Salamat sa pagbisita sa Nature.com. Ang bersyon sa browser nga imong gigamit adunay limitado nga suporta para sa CSS. Para sa pinakamaayong kasinatian, among girekomendar nga mogamit ka og updated nga browser (o i-off ang compatibility mode sa Internet Explorer). Samtang, aron masiguro ang padayon nga suporta, among ipakita ang site nga walay mga style ug JavaScript.
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 trabaho, among gitaho ang unang pananglitan sa usa ka flow reactor nga naporma sa solid-state metal sheet lamination technique nga Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM) nga adunay direktang integrated catalytic parts ug sensing elements. Dili lamang ang teknolohiya sa UAM nakabuntog sa daghang mga limitasyon nga karon nalangkit sa additive manufacturing sa mga kemikal nga reactor, apan kini usab nagdugang sa mga kapabilidad sa ingon nga mga aparato. Usa ka serye sa mga biologically important nga 1,4-disubstituted 1,2,3-triazole compound ang malampuson nga gi-synthesize ug gi-optimize sa usa ka Cu-mediated Huisgen 1,3-dipolar cycloaddition reaction gamit ang usa ka UAM chemistry set-up. Pinaagi sa paggamit sa talagsaon nga mga kabtangan sa UAM ug padayon nga pagproseso sa pag-agos, ang aparato makahimo sa pag-catalyze sa nagpadayon nga mga reaksyon samtang naghatag usab og real-time nga feedback alang sa pagmonitor ug pag-optimize sa 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 yano nga organic molecule formation1 ngadto sa pharmaceutical compounds2,3 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 paggamit sa continuous flow processing7.
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 flow chemistry gamit ang mapasibo nga additive manufacturing (AM) chemistry nga "reaction vessels"8. Ang iterative design, paspas nga produksiyon, ug 3-dimensional (3D) nga mga kapabilidad niini nga mga teknik mapuslanon alang sa mga gusto nga ipasibo ang ilang mga aparato sa usa ka piho nga hugpong sa mga reaksyon, aparato, o 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 kalig-on 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 paglimite alang sa mas lapad nga pagpatuman sa AM niini nga natad17, 18, 19, 20.
Tungod sa nagkadaghang paggamit sa flow chemistry ug sa mga paborableng kabtangan nga nalangkit sa AM, adunay panginahanglan sa pagsuhid sa mas abante nga mga teknik nga makapahimo sa mga tiggamit sa paghimo og mga flow reaction vessel nga adunay gipauswag nga kemikal ug analitikal nga mga kapabilidad. Kini nga mga teknik kinahanglan nga makapahimo sa mga tiggamit sa pagpili gikan sa lain-laing mga lig-on o magamit nga mga materyales nga makahimo sa pagdumala sa lain-laing mga kondisyon sa reaksyon, samtang nagpadali usab sa lain-laing mga porma sa analitikal nga output gikan sa aparato aron tugotan ang pagmonitor ug pagkontrol sa reaksyon.
Usa ka proseso sa additive manufacturing nga adunay potensyal sa pagpalambo sa custom chemical reactors mao ang Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM). Kini nga solid-state sheet lamination technique naggamit og ultrasonic oscillations sa nipis nga metal foils aron idugtong kini layer by layer nga adunay gamay nga bulk 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 manufacturing, nga nailhan nga hybrid manufacturing process, diin ang in-situ periodic computer numerical control (CNC) milling o laser machining nagtino sa net nga porma sa usa ka layer sa bonded material 24, 25. Kini nagpasabot nga ang tiggamit dili limitado sa mga problema nga nalangkit sa pagtangtang sa residual raw build material gikan sa gagmay nga fluid channels, nga kasagaran mao ang kaso sa powder ug liquid AM systems26,27,28. Kini nga kagawasan sa disenyo naglakip usab sa mga kapilian sa materyal nga magamit - ang UAM mahimong mag-bonding sa thermally similar ug dissimilar nga mga kombinasyon sa materyal 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 panginahanglan sa piho nga mga aplikasyon mahimong mas matubag. Gawas pa sa solid state bonding, laing panghitabo Ang usa sa mga butang nga masugatan atol sa ultrasonic bonding mao ang taas nga pag-agos sa mga plastik nga materyales sa medyo ubos nga temperatura29,30,31,32,33. Kini nga talagsaon nga bahin sa UAM makapadali sa pag-embed sa mga mekanikal/thermal nga elemento taliwala sa mga layer sa metal nga walay kadaot. Ang mga naka-embed nga sensor sa UAM 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 integrated sensing capabilities. Kini usa ka monitoring only device. Kini nga papel nagpresentar sa unang ehemplo sa usa ka microfluidic chemical reactor nga gihimo sa UAM; usa ka aktibong device nga dili lamang nagmonitor apan nag-induce usab sa chemical synthesis pinaagi sa structurally integrated catalyst materials. Ang device naghiusa sa daghang mga bentaha nga nalangkit sa teknolohiya sa UAM sa paggama sa 3D chemical device, sama sa: ang abilidad sa pag-convert sa full 3D designs direkta gikan sa computer-aided design (CAD) models ngadto sa mga produkto; multi-material fabrication aron mahiusa ang taas nga thermal conductivity ug catalytic materials; ug pag-embed sa thermal sensors direkta tali sa mga reagent streams para sa tukma nga reaction temperature monitoring ug control. Aron ipakita ang functionality sa reactor, usa ka librarya sa pharmaceutically important 1,4-disubstituted 1,2,3-triazole compounds ang gi-synthesize sa copper-catalyzed Huisgen 1,3-dipolar cycloaddition. Kini nga trabaho nagpasiugda kung giunsa ang paggamit sa materials science ug computer-aided design makaabli sa bag-ong mga oportunidad ug posibilidad para sa chemistry pinaagi sa multidisciplinary research.
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 MHz ug 100 MHz, matag usa, nakuha gamit ang JEOL ECS-400 400 MHz spectrometer o Bruker Avance II 400 MHz spectrometer ug 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 pag-operate ug mga kalamboan sukad sa pag-imbento niini mahimong tun-an pinaagi sa mosunod nga mga gipatik nga materyales34,35,36,37. Ang aparato (Figure 1) gipatuman gamit ang usa ka ultra-high power, 9kW SonicLayer 4000® UAM system (Fabrisonic, OH, USA). Ang mga materyales nga gipili alang sa paghimo 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 alang sa mga reaksyon nga gi-catalyz sa tumbaga, ug busa gigamit isip usa ka "aktibo nga layer sulod sa usa ka microreactor. Ang Al 6061 O gigamit isip usa ka "bulk" nga materyal, gigamit usab ang Embedding layer alang sa pag-analisa; Ang alloy auxiliary component embedding ug annealed condition gihiusa sa Cu-110 layer. Ang Al 6061 O usa ka materyal nga napamatud-an nga compatible kaayo sa mga proseso sa UAM38, 39, 40, 41 ug nasulayan na ug nakitang lig-on sa kemikal gamit ang mga reagent nga gigamit niini nga trabaho. Ang kombinasyon sa Al 6061 O uban 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 pagtuon. 38,42 Kini nga mga aparato gilista sa Talaan 1 sa ubos.
Mga yugto sa paghimo sa reactor (1) Al 6061 substrate (2) Paghimo sa bottom channel nga gibutang sa copper foil (3) Pag-embed sa mga thermocouple taliwala sa mga layer (4) Top channel (5) Inlet ug outlet (6) Monolithic reactor.
Ang pilosopiya sa disenyo sa agianan sa pluwido mao ang paggamit og komplikado nga agianan aron madugangan ang distansya sa pagbiyahe sa pluwido sulod sa chip, samtang gipadayon ang gidak-on sa chip nga madumala. Kini nga pagtaas sa distansya gitinguha aron madugangan ang oras sa interaksyon sa catalyst/reagent ug makahatag og maayo kaayong abot sa produkto. Ang mga chip mogamit og 90° nga mga liko sa mga tumoy sa tul-id nga agianan aron maaghat ang turbulent mixing sulod sa device44 ug madugangan ang oras sa pagkontak sa pluwido sa nawong (catalyst). Aron madugangan pa ang pagsagol nga makab-ot, ang disenyo sa reactor adunay duha ka reagent inlets nga gihiusa sa Y-junction sa dili pa mosulod sa serpentine mixing section. Ang ikatulo nga agianan, nga nag-intersect sa sapa sa tunga-tunga sa residency niini, gilakip sa disenyo sa umaabot nga multistep reaction syntheses.
Ang tanang mga kanal adunay kwadrado nga profile (walay draft angles), ang resulta sa periodic CNC milling nga gigamit sa paghimo sa channel geometry. Ang mga dimensyon sa kanal gipili aron masiguro ang taas nga (para sa usa ka microreactor) nga volume output, samtang igo nga gamay aron mapadali ang mga interaksyon sa nawong (mga catalyst) alang sa kadaghanan sa mga pluwido nga anaa. Ang angay nga gidak-on gibase sa nangaging kasinatian sa mga tagsulat sa mga metal-fluidic device alang sa reaksyon. 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 integrated connector (1/4″—28 UNF thread) ang gilakip sa disenyo aron tugotan ang simple nga interfacing sa device uban sa komersyal nga kagamitan sa flow chemistry. Ang gidak-on sa kanal limitado sa gibag-on sa foil material, sa mekanikal nga mga kabtangan niini, ug sa mga bonding parameter nga gigamit sa ultrasonics. Sa usa ka piho nga gilapdon alang sa usa ka gihatag nga materyal, ang materyal "molubog" ngadto sa gibuhat nga kanal. Sa pagkakaron walay piho nga modelo alang niini nga kalkulasyon, mao nga ang pinakataas nga gilapdon sa kanal alang sa usa ka gihatag nga materyal ug disenyo gitino pinaagi sa eksperimento; sa kini nga kaso, ang gilapdon nga 750 μm dili hinungdan sa paglubog.
Ang porma (kuwadrado) sa kanal gitino pinaagi sa paggamit og square cutter. Ang porma ug gidak-on sa mga kanal mahimong usbon sa mga makina sa CNC gamit ang lain-laing mga himan sa pagputol aron makakuha og lain-laing mga rate sa pag-agos ug mga kinaiya. Usa ka pananglitan sa paghimo og kurbadong porma sa kanal gamit ang 125 μm nga himan makita sa buhat ni Monaghan45. Kung ang foil layer ideposito sa usa ka planar nga paagi, ang pagtabon sa foil nga materyal ibabaw sa mga kanal adunay patag (kuwadrado) nga pagkahuman. Niini nga buhat, aron mapadayon ang simetriya sa kanal, gigamit ang usa ka kuwadrado nga outline.
Atol sa usa ka pre-programmed nga paghunong sa paggama, ang mga thermocouple temperature probe (Type K) direktang gisulod sa sulod sa device taliwala sa ibabaw ug ubos nga mga grupo sa channel (Figure 1 – Stage 3). Kini nga mga thermocouple makamonitor sa mga pagbag-o sa temperatura gikan sa −200 ngadto sa 1350 °C.
Ang proseso sa pagdeposito sa metal gihimo pinaagi sa usa ka sungay sa UAM gamit ang 25.4 mm ang gilapdon, 150 micron ang gibag-on nga metal foil. Kini nga mga lut-od sa foil gihiusa ngadto sa usa ka serye sa magkatapad nga mga gilis aron matabonan ang tibuok nga lugar sa pagtukod; ang gidak-on sa gideposito nga materyal mas dako kay sa katapusang produkto tungod kay ang proseso sa subtractive nagpatungha sa katapusang pukot nga porma. Ang CNC machining gigamit sa pag-machine sa gawas ug internal nga mga contour sa kagamitan, nga moresulta sa usa ka surface finish sa kagamitan ug mga channel nga katumbas sa pinili nga himan ug mga parameter sa proseso sa CNC (gibana-bana nga 1.6 μm Ra niini nga pananglitan). Ang padayon, padayon nga ultrasonic material deposition 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 mga lebel sa katukma sa CNC finish milling. Ang gilapdon sa channel nga gigamit alang niini nga device igo nga gamay aron masiguro nga ang foil material dili "molubog" ngadto sa fluid channel, mao nga ang channel nagmintinar sa usa ka square cross-section. Ang posible nga mga kal-ang sa foil material ug mga parameter sa proseso sa UAM gitino sa eksperimento sa usa ka manufacturing partner (Fabrisonic LLC, USA).
Gipakita sa mga pagtuon nga gamay ra ang elemental diffusion nga mahitabo sa UAM bonding interface 46, 47 nga walay dugang nga thermal treatment, busa para sa mga device niini nga trabaho, ang Cu-110 layer nagpabilin nga lahi gikan sa Al 6061 layer ug kalit nga mausab.
Pag-instalar og pre-calibrated nga 250 psi (1724 kPa) back pressure regulator (BPR) sa outlet sa reactor ug ibomba ang tubig agi sa reactor sa rate nga 0.1 ngadto sa 1 mL/min. Ang pressure sa reactor gimonitor gamit ang FlowSyn built-in system pressure sensor aron mapamatud-an nga ang sistema makapadayon sa usa ka makanunayon nga makanunayon nga pressure. Ang potensyal nga temperature gradients sa tibuok flow reactor gisulayan pinaagi sa pag-ila sa bisan unsang kalainan tali sa mga thermocouple nga gisulod sulod sa reactor ug niadtong gisulod sulod sa FlowSyn chip heating plate. Kini makab-ot pinaagi sa pag-usab-usab sa programmable hotplate temperature tali sa 100 ug 150 °C sa 25 °C increments ug pag-nota sa bisan unsang kalainan tali sa programmed ug recorded nga temperatura. Kini nakab-ot gamit ang tc-08 data logger (PicoTech, Cambridge, UK) ug kaubang PicoLog software.
Ang mga kondisyon sa reaksyon sa cycloaddition sa phenylacetylene ug iodoethane gi-optimize (Scheme 1- Cycloaddition sa phenylacetylene ug iodoethane Scheme 1- Cycloaddition sa phenylacetylene ug iodoethane). Kini nga pag-optimize gihimo pinaagi sa usa ka hingpit nga factorial design of experiments (DOE) nga pamaagi, gamit ang temperatura ug oras sa pagpuyo isip variable parameters, samtang giayo 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 peak area ratio sa triazole product ngadto sa phenylacetylene starting material ug gitino pinaagi sa high performance liquid chromatography (HPLC). Alang sa pagkamakanunayon sa pag-analisa, ang tanang reaksyon gisample human dayon mobiya ang reaction mixture sa reactor. Ang mga parameter ranges nga gipili alang 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 × 100 mm ang gidak-on, 5 µm ang gidak-on sa partikulo, gimentinar sa 40 °C. Ang solvent kay isocratic 50:50 methanol:water 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 pag-inject sa starting material nagtugot sa pag-ila sa mga may kalabutan nga peaks.
Ang pagkonektar sa output sa reactor analysis ngadto sa MODDE DOE software (Umetrics, Malmö, Sweden) nagtugot sa usa ka hingpit nga pag-analisar sa mga uso sa resulta ug pagtino sa labing maayo nga mga kondisyon sa reaksyon alang niining cycloaddition. Ang pagpadagan sa built-in nga optimizer ug pagpili sa tanang importanteng termino sa modelo moresulta sa 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 starting material.
Ang oksihenasyon sa surface copper sulod sa catalytic reaction chamber nakab-ot gamit ang solusyon sa hydrogen peroxide (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 higayon nga mailhan ang usa ka labing maayo nga hugpong sa mga kondisyon, kini gigamit sa lainlaing mga acetylene ug haloalkane derivatives aron tugotan ang pagtipon sa usa ka gamay nga library synthesis, sa ingon nagtukod sa abilidad sa paggamit niini nga mga kondisyon sa mas lapad nga lainlaing mga potensyal nga reagents (Figure 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). 3 mL aliquots sa matag solusyon ang gisagol ug gibomba agi sa reactor sa 75 µL.min-1 ug 150 °C. Ang kinatibuk-ang volume gikolekta ngadto sa usa ka vial ug gi-dilute og 10 mL nga ethyl acetate. Ang sample solution gihugasan og 3 × 10 mL nga tubig. Ang aqueous layers gihiusa ug gikuha gamit ang 10 mL nga ethyl acetate; ang organic layers gihiusa dayon, gihugasan og 3 x 10 mL nga brine, gipauga sa MgSO4 ug gisala, dayon ang solvent gikuha sa vacuum. Ang mga sample giputli pinaagi sa column chromatography sa silica gel 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 resolution mass spectrometer nga adunay ESI isip ionization source. Ang tanang sample giandam gamit ang acetonitrile isip solvent.
Ang TLC analysis gihimo sa mga aluminum-backed silica plates. Ang mga plates gi-visualize pinaagi sa UV light (254 nm) o vanillin staining ug gipainit.
Ang tanang mga sample gisusi gamit ang usa ka VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) nga sistema nga adunay autosampler, column oven binary pump ug single wavelength detector. Ang column nga gigamit mao ang usa ka ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4.6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Scotland).
Ang mga ineksiyon (5 µL) gihimo direkta gikan sa diluted crude reaction mixture (1:10 dilution) ug gi-analisa gamit ang tubig:methanol (50:50 o 70:30), gawas sa pipila ka mga sample nga naggamit sa 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 pag-inject sa starting material nagtugot sa pag-ila sa mga may kalabutan nga 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 5% DMF ug 2% HNO3 solution, ug ang tanang mga sample gi-dilute og 20 ka pilo sa sample DMF-HNO3 solution.
Ang UAM naggamit og ultrasonic metal welding isip usa ka teknik sa pag-bonding para sa metal foil nga materyal nga gigamit sa pagtukod sa katapusang assembly. Ang ultrasonic metal welding naggamit og vibrating metal tool (gitawag og horn o ultrasonic horn) aron mag-apply og pressure sa foil layer/kanhi gi-consolidate nga layer nga i-bond samtang gi-vibrate ang materyal. Para sa padayon nga operasyon, ang sonotrode kay cylindrical ug moligid sa ibabaw sa materyal, nga mag-bonding sa tibuok nga lugar. Kung ang pressure ug vibration ipadapat, ang mga oxide sa ibabaw sa materyal mahimong mabuak. Ang padayon nga pressure ug vibration mahimong hinungdan sa pagkahugno sa materyal 36. Ang suod nga kontak sa lokal nga gipahinabo nga kainit ug pressure unya mosangpot sa solid-state bonding sa mga interface sa materyal; makatabang usab kini sa adhesion pinaagi sa mga pagbag-o sa surface energy 48. Ang kinaiya sa bonding mechanism nakabuntog sa daghang mga problema nga nalangkit sa variable melt temperature ug high temperature after-effects nga gihisgutan sa ubang additive manufacturing techniques. Gitugotan niini ang direktang bonding (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 UAM mao ang taas nga lebel sa pag-agos sa plastik nga naobserbahan sa mga metal nga materyales, bisan sa ubos nga temperatura, nga ubos kaayo sa melting point sa mga metal nga materyales. Ang kombinasyon sa ultrasonic oscillation ug pressure nag-induce sa taas nga lebel sa local grain boundary migration ug recrystallization nga walay dakong pagtaas sa temperatura nga tradisyonal nga nalangkit sa mga bulk nga materyales. Atol sa pagtukod sa final assembly, kini nga panghitabo mahimong magamit aron i-embed ang mga aktibo ug passive nga sangkap taliwala sa mga layer sa metal foil, layer by layer. Ang mga elemento sama sa optical fibers 49, reinforcements 46, electronics 50, ug thermocouples (kini nga trabaho) tanan malampuson nga na-embed sa mga istruktura sa UAM aron makahimo og aktibo ug passive composite assemblies.
Niini nga trabaho, ang lain-laing posibilidad sa material bonding ug intercalation sa UAM gigamit aron makamugna og ultimate catalytic temperature monitoring microreactor.
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 pagproseso sa kemikal (ii) Ang gilapdon sa mga reaksyon sa cross-coupling nga gi-catalyze sa Cu nagkadaghan ug daw medyo komplementaryo sa mga pamaagi nga nakabase 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 kanunay nga yano sa istruktura ug dili mahal kung gusto, samtang ang gigamit sa kemistri sa Pd kanunay nga komplikado, mahal, ug sensitibo sa hangin (iv) Cu, labi na nga nailhan tungod sa abilidad niini sa paggapos sa mga alkyne sa synthesis, Pananglitan, ang bimetallic-catalyzed Sonogashira coupling ug cycloaddition nga adunay azides (click chemistry) (v) Ang Cu makahimo usab sa pagpasiugda sa arylation sa daghang mga nucleophile sa mga reaksyon nga tipo sa Ullmann.
Ang mga ehemplo sa heterogenization sa tanan niining mga reaksyon bag-o lang gipakita sa presensya sa Cu(0). Kini tungod sa industriya sa parmasyutiko ug sa nagkadako nga pokus sa pagbawi ug paggamit pag-usab sa metal catalyst55,56.
Gipangunahan ni Huisgen niadtong dekada 196057, ang 1,3-dipolar cycloaddition reaction tali sa acetylene ug azide ngadto sa 1,2,3-triazole giisip nga usa ka synergistic demonstration reaction. Ang resulta nga 1,2,3 triazole moieties adunay partikular nga interes isip pharmacophore sa natad sa drug discovery tungod sa ilang biological nga mga aplikasyon ug paggamit sa lain-laing mga therapeutic agents58.
Kini nga reaksyon nahimong sentro sa atensyon pag-usab 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, kasaligan, ug mapilion nga hugpong sa mga reaksyon alang sa paspas nga sintesis sa bag-ong mga compound ug combinatorial libraries pinaagi sa heteroatom linkage (CXC)60 Ang sintetikong pagdani niini nga mga reaksyon naggikan sa ilang kaubang taas nga ani, yano nga mga kondisyon sa reaksyon, resistensya sa oxygen ug tubig, ug yano nga pagbulag sa produkto61.
Ang klasikal nga Huisgen 1,3-dipole cycloaddition wala nahisakop sa kategorya sa "click chemistry". Bisan pa, gipakita ni Medal ug Sharpless nga kini nga azide-alkyne coupling event moagi sa 107 hangtod 108 sa presensya sa Cu(I) kon itandi sa wala ma-catalyzed nga 1,3-dipolar cycloaddition 62,63 nga significant rate acceleration. Kini nga gipauswag nga mekanismo sa reaksyon wala magkinahanglan og mga grupo nga nagpanalipod o grabe nga mga kondisyon sa reaksyon ug naghatag og hapit kompleto nga pagkakabig ug selectivity ngadto sa 1,4-disubstituted 1,2,3-triazoles (anti-1,2,3-triazole) sa usa ka time scale (Figure 3).
Isometric nga mga resulta 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 og 1,4- ug 1,5-triazoles 1:1 nga sagol sa mga stereoisomer sa mga azole.
Kadaghanan sa mga protocol naglambigit sa pagkunhod sa lig-on nga mga tinubdan sa Cu(II), sama sa pagkunhod sa CuSO4 o Cu(II)/Cu(0) nga mga espisye nga gikombinar uban sa sodium salts. Kon itandi sa ubang mga reaksiyon nga gi-catalyze sa metal, ang paggamit sa Cu(I) adunay dakong bentaha nga barato ug dali gamiton.
Ang mga pagtuon sa kinetic ug isotopic labelling 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 ngadto 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 triazolyl tumbaga naporma pinaagi sa pag-urong sa singsing, gisundan sa proton decomposition aron makahatag og mga produkto sa triazole ug masirado ang catalytic cycle.
Samtang ang mga benepisyo sa mga aparato sa flow chemistry maayo nga nadokumento, adunay tinguha nga i-integrate ang mga himan sa pag-analisa niini nga mga sistema alang sa in-line, in-situ, nga pagmonitor sa proseso66,67. Ang UAM napamatud-an nga usa ka angay nga pamaagi alang sa pagdesinyo ug paghimo og mga komplikado kaayo nga 3D flow reactor nga hinimo sa catalytically active, thermally conductive nga mga materyales nga adunay direktang naka-embed nga mga elemento sa sensing (Figure 4).
Usa ka aluminum-copper flow reactor nga gihimo gamit ang ultrasonic additive manufacturing (UAM) nga adunay komplikado nga internal channel structure, embedded thermocouples ug catalytic reaction chamber. Aron makita ang internal fluid pathways, gipakita usab ang usa ka transparent prototype nga gihimo gamit ang stereolithography.
Aron masiguro nga ang mga reactor magama alang sa umaabot nga mga organikong reaksyon, ang mga solvent kinahanglan nga luwas nga ipainit labaw sa 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 pa sa pagtaas sa presyur sa sistema (1.7 MPa). Ang hydrostatic test gihimo sa temperatura sa kwarto gamit ang H2O isip pluwido.
Ang pagkonektar sa naka-embed (Figure 1) nga thermocouple ngadto sa temperature data logger nagpakita nga ang thermocouple mas bugnaw og 6 °C (± 1 °C) kay sa giprogramang temperatura sa FlowSyn system. Kasagaran, ang 10 °C nga pagtaas sa temperatura moresulta sa pagdoble 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 lawas sa reactor tungod sa taas nga thermal diffusivity sa mga materyales nga gigamit sa proseso sa paggama. Kini nga thermal drift makanunayon ug busa mahimong maisip sa pag-setup 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 nagpadali sa mas tukma nga pag-optimize sa proseso ug pagpalambo sa labing maayo nga mga kondisyon. Kini nga mga sensor mahimo usab nga gamiton sa pag-ila sa mga reaction exotherms ug pagpugong sa mga runaway reaction sa mga dagkong sistema.
Ang reactor nga gipresentar niini nga trabaho 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 Gireport nga mga problema nga may kalabutan sa pagproseso sa tumbaga o aluminum alloy (ii) gipauswag nga internal channel resolution kon itandi sa mga teknik sa powder bed fusion (PBF) sama sa selective laser melting (SLM)25,69 Dili maayo nga pag-agos sa materyal ug bagis nga texture sa nawong26 (iii) Mikunhod nga temperatura sa pagproseso, nga nagpadali sa direktang pagbugkos sa mga sensor, nga dili mahimo sa teknolohiya sa powder bed, (v) nakabuntog 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 alkyne azide cycloaddition reactions ubos sa continuous flow conditions (Fig. 2). Ang ultrasonic-printed copper reactor nga detalyado sa Figure 4 gi-integrate sa usa ka commercial flow system ug gigamit sa pag-synthesize sa library azides sa lain-laing 1,4-disubstituted 1,2,3-triazoles pinaagi sa temperature-controlled reaction sa acetylene ug alkyl groups halides sa presensya sa sodium chloride (Figure 3). Ang paggamit sa continuous flow approach makapamenos sa mga kabalaka sa kaluwasan nga mahimong motumaw sa mga batch processes, tungod kay kini nga reaksyon nagpatunghag 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 Figure 5).
(Ibabaw nga wala) Eskematiko sa setup nga gigamit sa paglakip sa 3DP reactor ngadto sa flow system (ibabaw nga tuo) nga nakuha sa optimized (ubos) nga scheme sa Huisgen cycloaddition 57 scheme tali sa phenylacetylene ug iodoethane para sa optimization ug pagpakita sa optimized parameters reaction conversion rate.
Pinaagi sa pagkontrol sa oras sa pagpuyo sa mga reagent sa catalytic nga bahin sa reactor ug hugot nga pagmonitor sa temperatura sa reaksyon gamit ang direktang integrated thermocouple probe, ang mga kondisyon sa reaksyon mahimong ma-optimize dayon ug tukma nga adunay gamay nga oras ug konsumo sa materyal. Dali nga natino nga ang labing taas nga mga pagkakabig nakuha sa dihang gigamit ang oras sa pagpuyo nga 15 minuto ug temperatura sa reaksyon nga 150 °C. Gikan sa coefficient plot sa MODDE software, makita nga ang oras sa pagpuyo ug temperatura sa reaksyon giisip nga hinungdanon nga mga termino sa modelo. Ang pagpadagan sa built-in nga optimizer gamit kini nga mga pinili nga termino makamugna 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 hapit parehas sa prediksyon sa modelo nga 54%.
Base sa literatura nga nagpakita nga ang copper(I) oxide (Cu2O) mahimong molihok isip epektibo nga catalytic species sa zero-valent copper surfaces niini nga mga reaksyon, ang abilidad sa pag-pre-oxidize sa reactor surface sa dili pa ipadayon ang reaksyon sa flow gisusi70,71. Ang reaksyon tali sa phenylacetylene ug iodoethane gihimo pag-usab ubos sa optimal nga mga kondisyon ug ang mga ani gitandi. Naobserbahan nga kini nga pagpangandam miresulta sa usa ka hinungdanon nga pagtaas sa pagkakabig sa starting material, nga gikalkulo nga >99%. Bisan pa, ang pagmonitor sa HPLC nagpakita nga kini nga pagkakabig mikunhod pag-ayo sa sobra nga taas nga oras sa reaksyon hangtod sa gibana-bana nga 90 minuto, diin ang kalihokan daw nag-level off ug nakaabot sa usa ka "steady state". Kini nga obserbasyon nagsugyot nga ang tinubdan sa catalytic activity nakuha gikan sa surface copper oxide imbes sa zero-valent copper substrate. Ang Cu metal dali nga ma-oxidize sa temperatura sa kwarto aron maporma ang CuO ug Cu2O nga dili self-protective layers. Kini nagwagtang sa panginahanglan sa pagdugang og auxiliary copper(II) source para sa co-composition71.