Дзякуй за наведванне сайта Nature.com. Версія браўзера, якой вы карыстаецеся, мае абмежаваную падтрымку CSS. Для найлепшага карыстання рэкамендуем выкарыстоўваць абноўлены браўзер (або адключыць рэжым сумяшчальнасці ў Internet Explorer). Тым часам, каб забяспечыць бесперапынную падтрымку, мы будзем адлюстроўваць сайт без стыляў і JavaScript.
Адытыўная вытворчасць змяняе спосаб, якім даследчыкі і прамыслоўцы распрацоўваюць і вырабляюць хімічныя прылады ў адпаведнасці са сваімі канкрэтнымі патрэбамі. У гэтай працы мы прадстаўляем першы прыклад праточнага рэактара, створанага метадам ламінавання цвёрдацельных металічных лістоў з дапамогай ультрагукавой адытыўнай вытворчасці (UAM) з непасрэдна інтэграванымі каталітычнымі дэталямі 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 1,2,3-трыазольных злучэнняў быў паспяхова сінтэзаваны і аптымізаваны з дапамогай рэакцыі 1,3-дыпалярнага цыклапрылучэння Хюйсгена, апасродкаванай меддзю, з выкарыстаннем хімічнай устаноўкі UAM. Выкарыстоўваючы унікальныя ўласцівасці UAM і бесперапыннай паточнай апрацоўкі, прылада здольная каталізаваць бягучыя рэакцыі, адначасова забяспечваючы зваротную сувязь у рэжыме рэальнага часу для маніторынгу і аптымізацыі рэакцый.
Дзякуючы значным перавагам у параўнанні з аб'ёмнымі аналагамі, праточная хімія з'яўляецца важнай і развіваецца галіной як у акадэмічных, так і ў прамысловых умовах дзякуючы сваёй здольнасці павышаць селектыўнасць і эфектыўнасць хімічнага сінтэзу. Гэта распаўсюджваецца ад простага ўтварэння арганічных малекул1 да фармацэўтычных злучэнняў2,3 і натуральных прадуктаў4,5,6. Больш за 50% рэакцый у тонкай хімічнай і фармацэўтычнай прамысловасці могуць атрымаць выгаду ад выкарыстання бесперапыннай паточнай апрацоўкі7.
У апошнія гады назіраецца ўсё большая тэндэнцыя груп, якія імкнуцца замяніць традыцыйны шкляны посуд або абсталяванне для праточнай хіміі наладжвальнымі «рэакцыйнымі пасудзінамі» для адытыўнай вытворчасці (AM)8. Ітэрацыйнае праектаванне, хуткая вытворчасць і трохмерныя (3D) магчымасці гэтых метадаў карысныя для тых, хто жадае наладзіць свае прылады для пэўнага набору рэакцый, прылад або ўмоў. Да сённяшняга дня гэтая праца была сканцэнтравана амаль выключна на выкарыстанні метадаў 3D-друку на палімернай аснове, такіх як стэрэалітаграфія (SL)9,10,11, мадэляванне плаўным нанясеннем (FDM)8,12,13,14 і струменевы друк7, 15, 16. Адсутнасць надзейнасці і здольнасці такіх прылад выконваць шырокі спектр хімічных рэакцый/аналізаў17, 18, 19, 20 з'яўляецца асноўным абмежавальным фактарам для больш шырокага ўкаранення AM у гэтай галіне17, 18, 19, 20.
З-за ўсё больш шырокага выкарыстання хіміі патоку і спрыяльных уласцівасцей, звязаных з адытыўна-арыентаваным метадам апрацоўкі (AM), існуе неабходнасць вывучэння больш перадавых метадаў, якія дазваляюць карыстальнікам ствараць рэакцыйныя пасудзіны для пратоку з палепшанымі хімічнымі і аналітычнымі магчымасцямі. Гэтыя метады павінны даць карыстальнікам магчымасць выбіраць з шэрагу высокатрывалых або функцыянальных матэрыялаў, здольных працаваць у шырокім дыяпазоне рэакцыйных умоў, а таксама спрашчаць розныя формы аналітычнага вываду з прылады, каб забяспечыць маніторынг і кантроль рэакцыі.
Адзін з працэсаў адытыўнай вытворчасці, які мае патэнцыял для распрацоўкі хімічных рэактараў на заказ, - гэта ультрагукавая адытыўная вытворчасць (UAM). Гэтая тэхналогія ламінавання цвёрдацельных лістоў ужывае ультрагукавыя ваганні да тонкай металічнай фальгі, каб злучыць іх разам пласт за пластом з мінімальным аб'ёмным награваннем і высокай ступенню пластычнага патоку 21, 22, 23. У адрозненне ад большасці іншых тэхналогій адытыўнага вытворчасці, UAM можа быць непасрэдна інтэграваны з субтрактыўнай вытворчасцю, вядомай як гібрыдны вытворчы працэс, у якім перыядычнае фрэзераванне з лічбавым праграмным кіраваннем (ЧПК) на месцы або лазерная апрацоўка вызначае чыстую форму пласта злучанага матэрыялу 24, 25. Гэта азначае, што карыстальнік не абмежаваны праблемамі, звязанымі з выдаленнем рэшткавага сыравіны з невялікіх каналаў для вадкасці, што часта здараецца з парашковымі і вадкімі сістэмамі адытыўнага вытворчасці 26, 27, 28. Гэтая свабода дызайну таксама распаўсюджваецца на даступны выбар матэрыялаў - UAM можа злучаць тэрмічна падобныя і разнастайныя камбінацыі матэрыялаў за адзін этап працэсу. Выбар камбінацый матэрыялаў пасля працэсу плаўлення азначае, што можна лепш задаволіць механічныя і хімічныя патрабаванні канкрэтных ужыванняў. Акрамя цвёрдацельнага злучэння, падчас ультрагукавога злучэння ўзнікае яшчэ адна з'ява... - гэта высокая цякучасць пластычных матэрыялаў пры адносна нізкіх тэмпературах29,30,31,32,33. Гэтая ўнікальная асаблівасць UAM можа палегчыць убудаванне механічных/цеплавых элементаў паміж металічнымі пластамі без пашкоджанняў. Убудаваныя датчыкі UAM могуць палегчыць перадачу інфармацыі ў рэжыме рэальнага часу ад прылады да карыстальніка праз інтэграваную аналітыку.
У папярэдніх працах аўтараў32 была прадэманстравана здольнасць працэсу UAM ствараць металічныя трохмерныя мікрафлюідныя структуры з інтэграванымі сэнсарнымі магчымасцямі. Гэта прылада толькі для маніторынгу. У гэтай працы прадстаўлены першы прыклад мікрафлюіднага хімічнага рэактара, вырабленага з дапамогай UAM; актыўная прылада, якая не толькі кантралюе, але і індукуе хімічны сінтэз праз структурна інтэграваныя каталітычныя матэрыялы. Прылада спалучае ў сабе некалькі пераваг, звязаных з тэхналогіяй UAM у вытворчасці трохмерных хімічных прылад, такіх як: магчымасць пераўтвараць поўныя трохмерныя праекты непасрэдна з мадэляў аўтаматызаванага праектавання (CAD) у прадукты; выраб з некалькіх матэрыялаў для спалучэння высокай цеплаправоднасці і каталітычных матэрыялаў; і ўбудаванне цеплавых датчыкаў непасрэдна паміж патокамі рэагентаў для дакладнага маніторынгу і кантролю тэмпературы рэакцыі. Каб прадэманстраваць функцыянальнасць рэактара, бібліятэка фармацэўтычна важных 1,4-дызамешчаных 1,2,3-трыазольных злучэнняў была сінтэзавана шляхам каталізаванага медзю 1,3-дыпалярнага цыклапрылучэння Хюйсгена. У гэтай працы падкрэсліваецца, як выкарыстанне матэрыялазнаўства і аўтаматызаванага праектавання можа адкрыць новыя 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 1H і 13C, запісаныя пры 400 МГц і 100 МГц адпаведна, былі атрыманы з выкарыстаннем спектрометра JEOL ECS-400 400 МГц або спектрометра Bruker Avance II 400 МГц і CDCl3 або (CD3)2SO4 у якасці растваральніка. Усе рэакцыі былі праведзены з выкарыстаннем платформы праточнай хіміі Uniqsis FlowSyn.
У гэтым даследаванні для вырабу ўсіх прылад выкарыстоўваўся UAM. Тэхналогія была вынайдзена ў 1999 годзе, і яе тэхнічныя дэталі, рабочыя параметры і распрацоўкі з моманту вынаходніцтва можна вывучыць з дапамогай наступных апублікаваных матэрыялаў34,35,36,37. Прылада (Малюнак 1) была рэалізавана з выкарыстаннем звышмагутнай сістэмы SonicLayer 4000® UAM магутнасцю 9 кВт (Fabrisonic, Агая, ЗША). Матэрыяламі, абранымі для вырабу праточнай прылады, былі Cu-110 і Al 6061. Cu-110 мае высокае ўтрыманне медзі (мінімум 99,9% медзі), што робіць яго добрым кандыдатам для рэакцый, каталізаваных меддзю, і таму выкарыстоўваецца ў якасці «актыўнага пласта ў мікрарэактары». Al 6061 O выкарыстоўваецца ў якасці «аб'ёмнага» матэрыялу, а таксама ў якасці пласта ўбудавання, які выкарыстоўваецца для аналізу; убудаванне дапаможных кампанентаў са сплаву ў адпаленым стане ў спалучэнні са пластом Cu-110. Al 6061 O - гэта матэрыял, які, як было паказана, вельмі сумяшчальны з працэсамі UAM38, 39, 40, 41, і быў пратэставаны і прызнаны хімічна стабільным з рэагентамі, якія выкарыстоўваліся ў гэтай працы. Камбінацыя Al 6061O з Cu-110 таксама лічыцца сумяшчальнай камбінацыяй матэрыялаў для UAM і таму з'яўляецца прыдатным матэрыялам для гэтага даследавання. 38,42 Гэтыя прылады пералічаны ў Табліцы 1 ніжэй.
Этапы вырабу рэактара (1) Падкладка з Al 6061 (2) Выраб ніжняга канала, усталяванага на медную фальгу (3) Устаўка тэрмапар паміж пластамі (4) Верхні канал (5) Уваход і выхад (6) Маналітны рэактар.
Філасофія праектавання шляху вадкасці заключаецца ў выкарыстанні звілістых шляхоў для павелічэння адлегласці, якую вадкасць праходзіць унутры чыпа, захоўваючы пры гэтым кіравальны памер чыпа. Гэта павелічэнне адлегласці пажадана для павелічэння часу ўзаемадзеяння каталізатара і рэагента і забеспячэння выдатнага выхаду 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 павелічэння магчымага змешвання канструкцыя рэактара прадугледжвае два ўваходы для рэагентаў, аб'яднаныя ў Y-вобразным злучэнні перад уваходам у секцыю змешвання з серпантынам. Трэці ўваход, які перасякае паток на паўдарозе да яго знаходжання, уключаны ў праект будучых шматступенчатых рэакцыйных сінтэзаў.
Усе каналы маюць квадратны профіль (без вуглоў нахілу), што з'яўляецца вынікам перыядычнага фрэзеравання на станку з ЧПУ, якое выкарыстоўваецца для стварэння геаметрыі канала. Памеры канала выбраны такім чынам, каб забяспечыць высокі (для мікрарэактара) аб'ём выхаднога аб'ёму, але пры гэтым дастаткова малыя, каб палегчыць павярхоўнае ўзаемадзеянне (каталізатары) для большасці змяшчаемых вадкасцей. Адпаведны памер заснаваны на папярэднім вопыце аўтараў з металафлюіднымі прыладамі для рэакцыі. Унутраныя памеры канчатковага канала складалі 750 мкм x 750 мкм, а агульны аб'ём рэактара — 1 мл. У канструкцыю ўключаны інтэграваны раз'ём (разьба 1/4″—28 UNF), які дазваляе проста падключыць прыладу да камерцыйнага абсталявання для праточнай хіміі. Памер канала абмежаваны таўшчынёй фальгі, яго механічнымі ўласцівасцямі і параметрамі злучэння, якія выкарыстоўваюцца з ультрагукам. Пры пэўнай шырыні для дадзенага матэрыялу матэрыял будзе «правівацца» ў створаны канал. У цяперашні час няма канкрэтнай мадэлі для гэтага разліку, таму максімальная шырыня канала для дадзенага матэрыялу і канструкцыі вызначаецца эксперыментальна; у гэтым выпадку шырыня 750 мкм не выкліча прагіну.
Форма (квадрат) канала вызначаецца з дапамогай квадратнага разца. Форму і памер каналаў можна змяняць на станках з ЧПУ з выкарыстаннем розных рэжучых інструментаў для атрымання розных хуткасцей патоку і характарыстык. Прыклад стварэння крывалінейнага канала з выкарыстаннем інструмента 125 мкм можна знайсці ў працы Монагана45. Калі пласт фальгі наносіцца плоскім чынам, пласт фальгі па-над каналамі будзе мець плоскую (квадратную) аздабленне. У гэтай працы, каб захаваць сіметрыю канала, выкарыстоўваўся квадратны контур.
Падчас запраграмаванай паўзы ў вытворчасці тэрмапарныя датчыкі тэмпературы (тыпу K) убудоўваюцца непасрэдна ў прыладу паміж верхняй і ніжняй групамі каналаў (малюнак 1 – этап 3). Гэтыя тэрмапары могуць кантраляваць змены тэмпературы ад −200 да 1350 °C.
Працэс нанясення металу выконваецца з дапамогай рупару UAM з выкарыстаннем металічнай фальгі шырынёй 25,4 мм і таўшчынёй 150 мікрон. Гэтыя пласты фальгі злучаюцца ў серыю сумежных палос, каб пакрыць усю плошчу зборкі; памер нанясенага матэрыялу большы за канчатковы прадукт, бо працэс аднімання стварае канчатковую чыставую форму. Апрацоўка на станках з ЧПУ выкарыстоўваецца для апрацоўкі знешніх і ўнутраных контураў абсталявання, што прыводзіць да апрацоўкі паверхні абсталявання і каналаў, роўнай абраным параметрам інструмента і працэсу з ЧПУ (прыблізна 1,6 мкм Ra у гэтым прыкладзе). Бесперапыннае ультрагукавое нанясенне матэрыялу і цыклы апрацоўкі выкарыстоўваюцца на працягу ўсяго працэсу вырабу прылады, каб забяспечыць падтрыманне дакладнасці памераў і адпаведнасць гатовай дэталі ўзроўню дакладнасці фрэзеравання з ЧПУ. Шырыня канала, які выкарыстоўваецца для гэтай прылады, дастаткова малая, каб гарантаваць, што матэрыял фальгі не "правіваецца" ў канал для вадкасці, таму канал захоўвае квадратнае папярочнае сячэнне. Магчымыя зазоры ў матэрыяле фальгі і параметры працэсу UAM былі эксперыментальна вызначаны вытворчым партнёрам (Fabrisonic LLC, ЗША).
Даследаванні паказалі, што на мяжы злучэння UAM 46, 47 без дадатковай тэрмічнай апрацоўкі адбываецца нязначная элементарная дыфузія, таму для прылад, апісаных у гэтай працы, пласт Cu-110 застаецца адрозным ад пласта Al 6061 і рэзка змяняецца.
Усталюйце папярэдне адкалібраваны рэгулятар зваротнага ціску (BPR) на 250 фунтаў на квадратны дюйм (1724 кПа) на выхадзе з рэактара і прапампоўвайце ваду праз рэактар ​​з хуткасцю ад 0,1 да 1 мл/мін. Ціск у рэактары кантраляваўся з дапамогай убудаванага ў сістэму датчыка ціску FlowSyn, каб пераканацца, што сістэма можа падтрымліваць пастаянны стабільны ціск. Патэнцыйныя градыенты тэмпературы ў праточным рэактары былі правераны шляхам выяўлення любых адрозненняў паміж тэрмапарамі, убудаванымі ў рэактар, і тымі, што ўбудаваны ў награвальную пласціну чыпа FlowSyn. Гэта дасягаецца шляхам змены тэмпературы праграмуемай награвальнай пласціны ў межах ад 100 да 150 °C з крокам 25 °C і фіксацыі любых адрозненняў паміж запраграмаванымі і зарэгістраванымі тэмпературамі. Гэта было дасягнута з дапамогай рэгістратара дадзеных tc-08 (PicoTech, Кембрыдж, Вялікабрытанія) і суправаджальнага праграмнага забеспячэння PicoLog.
Умовы рэакцыі цыклапрылучэння фенілацэтылену і ёдаэтану былі аптымізаваны (Схема 1 - Цыклапрылучэнне фенілацэтылену і ёдаэтану Схема 1 - Цыклапрылучэнне фенілацэтылену і ёдаэтану). Гэтая аптымізацыя была выканана з выкарыстаннем падыходу поўнага фактарыяльнага планавання эксперыментаў (DOE) з выкарыстаннем тэмпературы і часу знаходжання ў якасці зменных параметраў, пры гэтым суадносіны алкін:азід заставалася фіксаваным на ўзроўні 1:2.
Былі падрыхтаваны асобныя растворы азіду натрыю (0,25 М, 4:1 ДМФ:H2O), ёдаэтану (0,25 М, ДМФ) і фенілацэтылену (0,125 М, ДМФ). Аліквоту кожнага раствора аб'ёмам 1,5 мл змяшалі і прапампавалі праз рэактар ​​з патрэбнай хуткасцю патоку і тэмпературай. Адказ мадэлі быў прыняты як суадносіны плошчы піка трыазольнага прадукту да зыходнага фенілацэтылену і вызначаўся метадам высокаэфектыўнай вадкаснай храматаграфіі (ВЭЖХ). Для адпаведнасці аналізу ўсе рэакцыі былі адабраны адразу пасля таго, як рэакцыйная сумесь пакінула рэактар. Дыяпазоны параметраў, выбраныя для аптымізацыі, паказаны ў табліцы 2.
Усе ўзоры былі прааналізаваны з выкарыстаннем сістэмы ВЭЖХ Chromaster (VWR, PA, ЗША), якая складаецца з чацвярцічнага помпы, калоннай печы, УФ-дэтэктара са зменнай даўжынёй хвалі і аўтаматычнага самапрацэсара. Калонка была Equivalence 5 C18 (VWR, PA, ЗША), памерам 4,6 × 100 мм, памерам часціц 5 мкм, падтрымлівалася пры тэмпературы 40 °C. Растваральнік быў ізакратычным 50:50 метанол:вада з хуткасцю патоку 1,5 мл/мін-1. Аб'ём ін'екцыі склаў 5 мкл, а даўжыня хвалі дэтэктара - 254 нм. % плошчы піка для ўзору DOE быў разлічаны толькі па плошчах пікаў рэшткавых алкінавых і трыазольных прадуктаў. Ін'екцыя 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 цыклапрылучэння. Запуск убудаванага аптымізатара і выбар усіх важных членаў мадэлі дае набор умоў рэакцыі, прызначаных для максімізацыі плошчы піка прадукту пры адначасовым памяншэнні плошчы піка для зыходнага матэрыялу ацэтылену.
Акісленне паверхневай медзі ў каталітычнай рэакцыйнай камеры дасягалася з выкарыстаннем раствора перакісу вадароду (36%), які праходзіў праз рэакцыйную камеру (хуткасць патоку = 0,4 мл/мін, час знаходжання = 2,5 хвіліны) перад сінтэзам кожнай бібліятэкі трыазольных злучэнняў.
Пасля таго, як быў вызначаны аптымальны набор умоў, яны былі ўжытыя да шэрагу вытворных ацэтылену і галагеналканаў, каб дазволіць скласці невялікую бібліятэку сінтэзу, тым самым усталяваўшы магчымасць ужывання гэтых умоў да больш шырокага дыяпазону патэнцыйных рэагентаў (Малюнак 1).2).
Падрыхтавалі асобныя растворы азіду натрыю (0,25 М, 4:1 ДМФ:H2O), галагеналканаў (0,25 М, ДМФ) і алкінаў (0,125 М, ДМФ). Аліквоты па 3 мл кожнага раствора змяшалі і прапампавалі праз рэактар ​​са хуткасцю 75 мкл/мін-1 і тэмпературай 150 °C. Агульны аб'ём сабралі ў прабірку і развялі 10 мл этылацэтату. Раствор узору прамылі 3 × 10 мл вады. Водныя пласты аб'ядналі і экстрагавалі 10 мл этылацэтату; затым арганічныя пласты аб'ядналі, прамылі 3 × 10 мл расола, высушылі над MgSO4 і адфільтравалі, затым растваральнік выдалілі ў вакууме. Узоры ачысцілі калоннай храматаграфіяй на сілікагелі з выкарыстаннем этылацэтату перад аналізам з дапамогай камбінацыі ВЭЖХ, 1H ЯМР, 13C ЯМР і мас-спектрометрыі высокага разрознення (HR-MS).
Усе спектры былі атрыманы з выкарыстаннем мас-спектрометра Thermofischer з высокім разрозненнем Orbitrap і ESI ў якасці крыніцы іанізацыі. Усе ўзоры былі падрыхтаваны з выкарыстаннем ацэтонітрылу ў якасці растваральніка.
Аналіз метадам тонкаслаёвай хроматографіі (ТСХ) праводзілі на дыяксідных пласцінах з алюмініевай падкладкай. Пласціны візуалізавалі з дапамогай УФ-святла (254 нм) або афарбоўвання ванілінам і награвання.
Усе ўзоры былі прааналізаваны з выкарыстаннем сістэмы VWR Chromaster (VWR International Ltd., Лейтан-Баззард, Вялікабрытанія), абсталяванай аўтасамплерам, бінарным помпай для калоннай печы і аднахвалевым дэтэктарам. Выкарыстоўвалася калона ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4,6 мм, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Абердзін, Шатландыя).
Ін'екцыі (5 мкл) рабіліся непасрэдна з разведзенай неачышчанай рэакцыйнай сумесі (развядзенне 1:10) і аналізаваліся з дапамогай вады:метанолу (50:50 або 70:30), за выключэннем некаторых узораў, якія выкарыстоўвалі сістэму растваральнікаў 70:30 (пазначана зорачкай) пры хуткасці патоку 1,5 мл/мін. Калонка падтрымлівалася пры тэмпературы 40 °C. Даўжыня хвалі дэтэктара складала 254 нм.
% Плошча піка ўзору была разлічана з плошчы піка рэшткавага алкіну, толькі трыазольнага прадукту, і ўвядзенне зыходнага рэчыва дазволіла ідэнтыфікаваць адпаведныя пікі.
Усе ўзоры былі прааналізаваны з выкарыстаннем Thermo iCAP 6000 ICP-OES. Усе калібровачныя стандарты былі падрыхтаваны з выкарыстаннем стандартнага раствора Cu з канцэнтрацыяй 1000 ppm у 2% азотнай кіслаце (SPEX Certi Prep). Усе стандарты былі падрыхтаваны ў 5% растворы DMF і 2% растворы HNO3, і ўсе ўзоры былі разведзены ў 20 разоў у растворы DMF-HNO3.
UAM выкарыстоўвае ультрагукавую зварку металу ў якасці метаду злучэння металічнай фальгі, якая выкарыстоўваецца для стварэння канчатковай зборкі. Ультрагукавая зварка металу выкарыстоўвае вібруючы металічны інструмент (які называецца рупар або ультрагукавы рупар) для прымянення ціску да пласта фальгі/раней кансалідаванага пласта, які трэба злучыць, адначасова вібруючы матэрыял. Для бесперапыннай працы санотрод мае цыліндрычную форму і коціцца па паверхні матэрыялу, злучаючы ўсю плошчу. Пры ўжыванні ціску і вібрацыі аксіды на паверхні матэрыялу могуць трэскацца. Пастаянны ціск і вібрацыя могуць прывесці да разбурэння няроўнасцей матэрыялу 36. Цесны кантакт з лакальна індукаваным цяплом і ціскам прыводзіць да цвёрдацельнага злучэння на мяжах падзелу матэрыялаў; гэта таксама можа спрыяць адгезіі праз змены павярхоўнай энергіі 48. Характар ​​механізму злучэння пераадольвае многія праблемы, звязаныя са зменнай тэмпературай плаўлення і наступствамі высокай тэмпературы, згаданымі ў іншых метадах адытыўнай вытворчасці. Гэта дазваляе ажыццяўляць непасрэднае злучэнне (г.зн. без мадыфікацыі паверхні, напаўняльнікаў або клеяў) некалькіх слаёў розных матэрыялаў у адзіную кансалідаваную структуру.
Другім спрыяльным фактарам для UAM з'яўляецца высокая ступень пластычнага цячэння, якая назіраецца ў металічных матэрыялах, нават пры нізкіх тэмпературах, г.зн. значна ніжэй за тэмпературу плаўлення металічных матэрыялаў. Спалучэнне ультрагукавых ваганняў і ціску выклікае высокі ўзровень лакальнай міграцыі межаў зерняў і рэкрышталізацыі без вялікага павышэння тэмпературы, традыцыйна звязанага з аб'ёмнымі матэрыяламі. Падчас будаўніцтва канчатковай зборкі гэтая з'ява можа быць выкарыстана для ўбудавання актыўных і пасіўных кампанентаў паміж пластамі металічнай фальгі, пласт за пластом. Такія элементы, як аптычныя валокны 49, арматура 46, электроніка 50 і тэрмапары (гэтая праца), былі паспяхова ўбудаваны ў структуры UAM для стварэння актыўных і пасіўных кампазітных зборак.
У гэтай працы для стварэння найлепшага мікрарэактара для маніторынгу тэмпературы каталітычнага матэрыялу былі выкарыстаны як розныя магчымасці звязвання матэрыялаў, так і інтэркаляцыі UAM.
У параўнанні з паладыем (Pd) і іншымі распаўсюджанымі металічнымі каталізатарамі, медны каталіз мае шэраг пераваг: (i) Эканамічна медь таннейшая за многія іншыя металы, якія выкарыстоўваюцца ў каталізе, і таму з'яўляецца прывабным варыянтам для хімічнай прамысловасці; (ii) Дыяпазон рэакцый крос-спалучэння, каталізаваных меддзю, пашыраецца і, відаць, у пэўнай ступені дапаўняе метадалогіі на аснове Pd51,52,53; (iii) Рэакцыі, каталізаваныя меддзю, добра працуюць пры адсутнасці іншых лігандаў. Гэтыя ліганды часта структурна простыя і пры жаданні недарагія, у той час як тыя, што выкарыстоўваюцца ў хіміі Pd, часта складаныя, дарагія і адчувальныя да паветра; (iv) медь, асабліва вядомая сваёй здольнасцю звязваць алкіны ў сінтэзе. Напрыклад, біметалічна-каталізаванае спалучэнне Санагашыры і цыклапрылучэнне з азідамі (клік-хімія); (v) медь таксама здольная стымуляваць арылаванне некалькіх нуклеафілаў у рэакцыях тыпу Ульмана.
Прыклады гетэрагенізацыі ўсіх гэтых рэакцый нядаўна былі прадэманстраваны ў прысутнасці Cu(0). Гэта ў значнай ступені звязана з фармацэўтычнай прамысловасцю і ўсё большай увагай да аднаўлення і паўторнага выкарыстання металічных каталізатараў55,56.
Рэакцыя 1,3-дыпалярнага цыклапрылучэння паміж ацэтыленам і азідам да 1,2,3-трыазолу, распрацаваная Хюйсгенам у 1960-х гадах57, лічыцца сінергічнай дэманстрацыйнай рэакцыяй. Атрыманыя 1,2,3-трыазольныя фрагменты ўяўляюць асаблівую цікавасць як фармакафоры ў галіне распрацоўкі лекаў з-за іх біялагічнага прымянення і выкарыстання ў розных тэрапеўтычных сродках58.
Гэтая рэакцыя зноў трапіла ў поле зроку, калі Шарплес і іншыя ўвялі паняцце «клік-хіміі»59. Тэрмін «клік-хімія» выкарыстоўваецца для апісання надзейнага, бяспечнага і селектыўнага набору рэакцый для хуткага сінтэзу новых злучэнняў і камбінаторных бібліятэк праз гетэраатамную сувязь (CXC)60. Сінтэтычная прывабнасць гэтых рэакцый вынікае з высокіх выхадаў, простых умоў рэакцыі, устойлівасці да кіслароду і вады, а таксама простага падзелу прадуктаў61.
Класічнае 1,3-дыпольнае цыклапрылучэнне Хюйсгена не адносіцца да катэгорыі «клік-хіміі». Аднак Медал і Шарплес паказалі, што гэтая падзея азід-алкінавага спалучэння праходзіць з хуткасцю ад 107 да 108 у прысутнасці Cu(I) у параўнанні з некаталізаваным 1,3-дыпольным цыклапрылучэннем [62,63] са значным паскарэннем хуткасці. Гэты палепшаны механізм рэакцыі не патрабуе ахоўных груп або жорсткіх умоў рэакцыі і дае амаль поўнае пераўтварэнне і селектыўнасць да 1,4-дызамешчаных 1,2,3-трыазолаў (анты-1,2,3-трыазол) у часавым маштабе (Малюнак 3).
Ізаметрычныя вынікі традыцыйных і медзь-каталізаваных цыклапрылучэнняў Хюсгена. Цыклапрылучэнне Хюсгена, каталізаванае Cu(I), прыводзіць толькі да 1,4-дызамешчаных 1,2,3-трыазолаў, у той час як тэрмічна індукаванае цыклапрылучэнне Хюсгена звычайна прыводзіць да 1,4- і 1,5-трыазолаў у сумесі стэрэаізамераў азолаў у суадносінах 1:1.
Большасць пратаколаў прадугледжваюць аднаўленне стабільных крыніц Cu(II), такіх як аднаўленне CuSO4 або сумеснага спалучэння часціц Cu(II)/Cu(0) з солямі натрыю. У параўнанні з іншымі рэакцыямі, каталізаванымі металамі, выкарыстанне Cu(I) мае асноўныя перавагі: ён недарагі і просты ў выкарыстанні.
Кінетычныя і ізатопныя даследаванні маркіроўкі, праведзеныя Уорэлам і інш.65, паказалі, што ў выпадку канцавых алкінаў два эквіваленты медзі ўдзельнічаюць у актывацыі рэакцыйнай здольнасці кожнай малекулы ў адносінах да азіду. Прапанаваны механізм рэалізуецца праз шасцічленнае металічнае кольца медзі, якое ўтвараецца шляхам каардынацыі азіду з σ-сувяззю ацэтыліду медзі з π-сувяззю медзі ў якасці стабільнага донарнага ліганда. Трыазолілавыя вытворныя медзі ўтвараюцца шляхам скарачэння кольца з наступным раскладаннем пратона з утварэннем прадуктаў трыазолу і замыканнем каталітычнага цыклу.
Нягледзячы на ​​тое, што перавагі прылад для праточнай хіміі добра дакументаваны, існуе жаданне інтэграваць аналітычныя інструменты ў гэтыя сістэмы для маніторынгу працэсаў у рэжыме рэальнага часу і на месцы [66,67]. UAM аказаўся прыдатным метадам для праектавання і вытворчасці вельмі складаных трохмерных праточных рэактараў, вырабленых з каталітычна актыўных цеплаправодных матэрыялаў з непасрэдна ўбудаванымі датчыкамі (малюнак 4).
Алюмініева-медны праточны рэактар, выраблены метадам ультрагукавой адытыўнай вытворчасці (UAM) са складанай унутранай структурай канала, убудаванымі тэрмапарамі і каталітычнай рэакцыйнай камерай. Для візуалізацыі ўнутраных шляхоў руху вадкасці таксама паказаны празрысты прататып, выраблены з выкарыстаннем стэрэалітаграфіі.
Каб пераканацца, што рэактары гатовыя да будучых арганічных рэакцый, растваральнікі неабходна бяспечна награваць вышэй за тэмпературу кіпення; яны праходзяць выпрабаванні пад ціскам і тэмпературай. Выпрабаванне пад ціскам паказала, што сістэма падтрымлівае стабільны і пастаянны ціск нават пры павышаным ціску ў сістэме (1,7 МПа). Гідрастатычнае выпрабаванне праводзілася пры пакаёвай тэмпературы з выкарыстаннем H2O ў якасці вадкасці.
Падключэнне ўбудаванай тэрмапары (малюнак 1) да рэгістратара дадзеных тэмпературы паказала, што тэрмапара была на 6 °C (± 1 °C) ніжэйшай за запраграмаваную тэмпературу ў сістэме FlowSyn. Як правіла, павышэнне тэмпературы на 10 °C прыводзіць да падваення хуткасці рэакцыі, таму розніца тэмператур усяго ў некалькі градусаў можа значна змяніць хуткасць рэакцыі. Гэтая розніца звязана са стратай тэмпературы па ўсім корпусе рэактара з-за высокай цеплаправоднасці матэрыялаў, якія выкарыстоўваюцца ў вытворчым працэсе. Гэты цеплавы дрэйф з'яўляецца паслядоўным і таму можа быць улічаны пры наладзе абсталявання, каб забяспечыць дасягненне і вымярэнне дакладных тэмператур падчас рэакцыі. Такім чынам, гэты інструмент онлайн-маніторынгу спрыяе жорсткаму кантролю тэмпературы рэакцыі і спрыяе больш дакладнай аптымізацыі працэсу і распрацоўцы аптымальных умоў. Гэтыя датчыкі таксама могуць быць выкарыстаны для выяўлення экзатэрмічных рэакцый і прадухілення некантралюемых рэакцый у буйных сістэмах.
Рэактар, прадстаўлены ў гэтай працы, з'яўляецца першым прыкладам прымянення тэхналогіі UAM для вырабу хімічных рэактараў і вырашае некалькі асноўных абмежаванняў, якія ў цяперашні час звязаны з AM/3D-друкам гэтых прылад, такіх як: (i) пераадоленне паведамленых праблем, звязаных з апрацоўкай медных або алюмініевых сплаваў, (ii) паляпшэнне ўнутранага разрознення канала ў параўнанні з метадамі плаўлення ў парашковым ложку (PBF), такімі як селектыўнае лазернае плаўленне (SLM)25,69; дрэнны паток матэрыялу і шурпатая тэкстура паверхні26; (iii) зніжэнне тэмпературы апрацоўкі, што палягчае непасрэднае злучэнне датчыкаў, што немагчыма ў тэхналогіі парашковага ложка, (v) пераадоленне дрэнных механічных уласцівасцей і адчувальнасці кампанентаў на палімернай аснове да розных распаўсюджаных арганічных растваральнікаў17,19.
Функцыянальнасць рэактара была прадэманстравана серыяй рэакцый цыклапрылучэння алкінавых азідаў з каталізатарам медзі ў бесперапынным патоку (мал. 2). Медны рэактар ​​з ультрагукавым друкам, падрабязна паказаны на малюнку 4, быў інтэграваны з камерцыйнай праточнай сістэмай і выкарыстоўваўся для сінтэзу бібліятэчных азідаў розных 1,4-дызамешчаных 1,2,3-трыазолаў праз кантраляваную тэмпературай рэакцыю ацэтылену і галагенідаў алкільных груп у прысутнасці хларыду натрыю (мал. 3). Выкарыстанне падыходу бесперапыннага патоку змяншае праблемы бяспекі, якія могуць узнікнуць у перыядычных працэсах, паколькі гэтая рэакцыя прыводзіць да ўтварэння высокарэактыўных і небяспечных прамежкавых прадуктаў азідаў [317], [318]. Першапачаткова рэакцыя была аптымізавана для цыклапрылучэння фенілацэтылену і ёдаэтану (схема 1 - Цыклапрылучэнне фенілацэтылену і ёдаэтану) (гл. малюнак 5).
(Уверсе злева) Схема ўстаноўкі, якая выкарыстоўвалася для ўключэння рэактара 3DP у праточную сістэму (уверсе справа), атрыманая па аптымізаванай (унізе) схеме цыклапрылучэння Хюйсгена 57 паміж фенілацэтыленам і ёдаэтанам для аптымізацыі, і паказвае аптымізаваныя параметры хуткасці канверсіі рэакцыі.
Кантралюючы час знаходжання рэагентаў у каталітычнай частцы рэактара і ўважліва кантралюючы тэмпературу рэакцыі з дапамогай непасрэдна інтэграванага тэрмапарнага зонда, можна хутка і дакладна аптымізаваць умовы рэакцыі з мінімальнымі выдаткамі часу і матэрыялаў. Хутка было вызначана, што найвышэйшыя канверсіі былі атрыманы пры выкарыстанні часу знаходжання 15 хвілін і тэмпературы рэакцыі 150 °C. З графіка каэфіцыентаў праграмнага забеспячэння MODDE відаць, што як час знаходжання, так і тэмпература рэакцыі лічацца важнымі членамі мадэлі. Запуск убудаванага аптымізатара з выкарыстаннем гэтых выбраных членаў генеруе набор умоў рэакцыі, прызначаных для максімізацыі плошчаў пікаў прадукту пры адначасовым памяншэнні плошчаў пікаў зыходнага рэчыва. Гэтая аптымізацыя прывяла да 53% канверсіі трыазольнага прадукту, што блізка адпавядала прагнозу мадэлі ў 54%.
Зыходзячы з літаратуры, якая паказвае, што аксід медзі(I) (Cu2O) можа выступаць у якасці эфектыўнага каталітычнага рэчыва на паверхнях медзі з нулявой валентнасцю ў гэтых рэакцыях, была даследавана здольнасць папярэдняга акіслення паверхні рэактара перад правядзеннем рэакцыі ў патоку70,71. Затым рэакцыя паміж фенілацэтыленам і ёдаэтанам была праведзена зноў у аптымальных умовах, і выхады былі параўнаны. Было заўважана, што гэта падрыхтоўка прывяла да значнага павелічэння канверсіі зыходнага матэрыялу, якая, паводле разлікаў, склала >99%. Аднак маніторынг з дапамогай ВЭЖХ паказаў, што гэтая канверсія значна скараціла празмерна працяглы час рэакцыі прыблізна да 90 хвілін, пасля чаго актыўнасць, здавалася, выраўнялася і дасягнула «стацыянарнага стану». Гэта назіранне сведчыць аб тым, што крыніцай каталітычнай актыўнасці з'яўляецца паверхневы аксід медзі, а не медная падкладка з нулявой валентнасцю. Металічная медзь лёгка акісляецца пры пакаёвай тэмпературы з утварэннем CuO і Cu2O, якія не з'яўляюцца самаахоўнымі пластамі. Гэта выключае неабходнасць дадання дапаможнай крыніцы медзі(II) для сумеснага кампазіцыі71.