Nature.com saytına daxil olduğunuz üçün təşəkkür edirik. İstifadə etdiyiniz brauzer versiyasında məhdud CSS dəstəyi var. Ən yaxşı təcrübə üçün yenilənmiş brauzerdən istifadə etməyinizi (və ya Internet Explorer-də Uyğunluq Rejimini deaktiv etməyinizi) tövsiyə edirik. Bu vaxt ərzində davamlı dəstəyi təmin etmək üçün saytı stillər və JavaScript olmadan render edəcəyik.
Eyni anda üç slayd göstərən karusel. Bir anda üç slayd arasında hərəkət etmək üçün Əvvəlki və Növbəti düymələrindən və ya bir anda üç slayd arasında hərəkət etmək üçün sonundakı sürgü düymələrindən istifadə edin.
Əlavə istehsal tədqiqatçıların və sənayeçilərin xüsusi ehtiyaclarını ödəmək üçün kimyəvi cihazların dizaynı və istehsalı üsullarını dəyişdirir. Bu məqalədə, birbaşa inteqrasiya olunmuş katalitik hissələr və sensor elementləri olan bərk metal təbəqənin ultrasəs əlavə istehsalı (UAM) ilə laminasiyası ilə əmələ gələn axın reaktorunun ilk nümunəsini təqdim edirik. UAM texnologiyası hazırda kimyəvi reaktorların əlavə istehsalı ilə əlaqəli bir çox məhdudiyyətləri aradan qaldırmaqla yanaşı, bu cür cihazların imkanlarını da xeyli genişləndirir. Bir sıra bioloji cəhətdən əhəmiyyətli 1,4-əvəzsizləşdirilmiş 1,2,3-triazol birləşmələri UAM kimya qurğusundan istifadə edərək Cu vasitəçiliyi ilə 1,3-dipolyar Huisgen sikloəlavə reaksiyası ilə uğurla sintez edilmiş və optimallaşdırılmışdır. UAM və davamlı axın emalının unikal xüsusiyyətlərindən istifadə edərək, cihaz davam edən reaksiyaları katalizləşdirməklə yanaşı, reaksiyaları izləmək və optimallaşdırmaq üçün real vaxt rejimində rəy verə bilir.
Toplu analoquna nisbətən əhəmiyyətli üstünlüklərinə görə axın kimyası həm akademik, həm də sənaye mühitində vacib və inkişaf edən bir sahədir, çünki kimyəvi sintezin selektivliyini və səmərəliliyini artırmaq qabiliyyətinə malikdir. Bu, sadə üzvi molekulların əmələ gəlməsindən əczaçılıq birləşmələrinə 2,3 və təbii məhsullara 4,5,6 qədər uzanır. İncə kimya və əczaçılıq sənayesindəki reaksiyaların 50%-dən çoxu davamlı axından faydalana bilər7.
Son illərdə ənənəvi şüşə qabları və ya axın kimyası avadanlıqlarını uyğunlaşa bilən kimyəvi "reaktorlar"la əvəz etmək istəyən qrupların artan tendensiyası müşahidə olunur8. Bu metodların təkrarlanan dizaynı, sürətli istehsalı və üçölçülü (3D) imkanları cihazlarını müəyyən bir reaksiya, cihaz və ya şərait dəsti üçün fərdiləşdirmək istəyənlər üçün faydalıdır. Bu günə qədər bu iş demək olar ki, yalnız stereolitoqrafiya (SL)9,10,11, Əridilmiş Çökmə Modelləşdirməsi (FDM)8,12,13,14 və inkjet çap7,15 kimi polimer əsaslı 3D çap texnikalarının istifadəsinə yönəlmişdir. , 16. Bu cür cihazların etibarlılığının və geniş çeşiddə kimyəvi reaksiyalar/analizlər aparmaq qabiliyyətinin olmaması17, 18, 19, 20 bu sahədə AM-nin daha geniş tətbiqi üçün əsas məhdudlaşdırıcı amildir17, 18, 19, 20.
Axın kimyasının artan istifadəsinə və AM ilə əlaqəli əlverişli xüsusiyyətlərə görə, istifadəçilərə təkmilləşdirilmiş kimya və analitik qabiliyyətlərə malik axın reaksiya qabları hazırlamağa imkan verəcək daha yaxşı texnikalar araşdırılmalıdır. Bu üsullar istifadəçilərə geniş reaksiya şəraitində işləyə bilən yüksək möhkəmlikli və ya funksional materiallar arasından seçim etməyə, eləcə də reaksiyanın monitorinqini və idarə olunmasını təmin etmək üçün cihazdan müxtəlif analitik çıxış formalarını asanlaşdırmağa imkan verməlidir.
Xüsusi kimyəvi reaktorların hazırlanması üçün istifadə edilə bilən əlavə istehsal proseslərindən biri Ultrasonik Əlavə İstehsalıdır (UAM). Bu bərk hallı təbəqə laminasiya metodu, minimal həcmli istilik və yüksək dərəcədə plastik axınla təbəqə-təbəqə yapışdırmaq üçün nazik metal folqalara ultrasəs vibrasiyaları tətbiq edir 21, 22, 23. Digər əksər AM texnologiyalarından fərqli olaraq, UAM, hibrid istehsal prosesi kimi tanınan subtraktiv istehsalla birbaşa inteqrasiya edilə bilər ki, bu da dövri yerində ədədi idarəetmə (CNC) freze və ya lazer emalı yapışdırılmış material təbəqəsinin xalis formasını təyin edir 24, 25. Bu o deməkdir ki, istifadəçi qalıq orijinal tikinti materialının kiçik maye kanallarından çıxarılması ilə bağlı problemlərlə məhdudlaşmır, bu da tez-tez toz və maye sistemlərində olur 26, 27, 28. Bu dizayn azadlığı həmçinin mövcud materialların seçiminə də şamil olunur - UAM termik cəhətdən oxşar və fərqli materialların birləşmələrini tək bir proses addımında yapışdıra bilər. Ərimə prosesindən kənarda material birləşmələrinin seçimi, müəyyən tətbiqlərin mexaniki və kimyəvi tələblərinin daha yaxşı qarşılanacağı deməkdir. Bərk birləşməyə əlavə olaraq, ultrasəs birləşməsində baş verən digər bir fenomen plastik materialların nisbətən aşağı temperaturda yüksək axıcılığıdır29,30,31,32,33. UAM-ın bu unikal xüsusiyyəti mexaniki/termik elementlərin metal təbəqələr arasında zədələnmədən yerləşdirilməsinə imkan verir. Daxili UAM sensorları inteqrasiya olunmuş analitika vasitəsilə cihazdan istifadəçiyə real vaxt rejimində məlumatın çatdırılmasını asanlaşdıra bilər.
Müəlliflərin əvvəlki işləri32 UAM prosesinin daxili sensor imkanlarına malik metal 3D mikrofluidik strukturlar yaratmaq qabiliyyətini nümayiş etdirdi. Bu cihaz yalnız monitorinq məqsədləri üçündür. Bu məqalədə UAM tərəfindən istehsal olunan mikrofluidik kimyəvi reaktorun ilk nümunəsi təqdim olunur. Bu aktiv cihaz struktur inteqrasiya olunmuş katalitik materiallarla kimyəvi sintezi idarə etməklə yanaşı, həm də induksiya edir. Cihaz, 3D kimyəvi cihazların istehsalında UAM texnologiyası ilə əlaqəli bir neçə üstünlükləri özündə birləşdirir, məsələn: tam 3D dizaynı birbaşa kompüter dəstəkli dizayn (CAD) modelindən məhsula çevirmək imkanı; yüksək istilik keçiriciliyi və katalitik materialların birləşməsi üçün çoxmateriallı istehsal, eləcə də reaksiya temperaturunun dəqiq idarə olunması və idarə olunması üçün reaktiv axınları arasında birbaşa yerləşdirilmiş istilik sensorları. Reaktorun funksionallığını nümayiş etdirmək üçün, mis katalizli 1,3-dipol Huisgen sikloəlavəsi ilə əczaçılıq baxımından əhəmiyyətli 1,4-əvəzsizləşdirilmiş 1,2,3-triazol birləşmələrinin kitabxanası sintez edilmişdir. Bu əsər materialşünaslıq və kompüter dəstəkli dizaynın istifadəsinin fənlərarası tədqiqatlar vasitəsilə kimya üçün yeni imkanlar və fürsətlər aça biləcəyini vurğulayır.
Bütün həlledicilər və reagentlər Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI və ya Fischer Scientific şirkətlərindən alınmış və əvvəlcədən təmizlənmədən istifadə edilmişdir. Müvafiq olaraq 400 və 100 MHz-də qeydə alınmış 1H və 13C NMR spektrləri, həlledici kimi CDCl3 və ya (CD3)2SO olan JEOL ECS-400 400 MHz spektrometrində və ya Bruker Avance II 400 MHz spektrometrində əldə edilmişdir. Bütün reaksiyalar Uniqsis FlowSyn axın kimyası platformasından istifadə edilərək aparılmışdır.
Bu tədqiqatda bütün cihazların istehsalı üçün UAM istifadə edilmişdir. Texnologiya 1999-cu ildə icad edilmişdir və onun texniki detalları, işləmə parametrləri və ixtirasından sonrakı inkişafları aşağıdakı dərc olunmuş materiallardan istifadə etməklə öyrənilə bilər34,35,36,37. Cihaz (Şəkil 1) ağır yüklü 9 kVt-lıq SonicLayer 4000® UAM sistemi (Fabrisonic, Ohayo, ABŞ) istifadə edilərək tətbiq edilmişdir. Axın cihazı üçün seçilmiş materiallar Cu-110 və Al 6061 idi. Cu-110 yüksək mis tərkibinə malikdir (minimum 99,9% mis), bu da onu mis katalizli reaksiyalar üçün yaxşı namizəd edir və buna görə də mikroreaktorun içərisində "aktiv təbəqə" kimi istifadə olunur. Al 6061O "toplu" material kimi istifadə olunur. , eləcə də analiz üçün istifadə olunan interkalasiya təbəqəsi; köməkçi ərinti komponentlərinin interkalasiyası və Cu-110 təbəqəsi ilə birlikdə tavlanmış vəziyyət. Bu işdə istifadə olunan reagentlərlə kimyəvi cəhətdən sabit olduğu aşkar edilmişdir. Cu-110 ilə birlikdə Al 6061O da UAM üçün uyğun material kombinasiyası hesab olunur və buna görə də bu tədqiqat üçün uyğun materialdır38,42. Bu cihazlar aşağıdakı Cədvəl 1-də verilmişdir.
Reaktorun istehsal mərhələləri (1) 6061 alüminium ərintisi substratı (2) Mis folqadan alt kanalın hazırlanması (3) Təbəqələr arasında termoelementlərin yerləşdirilməsi (4) Yuxarı kanal (5) Giriş və çıxış (6) Monolit reaktor.
Maye kanalının dizayn fəlsəfəsi, idarəolunan çip ölçüsünü qoruyarkən çipin içərisindəki mayenin qət etdiyi məsafəni artırmaq üçün əyri-üyrü bir yoldan istifadə etməkdir. Məsafənin bu artması katalizator-reaktor təmas müddətini artırmaq və əla məhsul məhsuldarlığı təmin etmək üçün arzuolunandır. Çiplər cihaz daxilində turbulent qarışdırmaya səbəb olmaq44 və mayenin səthlə (katalizatorla) təmas müddətini artırmaq üçün düz yolun uclarında 90° əyilmələrdən istifadə edir. Əldə edilə bilən qarışdırmanı daha da artırmaq üçün reaktorun dizaynına qarışdırma bobini hissəsinə daxil olmazdan əvvəl Y-birləşməsi ilə birləşdirilmiş iki reaktiv girişi daxildir. Rezidensiyasının yarısında axını keçən üçüncü giriş gələcək çoxmərhələli sintez reaksiyaları üçün plana daxil edilmişdir.
Bütün kanallar kvadrat profilə malikdir (konus bucaqları yoxdur), bu da kanal həndəsəsini yaratmaq üçün istifadə edilən dövri CNC frezelemesinin nəticəsidir. Kanal ölçüləri yüksək (mikroreaktor üçün) həcmli məhsuldarlıq təmin etmək üçün seçilir, lakin tərkibindəki mayelərin əksəriyyəti üçün səthlə (katalizatorlarla) qarşılıqlı təsirini asanlaşdırmaq üçün kifayət qədər kiçikdir. Uyğun ölçü müəlliflərin metal-maye reaksiya cihazları ilə keçmiş təcrübəsinə əsaslanır. Son kanalın daxili ölçüləri 750 µm x 750 µm, ümumi reaktor həcmi isə 1 ml idi. Cihazın kommersiya axın kimyası avadanlığı ilə asanlıqla birləşdirilməsini təmin etmək üçün dizayna daxili konnektor (1/4″-28 UNF yiv) daxil edilmişdir. Kanal ölçüsü folqa materialının qalınlığı, mexaniki xüsusiyyətləri və ultrasəs ilə istifadə edilən yapışdırma parametrləri ilə məhdudlaşır. Verilən material üçün müəyyən bir genişlikdə material yaradılan kanala "çökəcək". Hazırda bu hesablama üçün xüsusi bir model yoxdur, buna görə də müəyyən bir material və dizayn üçün maksimum kanal eni eksperimental olaraq müəyyən edilir, bu halda 750 µm eni əyilməyə səbəb olmayacaq.
Kanalın forması (kvadrat) kvadrat kəsici istifadə edilərək müəyyən edilir. Kanalların forması və ölçüsü müxtəlif kəsici alətlərdən istifadə edərək CNC maşınlarında dəyişdirilə bilər ki, fərqli axın sürətləri və xüsusiyyətləri əldə edilsin. 125 µm alətlə əyri kanal yaratmağa nümunə Monaghan45-də tapıla bilər. Folqa təbəqəsi düz tətbiq edildikdə, folqa materialının kanallara tətbiqi düz (kvadrat) səthə malik olacaq. Bu işdə kanal simmetriyasını qorumaq üçün kvadrat konturdan istifadə edilmişdir.
İstehsalda proqramlaşdırılmış fasilə zamanı termocüt temperatur sensorları (K tipli) birbaşa cihazın yuxarı və aşağı kanal qrupları arasında yerləşdirilir (Şəkil 1 – mərhələ 3). Bu termocütlər temperatur dəyişikliklərini -200 ilə 1350 °C arasında idarə edə bilir.
Metal çökdürmə prosesi UAM buynuzu tərəfindən 25,4 mm enində və 150 ​​mikron qalınlığında metal folqa istifadə edilərək həyata keçirilir. Bu folqa təbəqələri bütün tikinti sahəsini əhatə etmək üçün bir sıra bitişik zolaqlar şəklində birləşdirilir; çökdürülmüş materialın ölçüsü son məhsuldan daha böyükdür, çünki çıxma prosesi son təmiz formanı yaradır. CNC emalı avadanlığın xarici və daxili konturlarını emal etmək üçün istifadə olunur və nəticədə seçilmiş alətə və CNC proses parametrlərinə (bu nümunədə təxminən 1,6 µm Ra) uyğun avadanlıq və kanalların səthi örtülməsi əldə edilir. Ölçü dəqiqliyinin qorunmasını və hazır hissənin CNC incə freze dəqiqliyi səviyyələrinə cavab verməsini təmin etmək üçün cihazın istehsal prosesi boyunca davamlı, davamlı ultrasəs material çiləmə və emal dövrlərindən istifadə olunur. Bu cihaz üçün istifadə olunan kanalın eni folqa materialının maye kanalında "sallanmamasını" təmin etmək üçün kifayət qədər kiçikdir, buna görə də kanal kvadrat kəsiklidir. Folqa materialındakı mümkün boşluqlar və UAM prosesinin parametrləri istehsal tərəfdaşı (Fabrisonic MMC, ABŞ) tərəfindən eksperimental olaraq müəyyən edilmişdir.
Tədqiqatlar göstərir ki, UAM birləşməsinin 46, 47 sərhədində əlavə istilik emalı olmadan elementlərin diffuziyası azdır, buna görə də bu işdəki cihazlar üçün Cu-110 təbəqəsi Al 6061 təbəqəsindən fərqli olaraq qalır və kəskin şəkildə dəyişir.
Reaktorun aşağı axınında 250 psi (1724 kPa) təzyiqdə əvvəlcədən kalibrlənmiş əks təzyiq tənzimləyicisini (BPR) quraşdırın və suyu reaktordan 0,1 ilə 1 ml min-1 sürətində pompalayın. Sistemin sabit sabit təzyiqi saxlaya bilməsini təmin etmək üçün reaktor təzyiqi sistemə quraşdırılmış FlowSyn təzyiq çeviricisi istifadə edilərək izlənildi. Axın reaktorundakı potensial temperatur qradiyentləri reaktora quraşdırılmış termoelementlər və FlowSyn çipinin istilik lövhəsinə quraşdırılmış termoelementlər arasındakı hər hansı fərqi axtarmaqla sınaqdan keçirildi. Bu, proqramlaşdırılmış qızdırıcı lövhənin temperaturunu 25 °C artımlarla 100 ilə 150 ​​°C arasında dəyişdirməklə və proqramlaşdırılmış və qeydə alınmış temperaturlar arasındakı hər hansı fərqi izləməklə əldə edilir. Bu, tc-08 məlumat qeyd cihazı (PicoTech, Kembric, Böyük Britaniya) və müşayiət olunan PicoLog proqram təminatı istifadə edilərək əldə edildi.
Fenilasetilen və yodoetanın sikloəlavə reaksiyası üçün şərtlər optimallaşdırılmışdır (Sxem 1-Fenillasetilen və yodoetanın sikloəlavəsi, Sxem 1-Fenillasetilen və yodoetanın sikloəlavəsi). Bu optimallaşdırma, alkin:azid nisbətini 1:2-də sabitləşdirərkən temperatur və qalma müddətini dəyişənlər kimi istifadə edərək, təcrübələrin tam faktorial dizaynı (DOE) yanaşması ilə həyata keçirilmişdir.
Natrium azid (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), yodoetan (0,25 M, DMF) və fenilasetilenin (0,125 M, DMF) ayrı məhlulları hazırlanmışdır. Hər məhluldan 1,5 ml alikvot qarışdırılmış və istənilən axın sürətində və temperaturda reaktordan pompalanmışdır. Modelin reaksiyası triazol məhsulunun pik sahəsinin fenilasetilenin başlanğıc materialına nisbəti kimi götürülmüş və yüksək performanslı maye xromatoqrafiyası (HPLC) istifadə edilərək müəyyən edilmişdir. Təhlil ardıcıllığı üçün bütün reaksiyalar reaksiya qarışığı reaktordan çıxdıqdan dərhal sonra aparılmışdır. Optimallaşdırma üçün seçilmiş parametr diapazonları Cədvəl 2-də göstərilmişdir.
Bütün nümunələr dördüncü nasos, sütun sobası, dəyişkən dalğa uzunluğunda UB detektoru və avtomatik nümunə götürəndən ibarət Chromaster HPLC sistemi (VWR, PA, ABŞ) istifadə edilərək təhlil edilmişdir. Sütun, 40°C-də saxlanılan, 4.6 x 100 mm, 5 µm hissəcik ölçüsündə olan Ekvivalent 5 C18 (VWR, PA, ABŞ) idi. Həlledici 1.5 ml·dəq-1 axın sürətində izokratik metanol:su 50:50 idi. Enjeksiyon həcmi 5 μl, detektor dalğa uzunluğu isə 254 nm idi. DOE nümunəsi üçün pik sahəsinin faizi yalnız qalıq alkin və triazol məhsullarının pik sahələrindən hesablanmışdır. Başlanğıc materialın daxil edilməsi müvafiq pikləri müəyyən etməyə imkan verir.
Reaktor analizinin nəticələrinin MODDE DOE proqram təminatı (Umetrics, Malmö, İsveç) ilə birləşdirilməsi nəticələrin hərtərəfli trend təhlilini aparmağa və bu sikloəlavə üçün optimal reaksiya şəraitinin müəyyən edilməsinə imkan verdi. Daxili optimizatoru işə salmaq və bütün vacib model terminlərini seçmək asetilen xammalı üçün pik sahəsini azaltmaqla yanaşı, məhsulun pik sahəsini maksimum dərəcədə artırmaq üçün hazırlanmış bir sıra reaksiya şərtləri yaradır.
Katalitik reaksiya kamerasında mis səthinin oksidləşməsi, hər bir triazol birləşməsinin sintezindən əvvəl reaksiya kamerasından axan hidrogen peroksid məhlulu (36%) (axın sürəti = 0,4 ml dəq-1, qalma müddəti = 2,5 dəq) istifadə etməklə əldə edilmişdir. kitabxanası.
Optimal şərtlər dəsti müəyyən edildikdən sonra, onlar kiçik bir sintez kitabxanasının tərtib edilməsinə imkan vermək üçün bir sıra asetilen və haloalkan törəmələrinə tətbiq edildi və bununla da bu şərtlərin daha geniş potensial reagentlərə tətbiq edilməsi ehtimalı yaradıldı (Şəkil 1). 2).
Natrium azid (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), haloalkanların (0,25 M, DMF) və alkinlərin (0,125 M, DMF) ayrı məhlullarını hazırlayın. Hər məhluldan 3 ml-lik alikvotlar qarışdırıldı və reaktordan 75 µl/dəq sürətlə və 150°C temperaturda pompalandı. Bütün həcm flakonda toplandı və 10 ml etil asetatla durulaşdırıldı. Nümunə məhlulu 3 x 10 ml su ilə yuyuldu. Sulu təbəqələr birləşdirildi və 10 ml etil asetatla ekstraksiya edildi, sonra üzvi təbəqələr birləşdirildi, 3 × 10 ml duzlu su ilə yuyuldu, MgSO4 üzərində quruduldu və süzüldü, sonra həlledici vakuumda çıxarıldı. Nümunələr HPLC, 1H NMR, 13C NMR və yüksək qətnaməli kütlə spektrometriyası (HR-MS) kombinasiyası ilə analizdən əvvəl etil asetat istifadə edərək silisium gel sütun xromatoqrafiyası ilə təmizləndi.
Bütün spektrlər ionlaşma mənbəyi kimi ESI olan Thermofischer Precision Orbitrap kütlə spektrometrindən istifadə edilərək əldə edilmişdir. Bütün nümunələr asetonitril həlledici kimi istifadə edilərək hazırlanmışdır.
TLC analizi alüminium substratlı silisium lövhələr üzərində aparılmışdır. Plitələr UB işığı (254 nm) və ya vanilin boyama və qızdırma ilə vizuallaşdırılmışdır.
Bütün nümunələr avtomatik nümunə götürən, sütunlu sobalı ikili nasos və tək dalğa uzunluğu detektoru ilə təchiz olunmuş VWR Chromaster sistemi (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, Böyük Britaniya) istifadə edilərək təhlil edilmişdir. ACE Equivalence 5 C18 sütunundan (150 x 4.6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Şotlandiya) istifadə edilmişdir.
İnyeksiyalar (5 µl) birbaşa seyreltilmiş xam reaksiya qarışığından (1:10 seyreltmə) hazırlanmış və su:metanol (50:50 və ya 70:30) ilə təhlil edilmişdir, bəzi nümunələr istisna olmaqla, 1,5 ml/dəq axın sürətində 70:30 həlledici sistemindən (ulduz nömrəsi kimi işarələnir) istifadə edilmişdir. Sütun 40°C-də saxlanılmışdır. Detektorun dalğa uzunluğu 254 nm-dir.
Nümunənin pik sahəsinin faizi yalnız triazol məhsulu olan qalıq alkinin pik sahəsindən hesablanmışdır və başlanğıc materialın tətbiqi müvafiq pikləri müəyyən etməyə imkan vermişdir.
Bütün nümunələr Thermo iCAP 6000 ICP-OES istifadə edilərək təhlil edilmişdir. Bütün kalibrləmə standartları 2% azot turşusunda (SPEX Certi Prep) 1000 ppm Cu standart məhlulu istifadə edilərək hazırlanmışdır. Bütün standartlar 5% DMF və 2% HNO3 məhlulunda hazırlanmışdır və bütün nümunələr DMF-HNO3 nümunə məhlulu ilə 20 dəfə durulaşdırılmışdır.
UAM, son montaj yaratmaq üçün istifadə olunan metal folqanı birləşdirmək üsulu kimi ultrasəs metal qaynağından istifadə edir. Ultrasəs metal qaynağı, materialı titrədərək yapışdırılacaq/əvvəlcədən möhkəmləndiriləcək folqa/əvvəlcədən möhkəmləndirilmiş təbəqəyə təzyiq göstərmək üçün titrəyən metal alətdən (buynuz və ya ultrasəs buynuzu adlanır) istifadə edir. Davamlı işləmə üçün sonotrod silindrik formaya malikdir və materialın səthində yuvarlanır və bütün sahəni yapışdırır. Təzyiq və vibrasiya tətbiq edildikdə, materialın səthindəki oksidlər çatlaya bilər. Daimi təzyiq və vibrasiya materialın pürüzlülüyünün məhv olmasına səbəb ola bilər 36. Lokal istilik və təzyiqlə sıx təmas daha sonra material sərhədlərində bərk fazalı bağa səbəb olur; həmçinin səth enerjisini dəyişdirərək birləşməni təşviq edə bilər48. Bağlama mexanizminin təbiəti digər əlavə istehsal texnologiyalarında qeyd olunan dəyişkən ərimə temperaturu və yüksək temperatur effektləri ilə əlaqəli bir çox problemi aradan qaldırır. Bu, müxtəlif materialların bir neçə təbəqəsinin vahid bir möhkəmləndirilmiş quruluşa birbaşa qoşulmasına (yəni səth modifikasiyası, doldurucular və ya yapışdırıcılar olmadan) imkan verir.
CAM üçün ikinci əlverişli amil, metal materiallarda hətta aşağı temperaturlarda, yəni metal materialların ərimə nöqtəsindən xeyli aşağıda müşahidə olunan yüksək dərəcədə plastik axınıdır. Ultrasəs vibrasiyalarının və təzyiqin birləşməsi, ənənəvi olaraq toplu materiallarla əlaqəli əhəmiyyətli temperatur artımı olmadan yüksək səviyyədə yerli dənə sərhəd miqrasiyasına və yenidən kristallaşmaya səbəb olur. Son montajın yaradılması zamanı bu fenomen metal folqa təbəqələri arasında təbəqə-təbəqə aktiv və passiv komponentləri yerləşdirmək üçün istifadə edilə bilər. Optik lif 49, armatur 46, elektronika 50 və termocütlər (bu iş) kimi elementlər aktiv və passiv kompozit montajlar yaratmaq üçün UAM strukturlarına uğurla inteqrasiya edilmişdir.
Bu işdə katalitik temperatur nəzarəti üçün ideal mikroreaktor yaratmaq məqsədilə həm müxtəlif material bağlama qabiliyyətlərindən, həm də UAM interkalasiya imkanlarından istifadə edilmişdir.
Palladium (Pd) və digər geniş istifadə olunan metal katalizatorları ilə müqayisədə Cu katalizinin bir sıra üstünlükləri var: (i) İqtisadi cəhətdən Cu katalizdə istifadə olunan bir çox digər metallardan daha ucuzdur və buna görə də kimya sənayesi üçün cəlbedici bir seçimdir (ii) Cu ilə katalizləşdirilmiş çarpaz birləşmə reaksiyalarının çeşidi genişlənir və Pd51, 52, 53 əsaslı metodologiyaları bir qədər tamamlayır. (iii) Cu ilə katalizləşdirilmiş reaksiyalar digər ligandlar olmadığı təqdirdə yaxşı işləyir. Bu ligandlar çox vaxt struktur baxımından sadə və ucuzdur. İstənilən halda, Pd kimyasında istifadə edilənlər isə çox vaxt mürəkkəb, bahalı və havaya həssasdır. (iv) Cu, xüsusən də Sonogashiranın bimetal katalizləşdirilmiş birləşmə və azidlərlə sikloəlavə (klik kimyası) kimi sintezdə alkinləri birləşdirmək qabiliyyəti ilə tanınır. (v) Cu həmçinin Ullmann tipli reaksiyalarda bəzi nukleofillərin arilləşməsini təşviq edə bilər.
Bu yaxınlarda bütün bu reaksiyaların Cu(0) iştirakı ilə heterojenləşməsinə dair nümunələr nümayiş etdirilib. Bu, əsasən əczaçılıq sənayesi və metal katalizatorlarının bərpasına və təkrar istifadəsinə artan diqqətlə bağlıdır55,56.
İlk dəfə 1960-cı illərdə Huisgen tərəfindən təklif edilən asetilen və azid arasında 1,2,3-triazola 1,3-dipolyar sikloəlavə reaksiyası57 sinergetik nümayiş reaksiyası hesab olunur. Nəticədə yaranan 1,2,3 triazol fraqmentləri bioloji tətbiqləri və müxtəlif terapevtik maddələrdə istifadəsi səbəbindən dərmanların kəşfində farmakofor kimi xüsusi maraq doğurur58.
Şarpless və başqaları "klik kimyası" anlayışını təqdim etdikdə bu reaksiya yenidən diqqət çəkdi59. "Klik kimyası" termini, heteroatom rabitəsindən (CXC) istifadə edərək yeni birləşmələrin sürətli sintezi və kombinatorial kitabxanalar üçün möhkəm və selektiv reaksiyalar dəstini təsvir etmək üçün istifadə olunur60. Bu reaksiyaların sintetik cəlbediciliyi, onlarla əlaqəli yüksək məhsuldarlıqla bağlıdır. şərtlər sadədir, oksigenə və suya müqavimət göstərir və məhsulun ayrılması asandır61.
Klassik 1,3-dipol Huisgen sikloəlavəsi “klik kimyası” kateqoriyasına daxil deyil. Lakin, Medal və Sharpless nümayiş etdirdilər ki, bu azid-alkin birləşmə hadisəsi Cu(I) iştirakı ilə 107–108-ə məruz qalır, katalitik olmayan 1,3-dipol sikloəlavəsinin sürətində əhəmiyyətli bir sürətlənmə ilə müqayisədə 62,63. Bu inkişaf etmiş reaksiya mexanizmi qoruma qrupları və ya sərt reaksiya şərtləri tələb etmir və zamanla 1,4-əvəzsizləşdirilmiş 1,2,3-triazollara (anti-1,2,3-triazollar) demək olar ki, tam çevrilmə və selektivlik təmin edir (Şəkil 3).
Ənənəvi və mis katalizli Huisgen sikloəlavələrinin izometrik nəticələri. Cu(I)-katalizli Huisgen sikloəlavələri yalnız 1,4-əvəzsizləşdirilmiş 1,2,3-triazollar verir, termal induksiyalı Huisgen sikloəlavələri isə adətən 1,4- və 1,5-triazollara 1:1 nisbətində azol stereoizomerləri qarışığı verir.
Əksər protokollar CuSO4-ün və ya Cu(II)/Cu(0) birləşməsinin natrium duzları ilə birlikdə reduksiyası kimi Cu(II)-nin stabil mənbələrinin reduksiyasını əhatə edir. Digər metal katalizləşdirilmiş reaksiyalarla müqayisədə Cu(I)-nin istifadəsinin əsas üstünlükləri ucuz və asan idarə olunmasıdır.
Worrell və digərləri tərəfindən aparılan kinetik və izotop tədqiqatlar göstərmişdir ki, terminal alkinləri halında, hər molekulun azidə nisbətən reaktivliyini aktivləşdirməkdə iki ekvivalent mis iştirak edir. Təklif olunan mexanizm azidin σ-bağlı mis asetilidə stabil donor ligand kimi π-bağlı mis ilə koordinasiyası nəticəsində əmələ gələn altı üzvlü mis metal halqasından keçir. Mis triazolil törəmələri halqanın daralması və ardınca proton parçalanması nəticəsində triazol məhsulları əmələ gətirir və katalitik dövrü bağlayır.
Axın kimyası cihazlarının faydaları yaxşı sənədləşdirilsə də, yerində real vaxt rejimində proses monitorinqi üçün analitik alətləri bu sistemlərə inteqrasiya etmək istəyi yaranmışdır66,67. UAM, birbaşa daxil edilmiş sensor elementləri olan katalitik cəhətdən aktiv, istilik keçirici materiallardan çox mürəkkəb 3D axın reaktorlarının dizaynı və istehsalı üçün uyğun bir metod olduğunu sübut etmişdir (Şəkil 4).
Mürəkkəb daxili kanal quruluşuna, quraşdırılmış termoelementlərə və katalitik reaksiya kamerasına malik ultrasəs qatqı istehsalı (UAM) üsulu ilə istehsal olunan alüminium-mis axın reaktoru. Daxili maye yollarını vizuallaşdırmaq üçün stereolitoqrafiya istifadə edilərək hazırlanmış şəffaf prototip də göstərilir.
Reaktorların gələcək üzvi reaksiyalar üçün hazırlanmasını təmin etmək üçün həlledicilər qaynama nöqtəsindən yuxarıda təhlükəsiz şəkildə qızdırılmalıdır; onlar təzyiq və temperatur sınaqlarından keçirilir. Təzyiq sınaqları göstərdi ki, sistem sistemdə yüksək təzyiqdə (1,7 MPa) belə sabit və sabit təzyiq saxlayır. Hidrostatik sınaqlar maye kimi H2O istifadə edilərək otaq temperaturunda aparılmışdır.
Daxili (Şəkil 1) termocütün temperatur məlumatları qeyd cihazına qoşulması göstərdi ki, termocütün temperaturu FlowSyn sistemində proqramlaşdırılmış temperaturdan 6 °C (± 1 °C) aşağıdır. Adətən, temperaturun 10 °C artması reaksiya sürətini ikiqat artırır, buna görə də cəmi bir neçə dərəcə temperatur fərqi reaksiya sürətini əhəmiyyətli dərəcədə dəyişə bilər. Bu fərq istehsal prosesində istifadə olunan materialların yüksək istilik yayılması səbəbindən RPV boyunca temperatur itkisi ilə əlaqədardır. Bu istilik sürüşməsi sabitdir və buna görə də reaksiya zamanı dəqiq temperaturlara çatılmasını və ölçülməsini təmin etmək üçün avadanlığı quraşdırarkən nəzərə alına bilər. Beləliklə, bu onlayn monitorinq aləti reaksiya temperaturunun sərt idarə olunmasını asanlaşdırır və daha dəqiq proses optimallaşdırılmasına və optimal şəraitin hazırlanmasına töhfə verir. Bu sensorlar həmçinin ekzotermik reaksiyaları aşkar etmək və genişmiqyaslı sistemlərdə qaçaq reaksiyaların qarşısını almaq üçün istifadə edilə bilər.
Bu məqalədə təqdim olunan reaktor, kimyəvi reaktorların istehsalında UAM texnologiyasının tətbiqinin ilk nümunəsidir və hazırda bu cihazların AM/3D çapı ilə əlaqəli bir neçə əsas məhdudiyyəti aradan qaldırır, məsələn: (i) Mis və ya alüminium ərintisinin emalı ilə əlaqəli qeyd olunan problemlərin aradan qaldırılması (ii) selektiv lazer əriməsi (SLM) kimi toz yatağı əritmə (PBF) metodları ilə müqayisədə daxili kanal qətnaməsinin yaxşılaşdırılması25,69 Zəif material axını və kobud səth teksturası26 (iii) sensorların birbaşa qoşulmasını asanlaşdıran aşağı emal temperaturu, bu da toz yatağı texnologiyasında mümkün deyil, (v) polimer əsaslı komponentlərin müxtəlif ümumi üzvi həlledicilərə qarşı zəif mexaniki xüsusiyyətlərinin və həssaslığının aradan qaldırılması17,19.
Reaktorun funksionallığı davamlı axın şəraitində bir sıra mis-katalizləşdirilmiş alkinazid sikloəlavə reaksiyaları ilə nümayiş etdirilmişdir (Şəkil 2). Şəkil 4-də göstərilən ultrasəs çaplı mis reaktoru kommersiya axın sistemi ilə inteqrasiya edilmiş və natrium xlorid iştirakı ilə asetilen və alkil qrupu halidlərinin temperaturla idarə olunan reaksiyasından istifadə edərək müxtəlif 1,4-əvəzsizləşdirilmiş 1,2,3-triazolların azid kitabxanasını sintez etmək üçün istifadə edilmişdir (Şəkil 3). Davamlı axın yanaşmasının istifadəsi, bu reaksiya yüksək reaktiv və təhlükəli azid aralıqları istehsal etdiyindən, toplu proseslərdə yarana biləcək təhlükəsizlik problemlərini azaldır [317], [318]. Əvvəlcə reaksiya fenilasetilen və yodoetanın sikloəlavə edilməsi üçün optimallaşdırılmışdır (Sxem 1 – Fenilasetilen və yodoetanın sikloəlavə edilməsi) (Şəkil 5-ə baxın).
(Yuxarı sol) Optimallaşdırma və reaksiyanın optimallaşdırılmış çevrilmə sürəti parametrlərini göstərmək üçün fenilasetilen və yodoetan arasında Huisgen 57 sikloəlavə sxeminin optimallaşdırılmış (aşağı) sxemindən əldə edilən axın sisteminə (yuxarı sağ) 3DP reaktoru daxil etmək üçün istifadə edilən qurğunun sxemi.
Reaktorun katalitik hissəsində reaktivlərin qalma müddətini idarə etməklə və birbaşa inteqrasiya olunmuş termocüt sensoru ilə reaksiya temperaturunu diqqətlə izləməklə reaksiya şərtləri minimum vaxt və material sərf etməklə tez və dəqiq şəkildə optimallaşdırıla bilər. Tez bir zamanda ən yüksək çevrilmənin 15 dəqiqə qalma müddəti və 150°C reaksiya temperaturu istifadə edilərək əldə edildiyi aşkar edildi. MODDE proqram təminatının əmsal qrafikindən həm qalma müddəti, həm də reaksiya temperaturunun modelin vacib şərtləri hesab edildiyini görmək olar. Bu seçilmiş şərtlərdən istifadə edərək daxili optimizatoru işə salmaq, başlanğıc materialın pik sahələrini azaldarkən məhsulun pik sahələrini maksimum dərəcədə artırmaq üçün hazırlanmış bir sıra reaksiya şərtləri yaradır. Bu optimallaşdırma triazol məhsulunun 53% çevrilməsini təmin etdi ki, bu da modelin 54% proqnozuna tam uyğun gəldi.