Salamat sa pagbisita sa Nature.com. Ang bersyon sa browser nga imong gigamit adunay limitado nga suporta sa CSS. Para sa pinakamaayong kasinatian, among girekomendar nga mogamit ka og updated nga browser (o i-disable ang Compatibility Mode sa Internet Explorer). Samtang, aron masiguro ang padayon nga suporta, among i-render ang site nga walay mga style ug JavaScript.
Usa ka carousel nga nagpakita og tulo ka slide sa samang higayon. Gamita ang mga buton nga Previous ug Next aron molihok sa tulo ka slide matag higayon, o gamita ang mga buton sa slider sa katapusan aron molihok sa tulo ka slide matag higayon.
Ang additive manufacturing nag-usab sa paagi sa pagdesinyo ug paggama sa mga tigdukiduki ug mga industriyalista sa mga kemikal nga aparato aron matubag ang ilang piho nga mga panginahanglan. Niini nga papel, among gitaho ang unang pananglitan sa usa ka flow reactor nga naporma pinaagi sa ultrasonic additive manufacturing (UAM) lamination sa usa ka solidong metal sheet nga adunay direktang gisagol nga catalytic nga mga bahin ug mga sensing elements. Ang teknolohiya sa UAM dili lamang nakabuntog sa daghang mga limitasyon nga karon nalangkit sa additive manufacturing sa mga kemikal nga reactor, apan nagpalapad usab sa mga kapabilidad sa ingon nga mga aparato. Daghang mga biologically important nga 1,4-disubstituted 1,2,3-triazole compound ang malampuson nga na-synthesize ug na-optimize pinaagi sa usa ka Cu-mediated 1,3-dipolar Huisgen cycloaddition reaction gamit ang UAM chemistry facility. Gamit ang talagsaon nga mga kabtangan sa UAM ug padayon nga pagproseso sa agos, ang aparato makahimo sa pag-catalyze sa nagpadayon nga mga reaksyon ingon man paghatag og real-time nga feedback aron ma-monitor ug ma-optimize ang mga reaksyon.
Tungod sa dakong bentaha niini kon itandi sa bulk counterpart niini, ang flow chemistry usa ka importante ug nagtubo nga natad sa akademiko ug industriyal nga mga setting tungod sa abilidad niini sa pagdugang sa selectivity ug efficiency sa chemical synthesis. Kini naglangkob gikan sa pagporma sa yano nga mga organikong molekula1 ngadto sa mga pharmaceutical compound2,3 ug natural nga mga produkto4,5,6. Kapin sa 50% sa mga reaksyon sa fine chemical ug pharmaceutical nga mga industriya ang makabenepisyo gikan sa padayon nga pag-agos7.
Sa bag-ohay nga mga tuig, adunay nagkadako nga uso sa mga grupo nga nagtinguha nga pulihan ang tradisyonal nga mga gamit sa bildo o kagamitan sa flow chemistry og mga adaptable nga kemikal nga "reactor"8. Ang iterative design, paspas nga paggama, ug three-dimensional (3D) nga mga kapabilidad niini nga mga pamaagi mapuslanon alang sa mga gusto nga ipasibo ang ilang mga aparato alang sa usa ka partikular nga hugpong sa mga reaksyon, aparato, o mga kondisyon. Hangtod karon, kini nga trabaho naka-focus halos eksklusibo sa paggamit sa mga teknik sa pag-imprinta sa 3D nga nakabase sa polymer sama sa stereolithography (SL)9,10,11, Fused Deposition Modeling (FDM)8,12,13,14 ug inkjet printing7,15. , 16. Ang kakulang sa kasaligan ug abilidad sa ingon nga mga aparato sa paghimo sa usa ka halapad nga mga reaksyon/pag-analisar sa kemikal17, 18, 19, 20 usa ka mayor nga hinungdan sa limitasyon alang sa mas lapad nga aplikasyon sa AM niini nga natad17, 18, 19, 20.
Tungod sa nagkadaghang paggamit sa flow chemistry ug sa mga paborableng kabtangan nga nalangkit sa AM, kinahanglan nga tukion ang mas maayong mga teknik nga magtugot sa mga tiggamit sa paghimo og mga flow reaction vessel nga adunay gipauswag nga chemistry ug analytical capabilities. Kini nga mga pamaagi kinahanglan nga magtugot sa mga tiggamit sa pagpili gikan sa lain-laing mga high strength o functional nga mga materyales nga makahimo sa pag-operate ubos sa lain-laing mga kondisyon sa reaksyon, ingon man usab sa pagpadali sa lain-laing mga porma sa analytical output gikan sa device aron mapadali ang pagmonitor ug pagkontrol sa reaksyon.
Usa ka proseso sa additive manufacturing nga magamit sa pagpalambo sa custom chemical reactors mao ang Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM). Kini nga solid-state sheet lamination method naggamit og ultrasonic vibrations sa nipis nga metal foils aron i-bonding kini layer por layer nga adunay gamay nga volumetric heating ug taas nga degree sa plastic flow 21, 22, 23. Dili sama sa kadaghanan sa ubang mga teknolohiya sa AM, ang UAM mahimong direktang i-integrate sa subtractive production, nga nailhan nga hybrid manufacturing process, diin ang periodic in-situ numerical control (CNC) milling o laser processing ang nagtino sa net shape sa layer sa bonded material 24, 25. Kini nagpasabot nga ang tiggamit dili limitado sa mga problema nga nalangkit sa pagtangtang sa nahabilin nga orihinal nga building material gikan sa gagmay nga liquid channels, nga kasagaran mahitabo sa powder ug liquid systems AM26,27,28. Kini nga kagawasan sa disenyo naglakip usab sa pagpili sa mga materyales nga magamit - ang UAM mahimong mag-bonding sa mga kombinasyon sa thermally similar ug dissimilar nga mga materyales sa usa ka lakang sa proseso. Ang pagpili sa mga kombinasyon sa materyal lapas sa proseso sa pagtunaw nagpasabot nga ang mekanikal ug kemikal nga mga kinahanglanon sa piho nga mga aplikasyon mas maayo nga matubag. Gawas sa solid bonding, laing panghitabo nga mahitabo sa ultrasonic bonding mao ang taas nga fluidity sa mga plastik nga materyales sa medyo ubos nga temperatura29,30,31,32,33. Kini nga talagsaon nga bahin sa UAM nagtugot sa mga mekanikal/thermal nga elemento nga ibutang taliwala sa mga lut-od sa metal nga walay kadaot. Ang mga naka-embed nga UAM sensor makapadali sa paghatud sa real-time nga impormasyon gikan sa device ngadto sa tiggamit pinaagi sa integrated analytics.
Ang nangaging mga trabaho sa mga awtor32 nagpakita sa abilidad sa proseso sa UAM sa paghimo og metallic 3D microfluidic structures nga adunay embedded sensing capabilities. Kini nga device para lamang sa pagmonitor. Kini nga artikulo nagpresentar sa unang ehemplo sa usa ka microfluidic chemical reactor nga gihimo sa UAM, usa ka aktibong device nga dili lamang nagkontrol apan nag-induce usab sa chemical synthesis gamit ang structurally integrated catalytic materials. Ang device naghiusa sa daghang mga bentaha nga nalangkit sa teknolohiya sa UAM sa paghimo og 3D chemical devices, sama sa: ang abilidad sa pag-convert sa usa ka kompleto nga 3D design direkta gikan sa usa ka computer-aided design (CAD) model ngadto sa usa ka produkto; multi-material fabrication para sa kombinasyon sa taas nga thermal conductivity ug catalytic materials, ingon man mga thermal sensor nga direktang gi-embed taliwala sa mga reactant streams para sa tukma nga pagkontrol ug pagdumala sa temperatura sa reaksyon. Aron ipakita ang functionality sa reactor, usa ka librarya sa pharmaceutically important 1,4-disubstituted 1,2,3-triazole compounds ang gi-synthesize pinaagi sa copper-catalyzed 1,3-dipolar Huisgen cycloaddition. Kini nga trabaho nagpasiugda kon sa unsang paagi ang paggamit sa materials science ug computer-aided design makaabli sa mga bag-ong posibilidad ug oportunidad alang sa kemistri pinaagi sa interdisciplinary nga panukiduki.
Ang tanang solvents ug reagent gipalit gikan sa Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI, o Fischer Scientific ug gigamit nga wala’y naunang purification. Ang 1H ug 13C NMR spectra nga natala sa 400 ug 100 MHz, matag usa, nakuha sa usa ka JEOL ECS-400 400 MHz spectrometer o usa ka Bruker Avance II 400 MHz spectrometer nga adunay CDCl3 o (CD3)2SO4 isip solvent. Ang tanang reaksyon gihimo gamit ang Uniqsis FlowSyn flow chemistry platform.
Ang UAM gigamit sa paghimo sa tanang mga aparato niini nga pagtuon. Ang teknolohiya naimbento niadtong 1999 ug ang mga teknikal nga detalye niini, mga parameter sa operasyon ug mga kalamboan sukad sa pag-imbento niini mahimong tun-an gamit ang mosunod nga mga gipatik nga materyales34,35,36,37. Ang aparato (Fig. 1) gipatuman gamit ang usa ka heavy duty 9 kW SonicLayer 4000® UAM system (Fabrisonic, Ohio, USA). Ang mga materyales nga gipili para sa flow device mao ang Cu-110 ug Al 6061. Ang Cu-110 adunay taas nga copper content (minimum 99.9% copper), nga naghimo niini nga maayong kandidato para sa copper catalyzed reactions ug busa gigamit isip "active layer sulod sa microreactor. Ang Al 6061 O gigamit isip "bulk" nga materyal. , ingon man ang intercalation layer nga gigamit para sa pag-analisa; intercalation sa auxiliary alloy components ug annealed state inubanan sa Cu-110 layer. nakit-an nga chemically stable sa mga reagents nga gigamit niini nga trabaho. Ang Al 6061 O inubanan sa Cu-110 giisip usab nga usa ka compatible nga kombinasyon sa materyal para sa UAM ug busa usa ka angay nga materyal para niini nga pagtuon38,42. Kini nga mga device gilista sa Table 1 sa ubos.
Mga lakang sa paghimo sa reactor (1) 6061 aluminum alloy substrate (2) Paghimo sa ubos nga channel gikan sa copper foil (3) Pagsal-ot sa mga thermocouple taliwala sa mga layer (4) Ibabaw nga channel (5) Inlet ug outlet (6) Monolithic reactor.
Ang pilosopiya sa disenyo sa fluid channel mao ang paggamit og liko-liko nga agianan aron madugangan ang distansya nga gibiyahe sa pluwido sulod sa chip samtang gipadayon ang usa ka madumala nga gidak-on sa chip. Kini nga pagtaas sa distansya gitinguha aron madugangan ang oras sa pagkontak sa catalyst-reactant ug makahatag og maayo kaayo nga ani sa produkto. Ang mga chips mogamit og 90° nga mga liko sa mga tumoy sa usa ka tul-id nga agianan aron maaghat ang turbulent mixing sulod sa device44 ug madugangan ang oras sa pagkontak sa likido sa nawong (catalyst). Aron mapalambo pa ang pagsagol nga makab-ot, ang disenyo sa reactor naglakip sa duha ka reactant inlets nga gihiusa sa usa ka Y-connection sa dili pa mosulod sa mixing coil section. Ang ikatulo nga entrada, nga motabok sa agos sa tunga-tunga sa residency niini, gilakip sa plano alang sa umaabot nga multi-stage synthesis reactions.
Ang tanang mga kanal adunay kwadrado nga profile (walay taper angles), nga resulta sa periodic CNC milling nga gigamit sa paghimo sa channel geometry. Ang mga dimensyon sa kanal gipili aron makahatag og taas (para sa usa ka microreactor) volumetric yield, apan igo nga gamay aron mapadali ang interaksyon sa ibabaw (mga catalyst) para sa kadaghanan sa mga likido nga anaa niini. Ang angay nga gidak-on gibase sa nangaging kasinatian sa mga awtor sa mga metal-liquid reaction device. Ang internal nga mga dimensyon sa katapusang kanal kay 750 µm x 750 µm ug ang kinatibuk-ang volume sa reactor kay 1 ml. Usa ka built-in nga konektor (1/4″-28 UNF thread) ang gilakip sa disenyo aron tugotan ang dali nga pag-interfacing sa aparato sa komersyal nga kagamitan sa flow chemistry. Ang gidak-on sa kanal limitado sa gibag-on sa foil nga materyal, ang mekanikal nga mga kabtangan niini, ug ang mga parameter sa bonding nga gigamit sa ultrasonics. Sa usa ka piho nga gilapdon para sa gihatag nga materyal, ang materyal "molubog" ngadto sa kanal nga gihimo. Sa pagkakaron walay espesipikong modelo para niini nga kalkulasyon, busa ang pinakataas nga gilapdon sa kanal para sa usa ka gihatag nga materyal ug disenyo gitino pinaagi sa eksperimento, diin ang gilapdon nga 750 µm dili hinungdan sa paglubog.
Ang porma (kuwadrado) sa kanal gitino gamit ang usa ka square cutter. Ang porma ug gidak-on sa mga kanal mahimong usbon sa mga makina sa CNC gamit ang lainlaing mga himan sa pagputol aron makakuha og lainlaing mga rate sa pag-agos ug mga kinaiya. Usa ka pananglitan sa paghimo og usa ka kurbadong kanal gamit ang usa ka 125 µm nga himan makita sa Monaghan45. Kung ang foil layer gipadapat nga patag, ang pagpadapat sa materyal nga foil sa mga kanal adunay usa ka patag (kuwadrado) nga nawong. Niini nga buhat, usa ka kuwadrado nga contour ang gigamit aron mapreserbar ang simetriya sa kanal.
Atol sa usa ka naka-program nga paghunong sa produksiyon, ang mga thermocouple temperature sensor (tipo K) direktang gitukod sa device taliwala sa ibabaw ug ubos nga mga grupo sa channel (Fig. 1 – stage 3). Kini nga mga thermocouple makakontrol sa mga pagbag-o sa temperatura gikan sa -200 hangtod 1350 °C.
Ang proseso sa pagbutang og metal gihimo sa UAM horn gamit ang metal foil nga 25.4 mm ang gilapdon ug 150 microns ang gibag-on. Kini nga mga lut-od sa foil konektado sa sunod-sunod nga magkatapad nga mga strips aron matabonan ang tibuok build area; ang gidak-on sa gibutang nga materyal mas dako kay sa katapusang produkto samtang ang proseso sa pag-iban nagmugna sa katapusang limpyo nga porma. Ang CNC machining gigamit sa pag-machine sa external ug internal nga mga contour sa kagamitan, nga moresulta sa surface finish sa kagamitan ug mga channel nga katumbas sa pinili nga himan ug mga parameter sa proseso sa CNC (niini nga pananglitan, mga 1.6 µm Ra). Ang padayon, padayon nga ultrasonic material spraying ug machining cycles gigamit sa tibuok proseso sa paggama sa device aron masiguro nga ang dimensional accuracy mapadayon ug ang nahuman nga bahin makatagbo sa CNC fine milling precision levels. Ang gilapdon sa channel nga gigamit alang niini nga device igo nga gamay aron masiguro nga ang foil material dili "molubog" sa fluid channel, mao nga ang channel adunay square cross section. Ang posibleng mga gintang sa foil material ug ang mga parameter sa proseso sa UAM gitino pinaagi sa eksperimento sa manufacturing partner (Fabrisonic LLC, USA).
Gipakita sa mga pagtuon nga sa interface 46, 47 sa UAM compound gamay ra ang pagsabwag sa mga elemento kung wala’y dugang nga pagtambal sa kainit, busa alang sa mga aparato niini nga trabaho ang Cu-110 layer nagpabilin nga lahi gikan sa Al 6061 layer ug dako ang pagbag-o.
Pag-instalar og pre-calibrated back pressure regulator (BPR) sa 250 psi (1724 kPa) sa ubos sa reactor ug bombahi ang tubig agi sa reactor sa rate nga 0.1 ngadto sa 1 ml min-1. Ang presyur sa reactor gimonitor gamit ang FlowSyn pressure transducer nga gitukod sa sistema aron masiguro nga ang sistema makapadayon sa usa ka makanunayon nga makanunayon nga presyur. Ang potensyal nga mga gradient sa temperatura sa flow reactor gisulayan pinaagi sa pagpangita sa bisan unsang kalainan tali sa mga thermocouple nga gitukod sa reactor ug sa mga thermocouple nga gitukod sa heating plate sa FlowSyn chip. Kini makab-ot pinaagi sa pag-usab sa programmed nga temperatura sa hotplate tali sa 100 ug 150 °C sa 25 °C nga pag-uswag ug pagmonitor sa bisan unsang kalainan tali sa programmed ug recorded nga temperatura. Kini nakab-ot gamit ang tc-08 data logger (PicoTech, Cambridge, UK) ug ang kaubang PicoLog software.
Ang mga kondisyon para sa cycloaddition reaction sa phenylacetylene ug iodoethane gi-optimize (Scheme 1-Cycloaddition of phenylacetylene and iodoethane, Scheme 1-Cycloaddition of phenylacetylene and iodoethane). Kini nga optimization gihimo gamit ang usa ka full factorial design of experiments (DOE) approach, gamit ang temperatura ug residence time isip mga variable samtang gi-fix ang alkyne:azide ratio sa 1:2.
Giandam ang managlahing solusyon sa sodium azide (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), iodoethane (0.25 M, DMF), ug phenylacetylene (0.125 M, DMF). Usa ka 1.5 ml nga aliquot sa matag solusyon ang gisagol ug gibomba agi sa reactor sa gitinguha nga flow rate ug temperatura. Ang tubag sa modelo gikuha isip ratio sa peak area sa triazole product ngadto sa starting material sa phenylacetylene ug gitino gamit ang high performance liquid chromatography (HPLC). Para sa analysis consistency, ang tanang reaksyon gikuha dayon human mobiya ang reaction mixture sa reactor. Ang mga parameter ranges nga gipili para sa optimization gipakita sa Table 2.
Ang tanang mga sample gisusi gamit ang Chromaster HPLC system (VWR, PA, USA) nga gilangkoban sa quaternary pump, column oven, variable wavelength UV detector ug autosampler. Ang column kay Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA), 4.6 x 100 mm, 5 µm particle size, nga gimentinar sa 40°C. Ang solvent kay isocratic methanol:water 50:50 sa flow rate nga 1.5 ml·min-1. Ang injection volume kay 5 μl ug ang detector wavelength kay 254 nm. Ang % peak area para sa DOE sample gikalkulo gikan sa peak areas sa residual alkyne ug triazole products lamang. Ang pagpaila sa starting material naghimo niini nga posible nga mailhan ang katugbang nga mga peak.
Ang paghiusa sa mga resulta sa pag-analisa sa reaktor uban sa MODDE DOE software (Umetrics, Malmö, Sweden) nagtugot sa usa ka hingpit nga pag-analisa sa uso sa mga resulta ug pagtino sa labing maayo nga mga kondisyon sa reaksyon alang niining cycloaddition. Ang pagpadagan sa built-in nga optimizer ug pagpili sa tanan nga hinungdanon nga mga termino sa modelo nagmugna og usa ka hugpong sa mga kondisyon sa reaksyon nga gidisenyo aron mapadako ang peak area sa produkto samtang gipakunhod ang peak area alang sa acetylene feedstock.
Ang oksihenasyon sa nawong sa tumbaga sa catalytic reaction chamber nakab-ot gamit ang hydrogen peroxide solution (36%) nga nagaagos agi sa reaction chamber (flow rate = 0.4 ml min-1, residence time = 2.5 min) sa dili pa ang synthesis sa matag triazole compound. library.
Sa dihang natino na ang labing maayong hugpong sa mga kondisyon, kini gi-apply sa lain-laing mga acetylene ug haloalkane derivatives aron tugotan ang pagtipon sa usa ka gamay nga synthesis library, sa ingon nagtukod sa posibilidad sa pag-apply niini nga mga kondisyon sa mas lapad nga han-ay sa mga potensyal nga reagents (Fig. 1). 2).
Pag-andam og managlahing solusyon sa sodium azide (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), haloalkanes (0.25 M, DMF), ug alkynes (0.125 M, DMF). Ang mga aliquot nga 3 ml sa matag solusyon gisagol ug gibomba agi sa reactor sa rate nga 75 µl/min ug temperatura nga 150°C. Ang tibuok volume gikolekta sa usa ka vial ug gi-dilute sa 10 ml nga ethyl acetate. Ang sample solution gihugasan sa 3 x 10 ml nga tubig. Ang mga aqueous layer gihiusa ug gikuha sa 10 ml nga ethyl acetate, dayon ang mga organic layer gihiusa, gihugasan sa 3 × 10 ml nga brine, gipauga sa MgSO4 ug gisala, dayon ang solvent gikuha sa vacuum. Ang mga sample giputli pinaagi sa silica gel column chromatography gamit ang ethyl acetate sa dili pa ang pag-analisa pinaagi sa kombinasyon sa HPLC, 1H NMR, 13C NMR ug high resolution mass spectrometry (HR-MS).
Ang tanang spectra nakuha gamit ang Thermofischer Precision Orbitrap mass spectrometer nga adunay ESI isip ionization source. Ang tanang sample giandam gamit ang acetonitrile isip solvent.
Ang TLC analysis gihimo sa mga silica plate nga adunay aluminum substrate. Ang mga plate gi-visualize gamit ang UV light (254 nm) o vanillin staining ug gipainit.
Ang tanang mga sample gisusi gamit ang usa ka VWR Chromaster system (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) nga adunay autosampler, usa ka binary pump nga adunay column oven ug usa ka single wavelength detector. Usa ka ACE Equivalence 5 C18 column (150 x 4.6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Scotland) ang gigamit.
Ang mga ineksiyon (5 µl) gihimo direkta gikan sa tinunaw nga krudo nga sagol nga reaksyon (1:10 dilution) ug gisusi gamit ang tubig:methanol (50:50 o 70:30), gawas sa pipila ka mga sample nga naggamit ug 70:30 solvent system (gipakita isip star number) sa flow rate nga 1.5 ml/min. Ang kolum gipadayon sa 40°C. Ang wavelength sa detector kay 254 nm.
Ang % peak area sa sample gikalkulo gikan sa peak area sa residual alkyne, ang triazole product lamang, ug ang pagpaila sa starting material nagtugot sa pag-ila sa katugbang nga mga peak.
Ang tanang mga sample gisusi gamit ang Thermo iCAP 6000 ICP-OES. Ang tanang mga calibration standard giandam gamit ang 1000 ppm Cu standard solution sa 2% nitric acid (SPEX Certi Prep). Ang tanang mga standard giandam sa solusyon nga 5% DMF ug 2% HNO3, ug ang tanang mga sample gi-dilute og 20 ka beses gamit ang sample solution nga DMF-HNO3.
Ang UAM naggamit og ultrasonic metal welding isip pamaagi sa pagdugtong sa metal foil nga gigamit sa paghimo sa katapusang asembliya. Ang ultrasonic metal welding naggamit og vibrating metal tool (gitawag og horn o ultrasonic horn) aron mag-apply og pressure sa foil/kanhi gikonsolida nga layer nga i-bond/kanhi gikonsolida pinaagi sa pag-vibrate sa materyal. Para sa padayon nga operasyon, ang sonotrode adunay cylindrical nga porma ug moligid sa ibabaw sa materyal, nga magdikit sa tibuok nga lugar. Kung ang pressure ug vibration ipadapat, ang mga oxide sa ibabaw sa materyal mahimong mabuak. Ang kanunay nga pressure ug vibration mahimong mosangpot sa pagkaguba sa roughness sa materyal 36. Ang suod nga kontak sa localized heat ug pressure mosangpot sa usa ka solid phase bond sa mga interface sa materyal; mahimo usab kini nga mapalambo ang cohesion pinaagi sa pag-usab sa surface energy 48. Ang kinaiya sa bonding mechanism nakabuntog sa daghang mga problema nga nalangkit sa variable melt temperature ug taas nga temperatura nga mga epekto nga gihisgutan sa ubang mga additive manufacturing technologies. Gitugotan niini ang direktang koneksyon (ie nga walay surface modification, fillers o adhesives) sa daghang mga layer sa lain-laing mga materyales ngadto sa usa ka consolidated structure.
Ang ikaduhang paborableng butang para sa CAM mao ang taas nga lebel sa pag-agos sa plastik nga naobserbahan sa mga metal nga materyales bisan sa ubos nga temperatura, ie ubos kaayo sa melting point sa mga metal nga materyales. Ang kombinasyon sa ultrasonic vibrations ug pressure hinungdan sa taas nga lebel sa local grain boundary migration ug recrystallization nga wala ang dakong pagtaas sa temperatura nga tradisyonal nga nalangkit sa mga bulk nga materyales. Atol sa paghimo sa final assembly, kini nga panghitabo magamit sa pag-embed sa mga aktibo ug passive nga sangkap taliwala sa mga layer sa metal foil, layer por layer. Ang mga elemento sama sa optical fiber 49, reinforcement 46, electronics 50 ug thermocouples (kini nga trabaho) malampuson nga na-integrate sa mga istruktura sa UAM aron makahimo og aktibo ug passive composite assemblies.
Niini nga trabaho, ang lain-laing kapabilidad sa pagbugkos sa materyal ug ang kapabilidad sa intercalation sa UAM gigamit aron makahimo og usa ka sulundon nga microreactor para sa catalytic temperature control.
Kon itandi sa palladium (Pd) ug uban pang kasagarang gigamit nga metal catalysts, ang Cu catalysis adunay daghang mga bentaha: (i) Sa ekonomikanhon nga paagi, ang Cu mas barato kay sa daghang ubang mga metal nga gigamit sa catalysis ug busa usa ka madanihon nga kapilian alang sa industriya sa kemikal (ii) ang gilapdon sa mga reaksyon sa cross-coupling nga gi-catalyze sa Cu nagkalapad ug daw medyo komplementaryo sa mga pamaagi nga gibase sa Pd51, 52, 53 (iii) Ang mga reaksyon nga gi-catalyze sa Cu maayo nga molihok kung wala ang ubang mga ligand. Kini nga mga ligand kasagaran yano sa istruktura ug dili mahal. kung gusto, samtang ang gigamit sa kemistri sa Pd kasagaran komplikado, mahal, ug sensitibo sa hangin (iv) Ang Cu, labi nga nailhan tungod sa abilidad niini sa pag-bond sa mga alkyne sa synthesis, sama sa bimetallic catalyzed coupling sa Sonogashira ug cycloaddition nga adunay mga azide (click chemistry) (v) Ang Cu mahimo usab nga magpasiugda sa arylation sa pipila ka mga nucleophile sa mga reaksyon nga tipo sa Ullmann.
Bag-ohay lang, napamatud-an ang mga ehemplo sa heterogenization sa tanan niining mga reaksyon sa presensya sa Cu(0). Kini tungod sa industriya sa parmasyutiko ug sa nagkadako nga pokus sa pagbawi ug paggamit pag-usab sa mga metal catalyst55,56.
Ang 1,3-dipolar cycloaddition reaction tali sa acetylene ug azide ngadto sa 1,2,3-triazole, nga unang gisugyot ni Huisgen niadtong 1960s57, giisip nga usa ka synergistic demonstration reaction. Ang resulta nga 1,2,3 triazole fragments adunay partikular nga interes isip usa ka pharmacophore sa drug discovery tungod sa ilang biological applications ug paggamit sa lain-laing therapeutic agents 58.
Kini nga reaksyon nakadawat og bag-ong atensyon sa dihang gipaila ni Sharpless ug sa uban ang konsepto sa "click chemistry"59. Ang termino nga "click chemistry" gigamit sa paghulagway sa usa ka lig-on ug mapilion nga hugpong sa mga reaksyon alang sa paspas nga sintesis sa bag-ong mga compound ug combinatorial libraries gamit ang heteroatomic bonding (CXC)60. Ang sintetikong pagdani niini nga mga reaksyon tungod sa taas nga ani nga nalangkit niini. Ang mga kondisyon yano, resistensya sa oxygen ug tubig, ug ang pagbulag sa produkto yano61.
Ang klasikal nga 1,3-dipole Huisgen cycloaddition wala mahulog sa kategoryang "click chemistry". Bisan pa, gipakita ni Medal ug Sharpless nga kini nga azide-alkyne coupling event moagi sa 107–108 sa presensya sa Cu(I) kon itandi sa usa ka hinungdanon nga pagpadali sa rate sa non-catalytic 1,3-dipolar cycloaddition 62,63. Kini nga abante nga mekanismo sa reaksyon wala magkinahanglan og mga grupo nga nagpanalipod o grabe nga mga kondisyon sa reaksyon ug naghatag og halos kompleto nga pagkakabig ug selectivity sa 1,4-disubstituted 1,2,3-triazoles (anti-1,2,3-triazoles) sa paglabay sa panahon (Fig. 3).
Mga resulta sa isometric sa naandan ug tumbaga-catalyzed nga Huisgen cycloadditions. Ang Cu(I)-catalyzed nga Huisgen cycloadditions mohatag lamang og 1,4-disubstituted nga 1,2,3-triazoles, samtang ang thermally induced nga Huisgen cycloadditions kasagarang mohatag sa 1,4- ug 1,5-triazoles og 1:1 nga sagol nga azole stereoisomers.
Kadaghanan sa mga protocol naglambigit sa pagkunhod sa lig-on nga mga tinubdan sa Cu(II), sama sa pagkunhod sa CuSO4 o ang Cu(II)/Cu(0) compound inubanan sa sodium salts. Kon itandi sa ubang mga metal catalyzed reactions, ang paggamit sa Cu(I) adunay pangunang bentaha nga barato ug dali gamiton.
Ang mga pagtuon sa kinetic ug isotopic ni Worrell et al. 65 nagpakita nga sa kaso sa mga terminal alkyne, duha ka katumbas sa tumbaga ang nalambigit sa pagpaaktibo sa reaktibiti sa matag molekula kalabot sa azide. Ang gisugyot nga mekanismo nagpadayon pinaagi sa usa ka unom ka miyembro nga singsing nga metal nga tumbaga nga naporma pinaagi sa koordinasyon sa azide ngadto sa σ-bonded copper acetylide uban sa π-bonded copper isip usa ka stable donor ligand. Ang mga derivatives sa tumbaga nga triazolyl naporma isip resulta sa pagkontrata sa singsing nga gisundan sa proton decomposition aron maporma ang mga produkto sa triazole ug isira ang catalytic cycle.
Samtang ang mga benepisyo sa mga aparato sa flow chemistry maayo nga nadokumento, adunay tinguha nga i-integrate ang mga analytical tool sa kini nga mga sistema alang sa real-time nga pagmonitor sa proseso sa in situ66,67. Ang UAM napamatud-an nga usa ka angay nga pamaagi alang sa pagdesinyo ug paghimo og komplikado kaayo nga 3D flow reactors gikan sa catalytically active, thermally conductive nga mga materyales nga adunay direktang naka-embed nga mga sensing elements (Fig. 4).
Usa ka aluminum-copper flow reactor nga gihimo pinaagi sa ultrasonic additive manufacturing (UAM) nga adunay komplikado nga internal channel structure, built-in thermocouples ug usa ka catalytic reaction chamber. Aron makita ang internal fluid paths, gipakita usab ang usa ka transparent prototype nga gihimo gamit ang stereolithography.
Aron masiguro nga ang mga reactor gihimo alang sa umaabot nga mga organikong reaksyon, ang mga solvent kinahanglan nga luwas nga ipainit labaw sa ilang nagbukal nga punto; kini gisulayan sa presyur ug temperatura. Ang pagsulay sa presyur nagpakita nga ang sistema nagmintinar sa usa ka lig-on ug makanunayon nga presyur bisan sa taas nga presyur sa sistema (1.7 MPa). Ang mga pagsulay sa hydrostatic gihimo sa temperatura sa kwarto gamit ang H2O isip likido.
Ang pagkonektar sa built-in (Figure 1) thermocouple ngadto sa temperature data logger nagpakita nga ang temperatura sa thermocouple kay 6 °C (± 1 °C) nga mas ubos sa giprogramang temperatura sa FlowSyn system. Kasagaran, ang 10°C nga pagtaas sa temperatura modoble sa reaction rate, busa ang kalainan sa temperatura nga pipila lang ka degrees makausab pag-ayo sa reaction rate. Kini nga kalainan tungod sa pagkawala sa temperatura sa tibuok RPV tungod sa taas nga thermal diffusivity sa mga materyales nga gigamit sa proseso sa paggama. Kini nga thermal drift kanunay ug busa mahimong tagdon sa pag-set up sa kagamitan aron masiguro nga ang tukma nga temperatura maabot ug masukod atol sa reaksyon. Busa, kini nga online monitoring tool nagpadali sa hugot nga pagkontrol sa temperatura sa reaksyon ug nakatampo sa mas tukma nga pag-optimize sa proseso ug pagpalambo sa labing maayo nga mga kondisyon. Kini nga mga sensor magamit usab sa pag-detect sa exothermic reactions ug pagpugong sa runaway reactions sa dagkong mga sistema.
Ang reactor nga gipresentar niini nga papel mao ang unang ehemplo sa paggamit sa teknolohiya sa UAM sa paghimo sa mga kemikal nga reactor ug nagtubag sa pipila ka dagkong mga limitasyon nga karon nalangkit sa AM/3D printing niini nga mga device, sama sa: (i) Pagbuntog sa mga namatikdan nga problema nga nalangkit sa pagproseso sa tumbaga o aluminum alloy (ii) gipauswag nga internal channel resolution kon itandi sa powder bed melting (PBF) nga mga pamaagi sama sa selective laser melting (SLM)25,69 Dili maayo nga pag-agos sa materyal ug bagis nga texture sa nawong26 (iii) mas ubos nga temperatura sa pagproseso, nga nagpadali sa direktang pagkonektar sa mga sensor, nga dili mahimo sa teknolohiya sa powder bed, (v) pagbuntog sa dili maayo nga mekanikal nga mga kabtangan ug pagkasensitibo sa mga sangkap nga nakabase sa polymer sa lainlaing mga komon nga organikong solvent17,19.
Ang gamit sa reactor gipakita pinaagi sa sunod-sunod nga copper-catalyzed alkinazide cycloaddition reactions ubos sa continuous flow conditions (Fig. 2). Ang ultrasonic printed copper reactor nga gipakita sa fig. 4 gi-integrate sa usa ka commercial flow system ug gigamit sa pag-synthesize og azide library sa lain-laing 1,4-disubstituted 1,2,3-triazoles gamit ang temperature controlled reaction sa acetylene ug alkyl group halides sa presensya sa sodium chloride (Fig. 3). Ang paggamit sa continuous flow approach makapakunhod sa mga isyu sa kaluwasan nga mahimong motumaw sa mga batch processes, tungod kay kini nga reaksyon nagpatungha og highly reactive ug delikado nga azide intermediates [317], [318]. Sa sinugdanan, ang reaksyon gi-optimize alang sa cycloaddition sa phenylacetylene ug iodoethane (Scheme 1 – Cycloaddition sa phenylacetylene ug iodoethane) (tan-awa ang Fig. 5).
(Ibabaw nga wala) Eskematiko sa setup nga gigamit sa paglakip sa usa ka 3DP reactor ngadto sa usa ka flow system (ibabaw nga tuo) nga nakuha gikan sa gi-optimize (ubos) nga scheme sa Huisgen 57 cycloaddition scheme tali sa phenylacetylene ug iodoethane para sa optimization ug pagpakita sa gi-optimize nga conversion rate parameters sa reaksyon.
Pinaagi sa pagkontrol sa oras sa pagpuyo sa mga reactant sa catalytic section sa reactor ug maampingong pagmonitor sa temperatura sa reaksyon gamit ang direktang integrated thermocouple sensor, ang mga kondisyon sa reaksyon mahimong dali ug tukma nga ma-optimize nga adunay minimum nga oras ug mga materyales. Dali nga nakit-an nga ang labing taas nga pagkakabig nakab-ot gamit ang oras sa pagpuyo nga 15 minuto ug temperatura sa reaksyon nga 150°C. Makita gikan sa coefficient plot sa MODDE software nga ang oras sa pagpuyo ug ang temperatura sa reaksyon giisip nga hinungdanon nga mga kondisyon sa modelo. Ang pagpadagan sa built-in nga optimizer gamit kini nga mga pinili nga kondisyon nagmugna og usa ka hugpong sa mga kondisyon sa reaksyon nga gidisenyo aron mapadako ang mga peak area sa produkto samtang gipakunhod ang mga peak area sa sinugdanan nga materyal. Kini nga pag-optimize nakahatag og 53% nga pagkakabig sa produkto sa triazole, nga eksaktong nahiuyon sa prediksyon sa modelo nga 54%.