Благодарим ви, че посетихте Nature.com. Версията на браузъра, която използвате, има ограничена поддръжка на CSS. За най-добро изживяване ви препоръчваме да използвате актуализиран браузър (или да деактивирате режима на съвместимост в Internet Explorer). Междувременно, за да осигурим непрекъсната поддръжка, ще рендираме сайта без стилове и JavaScript.
Въртележка, показваща три слайда едновременно. Използвайте бутоните „Предишна“ и „Следваща“, за да се придвижвате през три слайда едновременно, или използвайте плъзгачите в края, за да се придвижвате през три слайда едновременно.
Адитивното производство променя начина, по който изследователите и индустриалците проектират и произвеждат химически устройства, за да отговорят на специфичните си нужди. В тази статия представяме първия пример за проточен реактор, образуван чрез ултразвуково адитивно производство (UAM) ламиниране на плътен метален лист с директно интегрирани каталитични части и сензорни елементи. UAM технологията не само преодолява много от ограниченията, свързани понастоящем с адитивното производство на химични реактори, но и значително разширява възможностите на такива устройства. Редица биологично важни 1,4-дизаместени 1,2,3-триазолови съединения са успешно синтезирани и оптимизирани чрез Cu-медиирана 1,3-диполярна циклоприсъединителна реакция на Huisgen, използвайки UAM химическото съоръжение. Използвайки уникалните свойства на UAM и непрекъснатата поточна обработка, устройството е в състояние да катализира протичащите реакции, както и да осигурява обратна връзка в реално време за наблюдение и оптимизиране на реакциите.
Поради значителните си предимства пред методите, използвани в насипни процеси, поточната химия е важна и развиваща се област както в академичните, така и в индустриалните среди, благодарение на способността си да повишава селективността и ефективността на химичния синтез. Това се простира от образуването на прости органични молекули1 до фармацевтични съединения2,3 и природни продукти4,5,6. Над 50% от реакциите в индустриите за фина химия и фармацевтика могат да се възползват от непрекъснат поток7.
През последните години се наблюдава нарастваща тенденция на групи, които се стремят да заменят традиционните стъклени изделия или оборудване за поточна химия с адаптивни химически „реактори“8. Итеративният дизайн, бързото производство и триизмерните (3D) възможности на тези методи са полезни за тези, които искат да персонализират своите устройства за определен набор от реакции, устройства или условия. Към днешна дата тази работа се фокусира почти изключително върху използването на техники за 3D печат на полимерна основа, като стереолитография (SL)9,10,11, моделиране на стопено отлагане (FDM)8,12,13,14 и мастилено-струен печат7,15, 16. Липсата на надеждност и способност на такива устройства да извършват широк спектър от химични реакции/анализи17, 18, 19, 20 е основен ограничаващ фактор за по-широкото приложение на адитивното производство (AM) в тази област17, 18, 19, 20.
Поради нарастващото използване на химията на потока и благоприятните свойства, свързани с AM, е необходимо да се проучат по-добри техники, които ще позволят на потребителите да произвеждат реакционни съдове за потока с подобрени химични и аналитични възможности. Тези методи би трябвало да позволят на потребителите да избират от гама от високоякостни или функционални материали, способни да работят в широк диапазон от реакционни условия, както и да улеснят различни форми на аналитичен изход от устройството, за да се даде възможност за наблюдение и контрол на реакцията.
Един адитивен производствен процес, който може да се използва за разработване на персонализирани химични реактори, е ултразвуковото адитивно производство (UAM). Този метод за ламиниране на листове в твърдо състояние прилага ултразвукови вибрации върху тънки метални фолиа, за да ги свърже слой по слой с минимално обемно нагряване и висока степен на пластично течение 21, 22, 23. За разлика от повечето други AM технологии, UAM може да бъде директно интегриран с изваждащо производство, известно като хибриден производствен процес, при който периодичното in-situ цифрово програмно управление (CNC) фрезоване или лазерна обработка определя нетната форма на слоя от свързания материал 24, 25. Това означава, че потребителят не е ограничен до проблемите, свързани с отстраняването на остатъчния оригинален строителен материал от малки течни канали, което често се случва в прахообразните и течни системи AM26,27,28. Тази свобода на проектиране се простира и до избора на налични материали – UAM може да свързва комбинации от термично подобни и различни материали в една единствена технологична стъпка. Изборът на комбинации от материали извън процеса на топене означава, че механичните и химичните изисквания на специфични приложения могат да бъдат по-добре изпълнени. В допълнение към твърдото свързване, друго явление, което се наблюдава при ултразвуковото свързване, е високата течливост на пластмасовите материали при относително ниски температури29,30,31,32,33. Тази уникална характеристика на UAM позволява поставянето на механични/термични елементи между металните слоеве без повреди. Вградените UAM сензори могат да улеснят предоставянето на информация в реално време от устройството до потребителя чрез интегрирана аналитика.
Предишна работа на авторите32 демонстрира способността на UAM процеса да създава метални 3D микрофлуидни структури с вградени сензорни възможности. Това устройство е само за целите на мониторинга. Тази статия представя първия пример за микрофлуиден химичен реактор, произведен от UAM, активно устройство, което не само контролира, но и индуцира химичен синтез със структурно интегрирани каталитични материали. Устройството съчетава няколко предимства, свързани с UAM технологията при производството на 3D химични устройства, като например: възможността за преобразуване на цялостен 3D дизайн директно от CAD модел в продукт; многоматериално производство за комбинация от висока топлопроводимост и каталитични материали, както и термични сензори, вградени директно между потоците от реагенти за прецизен контрол и управление на реакционната температура. За да се демонстрира функционалността на реактора, библиотека от фармацевтично важни 1,4-дизаместени 1,2,3-триазолови съединения беше синтезирана чрез медно-катализирано 1,3-диполярно Huisgen циклоприсъединяване. Тази работа подчертава как използването на материалознание и компютърно проектиране може да отвори нови възможности и перспективи за химията чрез интердисциплинарни изследвания.
Всички разтворители и реактиви са закупени от Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI или Fischer Scientific и са използвани без предварително пречистване. 1H и 13C NMR спектрите, записани съответно при 400 и 100 MHz, са получени на спектрометър JEOL ECS-400 400 MHz или спектрометър Bruker Avance II 400 MHz с CDCl3 или (CD3)2SO4 като разтворител. Всички реакции са проведени с помощта на платформата за поточна химия Uniqsis FlowSyn.
UAM е използвана за производството на всички устройства в това проучване. Технологията е изобретена през 1999 г. и нейните технически детайли, работни параметри и разработки след изобретяването ѝ могат да бъдат изучени с помощта на следните публикувани материали34,35,36,37. Устройството (фиг. 1) е реализирано с помощта на мощна 9 kW SonicLayer 4000® UAM система (Fabrisonic, Охайо, САЩ). Избраните материали за устройството за поток са Cu-110 и Al 6061. Cu-110 има високо съдържание на мед (минимум 99,9% мед), което го прави добър кандидат за реакции, катализирани от мед, и следователно се използва като „активен слой вътре в микрореактора“. Al 6061 O се използва като „насипен“ материал. , както и интеркалационният слой, използван за анализ; интеркалация на спомагателни компоненти на сплавта и отгрято състояние в комбинация със слой Cu-110. Установено е, че е химически стабилен с реагентите, използвани в тази работа. Al 6061 O в комбинация с Cu-110 също се счита за съвместима комбинация от материали за UAM и следователно е подходящ материал за това изследване38,42. Тези устройства са изброени в Таблица 1 по-долу.
Етапи на изработка на реактор (1) Субстрат от алуминиева сплав 6061 (2) Изработване на долен канал от медно фолио (3) Поставяне на термодвойки между слоевете (4) Горен канал (5) Вход и изход (6) Монолитен реактор.
Философията на дизайна на флуидния канал е да се използва криволичещ път, за да се увеличи разстоянието, изминато от флуида вътре в чипа, като същевременно се запази управляем размер на чипа. Това увеличение на разстоянието е желателно, за да се увеличи времето за контакт между катализатора и реагента и да се осигурят отлични добиви на продукта. Чиповете използват 90° завои в краищата на прав път, за да предизвикат турбулентно смесване в устройството44 и да увеличат времето за контакт на течността с повърхността (катализатора). За да се подобри допълнително смесването, което може да се постигне, дизайнът на реактора включва два входа за реагенти, комбинирани в Y-образна връзка, преди да влязат в секцията на смесителната серпентина. Третият вход, който пресича потока по средата на престоя си, е включен в плана за бъдещи многоетапни синтетични реакции.
Всички канали имат квадратен профил (без ъгли на конусност), което е резултат от периодичното CNC фрезоване, използвано за създаване на геометрията на канала. Размерите на канала са избрани така, че да осигурят висок (за микрореактор) обемен добив, но достатъчно малки, за да улеснят взаимодействието с повърхността (катализаторите) за повечето течности, които съдържа. Подходящият размер се основава на предишния опит на авторите с устройства за реакции метал-течност. Вътрешните размери на крайния канал бяха 750 µm x 750 µm, а общият обем на реактора беше 1 ml. В дизайна е включен вграден конектор (резба 1/4″-28 UNF), който позволява лесно свързване на устройството с търговско оборудване за поточна химия. Размерът на канала е ограничен от дебелината на фолиото, неговите механични свойства и параметрите на свързване, използвани с ултразвука. При определена ширина за даден материал, материалът ще „провисне“ в създадения канал. Понастоящем няма специфичен модел за това изчисление, така че максималната ширина на канала за даден материал и дизайн се определя експериментално, като в този случай ширина от 750 µm няма да причини провисване.
Формата (квадрат) на канала се определя с помощта на квадратен нож. Формата и размерът на каналите могат да се променят на CNC машини, използвайки различни режещи инструменти, за да се получат различни дебити и характеристики. Пример за създаване на извит канал с инструмент 125 µm може да се намери в Monaghan45. Когато фолиевият слой се нанесе плоско, нанасянето на фолиевия материал върху каналите ще има плоска (квадратна) повърхност. В тази работа е използван квадратен контур, за да се запази симетрията на канала.
По време на програмирана пауза в производството, термодвойкови температурни сензори (тип K) са вградени директно в устройството между горната и долната група канали (фиг. 1 – етап 3). Тези термодвойки могат да контролират температурни промени от -200 до 1350 °C.
Процесът на отлагане на метал се извършва от UAM рога, използвайки метално фолио с ширина 25,4 мм и дебелина 150 микрона. Тези слоеве фолио са свързани в серия от съседни ленти, за да покрият цялата площ на изработка; размерът на отложения материал е по-голям от крайния продукт, тъй като процесът на изваждане създава крайната чиста форма. CNC обработка се използва за обработка на външните и вътрешните контури на оборудването, което води до повърхностна обработка на оборудването и каналите, съответстваща на избрания инструмент и параметрите на CNC процеса (в този пример около 1,6 µm Ra). Непрекъснати, непрекъснати ултразвукови цикли на пръскане на материал и обработка се използват по време на целия производствен процес на устройството, за да се гарантира, че се поддържа точност на размерите и готовата част отговаря на нивата на прецизност на CNC фино фрезоване. Ширината на канала, използван за това устройство, е достатъчно малка, за да се гарантира, че фолиевият материал не „провисва“ в канала за флуид, така че каналът има квадратно напречно сечение. Възможните пролуки във фолиевия материал и параметрите на UAM процеса са определени експериментално от производствения партньор (Fabrisonic LLC, САЩ).
Проучванията показват, че на границата 46, 47 на UAM съединението има малка дифузия на елементи без допълнителна термична обработка, така че за устройствата в тази работа слоят Cu-110 остава различен от слоя Al 6061 и се променя драстично.
Инсталирайте предварително калибриран регулатор на обратно налягане (BPR) при 250 psi (1724 kPa) след реактора и изпомпвайте вода през реактора със скорост от 0,1 до 1 ml min-1. Налягането в реактора беше наблюдавано с помощта на вградения в системата датчик за налягане FlowSyn, за да се гарантира, че системата може да поддържа постоянно стабилно налягане. Потенциалните температурни градиенти в проточния реактор бяха тествани чрез търсене на разлики между термодвойките, вградени в реактора, и термодвойките, вградени в нагревателната плоча на чипа FlowSyn. Това се постига чрез промяна на програмираната температура на нагревателната плоча между 100 и 150 °C на стъпки от 25 °C и наблюдение на разликите между програмираните и записаните температури. Това беше постигнато с помощта на регистратора на данни tc-08 (PicoTech, Кеймбридж, Великобритания) и придружаващия го софтуер PicoLog.
Условията за реакцията на циклоприсъединяване на фенилацетилен и йодоетан са оптимизирани (Схема 1 - Циклоприсъединяване на фенилацетилен и йодоетан, Схема 1 - Циклоприсъединяване на фенилацетилен и йодоетан). Тази оптимизация е извършена с помощта на подход на пълен факториален дизайн на експерименти (DOE), като се използват температура и време на престой като променливи, като съотношението алкин:азид е фиксирано на 1:2.
Приготвени са отделни разтвори на натриев азид (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), йодоетан (0,25 M, DMF) и фенилацетилен (0,125 M, DMF). Аликвотна част от 1,5 ml от всеки разтвор е смесена и изпомпана през реактора при желаната скорост на потока и температура. Отговорът на модела е взет като съотношението на площта на пика на триазоловия продукт към изходния материал фенилацетилен и е определен с помощта на високоефективна течна хроматография (HPLC). За последователност на анализа, всички реакции са проведени веднага след като реакционната смес напусне реактора. Диапазоните на параметрите, избрани за оптимизация, са показани в Таблица 2.
Всички проби бяха анализирани с помощта на Chromaster HPLC система (VWR, PA, САЩ), състояща се от кватернерна помпа, колонна пещ, UV детектор с променлива дължина на вълната и автосамплер. Колоната беше Equivalence 5 C18 (VWR, PA, САЩ), 4.6 x 100 mm, размер на частиците 5 µm, поддържана при 40°C. Разтворителят беше изократен метанол:вода 50:50 със скорост на потока 1.5 ml·min-1. Инжектираният обем беше 5 μl, а дължината на вълната на детектора беше 254 nm. Процентната площ на пика за DOE пробата беше изчислена от площите на пиковете само на остатъчните алкинови и триазолови продукти. Въвеждането на изходния материал позволява идентифицирането на съответните пикове.
Комбинирането на резултатите от анализа на реактора със софтуера MODDE DOE (Umetrics, Малмьо, Швеция) позволи задълбочен анализ на тенденциите в резултатите и определяне на оптималните реакционни условия за това циклоприсъединяване. Стартирането на вградения оптимизатор и избирането на всички важни термини на модела създава набор от реакционни условия, предназначени да максимизират площта на пика на продукта, като същевременно намалят площта на пика на ацетиленовата суровина.
Окислението на медната повърхност в каталитичната реакционна камера беше постигнато с помощта на разтвор на водороден пероксид (36%), протичащ през реакционната камера (дебит = 0,4 ml min-1, време на престой = 2,5 min) преди синтеза на всяко триазолово съединение. библиотека.
След като оптималният набор от условия беше определен, те бяха приложени към редица ацетиленови и халоалканови производни, за да се позволи съставянето на малка библиотека за синтез, като по този начин се установи възможността за прилагане на тези условия към по-широк спектър от потенциални реагенти (фиг. 1).
Приготвят се отделни разтвори на натриев азид (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), халоалкани (0,25 M, DMF) и алкини (0,125 M, DMF). Аликвотни части от 3 ml от всеки разтвор се смесват и се изпомпват през реактора със скорост 75 µl/min и температура 150°C. Целият обем се събира в епруветка и се разрежда с 10 ml етилацетат. Разтворът на пробата се промива с 3 x 10 ml вода. Водните слоеве се комбинират и се екстрахират с 10 ml етилацетат, след което органичните слоеве се комбинират, промиват се с 3×10 ml солен разтвор, сушат се над MgSO4 и се филтрират, след което разтворителят се отстранява във вакуум. Пробите се пречистват чрез колонна хроматография върху силикагел, използвайки етилацетат, преди анализ чрез комбинация от HPLC, 1H NMR, 13C NMR и масспектрометрия с висока резолюция (HR-MS).
Всички спектри са получени с помощта на масспектрометър Thermofischer Precision Orbitrap с ESI като източник на йонизация. Всички проби са приготвени с използване на ацетонитрил като разтворител.
TLC анализът беше проведен върху силициеви плочи с алуминиев субстрат. Плаките бяха визуализирани с UV светлина (254 nm) или оцветяване с ванилин и нагряване.
Всички проби бяха анализирани с помощта на система VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK), оборудвана с автосамплер, бинарна помпа с колонна пещ и детектор с една дължина на вълната. Използвана е колона ACE Equivalence 5 C18 (150 x 4.6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Scotland).
Инжекции (5 µl) бяха направени директно от разредената сурова реакционна смес (разреждане 1:10) и анализирани с вода:метанол (50:50 или 70:30), с изключение на някои проби, използващи система от разтворители 70:30 (обозначена като номер на звезда) при скорост на потока 1,5 ml/min. Колоната беше поддържана при 40°C. Дължината на вълната на детектора е 254 nm.
Процентната площ на пика на пробата се изчислява от площта на пика на остатъчния алкин, само на триазоловия продукт, а въвеждането на изходния материал прави възможно идентифицирането на съответните пикове.
Всички проби бяха анализирани с помощта на Thermo iCAP 6000 ICP-OES. Всички калибровъчни стандарти бяха приготвени с помощта на 1000 ppm Cu стандартен разтвор в 2% азотна киселина (SPEX Certi Prep). Всички стандарти бяха приготвени в разтвор от 5% DMF и 2% HNO3, а всички проби бяха разредени 20 пъти с пробен разтвор на DMF-HNO3.
UAM използва ултразвуково заваряване на метал като метод за съединяване на металното фолио, използвано за създаване на крайния монтаж. Ултразвуковото заваряване на метал използва вибриращ метален инструмент (наречен рог или ултразвуков рог), за да приложи налягане върху фолиото/предварително консолидирания слой, който ще бъде свързан/предварително консолидиран чрез вибриране на материала. За непрекъсната работа сонотродът има цилиндрична форма и се търкаля по повърхността на материала, залепвайки цялата площ. Когато се прилагат налягане и вибрации, оксидите по повърхността на материала могат да се напукат. Постоянното налягане и вибрациите могат да доведат до разрушаване на грапавостта на материала 36. Близкият контакт с локализирана топлина и налягане води до твърдофазна връзка на границите на материалите; той може също така да насърчи сцеплението чрез промяна на повърхностната енергия 48. Характерът на механизма на свързване преодолява много от проблемите, свързани с променливата температура на топене и ефектите от високата температура, споменати в други технологии за адитивно производство. Това позволява директно свързване (т.е. без модификация на повърхността, пълнители или лепила) на няколко слоя от различни материали в една консолидирана структура.
Вторият благоприятен фактор за CAM е високата степен на пластично течение, наблюдавана в металните материали дори при ниски температури, т.е. доста под точката на топене на металните материали. Комбинацията от ултразвукови вибрации и налягане причинява високо ниво на локална миграция на границите на зърната и рекристализация без значителното повишаване на температурата, традиционно свързано с насипните материали. По време на създаването на крайния монтаж, това явление може да се използва за вграждане на активни и пасивни компоненти между слоевете метално фолио, слой по слой. Елементи като оптични влакна 49, армировка 46, електроника 50 и термодвойки (тази работа) са успешно интегрирани в UAM структури за създаване на активни и пасивни композитни монтажни възли.
В тази работа бяха използвани както различни възможности за свързване на материали, така и възможности за интеркалация на UAM, за да се създаде идеален микрореактор за каталитичен контрол на температурата.
В сравнение с паладий (Pd) и други често използвани метални катализатори, Cu катализата има няколко предимства: (i) Икономически, Cu е по-евтин от много други метали, използвани в катализа и следователно е привлекателен вариант за химическата промишленост (ii) гамата от Cu-катализирани реакции на кръстосано свързване се разширява и изглежда донякъде допълва Pd51, 52, 53-базирани методологии (iii) Cu-катализираните реакции работят добре при липса на други лиганди. Тези лиганди често са структурно прости и евтини, ако е необходимо, докато тези, използвани в Pd химията, често са сложни, скъпи и чувствителни към въздух (iv) Cu, особено известен със способността си да свързва алкини в синтеза, като например биметално катализираното свързване и циклоприсъединяване с азиди на Соногашира (click chemistry) (v) Cu може също да стимулира арилирането на някои нуклеофили в реакции от типа на Улман.
Наскоро бяха демонстрирани примери за хетерогенизация на всички тези реакции в присъствието на Cu(0). Това се дължи до голяма степен на фармацевтичната индустрия и нарастващия фокус върху възстановяването и повторното използване на метални катализатори55,56.
Реакцията на 1,3-диполярно циклоприсъединяване между ацетилен и азид до 1,2,3-триазол, предложена за първи път от Хюйсген през 60-те години на миналия век57, се счита за синергична демонстрационна реакция. Получените 1,2,3-триазолови фрагменти са от особен интерес като фармакофор при откриването на лекарства поради техните биологични приложения и употреба в различни терапевтични средства58.
Тази реакция получи подновено внимание, когато Шарплес и други въведоха концепцията за „клик химия“59. Терминът „клик химия“ се използва за описание на стабилен и селективен набор от реакции за бърз синтез на нови съединения и комбинаторни библиотеки, използващи хетероатомно свързване (CXC)60. Синтетичната привлекателност на тези реакции се дължи на високите добиви, свързани с тях. Условията са прости, устойчивостта на кислород и вода е лесна, а разделянето на продуктите е лесно61.
Класическото 1,3-диполно циклоприсъединяване на Хюйсген не попада в категорията „щракваща химия“. Медал и Шарплес обаче демонстрираха, че това събитие на азид-алкиново свързване претърпява 107–108 в присъствието на Cu(I) в сравнение със значително ускорение на скоростта на некаталитично 1,3-диполярно циклоприсъединяване 62,63. Този усъвършенстван реакционен механизъм не изисква защитни групи или тежки реакционни условия и осигурява почти пълно превръщане и селективност към 1,4-дизаместени 1,2,3-триазоли (анти-1,2,3-триазоли) с течение на времето (фиг. 3).
Изометрични резултати от конвенционални и медно-катализирани циклоприсъединявания на Хюсген. Cu(I)-катализираните циклоприсъединявания на Хюсген дават само 1,4-дизаместени 1,2,3-триазоли, докато термично индуцираните циклоприсъединявания на Хюсген обикновено дават 1,4- и 1,5-триазоли - смес от азолни стереоизомери в съотношение 1:1.
Повечето протоколи включват редукция на стабилни източници на Cu(II), като например редукция на CuSO4 или съединението Cu(II)/Cu(0) в комбинация с натриеви соли. В сравнение с други реакции, катализирани от метал, използването на Cu(I) има основните предимства, че е евтино и лесно за работа.
Кинетичните и изотопни изследвания на Worrell et al.65 показват, че в случая на терминални алкини, два еквивалента мед участват в активирането на реактивността на всяка молекула по отношение на азида. Предложеният механизъм протича чрез шестчленен меден метален пръстен, образуван чрез координация на азида с σ-свързан меден ацетилид с π-свързана мед като стабилен донорен лиганд. Медните триазолилови производни се образуват в резултат на свиване на пръстена, последвано от разлагане на протона, за да се образуват триазолови продукти и да се затвори каталитичният цикъл.
Въпреки че ползите от устройствата за поточна химия са добре документирани, съществува желание за интегриране на аналитични инструменти в тези системи за наблюдение на процесите в реално време in situ66,67. UAM се е доказал като подходящ метод за проектиране и производство на много сложни 3D поточни реактори от каталитично активни, топлопроводими материали с директно вградени сензорни елементи (фиг. 4).
Алуминиево-меден проточен реактор, произведен чрез ултразвуково адитивно производство (UAM) със сложна вътрешна канална структура, вградени термодвойки и каталитична реакционна камера. За визуализиране на вътрешните флуидни пътища е показан и прозрачен прототип, изработен с помощта на стереолитография.
За да се гарантира, че реакторите са създадени за бъдещи органични реакции, разтворителите трябва да се нагряват безопасно над точката им на кипене; те се тестват под налягане и температура. Тестването под налягане показа, че системата поддържа стабилно и постоянно налягане дори при повишено налягане в системата (1,7 MPa). Хидростатичните тестове бяха проведени при стайна температура, използвайки H2O като течност.
Свързването на вградената (Фигура 1) термодвойка към температурния регистратор показа, че температурата на термодвойката е с 6 °C (± 1 °C) под програмираната температура в системата FlowSyn. Обикновено повишаване на температурата с 10 °C удвоява скоростта на реакцията, така че температурна разлика само от няколко градуса може значително да промени скоростта на реакцията. Тази разлика се дължи на загубата на температура в целия реактор, дължаща се на високата термична дифузия на материалите, използвани в производствения процес. Това термично отклонение е постоянно и следователно може да се вземе предвид при настройването на оборудването, за да се гарантира достигането и измерването на точни температури по време на реакцията. По този начин, този онлайн инструмент за наблюдение улеснява стриктния контрол на температурата на реакцията и допринася за по-прецизна оптимизация на процеса и разработване на оптимални условия. Тези сензори могат да се използват и за откриване на екзотермични реакции и предотвратяване на неконтролируеми реакции в мащабни системи.
Реакторът, представен в тази статия, е първият пример за приложението на UAM технологията за производство на химични реактори и разглежда няколко основни ограничения, свързани понастоящем с AM/3D печатането на тези устройства, като например: (i) Преодоляване на отбелязаните проблеми, свързани с обработката на мед или алуминиева сплав, (ii) подобрена вътрешна разделителна способност на канала в сравнение с методите за топене в прахово легло (PBF), като например селективно лазерно топене (SLM)25,69; Лош поток на материала и грапава текстура на повърхността26; (iii) по-ниска температура на обработка, което улеснява директното свързване на сензори, което не е възможно при технологията с прахово легло, (v) преодоляване на лошите механични свойства и чувствителността на полимерните компоненти към различни често срещани органични разтворители17,19.
Функционалността на реактора беше демонстрирана чрез серия от медно-катализирани реакции на алкиназидно циклоприсъединяване при условия на непрекъснат поток (фиг. 2). Ултразвуковият печатен меден реактор, показан на фиг. 4, беше интегриран с търговска поточна система и използван за синтезиране на азидна библиотека от различни 1,4-дизаместени 1,2,3-триазоли, използвайки температурно контролирана реакция на ацетилен и халиди на алкилови групи в присъствието на натриев хлорид (фиг. 3). Използването на подхода на непрекъснат поток намалява проблемите с безопасността, които могат да възникнат при периодични процеси, тъй като тази реакция произвежда силно реактивни и опасни азидни междинни продукти [317], [318]. Първоначално реакцията беше оптимизирана за циклоприсъединяване на фенилацетилен и йодоетан (Схема 1 – Циклоприсъединяване на фенилацетилен и йодоетан) (виж фиг. 5).
(Горе вляво) Схема на инсталацията, използвана за включване на 3DP реактор в поточна система (горе вдясно), получена от оптимизираната (долна) схема на циклоприсъединителната схема Huisgen 57 между фенилацетилен и йодоетан за оптимизация и показваща оптимизираните параметри на скоростта на превръщане на реакцията.
Чрез контролиране на времето на престой на реагентите в каталитичната секция на реактора и внимателно наблюдение на температурата на реакцията с директно интегриран термодвойка сензор, условията на реакцията могат да бъдат бързо и точно оптимизирани с минимално време и материали. Бързо беше установено, че най-високата конверсия е постигната при време на престой от 15 минути и температура на реакцията от 150°C. От графиката на коефициентите на софтуера MODDE може да се види, че както времето на престой, така и температурата на реакцията се считат за важни условия на модела. Стартирането на вградения оптимизатор, използвайки тези избрани условия, създава набор от условия на реакцията, предназначени да максимизират площите на пиковете на продукта, като същевременно намаляват площите на пиковете на изходния материал. Тази оптимизация доведе до 53% конверсия на триазоловия продукт, което точно съвпадна с прогнозата на модела от 54%.