Дзякуй за наведванне Nature.com.Версія браўзера, якую вы выкарыстоўваеце, мае абмежаваную падтрымку CSS.Для найлепшага вопыту мы рэкамендуем вам выкарыстоўваць абноўлены браўзер (або адключыць рэжым сумяшчальнасці ў Internet Explorer).Тым часам, каб забяспечыць бесперапынную падтрымку, мы будзем візуалізаваць сайт без стыляў і JavaScript.
Карусель, якая паказвае адначасова тры слайды.Выкарыстоўвайце кнопкі «Папярэдні» і «Наступны», каб перамяшчацца па трох слайдах адначасова, або выкарыстоўвайце кнопкі паўзунка ў канцы, каб перамяшчацца па трох слайдах адначасова.
Адытыўная вытворчасць змяняе тое, як даследчыкі і прамыслоўцы распрацоўваюць і вырабляюць хімічныя прылады для задавальнення сваіх канкрэтных патрэб.У гэтым артыкуле мы паведамляем пра першы прыклад праточнага рэактара, сфармаванага ультрагукавым адытыўным вытворчасцю (UAM) ламінаваннем цвёрдага металічнага ліста з непасрэдна ўбудаванымі каталітычнымі часткамі і адчувальнымі элементамі.Тэхналогія UAM не толькі пераадольвае многія абмежаванні, якія ў цяперашні час звязаны з адытыўнай вытворчасцю хімічных рэактараў, але і значна пашырае магчымасці такіх прылад.Шэраг біялагічна важных 1,4-дызамешчаных злучэнняў 1,2,3-трыязолу былі паспяхова сінтэзаваны і аптымізаваны з дапамогай Cu-апасродкаванай 1,3-дыпалярнай рэакцыі цыкладалучэння Гюйсгена з выкарыстаннем хімічнай ўстаноўкі UAM.Выкарыстоўваючы унікальныя ўласцівасці UAM і апрацоўку бесперапыннага патоку, прылада здольна каталізаваць бягучыя рэакцыі, а таксама забяспечваць зваротную сувязь у рэжыме рэальнага часу для кантролю і аптымізацыі рэакцый.
Дзякуючы сваім значным перавагам перад масавым аналагам, паточная хімія з'яўляецца важнай і растучай сферай як у акадэмічных, так і ў прамысловых умовах дзякуючы сваёй здольнасці павышаць селектыўнасць і эфектыўнасць хімічнага сінтэзу.Гэта распаўсюджваецца ад утварэння простых арганічных малекул1 да фармацэўтычных злучэнняў2,3 і натуральных прадуктаў4,5,6.Больш за 50% рэакцый у тонкай хімічнай і фармацэўтычнай прамысловасці могуць выйграць ад бесперапыннага патоку7.
У апошнія гады назіраецца тэндэнцыя росту груп, якія імкнуцца замяніць традыцыйны шкляны посуд або абсталяванне для праточнай хіміі адаптаванымі хімічнымі «рэактарамі»8.Ітэрацыйны дызайн, хуткая вытворчасць і трохмерныя (3D) магчымасці гэтых метадаў карысныя для тых, хто хоча наладзіць свае прылады для пэўнага набору рэакцый, прылад або ўмоў.На сённяшні дзень гэтая праца была засяроджана амаль выключна на выкарыстанні такіх метадаў 3D-друку на палімернай аснове, як стэрэалітаграфія (SL)9,10,11, мадэляванне плаўленага нанясення (FDM)8,12,13,14 і струменевы друк7,15., 16. Адсутнасць надзейнасці і здольнасці такіх прылад выконваць шырокі спектр хімічных рэакцый/аналізаў 17, 18, 19, 20 з'яўляецца асноўным фактарам, які абмяжоўвае больш шырокае прымяненне АМ у гэтай галіне 17, 18, 19, 20.
З-за ўсё больш шырокага выкарыстання хіміі патоку і спрыяльных уласцівасцей, звязаных з АМ, неабходна вывучыць лепшыя метады, якія дазволяць карыстальнікам вырабляць сасуды для рэакцыі патоку з палепшанымі хімічнымі і аналітычнымі магчымасцямі.Гэтыя метады павінны дазваляць карыстальнікам выбіраць з шэрагу высокатрывалых або функцыянальных матэрыялаў, здольных працаваць у шырокім дыяпазоне ўмоў рэакцыі, а таксама спрыяць розным формам аналітычнага вываду з прылады для маніторынгу і кантролю рэакцыі.
Адным з працэсаў адытыўнай вытворчасці, які можна выкарыстоўваць для распрацоўкі хімічных рэактараў на заказ, з'яўляецца ультрагукавая адытыўная вытворчасць (UAM).Гэты метад ламінавання цвёрдага ліста прымяняе ультрагукавыя ваганні да тонкай металічнай фольгі, каб злучыць іх пласт за пластом з мінімальным аб'ёмным нагрэвам і высокай ступенню пластычнай цякучасці 21, 22, 23. У адрозненне ад большасці іншых тэхналогій AM, UAM можа быць непасрэдна інтэграваны з субтрактивной вытворчасцю, вядомай як гібрыдны вытворчы працэс, у якім перыядычнае фрэзераванне на месцы з лікавым кіраваннем (ЧПУ) або лазерная апрацоўка вызначае рэзультатную форму пласта звязвання. ed material 24, 25. Гэта азначае, што карыстальнік не абмяжоўваецца праблемамі, звязанымі з выдаленнем рэшткаў арыгінальнага будаўнічага матэрыялу з невялікіх вадкасных каналаў, што часта бывае ў парашковых і вадкасных сістэмах AM26,27,28.Гэтая свабода дызайну таксама распаўсюджваецца на выбар даступных матэрыялаў - UAM можа злучаць камбінацыі тэрмічнаму падобных і непадобных матэрыялаў за адзін этап працэсу.Выбар камбінацый матэрыялаў па-за працэсам плаўлення азначае, што механічныя і хімічныя патрабаванні канкрэтных прыкладанняў могуць быць лепш выкананы.У дадатак да склейвання цвёрдага рэчыва, яшчэ адна з'ява, якая ўзнікае пры ультрагукавым склейванні, - гэта высокая цякучасць пластыкавых матэрыялаў пры адносна нізкіх тэмпературах29,30,31,32,33.Гэтая унікальная асаблівасць UAM дазваляе размяшчаць механічныя/тэрмічныя элементы паміж пластамі металу без пашкоджанняў.Убудаваныя датчыкі UAM могуць садзейнічаць дастаўцы інфармацыі ў рэжыме рэальнага часу ад прылады да карыстальніка з дапамогай інтэграванай аналітыкі.
Папярэдняя праца аўтараў32 прадэманстравала здольнасць працэсу UAM ствараць металічныя трохмерныя мікрафлюідныя структуры з убудаванымі сэнсарнымі магчымасцямі.Гэта прылада прызначана толькі для кантролю.У гэтым артыкуле прадстаўлены першы прыклад мікрафлюіднага хімічнага рэактара вытворчасці UAM, актыўнага прылады, якое не толькі кантралюе, але і выклікае хімічны сінтэз са структурна інтэграванымі каталітычнымі матэрыяламі.Прылада спалучае ў сабе некалькі пераваг, звязаных з тэхналогіяй UAM пры вытворчасці 3D-хімічных прылад, такіх як: магчымасць пераўтварэння поўнага 3D-дызайна непасрэдна з мадэлі аўтаматызаванага праектавання (CAD) у прадукт;выраб з некалькіх матэрыялаў для спалучэння высокай цеплаправоднасці і каталітычных матэрыялаў, а таксама цеплавых датчыкаў, убудаваных непасрэдна паміж патокамі рэагентаў для дакладнага кантролю і кіравання тэмпературай рэакцыі.Каб прадэманстраваць функцыянальнасць рэактара, бібліятэка фармацэўтычна важных 1,4-дызамешчаных злучэнняў 1,2,3-трыазолу была сінтэзавана метадам 1,3-дыпалярнага 1,3-дыпалярнага цыкладалучэння Гюісгена, які каталізуецца меддзю.Гэтая праца падкрэслівае, як выкарыстанне матэрыялазнаўства і аўтаматызаванага праектавання можа адкрыць новыя магчымасці і магчымасці для хіміі праз міждысцыплінарныя даследаванні.
Усе растваральнікі і рэагенты былі набыты ў Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI або Fischer Scientific і выкарыстоўваліся без папярэдняй ачысткі.Спектры ЯМР 1Н і 13С, запісаныя пры 400 і 100 МГц адпаведна, былі атрыманы на спектрометры JEOL ECS-400 400 МГц або спектрометры Bruker Avance II 400 МГц з CDCl3 або (CD3)2SO у якасці растваральніка.Усе рэакцыі праводзіліся з выкарыстаннем хімічнай платформы Uniqsis FlowSyn.
UAM быў выкарыстаны для вырабу ўсіх прылад у гэтым даследаванні.Тэхналогія была вынайдзена ў 1999 годзе, і яе тэхнічныя дэталі, працоўныя параметры і развіццё з моманту яе вынаходкі можна вывучыць з дапамогай наступных апублікаваных матэрыялаў34,35,36,37.Прылада (мал. 1) было рэалізавана з выкарыстаннем звышмоцнай сістэмы SonicLayer 4000® UAM магутнасцю 9 кВт (Fabrisonic, штат Агаё, ЗША).Для праточнай прылады выбраны матэрыялы Cu-110 і Al 6061. Cu-110 мае высокае ўтрыманне медзі (мінімум 99,9 % медзі), што робіць яго добрым кандыдатам для рэакцый, якія каталізуюцца меддзю, і таму выкарыстоўваецца ў якасці «актыўнага пласта ўнутры мікрарэактара».У якасці «аб'ёмнага» матэрыялу выкарыстоўваецца Al 6061 O., а таксама інтэркаляцыйны пласт, які выкарыстоўваецца для аналізу;інтэркаляцыя кампанентаў дапаможнага сплаву і отожженный стан у спалучэнні з пластом Cu-110.прызнана хімічна стабільным з рэагентамі, якія выкарыстоўваюцца ў гэтай працы.Al 6061 O у спалучэнні з Cu-110 таксама лічыцца сумяшчальнай камбінацыяй матэрыялаў для UAM і таму з'яўляецца прыдатным матэрыялам для гэтага даследавання38,42.Гэтыя прылады пералічаны ў табліцы 1 ніжэй.
Этапы вырабу рэактара (1) Падкладка з алюмініевага сплаву 6061 (2) Выраб ніжняга канала з меднай фальгі (3) Устаўка тэрмапар паміж пластамі (4) Верхні канал (5) Уваход і выхад (6) Маналітны рэактар.
Філасофія дызайну канала вадкасці заключаецца ў выкарыстанні звілістых шляхоў для павелічэння адлегласці, якую праходзіць вадкасць унутры чыпа, пры захаванні кіраванага памеру чыпа.Гэта павелічэнне адлегласці пажадана для павелічэння часу кантакту каталізатара і рэагента і забеспячэння выдатных выхадаў прадукту.Чыпы выкарыстоўваюць выгібы на 90° на канцах прамога шляху, каб выклікаць турбулентнае змешванне ўнутры прылады44 і павялічыць час кантакту вадкасці з паверхняй (каталізатарам).Для далейшага паляпшэння змешвання, якога можна дасягнуць, канструкцыя рэактара ўключае ў сябе два ўваходныя адтуліны для рэагентаў, аб'яднаныя ў Y-злучэнне перад уваходам у секцыю змеявіка.Трэці ўваход, які перасякае паток на паўдарогі праз рэзідэнцыю, уключаны ў план будучых рэакцый шматступеннага сінтэзу.
Усе каналы маюць квадратны профіль (без кутоў звужэння), які з'яўляецца вынікам перыядычнага фрэзеравання з ЧПУ для стварэння геаметрыі канала.Памеры канала выбраны так, каб забяспечыць высокі (для мікрарэактара) аб'ёмны выхад, але досыць малы, каб палегчыць узаемадзеянне з паверхняй (каталізатарамі) для большасці вадкасцей, якія ўтрымліваюцца ў ім.Адпаведны памер заснаваны на мінулым вопыце аўтараў з рэакцыйнымі прыладамі метал-вадкасць.Унутраныя памеры канчатковага канала былі 750 мкм х 750 мкм, а агульны аб'ём рэактара - 1 мл.У канструкцыю ўключаны ўбудаваны раз'ём (разьба 1/4″-28 UNF), які забяспечвае лёгкае ўзаемадзеянне прылады з камерцыйным абсталяваннем для праточнай хіміі.Памер канала абмежаваны таўшчынёй матэрыялу фальгі, яго механічнымі ўласцівасцямі і параметрамі злучэння, якія выкарыстоўваюцца з ультрагукам.Пры пэўнай для дадзенага матэрыялу шырыні матэрыял «прасядае» ў створаны канал.У цяперашні час няма канкрэтнай мадэлі для гэтага разліку, таму максімальная шырыня канала для дадзенага матэрыялу і канструкцыі вызначаецца эксперыментальна, і ў гэтым выпадку шырыня 750 мкм не прывядзе да правісання.
Форма (квадрат) швелера вызначаецца з дапамогай кутніка.Форма і памер каналаў могуць быць зменены на станках з ЧПУ з дапамогай розных рэжучых інструментаў для атрымання розных хуткасцяў патоку і характарыстык.Прыклад стварэння выгнутага канала з дапамогай інструмента 125 мкм можна знайсці ў Monaghan45.Калі пласт фальгі нанесены роўна, нанясенне матэрыялу фальгі на каналы будзе мець роўную (квадратную) паверхню.У гэтай працы для захавання сіметрыі канала выкарыстоўваўся квадратны контур.
Падчас запраграмаванай паўзы ў вытворчасці датчыкі тэмпературы тэрмапары (тып К) убудоўваюцца непасрэдна ў прыбор паміж верхняй і ніжняй групамі каналаў (мал. 1 - ступень 3).Гэтыя тэрмапары могуць кантраляваць змены тэмпературы ад -200 да 1350 °C.
Працэс нанясення металу ажыццяўляецца ражком UAM з выкарыстаннем металічнай фальгі шырынёй 25,4 мм і таўшчынёй 150 мікрон.Гэтыя пласты фальгі злучаюцца ў шэраг суседніх палос, каб пакрыць усю плошчу зборкі;памер нанесенага матэрыялу больш, чым канчатковы прадукт, паколькі працэс аднімання стварае канчатковую чыстую форму.Апрацоўка з ЧПУ выкарыстоўваецца для апрацоўкі знешніх і ўнутраных контураў абсталявання, у выніку чаго аздабленне паверхні абсталявання і каналаў адпавядае абранаму інструменту і параметрам працэсу з ЧПУ (у гэтым прыкладзе каля 1,6 мкм Ra).Бесперапыннае, бесперапыннае ультрагукавое распыленне матэрыялу і цыклы механічнай апрацоўкі выкарыстоўваюцца на працягу ўсяго вытворчага працэсу прылады, каб гарантаваць захаванне дакладнасці памераў і адпаведнасць гатовай дэталі ўзроўню дакладнасці фрэзеравання з ЧПУ.Шырыня канала, які выкарыстоўваецца для гэтай прылады, дастаткова малая, каб гарантаваць, што матэрыял з фальгі не «правісае» ў канале вадкасці, таму канал мае квадратнае папярочнае сячэнне.Магчымыя прабелы ў матэрыяле фальгі і параметры працэсу UAM былі вызначаны эксперыментальна партнёрам-вытворцам (Fabrisonic LLC, ЗША).
Даследаванні паказалі, што на мяжы падзелу 46, 47 злучэння UAM адбываецца невялікая дыфузія элементаў без дадатковай тэрмічнай апрацоўкі, таму для прылад у гэтай працы пласт Cu-110 застаецца адрозным ад пласта Al 6061 і рэзка змяняецца.
Усталюйце папярэдне адкалібраваны рэгулятар супрацьціску (BPR) пры 250 psi (1724 кПа) пасля рэактара і прапампоўвайце ваду праз рэактар ​​з хуткасцю ад 0,1 да 1 мл мін-1.Ціск у рэактары кантраляваўся з дапамогай датчыка ціску FlowSyn, убудаванага ў сістэму, каб гарантаваць, што сістэма можа падтрымліваць пастаянны ўстойлівы ціск.Патэнцыйныя градыенты тэмпературы ў праточным рэактары былі правераны шляхам пошуку любых адрозненняў паміж тэрмапарамі, убудаванымі ў рэактар, і тэрмапарамі, убудаванымі ў награвальную пласціну чыпа FlowSyn.Гэта дасягаецца змяненнем запраграмаванай тэмпературы канфоркі паміж 100 і 150 °C з крокам 25 °C і кантролем любых адрозненняў паміж запраграмаванай і запісанай тэмпературамі.Гэта было дасягнута з дапамогай рэгістратара дадзеных tc-08 (PicoTech, Кембрыдж, Вялікабрытанія) і спадарожнага праграмнага забеспячэння PicoLog.
Аптымізаваны ўмовы рэакцыі цыкладалучэння фенілацэтылену і ёдэтану (Схема 1-Цыкладалучэнне фенілацэтылену і ёдэтану, Схема 1-Цыкладалучэнне фенілацэтылену і ёдэтану).Гэтая аптымізацыя была праведзена з выкарыстаннем падыходу поўнага фактарнага плана эксперыментаў (DOE), з выкарыстаннем тэмпературы і часу знаходжання ў якасці зменных пры фіксацыі суадносін алкін:азід на ўзроўні 1:2.
Рыхтавалі асобныя растворы азіду натрыю (0,25 М, 4:1 ДМФА:Н2О), ёдэтану (0,25 М, ДМФА) і фенілацэтылену (0,125 М, ДМФА).Аліквоту па 1,5 мл кожнага раствора змешвалі і прапампоўвалі праз рэактар ​​пры патрэбнай хуткасці патоку і тэмпературы.Адказ мадэлі прымаўся як стаўленне плошчы піка прадукту трыазолу да зыходнага матэрыялу фенілацэтылену і вызначаўся з дапамогай высокаэфектыўнай вадкаснай храматаграфіі (ВЭЖХ).Для ўзгодненасці аналізу ўсе рэакцыі былі зроблены адразу пасля выхаду рэакцыйнай сумесі з рэактара.Дыяпазоны параметраў, выбраныя для аптымізацыі, паказаны ў табліцы 2.
Усе ўзоры былі прааналізаваны з дапамогай сістэмы ВЭЖХ Chromaster (VWR, Пенсільванія, ЗША), якая складаецца з чацвярцічнай помпы, печы-калонкі, УФ-дэтэктара з пераменнай даўжынёй хвалі і аўтасамплера.Калонка ўяўляла сабой Equivalence 5 C18 (VWR, Пенсільванія, ЗША), 4,6 х 100 мм, памер часціц 5 мкм, якая падтрымліваецца пры 40°C.Растваральнікам быў изократический метанол:вада 50:50 пры хуткасці патоку 1,5 мл·мін-1.Аб'ём ін'екцыі быў 5 мкл, а даўжыня хвалі дэтэктара - 254 нм.Плошча піку ў % для ўзору DOE была разлічана з плошчаў пікаў толькі рэшткавых прадуктаў алкина і трыазолу.Увядзенне зыходнага матэрыялу дазваляе ідэнтыфікаваць адпаведныя пікі.
Аб'яднанне вынікаў аналізу рэактара з праграмным забеспячэннем MODDE DOE (Umetrics, Мальмё, Швецыя) дазволіла правесці дбайны аналіз тэндэнцый вынікаў і вызначыць аптымальныя ўмовы рэакцыі для гэтага цыкладалучэння.Запуск убудаванага аптымізатара і выбар усіх важных умоў мадэлі стварае набор умоў рэакцыі, прызначаных для максімальнага павелічэння плошчы піка прадукту пры адначасовым памяншэнні плошчы піка для ацэтыленавай сыравіны.
Акісленне паверхні медзі ў каталітычнай рэакцыйнай камеры было дасягнута з дапамогай раствора перакісу вадароду (36%), які працякае праз рэакцыйную камеру (хуткасць патоку = 0,4 мл мін-1, час знаходжання = 2,5 мін) перад сінтэзам кожнага злучэння трыазолу.бібліятэка.
Пасля таго, як быў вызначаны аптымальны набор умоў, яны былі ўжытыя да шэрагу вытворных ацэтылену і галаалканаў, каб скласці невялікую бібліятэку сінтэзу, усталяваўшы тым самым магчымасць прымянення гэтых умоў да больш шырокага спектру патэнцыйных рэагентаў (мал. 1).2).
Прыгатуйце асобныя растворы азіду натрыю (0,25 М, 4:1 ДМФА:H2O), галогеналканов (0,25 М, ДМФА) і алкинов (0,125 М, ДМФА).Аліквоты па 3 мл кожнага раствора змешвалі і прапампоўвалі праз рэактар ​​з хуткасцю 75 мкл/мін і тэмпературай 150°C.Увесь аб'ём збіраюць у флакон і разводзяць 10 мл этилацетата.Раствор пробы прамывалі 3 х 10 мл вады.Водныя пласты аб'ядноўвалі і экстрагавалі 10 мл этилацетата, затым арганічныя пласты аб'ядноўвалі, прамывалі расолам 3×10 мл, сушылі над MgSO 4 і фільтравалі, затым растваральнік выдалялі ў вакууме.Узоры ачышчалі храматаграфіяй на калонцы з сілікагелем з выкарыстаннем этылацэтату перад аналізам камбінацыяй ВЭЖХ, 1Н ЯМР, 13С ЯМР і мас-спектраметрыі высокага раздзялення (HR-MS).
Усе спектры былі атрыманы з выкарыстаннем мас-спектрометра Thermofischer Precision Orbitrap з ESI у якасці крыніцы іянізацыі.Усе ўзоры былі падрыхтаваны з выкарыстаннем ацэтанітрылу ў якасці растваральніка.
Аналіз ТСХ праводзілі на пласцінах з дыяксіду крэмнія з алюмініевай падкладкай.Пласціны візуалізавалі УФ-святлом (254 нм) або афарбоўвалі і награвалі ванілінам.
Усе ўзоры былі прааналізаваны з дапамогай сістэмы VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, Вялікабрытанія), абсталяванай аўтасамплерам, бінарнай помпай з печчу-калонкай і дэтэктарам адной даўжыні хвалі.Выкарыстоўвалася калонка ACE Equivalence 5 C18 (150 х 4,6 мм, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Абердзін, Шатландыя).
Ін'екцыі (5 мкл) рабілі непасрэдна з разведзенай сырой рэакцыйнай сумесі (развядзенне 1:10) і аналізавалі вадой:метанолам (50:50 або 70:30), за выключэннем некаторых узораў з выкарыстаннем сістэмы растваральнікаў 70:30 (пазначанай як нумар зоркі) пры хуткасці патоку 1,5 мл/мін.Калонку вытрымлівалі пры 40°C.Даўжыня хвалі дэтэктара складае 254 нм.
Плошча піка ўзору ў % была разлічана з плошчы піка рэшткавага алкина, толькі прадукту трыазолу, а ўвядзенне зыходнага матэрыялу дазволіла ідэнтыфікаваць адпаведныя пікі.
Усе ўзоры былі прааналізаваны з дапамогай Thermo iCAP 6000 ICP-OES.Усе стандарты для каліброўкі былі падрыхтаваны з выкарыстаннем стандартнага раствора Cu з 1000 праміле ў 2% азотнай кіслаце (SPEX Certi Prep).Усе стандарты былі падрыхтаваны ў растворы 5% DMF і 2% HNO3, і ўсе ўзоры былі разведзеныя ў 20 разоў растворам DMF-HNO3.
UAM выкарыстоўвае ультрагукавую зварку металу ў якасці метаду злучэння металічнай фальгі, якая выкарыстоўваецца для стварэння канчатковай зборкі.Ультрагукавая зварка металу выкарыстоўвае вібрацыйны металічны інструмент (званы ражком або ультрагукавым ражком) для аказання ціску на фальгу/раней кансалідаваны пласт, які трэба злучыць/раней кансалідаваць шляхам вібрацыі матэрыялу.Для працяглай працы сонотрода мае цыліндрычную форму і катаецца па паверхні матэрыялу, склейваючы ўсю плошчу.Пры ціску і вібрацыі аксіды на паверхні матэрыялу могуць трэснуць.Пастаянны ціск і вібрацыя могуць прывесці да разбурэння шурпатасцяў матэрыялу 36 .Затым цесны кантакт з лакалізаваным цяплом і ціскам прыводзіць да цвёрдафазнай сувязі на падзеле матэрыялу;ён таксама можа спрыяць згуртаванасці шляхам змены павярхоўнай энергіі48.Прырода механізму злучэння пераадольвае многія праблемы, звязаныя са зменлівай тэмпературай расплаву і эфектамі высокай тэмпературы, якія згадваюцца ў іншых тэхналогіях адытыўнай вытворчасці.Гэта дазваляе прамое злучэнне (г.зн. без мадыфікацыі паверхні, напаўняльнікаў або клеяў) некалькіх слаёў розных матэрыялаў у адзіную кансалідаваную структуру.
Другім спрыяльным фактарам для CAM з'яўляецца высокая ступень пластычнай цякучасці, якая назіраецца ў металічных матэрыялаў нават пры нізкіх тэмпературах, гэта значыць значна ніжэй за тэмпературу плаўлення металічных матэрыялаў.Спалучэнне ультрагукавых ваганняў і ціску выклікае высокі ўзровень мясцовай міграцыі межаў збожжа і рэкрышталізацыі без значнага павышэння тэмпературы, традыцыйна звязанага з сыпкімі матэрыяламі.Падчас стварэння канчатковай зборкі гэта з'ява можа быць выкарыстана для ўбудавання актыўных і пасіўных кампанентаў паміж пластамі металічнай фальгі, пласт за пластом.Такія элементы, як аптычнае валакно 49, арматура 46, электроніка 50 і тэрмапары (гэта праца), былі паспяхова інтэграваны ў структуры UAM для стварэння актыўных і пасіўных кампазітных вузлоў.
У гэтай працы для стварэння ідэальнага мікрарэактара для каталітычнага кантролю тэмпературы былі выкарыстаны як розныя магчымасці звязвання матэрыялаў, так і магчымасці інтэркаляцыі UAM.
У параўнанні з паладыем (Pd) і іншымі шырока выкарыстоўванымі металічнымі каталізатарамі медны каталіз мае некалькі пераваг: (i) з эканамічнага пункту гледжання Cu танней, чым многія іншыя металы, якія выкарыстоўваюцца ў каталізе, і таму з'яўляецца прывабным варыянтам для хімічнай прамысловасці (ii) дыяпазон рэакцый перакрыжаванага спалучэння, каталізаваных Cu, пашыраецца і, здаецца, у некаторай ступені дапаўняе метадалогіі, заснаваныя на Pd51, 52, 53 ( iii) Рэакцыі, якія каталізуюцца Cu, добра працуюць у адсутнасць іншых лігандаў.Гэтыя ліганды часта структурна простыя і недарагія.пры жаданні, у той час як тыя, якія выкарыстоўваюцца ў хіміі Pd, часта складаныя, дарагія і адчувальныя да паветра (iv) Cu, асабліва вядомая сваёй здольнасцю звязваць алкіны ў сінтэзе, напрыклад, біметалічнае каталізаванае спалучэнне Сонагашыры і цыкладалучэнне з азідамі (хімія клікаў) (v) Cu можа таксама спрыяць арыляванню некаторых нуклеафілаў у рэакцыях тыпу Ульмана.
Нядаўна былі прадэманстраваны прыклады гетэрагенізацыі ўсіх гэтых рэакцый у прысутнасці Cu(0).Шмат у чым гэта звязана з фармацэўтычнай прамысловасцю і ўсё большай увагай да аднаўлення і паўторнага выкарыстання металічных каталізатараў55,56.
Рэакцыя 1,3-дыпалярнага цыкладалучэння паміж ацэтыленам і азідам да 1,2,3-трыазолу, упершыню прапанаваная Хюйсгенам у 1960-х гадах57, лічыцца сінэргетычнай дэманстрацыйнай рэакцыяй.Атрыманыя фрагменты 1,2,3 трыазолу ўяўляюць асаблівую цікавасць як фармакафор пры адкрыцці лекаў з-за іх біялагічнага прымянення і выкарыстання ў розных тэрапеўтычных агентах 58.
Гэтая рэакцыя зноў прыцягнула ўвагу, калі Шарплес і іншыя прадставілі канцэпцыю «хіміі клікаў»59.Тэрмін «клікавая хімія» выкарыстоўваецца для апісання надзейнага і селектыўнага набору рэакцый для хуткага сінтэзу новых злучэнняў і камбінаторных бібліятэк з выкарыстаннем гетэраатамнай сувязі (CXC)60.Сінтэтычная прывабнасць гэтых рэакцый звязана з высокімі выхадамі, звязанымі з імі.умовы простыя, устойлівасць да кіслароду і вады, а аддзяленне прадуктаў простае61.
Класічнае 1,3-дыпольнае цыкладалучэнне Гюісгена не ўваходзіць у катэгорыю "хіміі клікаў".Тым не менш, Медаль і Шарплес прадэманстравалі, што гэта падзея азід-алкінавага спалучэння падвяргаецца 107–108 у прысутнасці Cu(I) у параўнанні са значным паскарэннем хуткасці некаталітычнага 1,3-дыпалярнага цыкладалучэння 62,63.Гэты ўдасканалены механізм рэакцыі не патрабуе абароны груп або жорсткіх умоў рэакцыі і забяспечвае амаль поўнае пераўтварэнне і селектыўнасць да 1,4-дызамешчаных 1,2,3-трыазолаў (анты-1,2,3-трыазолаў) з цягам часу (мал. 3).
Ізаметрычныя вынікі звычайных і каталізаваных меддзю цыкладалучэнняў Гюйсгена.Cu(I)-каталізаваныя цыкладалучэнні Гюісгена даюць толькі 1,4-дызамешчаныя 1,2,3-трыазолы, у той час як тэрмічна індукаваныя цыкладалучэнні Гюісгена звычайна даюць 1,4- і 1,5-трыазолы ў сумесі 1:1 стэрэаізамераў азолаў.
Большасць пратаколаў прадугледжвае аднаўленне стабільных крыніц Cu(II), такіх як аднаўленне CuSO4 або злучэння Cu(II)/Cu(0) у спалучэнні з солямі натрыю.У параўнанні з іншымі рэакцыямі, якія каталізуюцца металамі, выкарыстанне Cu(I) мае асноўныя перавагі: ён недарагі і просты ў звароце.
Кінетычныя і ізатопных даследаванні Worrell і соавт.65 паказалі, што ў выпадку канцавых алкінаў два эквіваленты медзі ўдзельнічаюць у актывацыі рэакцыйнай здольнасці кожнай малекулы ў адносінах да азіду.Прапанаваны механізм праходзіць праз шасцічленнае меднае металічнае кольца, утворанае каардынацыяй азіду з ацэтылідам медзі, звязаным з σ, з меддзю, звязанай з π, у якасці стабільнага донарнага ліганда.Вытворныя трыазолілу медзі ўтвараюцца ў выніку скарачэння кольцы з наступным распадам пратона з адукацыяй прадуктаў трыазолу і замыканнем каталітычнага цыклу.
Нягледзячы на ​​​​тое, што перавагі хімічных прылад патоку добра дакументаваны, было жаданне інтэграваць аналітычныя інструменты ў гэтыя сістэмы для маніторынгу працэсаў у рэжыме рэальнага часу на месцы66,67.UAM апынуўся прыдатным метадам для распрацоўкі і вытворчасці вельмі складаных трохмерных праточных рэактараў з каталітычна актыўных цеплаправодных матэрыялаў з непасрэдна ўбудаванымі адчувальнымі элементамі (мал. 4).
Алюмініева-медны праточны рэактар, выраблены метадам ультрагукавога адытыўнага вытворчасці (UAM) са складанай унутранай структурай канала, убудаванымі тэрмапарамі і каталітычнай рэакцыйнай камерай.Для візуалізацыі ўнутраных шляхоў вадкасці таксама паказаны празрысты прататып, зроблены з дапамогай стэрэалітаграфіі.
Каб пераканацца, што рэактары створаны для будучых арганічных рэакцый, растваральнікі павінны быць бяспечна нагрэты вышэй за тэмпературу кіпення;яны праходзяць выпрабаванні на ціск і тэмпературу.Выпрабаванне ціскам паказала, што сістэма падтрымлівае стабільны і пастаянны ціск нават пры павышаным ціску ў сістэме (1,7 МПа).Гідрастатычныя выпрабаванні праводзіліся пры пакаёвай тэмпературы з выкарыстаннем H2O ў якасці вадкасці.
Падключэнне ўбудаванай (малюнак 1) тэрмапары да рэгістратара тэмпературных даных паказала, што тэмпература тэрмапары была на 6 °C (± 1 °C) ніжэйшай за запраграмаваную тэмпературу ў сістэме FlowSyn.Як правіла, павышэнне тэмпературы на 10°C падвойвае хуткасць рэакцыі, таму розніца тэмператур усяго ў некалькі градусаў можа значна змяніць хуткасць рэакцыі.Гэтая розніца абумоўлена стратай тэмпературы ва ўсім RPV з-за высокай цеплаправоднасці матэрыялаў, якія выкарыстоўваюцца ў працэсе вытворчасці.Гэты цеплавы дрэйф з'яўляецца пастаянным і, такім чынам, можа быць прыняты пад увагу пры наладжванні абсталявання, каб забяспечыць дасягненне і вымярэнне дакладных тэмператур падчас рэакцыі.Такім чынам, гэты онлайн-інструмент маніторынгу палягчае жорсткі кантроль тэмпературы рэакцыі і спрыяе больш дакладнай аптымізацыі працэсу і распрацоўцы аптымальных умоў.Гэтыя датчыкі таксама можна выкарыстоўваць для выяўлення экзатэрмічных рэакцый і прадухілення рэакцый, якія ўцякаюць у буйнамаштабных сістэмах.
Рэактар, прадстаўлены ў гэтым артыкуле, з'яўляецца першым прыкладам прымянення тэхналогіі UAM для вырабу хімічных рэактараў і ліквідуе некалькі асноўных абмежаванняў, якія ў цяперашні час звязаны з AM/3D-друкам гэтых прылад, такіх як: (i) Пераадоленне адзначаных праблем, звязаных з апрацоўкай меднага або алюмініевага сплаву (ii) паляпшэнне ўнутранага дазволу канала ў параўнанні з метадамі плаўлення пласта парашка (PBF), такімі як селектыўнае лазернае плаўленне (SLM)25,69 Слабая цякучасць матэрыялу і ро тэкстура паверхні26 (iii) больш нізкая тэмпература апрацоўкі, якая палягчае прамое падключэнне датчыкаў, што немагчыма ў тэхналогіі парашковага пласта, (v) пераадоленне дрэнных механічных уласцівасцей і адчувальнасці кампанентаў на палімернай аснове да розных звычайных арганічных растваральнікаў17,19.
Функцыянальнасць рэактара была прадэманстравана серыяй каталізаваных меддзю рэакцый цыкладалучэння алкіназіду ва ўмовах бесперапыннага патоку (мал. 2).Ультрагукавой друкаваны медны рэактар, паказаны на мал.4 быў інтэграваны з камерцыйнай сістэмай патоку і выкарыстоўваўся для сінтэзу азіднай бібліятэкі розных 1,4-дызамешчаных 1,2,3-трыазолаў з выкарыстаннем рэакцыі ацэтылену і галагенідаў алкільнай групы з кантраляванай тэмпературай у прысутнасці хларыду натрыю (мал. 3).Выкарыстанне падыходу бесперапыннага патоку памяншае праблемы бяспекі, якія могуць узнікнуць у перыядычных працэсах, паколькі гэтая рэакцыя дае высокарэактыўныя і небяспечныя азідныя прамежкавыя прадукты [317], [318].Першапачаткова рэакцыя была аптымізавана для цыкладалучэння фенілацэтылену і ёдаэтану (схема 1 – Цыкладалучэнне фенілацэтылену і ёдаэтану) (гл. мал. 5).
(Уверсе злева) Схема ўстаноўкі, якая выкарыстоўваецца для ўключэння рэактара 3DP у праточную сістэму (уверсе справа), атрыманая з аптымізаванай (ніжняй) схемы цыкладалучэння Huisgen 57 паміж фенілацэтыленам і ёдаэтанам для аптымізацыі і паказу аптымізаваных параметраў каэфіцыента канверсіі рэакцыі.
Кантралюючы час знаходжання рэагентаў у каталітычнай секцыі рэактара і старанна кантралюючы тэмпературу рэакцыі з дапамогай непасрэдна ўбудаванага датчыка тэрмапары, умовы рэакцыі можна хутка і дакладна аптымізаваць з мінімальнымі выдаткамі часу і матэрыялаў.Хутка было выяўлена, што найбольшая канверсія была дасягнута з выкарыстаннем часу знаходжання 15 хвілін і тэмпературы рэакцыі 150°C.З графіка каэфіцыента праграмнага забеспячэння MODDE відаць, што і час знаходжання, і тэмпература рэакцыі лічацца важнымі ўмовамі мадэлі.Запуск убудаванага аптымізатара з выкарыстаннем гэтых выбраных умоў стварае набор умоў рэакцыі, прызначаных для максімізацыі плошчаў пікаў прадукту пры адначасовым памяншэнні плошчаў пікаў зыходнага матэрыялу.Гэтая аптымізацыя дала 53% канверсію прадукту трыазолу, што дакладна адпавядала прагнозу мадэлі ў 54%.