Nature.com saytına daxil olduğunuz üçün təşəkkür edirik. İstifadə etdiyiniz brauzer versiyasında CSS dəstəyi məhduddur. Ən yaxşı təcrübə üçün yenilənmiş brauzerdən istifadə etməyinizi (və ya Internet Explorer-də uyğunluq rejimini söndürməyinizi) tövsiyə edirik. Bu vaxt ərzində davamlı dəstəyi təmin etmək üçün saytı stillər və JavaScript olmadan göstərəcəyik.
Əlavə istehsalı tədqiqatçıların və sənayeçilərin xüsusi ehtiyaclarını ödəmək üçün kimyəvi cihazların dizaynı və istehsalı üsullarını dəyişdirir. Bu işdə biz birbaşa inteqrasiya olunmuş katalitik hissələr və sensor elementləri olan bərk hal metal təbəqə laminasiya texnikası olan Ultrasonik Əlavə İstehsalı (UAM) 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 əhəmiyyətli dərəcədə artırır. Bir sıra bioloji əhəmiyyətli 1,4-əvəzsizləşdirilmiş 1,2,3-triazol birləşmələri uğurla sintez edilmiş və UAM kimya qurğusundan istifadə edərək Cu vasitəçiliyi ilə Huisgen 1,3-dipol sikloəlavə reaksiyası ilə optimallaşdırılmışdır. UAM və davamlı axın emalının unikal xüsusiyyətlərindən istifadə etməklə, cihaz davam edən reaksiyaları katalizləşdirə bilir və eyni zamanda reaksiya monitorinqi və optimallaşdırılması üçün real vaxt rejimində rəy təmin edir.
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 molekul əmələ gəlməsindən1 əczaçılıq birləşmələrinə2,3 və təbii məhsullara4,5,6 qədər uzanır. İncə kimya və əczaçılıq sənayesindəki reaksiyaların 50%-dən çoxu fasiləsiz axın emalının7 istifadəsindən faydalana bilər.
Son illərdə ənənəvi şüşə qabları və ya axın kimyası avadanlıqlarını özelleştirilebilir əlavə istehsal (AM) kimyası "reaksiya qabları" ilə əvəz etmək istəyən qrupların artan bir tendensiyası müşahidə olunur8. Bu texnikaların təkrarlanan dizaynı, sürətli istehsalı və 3 ölçülü (3D) imkanları cihazlarını müəyyən bir reaksiya, cihaz və ya şərtlər dəstinə uyğunlaşdırmaq 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 çap 7, 15, 16 kimi polimer əsaslı 3D çap texnikalarının istifadəsinə yönəlmişdir. Bu cür cihazların geniş çeşiddə kimyəvi reaksiyalar/analizlər aparmaq qabiliyyətinin və möhkəmliyinin 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 gücləndirilmiş kimyəvi və analitik imkanlara malik axın reaksiya qabları hazırlamağa imkan verən daha inkişaf etmiş üsulları araşdırmağa ehtiyac var. Bu üsullar istifadəçilərə geniş reaksiya şəraitini idarə edə bilən yüksək dərəcədə möhkəm və ya funksional materiallar arasından seçim etməyə imkan verməlidir, eyni zamanda reaksiya monitorinqi və idarə olunması üçün cihazdan müxtəlif analitik çıxış formalarını asanlaşdırmalıdır.
Xüsusi kimyəvi reaktorlar hazırlamaq potensialına malik olan bir əlavə istehsal prosesi Ultrasonik Əlavə İstehsalatdır (UAM). Bu bərk hal təbəqə laminasiya texnikası, minimal toplu istilik və yüksək dərəcədə plastik axınla təbəqə-təbəqə birləşdirmək üçün nazik metal folqalara ultrasəs rəqslərini tətbiq edir 21, 22, 23. Digər AM texnologiyalarının əksəriyyətindən fərqli olaraq, UAM, hibrid istehsal prosesi kimi tanınan subtraktiv istehsalla birbaşa inteqrasiya edilə bilər ki, bu da yerində dövri kompüter ədədi idarəetmə (CNC) frezeleme və ya lazer emalı ilə birləşdirilmiş material təbəqəsinin xalis formasını təyin edir 24, 25. Bu o deməkdir ki, istifadəçi qalıq xam tikinti materialını kiçik maye kanallarından çıxarmaqla bağlı problemlərlə məhdudlaşmır, bu da tez-tez toz və maye AM sistemlərində olur 26, 27, 28. Bu dizayn azadlığı həmçinin mövcud material seçimlərinə də şamil olunur - UAM termik cəhətdən oxşar və fərqli material birləşmələrini tək bir proses addımında birləşdirə bilər. Ərimə prosesindən kənarda material birləşmələrinin seçimi, müəyyən tətbiqlərin mexaniki və kimyəvi tələblərinin daha yaxşı ödənilə biləcəyi deməkdir. Bərk hal birləşməsinə əlavə olaraq, qarşılaşılan başqa bir fenomen... Ultrasəs rabitəsi nisbətən aşağı temperaturda plastik materialların yüksək axınıdır29,30,31,32,33. UAM-ın bu unikal xüsusiyyəti mexaniki/termiki elementlərin metal təbəqələr arasında zədələnmədən yerləşdirilməsini asanlaşdıra bilər. UAM-ın yerləşdirilmiş sensorları inteqrasiya olunmuş analitika vasitəsilə cihazdan istifadəçiyə real vaxt rejimində məlumatın çatdırılmasını asanlaşdıra bilər.
Müəlliflərin keçmiş işləri32 UAM prosesinin inteqrasiya olunmuş sensor imkanlarına malik metal 3D mikrofluidik strukturlar yaratmaq qabiliyyətini nümayiş etdirdi. Bu, yalnız monitorinq cihazıdır. Bu məqalədə UAM tərəfindən hazırlanmış mikrofluidik kimyəvi reaktorun ilk nümunəsi təqdim olunur; yalnız monitorinq etməklə yanaşı, strukturlaşdırılmış katalizator materialları vasitəsilə kimyəvi sintezi də stimullaşdıran aktiv cihaz. Cihaz, 3D kimyəvi cihaz istehsalında UAM texnologiyası ilə əlaqəli bir neçə üstünlükləri özündə birləşdirir, məsələn: tam 3D dizaynları birbaşa kompüter dəstəkli dizayn (CAD) modellərindən məhsullara çevirmək imkanı; yüksək istilik keçiriciliyi və katalitik materialları birləşdirmək üçün çoxmateriallı istehsal; və dəqiq reaksiya temperaturunun monitorinqi və idarə olunması üçün birbaşa reagent axınları arasında istilik sensorlarının yerləşdirilməsi. Reaktorun funksionallığını nümayiş etdirmək üçün, mis katalizli Huisgen 1,3-dipol sikloəlavə ilə əczaçılıq baxımından əhəmiyyətli 1,4-əvəzsizləşdirilmiş 1,2,3-triazol birləşmələrinin kitabxanası sintez edilmişdir. Bu iş materialşünaslığın və kompüter dəstəkli dizaynın istifadəsinin çoxsahəli tədqiqatlar vasitəsilə kimya üçün yeni imkanlar və imkanlar 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 MHz və 100 MHz tezlikdə qeydə alınmış 1H və 13C NMR spektrləri JEOL ECS-400 400 MHz spektrometri və ya Bruker Avance II 400 MHz spektrometri və həlledici kimi CDCl3 və ya (CD3)2SO istifadə edilərək əldə edilmişdir. Bütün reaksiyalar Uniqsis FlowSyn axın kimyası platforması istifadə edilərək aparılmışdır.
Bu tədqiqatda bütün cihazların hazırlanması üçün UAM istifadə edilmişdir. Texnologiya 1999-cu ildə icad edilmişdir və onun texniki detalları, işləmə parametrləri və ixtirasından sonrakı inkişafları aşağıdakı dərc olunmuş materiallar vasitəsilə öyrənilə bilər34,35,36,37. Cihaz (Şəkil 1) ultra yüksək güclü, 9 kVt-lıq SonicLayer 4000® UAM sistemi (Fabrisonic, OH, ABŞ) istifadə edilərək həyata keçirilmişdir. Axın cihazının istehsalı 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 mikroreaktor daxilində "aktiv təbəqə" kimi istifadə olunur. Al 6061O "toplu" material kimi istifadə olunur, həmçinin analiz üçün yerləşdirmə təbəqəsi istifadə olunur; Ərinti köməkçi komponent yerləşdirmə və Cu-110 təbəqəsi ilə birləşdirilmiş tavlanmış vəziyyət. Al 6061O, UAM ilə yüksək uyğunluq göstərdiyi sübut edilmiş bir materialdır. proseslər38, 39, 40, 41 və sınaqdan keçirilmiş və bu işdə istifadə olunan reagentlərlə kimyəvi cəhətdən sabit olduğu aşkar edilmişdir. Al 6061O-nun Cu-110 ilə birləşməsi də UAM üçün uyğun material kombinasiyası hesab olunur və buna görə də bu tədqiqat üçün uyğun materialdır. 38,42 Bu cihazlar aşağıdakı Cədvəl 1-də verilmişdir.
Reaktorun istehsal mərhələləri (1) Al 6061 substratı (2) Mis folqa ilə örtülmüş alt kanalın hazırlanması (3) Təbəqələr arasında termoelementlərin yerləşdirilməsi (4) Üst kanal (5) Giriş və çıxış (6) Monolit reaktor.
Maye yolunun dizayn fəlsəfəsi, çipi idarəolunan ölçüdə saxlayarkən, mayenin çip daxilində hərəkət etdiyi məsafəni artırmaq üçün dolaşıq bir yoldan istifadə etməkdir. Məsafənin bu artması katalizator/reagent qarşılıqlı təsir 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 reaktor dizaynında serpentin qarışdırma hissəsinə daxil olmazdan əvvəl Y-qovşağında birləşdirilmiş iki reagent girişi var. Axını yaşayış yerinin yarısında kəsişən üçüncü giriş gələcək çoxmərhələli reaksiya sintezlərinin dizaynına daxil edilmişdir.
Bütün kanallar kvadrat profilə malikdir (qarşılama bucaqları yoxdur), bu da kanal həndəsəsini yaratmaq üçün istifadə edilən dövri CNC frezelemesinin nəticəsidir. Kanal ölçüləri, tərkibindəki mayelərin əksəriyyəti üçün səth qarşılıqlı təsirlərini (katalizatorları) asanlaşdırmaq üçün kifayət qədər kiçik olmaqla yanaşı, yüksək (mikroreaktor üçün) həcm çıxışı təmin etmək üçün seçilir. Uyğun ölçü müəlliflərin reaksiya üçün metal-maye cihazlarla 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 sadə interfeysini təmin etmək üçün dizayna inteqrasiya olunmuş birləşdirici (1/4″—28 UNF yiv) daxil edilmişdir. Kanal ölçüsü folqa materialının qalınlığı, mexaniki xüsusiyyətləri və ultrasəs ilə istifadə edilən yapışdırma parametrləri ilə məhdudlaşır. Müəyyən bir material üçün müəyyən bir genişlikdə material yaradılmış kanala "çökəcək". Hal-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 maşınları tərəfindən dəyişdirilə bilər ki, bu da fərqli axın sürətləri və xüsusiyyətləri əldə etməyə imkan verir. 125 μm alətdən istifadə edərək əyri formalı kanal yaratmağa nümunə Monaghan45-in işində tapıla bilər. Folqa təbəqəsi düz şəkildə çökdürüldükdə, kanalların üzərindəki folqa materialının örtüyü düz (kvadrat) bir görünüşə malik olacaq. Bu işdə kanalın simmetriyasını qorumaq üçün kvadrat konturdan istifadə edilmişdir.
İstehsalda əvvəlcədən proqramlaşdırılmış fasilə zamanı termocüt temperatur zondları (K tipi) birbaşa cihazın içərisində yuxarı və aşağı kanal qrupları arasında yerləşdirilir (Şəkil 1 - Mərhələ 3). Bu termocütlər temperatur dəyişikliklərini −200 ilə 1350 °C arasında izləyə bilir.
Metal çökdürmə prosesi 25,4 mm enində, 150 mikron qalınlığında metal folqa istifadə edərək UAM buynuzu ilə həyata keçirilir. Bu folqa təbəqələri bütün tikinti sahəsini əhatə etmək üçün bir sıra bitişik zolaqlara yapışdırılır; çökdürülmüş materialın ölçüsü son məhsuldan daha böyükdür, çünki çıxarma prosesi son xalis formanı yaradır. CNC emalı avadanlığın xarici və daxili konturlarını emal etmək üçün istifadə olunur və nəticədə avadanlıqların və kanalların səthi örtüyü seçilmiş alətə və CNC proses parametrlərinə (bu nümunədə təxminən 1,6 μm Ra) bərabər olur. Ölçü dəqiqliyinin qorunmasını və hazır hissənin CNC freze dəqiqliyi səviyyələrinə cavab verməsini təmin etmək üçün cihazın istehsal prosesi boyunca davamlı, davamlı ultrasəs material çökdürmə və emal dövrlərindən istifadə olunur. Bu cihaz üçün istifadə olunan kanal eni folqa materialının maye kanalına "çökməməsini" təmin etmək üçün kifayət qədər kiçikdir, buna görə də kanal kvadrat kəsik saxlayır. Folqa materialında və UAM proses parametrlərində mümkün boşluqlar istehsal tərəfdaşı (Fabrisonic MMC, ABŞ) tərəfindən eksperimental olaraq müəyyən edilmişdir.
Tədqiqatlar göstərib ki, əlavə istilik emalı olmadan UAM rabitə sərhədində 46, 47 elementar diffuziya az baş verir, buna görə də bu işdəki cihazlar üçün Cu-110 təbəqəsi Al 6061 təbəqəsindən fərqli olaraq qalır və qəfil dəyişir.
Reaktorun çıxışına əvvəlcədən kalibrlənmiş 250 psi (1724 kPa) geri təzyiq tənzimləyicisini (BPR) quraşdırın və suyu reaktordan 0,1 ilə 1 ml min-1 sürətlə pompalayın. Sistemin sabit sabit təzyiqi saxlaya biləcəyini yoxlamaq üçün reaktor təzyiqi FlowSyn daxili sistem təzyiq sensoru istifadə edilərək izlənildi. Axın reaktoru boyunca potensial temperatur qradiyentləri reaktorun içərisində yerləşdirilmiş termoelementlər və FlowSyn çip qızdırıcı lövhəsinin içərisində yerləşdirilmiş termoelementlər arasındakı hər hansı fərqi müəyyən etməklə sınaqdan keçirildi. Buna proqramlaşdırıla bilən qızdırıcı lövhənin temperaturunu 25 °C artımlarla 100 ilə 150 ​​°C arasında dəyişdirməklə və proqramlaşdırılmış və qeydə alınmış temperaturlar arasındakı hər hansı fərqi qeyd etməklə nail olunur. Buna tc-08 məlumat qeyd cihazı (PicoTech, Kembric, Böyük Britaniya) və müşayiət olunan PicoLog proqram təminatı istifadə edilərək nail olundu.
Fenilasetilen və yodoetanın sikloəlavə reaksiya şərtləri optimallaşdırılmışdır (Sxem 1 - Fenilasetilen və yodoetanın sikloəlavəsi Sxem 1 - Fenilasetilen və yodoetanın sikloəlavəsi). Bu optimallaşdırma, alkin:azid nisbətini 1:2 olaraq təyin edərkən, temperatur və qalma müddətini dəyişkən parametrlər 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. Model cavabı triazol məhsulunun fenilasetilen başlanğıc materialına pik sahə nisbəti kimi götürülmüş və yüksək performanslı maye xromatoqrafiyası (HPLC) ilə müəyyən edilmişdir. Təhlilin ardıcıllığı üçün bütün reaksiyalar reaksiya qarışığı reaktordan çıxdıqdan dərhal sonra nümunə götürülmüşdür. Optimallaşdırma üçün seçilmiş parametr diapazonları Cədvəl 2-də göstərilmişdir.
Bütün nümunələr dördüncü nasos, sütun sobası, dəyişkən dalğa uzunluğunda UB detektoru və avtosamplerdən ibarət Chromaster HPLC sistemi (VWR, PA, ABŞ) istifadə edilərək təhlil edilmişdir. Sütun, 40 °C-də saxlanılan, 4.6 × 100 mm ölçülü, 5 µm hissəcik ölçüsündə, 5 C18 Ekvivalenti (VWR, PA, ABŞ) idi. Həlledici 1.5 ml.dəq-1 axın sürətində izokratik 50:50 metanol: su 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 enjeksiyonu müvafiq piklərin müəyyən edilməsinə imkan verir.
Reaktor analiz çıxışının MODDE DOE proqram təminatına (Umetrics, Malmö, İsveç) qoşulması nəticə tendensiyalarının hərtərəfli təhlilinə və bu sikloəlavə üçün optimal reaksiya şəraitinin müəyyən edilməsinə imkan verdi. Daxili optimizatoru işə salmaq və bütün vacib model terminlərini seçmək asetilen başlanğıc materialı üçün pik sahəsini azaltmaqla yanaşı, məhsulun pik sahəsini maksimum dərəcədə artırmaq üçün hazırlanmış bir sıra reaksiya şərtləri verir.
Katalitik reaksiya kamerasında səth misinin oksidləşməsi, hər bir triazol birləşmə kitabxanasının sintezindən əvvəl reaksiya kamerasından axan hidrogen peroksid məhlulu (36%) (axın sürəti = 0,4 ml dəq-1, qalma müddəti = 2,5 dəq) istifadə edilməklə əldə edilmişdir.
Optimal şərtlər dəsti müəyyən edildikdən sonra, onlar kiçik bir kitabxana sintezinin tərtib edilməsinə imkan vermək üçün bir sıra asetilen və haloalkan törəmələrinə tətbiq edildi və bununla da bu şərtləri daha geniş potensial reagentlərə tətbiq etmək imkanı 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 məhlulun 3 ml alikvotları qarışdırıldı və reaktordan 75 µL.dəq-1 və 150 ​​°C-də pompalandı. Ümumi həcm flakonda toplandı və 10 ml etil asetatla durulaşdırıldı. Nümunə məhlulu 3 × 10 ml su ilə yuyuldu. Sulu təbəqələr birləşdirildi və 10 ml etil asetatla ekstraksiya edildi; daha sonra üzvi təbəqələr birləşdirildi, 3 x 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 üzərində sütun xromatoqrafiyası ilə təmizləndi.
Bütün spektrlər ionlaşma mənbəyi kimi ESI olan Thermofischer dəqiqlikli Orbitrap qətnaməli kütlə spektrometrindən istifadə edilərək əldə edilmişdir. Bütün nümunələr asetonitril həlledici kimi istifadə edilərək hazırlanmışdır.
TLC analizi alüminium əsaslı silisium lövhələr üzərində aparılmışdır. Plitələr UB işığı (254 nm) və ya vanilin boyama və qızdırma ilə vizuallaşdırılmışdır.
Bütün nümunələr avtomatik nümunə götürən, sütunlu soba ikili nasosu və tək dalğa uzunluğu detektoru ilə təchiz olunmuş VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, Böyük Britaniya) sistemi istifadə edilərək təhlil edilmişdir. İstifadə olunan sütun ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4.6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Şotlandiya) idi.
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, 70:30 həlledici sistemindən (ulduz rəqəmi kimi işarələnir) 1,5 ml/dəq axın sürətində istifadə edilmişdir. Sütun 40 °C-də saxlanılmışdır. Detektorun dalğa uzunluğu 254 nm-dir.
Nümunənin pik sahəsinin faizi qalıq alkinin pik sahəsindən, yalnız triazol məhsulundan hesablanmışdır və başlanğıc materialın yeridilməsi müvafiq piklərin müəyyən edilməsinə 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 məhlulunda 20 dəfə durulaşdırılmışdır.
UAM, son montajın qurulması üçün istifadə olunan metal folqa materialı üçün yapışdırma texnikası kimi ultrasəs metal qaynağından istifadə edir. Ultrasəs metal qaynağı, materialı titrədərkən yapışdırılacaq folqa təbəqəsinə/əvvəlcədən konsolidasiya olunmuş təbəqəyə təzyiq göstərmək üçün titrəyən metal alətdən (buynuz və ya ultrasəs buynuzu adlanır) istifadə edir. Davamlı işləmə üçün sonotrod silindrikdir və materialın səthində yuvarlanır və bütün sahəni yapışdırır. Təzyiq və vibrasiya tətbiq edildikdə, materialın səthindəki oksidlər çatlaya bilər. Davamlı təzyiq və vibrasiya materialın əyriliklərinin çökməsinə səbəb ola bilər 36. Yerli olaraq induksiya edilmiş istilik və təzyiqlə yaxın təmas material sərhədlərində bərk hal bağlanmasına səbəb olur; həmçinin səth enerjisindəki dəyişikliklər vasitəsilə yapışmaya kömək edə bilər48. Bağlama mexanizminin təbiəti digər əlavə istehsal texnikalarında qeyd olunan dəyişkən ərimə temperaturu və yüksək temperatur effektləri ilə əlaqəli bir çox problemi aradan qaldırır. Bu, müxtəlif materialların birdən çox təbəqəsinin vahid konsolidasiya olunmuş bir quruluşa birbaşa yapışmasına (yəni, səth modifikasiyası, doldurucular və ya yapışdırıcılar olmadan) imkan verir.
UAM üçün ikinci əlverişli amil, metal materiallarda, hətta aşağı temperaturlarda, yəni metal materialların ərimə nöqtəsindən xeyli aşağıda belə müşahidə olunan yüksək dərəcədə plastik axınıdır. Ultrasəs rəqsi və təzyiqin birləşməsi, ənənəvi olaraq toplu materiallarla əlaqəli olan böyük temperatur artımı olmadan yüksək səviyyədə yerli dənə sərhəd miqrasiyasına və yenidən kristallaşmaya səbəb olur. Son montajın qurulması zamanı bu fenomendən metal folqa təbəqələri arasında təbəqə-təbəqə aktiv və passiv komponentləri yerləşdirmək üçün istifadə etmək olar. Optik liflər 49, möhkəmləndiricilər 46, elektronika 50 və termocütlər (bu iş) kimi elementlər hamısı aktiv və passiv kompozit montajlar yaratmaq üçün UAM strukturlarına uğurla yerləşdirilib.
Bu işdə, UAM-ın həm müxtəlif material rabitəsi, həm də interkalasiya imkanlarından istifadə edərək, ən son katalitik temperatur monitorinqi mikroreaktorunu yaratmışdır.
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 kimyəvi emal sənayesi üçün cəlbedici bir seçimdir (ii) Cu ilə katalizləşdirilmiş çarpaz birləşmə reaksiyalarının çeşidi artır və Pd əsaslı metodologiyaları bir qədər tamamlayır51,52,53 (iii) Cu ilə katalizləşdirilmiş reaksiyalar digər ligandlar olmadığı təqdirdə yaxşı işləyir. Bu ligandlar çox vaxt struktur baxımından sadə və istənildikdə ucuzdur, halbuki Pd kimyasında istifadə edilənlər çox vaxt mürəkkəb, bahalı və havaya həssasdır (iv) Cu, xüsusən də sintezdə alkinləri bağlamaq qabiliyyəti ilə tanınır. Məsələn, bimetal-katalizləşdirilmiş Sonogashira birləşməsi və azidlərlə sikloəlavə (klik kimyası) (v)Cu həmçinin Ullmann tipli reaksiyalarda bir neçə nukleofilin arilləşməsini təşviq edə bilir.
Bütün bu reaksiyaların heterojenləşməsinə dair nümunələr bu yaxınlarda Cu(0) iştirakı ilə nümayiş etdirilmişdir. Bu, əsasən əczaçılıq sənayesi və metal katalizatorlarının bərpası və təkrar istifadəsinə artan diqqətlə bağlıdır55,56.
1960-cı illərdə Huisgen tərəfindən57 irəli sürülən asetilen və azid arasında 1,2,3-triazola 1,3-dipolyar sikloəlavə reaksiyası sinergetik nümayiş reaksiyası hesab olunur. Nəticədə yaranan 1,2,3 triazol hissələri, bioloji tətbiqləri və müxtəlif terapevtik maddələrdə istifadəsi səbəbindən dərman kəşfi sahəsində farmakofor kimi xüsusi maraq doğurur58.
Bu reaksiya Şarpless və başqaları "klik kimyası" anlayışını təqdim etdikdə yenidən diqqət mərkəzinə düşdü59. "Klik kimyası" termini, heteroatom bağlantısı (CXC)60 vasitəsilə yeni birləşmələrin və kombinatorial kitabxanaların sürətli sintezi üçün möhkəm, etibarlı və selektiv reaksiyalar dəstini təsvir etmək üçün istifadə olunur. Bu reaksiyaların sintetik cəlbediciliyi onların əlaqəli yüksək məhsuldarlığından, reaksiya şəraitinin sadəliyindən, oksigen və suya davamlılığından və məhsulun ayrılmasının sadəliyindən qaynaqlanır61.
Klassik Huisgen 1,3-dipol sikloəlavəsi “klik kimyası” kateqoriyasına aid deyil. Lakin, Medal və Sharpless bu azid-alkin birləşmə hadisəsinin kataliz olunmamış 1,3-dipol sikloəlavəsi 62,63 əhəmiyyətli sürət sürətlənməsi ilə müqayisədə Cu(I) iştirakı ilə 107-dən 108-ə qədər reaksiyaya girdiyini nümayiş etdirdilər. Bu təkmilləşdirilmiş reaksiya mexanizmi qoruma qruplarını və ya sərt reaksiya şərtlərini tələb etmir və zaman şkalasında 1,4-əvəzsizləşdirilmiş 1,2,3-triazollara (anti-1,2,3-triazol) demək olar ki, tam çevrilmə və selektivlik verir (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 azolların stereoizomerlərinin 1:1 qarışığı olan 1,4- və 1,5-triazollar verir.
Əksər protokollar CuSO4 və ya Cu(II)/Cu(0) növlərinin natrium duzları ilə birgə birləşməsi kimi sabit Cu(II) mənbələrinin reduksiyasını əhatə edir. Digər metal katalizli reaksiyalarla müqayisədə Cu(I)-nin istifadəsi ucuz və asan idarə olunma kimi əsas üstünlüklərə malikdir.
Worrell və digərləri tərəfindən aparılan kinetik və izotop etiketləmə tədqiqatları göstərdi ki, terminal alkinləri halında, hər molekulun azidə qarşı reaktivliyini aktivləşdirməkdə iki ekvivalent mis iştirak edir. Təklif olunan mexanizm azidin σ-bağlı mis asetilidə π-bağlı mislə sabit donor ligand kimi koordinasiyası nəticəsində əmələ gələn altı üzvlü mis metal halqasından keçir. Triazolil mis törəmələri halqa büzülməsi, ardınca proton parçalanması və triazol məhsulları təmin etmək və katalitik dövrü bağlamaqla əmələ gəlir.
Axın kimyası cihazlarının faydaları yaxşı sənədləşdirilsə də, analitik alətləri bu sistemlərə xətt daxilində, yerində, proses monitorinqi üçün inteqrasiya etmək istəyi yaranmışdır66,67. UAM, birbaşa daxil edilmiş sensor elementləri olan katalitik cəhətdən aktiv, istilik keçirici materiallardan hazırlanmış yüksək mürəkkəb 3D axın reaktorlarının dizaynı və istehsalı üçün uyğun bir metod olduğunu sübut etdi (Şəkil 4).
Mürəkkəb daxili kanal quruluşuna, daxili termoelementlərə və katalitik reaksiya kamerasına malik ultrasəs qatqı istehsalı (UAM) yolu ilə hazırlanmış 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 yuxarı təhlükəsiz şəkildə qızdırılmalıdır; onlar təzyiq və temperaturla sınaqdan keçirilir. Təzyiq sınağı göstərdi ki, sistem artan sistem təzyiqi (1,7 MPa) ilə belə sabit və sabit təzyiq saxlayır. Hidrostatik sınaq otaq temperaturunda maye kimi H2O istifadə edilərək aparılmışdır.
Daxili (Şəkil 1) termocütün temperatur məlumatları qeyd cihazına qoşulması göstərdi ki, termocüt FlowSyn sistemində proqramlaşdırılmış temperaturdan 6 °C (± 1 °C) daha aşağıdır. Tipik olaraq, temperaturun 10 °C artması reaksiya sürətinin ikiqat artmasına səbəb olur, 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 reaktor gövdəsi boyunca temperatur itkisi ilə əlaqədardır. Bu istilik sürüşməsi ardıcıldır və buna görə də reaksiya zamanı dəqiq temperaturların əldə edilməsini və ölçülməsini təmin etmək üçün avadanlıqların quraşdırılmasında nəzərə alına bilər. Buna görə də, bu onlayn monitorinq aləti reaksiya temperaturunun sərt nəzarətini asanlaşdırır və daha dəqiq proses optimallaşdırılmasını və optimal şəraitin hazırlanmasını asanlaşdırır. Bu sensorlar həmçinin reaksiya ekzotermlərini müəyyən etmək və genişmiqyaslı sistemlərdə qaçaq reaksiyaların qarşısını almaq üçün də istifadə edilə bilər.
Bu işdə 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 bağlı bildirilən problemlərin aradan qaldırılması (ii) selektiv lazer əritməsi (SLM) kimi toz yatağı əriməsi (PBF) texnikaları ilə müqayisədə daxili kanal qətnaməsinin yaxşılaşdırılması25,69 Zəif material axını və kobud səth teksturası26 (iii) Sensorların birbaşa bağlanmasını asanlaşdıran azalmış emal temperaturu, toz yatağı texnologiyasında mümkün deyil, (v) polimer əsaslı komponent komponentlərinin zəif mexaniki xüsusiyyətlərini və müxtəlif ümumi üzvi həlledicilərə həssaslığını aradan qaldırır17,19.
Reaktorun funksionallığı davamlı axın şəraitində bir sıra mis-katalizləşdirilmiş alkin azid sikloəlavə reaksiyaları ilə nümayiş etdirilmişdir (Şəkil 2). Şəkil 4-də ətraflı təsvir edilən ultrasəs çaplı mis reaktoru kommersiya axın sistemi ilə inteqrasiya edilmiş və asetilen və alkil qrupu halidlərinin natrium xlorid iştirakı ilə temperaturla idarə olunan reaksiyası vasitəsilə müxtəlif 1,4-əvəzsizləşdirilmiş 1,2,3-triazolların kitabxana azidlərini 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 narahatlıqlarını azaldır [317], [318]. Əvvəlcə reaksiya fenilasetilen və yodoetanın sikloəlavə edilməsi üçün optimallaşdırılmışdır (Sxem 1 – Fenilasetilen və yodoetanın sikloəlavə edilməsi) (Şəkil 5-ə baxın).
(Yuxarı solda) Optimallaşdırma və optimallaşdırılmış parametrlərin reaksiya çevrilmə sürətini göstərmək üçün fenilasetilen və yodoetan arasında Huisgen sikloəlavə 57 sxeminin optimallaşdırılmış (aşağı) sxemində əldə edilmiş 3DP reaktorunu axın sisteminə (yuxarı sağda) daxil etmək üçün istifadə edilən qurğunun sxemi.
Reaktorun katalitik hissəsində reagentlərin qalma müddətini idarə etməklə və birbaşa inteqrasiya olunmuş termocüt zondla reaksiya temperaturunu yaxından izləməklə reaksiya şərtləri minimal vaxt və material sərfiyyatı ilə tez və dəqiq şəkildə optimallaşdırıla bilər. Tez bir zamanda müəyyən edildi ki, ən yüksək çevrilmələr 15 dəqiqə qalma müddəti və 150 ​​°C reaksiya temperaturu istifadə edildikdə əldə edilir. MODDE proqram təminatının əmsal qrafikindən həm qalma müddəti, həm də reaksiya temperaturunun vacib model terminləri hesab edildiyi görünür. Bu seçilmiş terminlərdən istifadə edərək daxili optimallaşdırıcının işə salınması, 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 54% model proqnozuna yaxından uyğun gəldi.
Mis(I) oksidinin (Cu2O) bu reaksiyalarda sıfır valentli mis səthlərində effektiv katalitik növ kimi çıxış edə biləcəyini göstərən ədəbiyyata əsasən, axın içində reaksiyanı aparmazdan əvvəl reaktor səthini əvvəlcədən oksidləşdirmək qabiliyyəti araşdırılmışdır70,71. Daha sonra fenilasetilen və yodoetan arasındakı reaksiya optimal şəraitdə yenidən aparılmış və məhsuldarlıq müqayisə edilmişdir. Bu hazırlığın başlanğıc materialın çevrilməsində əhəmiyyətli bir artımla nəticələndiyi və bunun >99% olduğu müşahidə edilmişdir. Lakin, HPLC ilə monitorinq göstərdi ki, bu çevrilmə həddindən artıq uzanan reaksiya müddətini təxminən 90 dəqiqəyə qədər əhəmiyyətli dərəcədə azaltmış və bundan sonra aktivlik bərabərləşmiş və "sabit vəziyyətə" çatmış kimi görünürdü. Bu müşahidə katalitik aktivliyin mənbəyinin sıfır valentli mis substratından deyil, səth mis oksidindən əldə edildiyini göstərir. Cu metalı otaq temperaturunda asanlıqla oksidləşərək özünü qoruyan təbəqə olmayan CuO və Cu2O əmələ gətirir. Bu, birgə tərkib üçün köməkçi mis(II) mənbəyi əlavə etmək ehtiyacını aradan qaldırır71.