيتات الإيثيل؛ تم بعد ذلك دمج الطبقات العضوية وغسلها بـ 3 × 10 مل من المحلول الملحي وتجفيفها فوق MgSO4 وترشيحها، ثم إزالة المذيب في الفراغ. تم تنقية العينات بواسطة كروماتوغرافيا العمود على هلام السيليكا باستخدام أسيتات الإيثيل قبل التحليل بواسطة مزيج من HPLC و1H NMR و13C NMR ومطيافية الكتلة عالية الدقة (HR-MS).
تم الحصول على جميع الأطياف باستخدام مطياف الكتلة Thermofischer ذو الدقة Orbitrap مع ESI كمصدر للتأين. تم تحضير جميع العينات باستخدام الأسيتونتريل كمذيب.
تم إجراء تحليل TLC على ألواح السيليكا المدعومة بالألمنيوم. وتم تصور الألواح بواسطة ضوء الأشعة فوق البنفسجية (254 نانومتر) أو تلطيخ الفانيلين والتسخين.
تم تحليل جميع العينات باستخدام نظام VWR Chromaster (VWR International Ltd.، Leighton Buzzard، المملكة المتحدة) المزود بجهاز أخذ عينات تلقائي ومضخة ثنائية لفرن العمود وكاشف طول موجي واحد. كان العمود المستخدم عبارة عن ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4.6 مم، Advanced Chromatography Technologies Ltd.، أبردين، اسكتلندا).
تم إجراء الحقن (5 ميكرولتر) مباشرة من خليط التفاعل الخام المخفف (تخفيف 1:10) وتم تحليلها بالماء: الميثانول (50:50 أو 70:30)، باستثناء بعض العينات التي تستخدم نظام المذيب 70:30 (المشار إليه برقم نجمي) بمعدل تدفق 1.5 مل / دقيقة. تم الحفاظ على العمود عند 40 درجة مئوية. طول موجة الكاشف هو 254 نانومتر.
تم حساب نسبة مساحة الذروة للعينة من مساحة ذروة الألكاين المتبقي فقط، وسمح حقن المادة الأولية بتحديد القمم ذات الصلة.
تم تحليل جميع العينات باستخدام Thermo iCAP 6000 ICP-OES. تم تحضير جميع معايير المعايرة باستخدام محلول قياسي من النحاس 1000 جزء في المليون في حمض النيتريك 2٪ (SPEX Certi Prep). تم تحضير جميع المعايير في محلول 5٪ DMF و 2٪ HNO3، وتم تخفيف جميع العينات بمقدار 20 ضعفًا في محلول عينة DMF-HNO3.
تستخدم UAM اللحام المعدني بالموجات فوق الصوتية كتقنية ربط لمادة الرقائق المعدنية المستخدمة في بناء التجميع النهائي. يستخدم اللحام المعدني بالموجات فوق الصوتية أداة معدنية مهتزة (تسمى القرن أو القرن فوق الصوتي) لتطبيق الضغط على طبقة الرقائق / الطبقة المجمعة مسبقًا ليتم ربطها أثناء اهتزاز المادة. للتشغيل المستمر، يكون السونوترويد أسطوانيًا ويتدحرج فوق سطح المادة، مما يؤدي إلى ربط المنطقة بأكملها. عند تطبيق الضغط والاهتزاز، يمكن أن تتشقق الأكاسيد الموجودة على سطح المادة. يمكن أن يتسبب الضغط والاهتزاز المستمران في انهيار خشونة المادة 36. يؤدي الاتصال الوثيق بالحرارة والضغط المستحثين محليًا إلى ربط الحالة الصلبة عند واجهات المواد؛ يمكن أن يساعد أيضًا في الالتصاق من خلال التغييرات في طاقة السطح48. تتغلب طبيعة آلية الترابط على العديد من المشاكل المرتبطة بدرجة حرارة الانصهار المتغيرة والآثار اللاحقة لدرجات الحرارة المرتفعة المذكورة في تقنيات التصنيع الإضافية الأخرى. يسمح هذا بالترابط المباشر (أي بدون تعديل السطح أو الحشو أو المواد اللاصقة) لطبقات متعددة من مواد مختلفة في بنية موحدة واحدة.
العامل الثاني الملائم لـ UAM هو الدرجة العالية من التدفق البلاستيكي الملحوظ في المواد المعدنية، حتى في درجات الحرارة المنخفضة، أي أقل بكثير من نقطة انصهار المواد المعدنية. يؤدي الجمع بين التذبذب بالموجات فوق الصوتية والضغط إلى مستويات عالية من هجرة حدود الحبوب المحلية وإعادة التبلور دون زيادة درجة الحرارة الكبيرة المرتبطة تقليديًا بالمواد السائبة. أثناء بناء التجميع النهائي، يمكن استغلال هذه الظاهرة لتضمين المكونات النشطة والسلبية بين طبقات رقائق المعدن، طبقة تلو الأخرى. تم تضمين عناصر مثل الألياف البصرية 49، والتعزيزات 46، والإلكترونيات 50، والمزدوجات الحرارية (هذا العمل) بنجاح في هياكل UAM لإنشاء مجموعات مركبة نشطة وسلبية.
في هذا العمل، تم استخدام كل من إمكانيات ربط المواد المختلفة وتداخلها في UAM لإنشاء المفاعل الدقيق النهائي لمراقبة درجة الحرارة التحفيزية.
بالمقارنة مع البلاديوم (Pd) وغيره من المحفزات المعدنية الشائعة الاستخدام، فإن تحفيز النحاس له العديد من المزايا: (i) اقتصاديًا، يعد النحاس أقل تكلفة من العديد من المعادن الأخرى المستخدمة في التحفيز وبالتالي فهو خيار جذاب لصناعة المعالجة الكيميائية (ii) يتزايد نطاق تفاعلات الاقتران المتقاطع المحفز بالنحاس ويبدو أنه مكمل إلى حد ما للمنهجيات القائمة على البالاديوم 51،52،53 (iii) تعمل التفاعلات المحفزة بالنحاس بشكل جيد في غياب ربيطات أخرى، وغالبًا ما تكون هذه الربيطات بسيطة هيكليًا وغير مكلفة إذا رغبت في ذلك، في حين أن تلك المستخدمة في كيمياء البالاديوم غالبًا ما تكون معقدة ومكلفة وحساسة للهواء (iv) النحاس، والمعروف بشكل خاص بقدرته على ربط الألكينات في التخليق، على سبيل المثال، اقتران سونوجاشيرا المحفز ثنائي المعدن والإضافة الحلقية مع الأزيدات (كيمياء النقر) (v) النحاس قادر أيضًا على تعزيز أريلة العديد من النيوكليوفيلات في تفاعلات نوع أولمان.
وقد تم مؤخرًا إثبات أمثلة على التغاير الكيميائي لكل هذه التفاعلات في وجود Cu(0). ويرجع هذا إلى حد كبير إلى صناعة الأدوية والتركيز المتزايد على استعادة محفزات المعادن وإعادة استخدامها55،56.
يعتبر تفاعل إضافة الحلقة القطبية 1,3 بين الأسيتيلين والأزيد لتكوين 1,2,3-ترايازول، والذي ابتكره هويسجن في ستينيات القرن العشرين، تفاعلًا تجريبيًا تآزريًا. وتحظى مجموعات 1,2,3-ترايازول الناتجة باهتمام خاص باعتبارها حاملًا دوائيًا في مجال اكتشاف الأدوية بسبب تطبيقاتها البيولوجية واستخدامها في العديد من العوامل العلاجية 58.
برز هذا التفاعل مرة أخرى عندما قدم شاربلس وآخرون مفهوم "كيمياء النقر"59. ويُستخدم مصطلح "كيمياء النقر" لوصف مجموعة قوية وموثوقة وانتقائية من التفاعلات للتوليف السريع للمركبات الجديدة والمكتبات التركيبية عبر الارتباط الذري غير المتجانس (CXC)60. وتنبع الجاذبية التركيبية لهذه التفاعلات من العائدات العالية المرتبطة بها، وظروف التفاعل بسيطة، ومقاومة الأكسجين والماء، وفصل المنتج بسيط61.
لا تنتمي إضافة هويسجين الحلقية الكلاسيكية 1،3 ثنائي القطب إلى فئة "كيمياء النقر". ومع ذلك، أظهر ميدال وشاربلس أن حدث اقتران الأزيد-الألكاين هذا يخضع لتسارع كبير بمعدل 107 إلى 108 في وجود Cu(I) مقارنةً بإضافة 1،3 ثنائي القطب غير المحفز 62،63. لا تتطلب آلية التفاعل المحسنة هذه مجموعات حماية أو ظروف تفاعل قاسية وتؤدي إلى تحويل وانتقائية شبه كاملة لـ 1،2،3-ترايازولات ثنائية الاستبدال 1،4 (مضاد 1،2،3-ترايازول) على مقياس زمني (الشكل 3).
النتائج المتساوية القياس لإضافات حلقية هويسجين التقليدية والمحفزة بالنحاس. تؤدي إضافات حلقية هويسجين المحفزة بالنحاس (I) إلى إنتاج 1،2،3-ترايازولات ثنائية الاستبدال-1،4 فقط، في حين أن إضافات حلقية هويسجين المستحثة حرارياً تنتج عادةً خليطًا من 1،4 و1،5-ترايازولات بنسبة 1:1 من متزامرات الفراغ من الأزولات.
تتضمن معظم البروتوكولات تقليل مصادر Cu(II) المستقرة، مثل تقليل CuSO4 أو اتحاد الأنواع Cu(II)/Cu(0) مع أملاح الصوديوم. وبالمقارنة مع التفاعلات الأخرى المحفزة بالمعادن، فإن استخدام Cu(I) له المزايا الرئيسية لكونه غير مكلف وسهل التعامل.
أظهرت دراسات الوسم الحركي والنظيري التي أجراها ووريل وآخرون 65 أنه في حالة الألكاينات الطرفية، يشارك مكافئان من النحاس في تنشيط تفاعلية كل جزيء تجاه الأزيد. وتستمر الآلية المقترحة من خلال حلقة معدنية نحاسية مكونة من ستة أعضاء تتشكل من خلال تنسيق الأزيد مع أسيتيليد النحاس المرتبط بـ σ مع النحاس المرتبط بـ π كربيطة مانحة مستقرة. تتشكل مشتقات النحاس الثلاثية عن طريق انكماش الحلقة، يليه تحلل البروتون لتوفير منتجات التريازول وإغلاق الدورة الحفزية.
في حين أن فوائد أجهزة الكيمياء التدفقية موثقة جيدًا، فقد كانت هناك رغبة في دمج الأدوات التحليلية في هذه الأنظمة لمراقبة العمليات في الموقع66،67. أثبتت UAM أنها طريقة مناسبة لتصميم وإنتاج مفاعلات تدفق ثلاثية الأبعاد معقدة للغاية مصنوعة من مواد نشطة تحفيزيًا وموصلة للحرارة مع عناصر استشعار مدمجة مباشرة (الشكل 4).
مفاعل تدفق من الألومنيوم والنحاس تم تصنيعه بواسطة التصنيع الإضافي بالموجات فوق الصوتية (UAM) مع بنية قناة داخلية معقدة ومزدوجات حرارية مدمجة وغرفة تفاعل تحفيزية. ولتوضيح مسارات السوائل الداخلية، يظهر أيضًا نموذج أولي شفاف تم تصنيعه باستخدام الطباعة الضوئية المجسمة.
ولضمان تصنيع المفاعلات للتفاعلات العضوية المستقبلية، يجب تسخين المذيبات بأمان فوق نقطة الغليان؛ ويتم اختبارها بالضغط ودرجة الحرارة. وأظهر اختبار الضغط أن النظام يحافظ على ضغط ثابت ومستقر حتى مع زيادة ضغط النظام (1.7 ميجا باسكال). وتم إجراء الاختبار الهيدروستاتيكي في درجة حرارة الغرفة باستخدام H2O كسائل.
أظهر توصيل الحرارة المزدوجة المدمجة (الشكل 1) بمسجل بيانات درجة الحرارة أن الحرارة المزدوجة كانت أبرد بمقدار 6 درجات مئوية (± 1 درجة مئوية) من درجة الحرارة المبرمجة على نظام FlowSyn. عادةً، تؤدي زيادة درجة الحرارة بمقدار 10 درجات مئوية إلى مضاعفة معدل التفاعل، لذا فإن اختلاف درجة الحرارة ببضع درجات فقط يمكن أن يغير معدل التفاعل بشكل كبير. يرجع هذا الاختلاف إلى فقدان درجة الحرارة في جميع أنحاء جسم المفاعل بسبب الانتشار الحراري العالي للمواد المستخدمة في عملية التصنيع. هذا الانجراف الحراري متسق ويمكن بالتالي حسابه في إعداد المعدات لضمان الوصول إلى درجات حرارة دقيقة وقياسها أثناء التفاعل. لذلك، تسهل أداة المراقبة عبر الإنترنت هذه التحكم الدقيق في درجة حرارة التفاعل وتسهل تحسين العملية بشكل أكثر دقة وتطوير الظروف المثلى. يمكن أيضًا استخدام هذه المستشعرات لتحديد طاردات الحرارة للتفاعل ومنع التفاعلات الجامحة في الأنظمة واسعة النطاق.
المفاعل المقدم في هذا العمل هو أول مثال لتطبيق تكنولوجيا UAM في تصنيع المفاعلات الكيميائية ويعالج العديد من القيود الرئيسية المرتبطة حاليًا بطباعة AM / 3D لهذه الأجهزة، مثل: (أ) التغلب على المشاكل المبلغ عنها المتعلقة بمعالجة سبائك النحاس أو الألومنيوم (ب) تحسين دقة القناة الداخلية مقارنة بتقنيات اندماج فراش المسحوق (PBF) مثل الصهر بالليزر الانتقائي (SLM) 25،69 تدفق المواد الضعيف والملمس الخشن للسطح 26 (ج) انخفاض درجة حرارة المعالجة، مما يسهل الترابط المباشر للمستشعرات، وهو أمر غير ممكن في تكنولوجيا فراش المسحوق، (هـ) التغلب على الخصائص الميكانيكية الضعيفة وحساسية المكونات القائمة على البوليمر لمجموعة متنوعة من المذيبات العضوية الشائعة 17،19.
تم توضيح وظيفة المفاعل من خلال سلسلة من تفاعلات إضافة الأزيد الألكاين المحفزة بالنحاس في ظل ظروف التدفق المستمر (الشكل 2). تم دمج مفاعل النحاس المطبوع بالموجات فوق الصوتية المفصل في الشكل 4 مع نظام تدفق تجاري واستخدامه لتخليق أزيدات المكتبة من 1،2،3-ترايازولات ثنائية الاستبدال 1،4 من خلال التفاعل المتحكم في درجة حرارته بين هاليدات الأسيتيلين ومجموعات الألكيل في وجود كلوريد الصوديوم (الشكل 3). يخفف استخدام نهج التدفق المستمر من المخاوف المتعلقة بالسلامة التي قد تنشأ في عمليات الدفعات، حيث ينتج هذا التفاعل وسيطات أزيد شديدة التفاعل وخطرة [317]، [318]. في البداية، تم تحسين التفاعل من أجل إضافة فينيل أسيتيلين ويودو إيثان (المخطط 1 - إضافة فينيل أسيتيلين ويودو إيثان) (انظر الشكل 5).
(أعلى اليسار) مخطط للإعداد المستخدم لدمج مفاعل 3DP في نظام التدفق (أعلى اليمين) الذي تم الحصول عليه في المخطط المحسن (أسفل) لمخطط إضافة الحلقة Huisgen 57 بين فينيل أسيتيلين ويودو إيثان لتحسين وإظهار معدل تحويل التفاعل للمعلمات المحسنة.
من خلال التحكم في زمن إقامة الكواشف في الجزء الحفزي من المفاعل ومراقبة درجة حرارة التفاعل عن كثب باستخدام مسبار حراري متكامل مباشرة، يمكن تحسين ظروف التفاعل بسرعة ودقة مع الحد الأدنى من الوقت واستهلاك المواد. وقد تم تحديد بسرعة أنه تم الحصول على أعلى التحويلات عند استخدام زمن إقامة لمدة 15 دقيقة ودرجة حرارة تفاعل تبلغ 150 درجة مئوية. ومن رسم معامل برنامج MODDE، يمكن ملاحظة أن كل من زمن الإقامة ودرجة حرارة التفاعل يعتبران مصطلحات نموذجية مهمة. يؤدي تشغيل المُحسِّن المدمج باستخدام هذه المصطلحات المحددة إلى إنشاء مجموعة من ظروف التفاعل المصممة لتعظيم مناطق ذروة المنتج مع تقليل مناطق ذروة المواد الأولية. وقد أسفر هذا التحسين عن تحويل بنسبة 53٪ لمنتج التريازول، والذي يطابق بشكل وثيق تنبؤات النموذج البالغة 54٪.
استنادًا إلى الأدبيات التي تُظهر أن أكسيد النحاس (I) (Cu2O) يمكن أن يعمل كنوع محفز فعال على أسطح النحاس ذات التكافؤ الصفري في هذه التفاعلات، تم التحقيق في القدرة على الأكسدة المسبقة لسطح المفاعل قبل إجراء التفاعل في التدفق70،71. ثم تم إجراء التفاعل بين فينيل أسيتيلين ويودو إيثان مرة أخرى في ظل ظروف مثالية وتمت مقارنة العائدات. لوحظ أن هذا التحضير أدى إلى زيادة كبيرة في تحويل المادة الأولية، والتي تم حسابها لتكون> 99٪. ومع ذلك، أظهرت المراقبة بواسطة HPLC أن هذا التحويل قلل بشكل كبير من وقت التفاعل المطول بشكل مفرط حتى حوالي 90 دقيقة، وبعد ذلك بدا أن النشاط يستقر ويصل إلى "حالة مستقرة". تشير هذه الملاحظة إلى أن مصدر النشاط التحفيزي يتم الحصول عليه من أكسيد النحاس السطحي بدلاً من ركيزة النحاس ذات التكافؤ الصفري. يتأكسد معدن النحاس بسهولة في درجة حرارة الغرفة لتكوين CuO وCu2O وهما طبقتان غير ذاتي الحماية. وهذا يلغي الحاجة إلى إضافة مصدر مساعد للنحاس (II) لـ التكوين المشترك71.