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A fabricazione additiva cambia u modu chì i ricercatori è l'industriali cuncepiscenu è fabricanu apparecchi chimichi per risponde à i so bisogni specifichi.In questu documentu, rappurtamu u primu esempiu di un reattore di flussu furmatu da a laminazione di fabricazione additiva ultrasonica (UAM) di una lamina di metallo solidu cù parti catalitiche direttamente integrate è elementi sensing.A tecnulugia UAM ùn solu supera assai di e limitazioni attualmente assuciate à a fabricazione additiva di reattori chimichi, ma ancu espansione assai e capacità di tali dispositi.Un numeru di cumposti 1,2,3-triazole 1,4-disubstituted biologicamente impurtanti sò stati sintetizzati è ottimizzati cù successu da una reazione di cicloaddizione Huisgen 1,3-dipolar mediata da Cu utilizendu a facilità di chimica UAM.Utilizendu e proprietà uniche di UAM è u processu di flussu cuntinuu, u dispusitivu hè capaci di catalizà e reazzioni in corso è di furnisce un feedback in tempu reale per monitorizà è ottimisà e reazzioni.
A causa di i so vantaghji significativi annantu à a so contraparte in massa, a chimica di flussu hè un campu impurtante è crescente in ambienti accademichi è industriali per via di a so capacità di aumentà a selettività è l'efficienza di a sintesi chimica.Questu si estende da a furmazione di molécule organiche simplici1 à composti farmaceutici2,3 è prudutti naturali4,5,6.Più di 50% di e reazzioni in l'industria chimica fina è farmaceutica ponu prufittà di u flussu continuu7.
In l'ultimi anni, ci hè stata una tendenza crescente di gruppi chì cercanu di rimpiazzà l'attrezzatura di vetru tradiziunale o l'equipaggiu di chimica di flussu cù "reattori" chimichi adattabili8.U disignu iterativu, a fabricazione rapida è e capacità tridimensionali (3D) di sti metudi sò utili per quelli chì volenu persunalizà i so dispositi per un settore particulari di reazzioni, dispusitivi o cundizioni.Finu a data, stu travagliu hà cuncentratu quasi esclusivamente in l'usu di tecniche di stampa 3D basate in polimeri cum'è stereolitografia (SL) 9,10,11, Fused Deposition Modeling (FDM)8,12,13,14 è stampa inkjet7,15., 16. A mancanza di affidabilità è capacità di tali dispusitivi per realizà una larga gamma di reazzioni / analisi chimichi17, 18, 19, 20 hè un fattore limitante maiò per l'applicazione più larga di AM in questu campu17, 18, 19, 20.
A causa di l'usu crescente di a chimica di u flussu è di e proprietà favurevuli assuciate à l'AM, tecniche megliu deve esse esplorate chì permettenu à l'utilizatori di fabricà vasi di reazzione di flussu cù una chimica è capacità analitiche mejorate.Questi metudi duveranu permette à l'utilizatori di selezziunà da una gamma di materiali d'alta forza o funziunali capaci di operare in una larga gamma di cundizioni di reazione, è ancu di facilità diverse forme di output analiticu da u dispusitivu per attivà u monitoraghju è u cuntrollu di a reazione.
Un prucessu di fabricazione additivu chì pò esse usatu per sviluppà reattori chimichi persunalizati hè Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM).Stu metudu di laminazione di foglia di u solidu applica vibrazioni ultrasoniche à fogli di metalli sottili per ligà strati per strati cù un riscaldamentu volumetricu minimu è un altu gradu di flussu plasticu 21, 22, 23. A cuntrariu di a maiò parte di l'altri tecnulugia AM, UAM pò esse integrata direttamente cù a produzzione sottrattiva, cunnisciuta cum'è un prucessu di fabricazione ibrida, in quale u cuntrollu periodicu in-situ di forma numerica (laser) determina a forma di mulinatura di u laser. materiale 24, 25. Questu significa chì l'utilizatore ùn hè micca limitatu à i prublemi assuciati cù a rimuzione di u materiale di custruzzione originale residuale da i picculi canali di liquidu, chì hè spessu u casu in i sistemi di polvere è liquidu AM26,27,28.Sta libertà di disignu si estende ancu à l'scelta di materiali dispunibili - UAM pò unisce combinazioni di materiali termicamente simili è dissimili in un unicu passu di prucessu.L'scelta di cumminazzioni di materiale oltre u prucessu di fusione significa chì i requisiti meccanichi è chimichi di applicazioni specifiche ponu esse megliu cumpletu.In più di u ligame solidu, un altru fenomenu chì si trova cù u ligame ultrasonicu hè l'alta fluidità di i materiali plastichi à temperature relativamente bassu29,30,31,32,33.Questa caratteristica unica di UAM permette à elementi meccanichi / termichi di esse piazzati trà strati di metalli senza danni.I sensori UAM integrati ponu facilità a consegna di informazioni in tempu reale da u dispositivu à l'utilizatori per mezu di analitiche integrate.
U travagliu precedente di l'autori32 hà dimustratu a capacità di u prucessu UAM per creà strutture metalliche 3D microfluidiche cù capacità di sensazione integrate.Stu dispusitivu hè solu per scopi di surviglianza.Questu articulu presenta u primu esempiu di un reactore chimicu microfluidic fabricatu da UAM, un dispositivu attivu chì ùn solu cuntrolla, ma ancu induce a sintesi chimica cù materiali catalitici strutturalmente integrati.U dispusitivu combina parechji vantaghji assuciati cù a tecnulugia UAM in a fabricazione di apparecchi chimichi 3D, cum'è: a capacità di cunvertisce un disignu 3D cumpletu direttamente da un mudellu di cuncepimentu assistitu da computer (CAD) in un pruduttu;fabbricazione multi-materiale per una cumminazione di alta conduttività termale è materiali catalitici, è ancu sensori termali incrustati direttamente trà i flussi di reagenti per un cuntrollu precisu è gestione di a temperatura di reazione.Per dimustrà a funziunalità di u reattore, una biblioteca di cumposti di 1,2,3-triazole disubstituted 1,4-disubstituted d'impurtanza farmaceutica hè stata sintetizzata da a cicloaddizione di Huisgen 1,3-dipolar catalizzata in rame.Stu travagliu mette in risaltu cumu l'usu di a scienza di i materiali è u cuncepimentu assistitu da l'informatica ponu apre novi pussibulità è opportunità per a chimica attraversu a ricerca interdisciplinaria.
Tutti i solventi è i reagenti sò stati acquistati da Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI, o Fischer Scientific è utilizati senza purificazione previa.I spettri 1H è 13C NMR registrati à 400 è 100 MHz, rispettivamente, sò stati ottenuti nantu à un spettrometru JEOL ECS-400 400 MHz o un spettrometru Bruker Avance II 400 MHz cù CDCl3 o (CD3) 2SO cum'è solvente.Tutte e reazioni sò state realizate cù a piattaforma di chimica di flussu Uniqsis FlowSyn.
UAM hè stata utilizata per fabricà tutti i dispositi in stu studiu.A tecnulugia hè stata inventata in u 1999 è i so dettagli tecnichi, i paràmetri di u funziunamentu è i sviluppi dapoi a so invenzione pò esse studiata cù i seguenti materiali publicati34,35,36,37.U dispusitivu (Fig. 1) hè stata implementata cù un sistema SonicLayer 4000® UAM di 9 kW (Fabrisonic, Ohio, USA).I materiali scelti per u dispusitivu di flussu eranu Cu-110 è Al 6061. Cu-110 hà un altu cuntenutu di ramu (minimu 99,9% di ramu), facendu un bon candidatu per reazzione catalizzata di ramu è hè dunque utilizatu com'è "layer attivu in u microreactor".Al 6061 O hè usatu cum'è u materiale "masse"., è ancu a strata di intercalazione utilizata per l'analisi;intercalation di cumpunenti di lega ausiliari è statu annealed in cumminazzioni cù u stratu Cu-110.truvata per esse chimicamente stabile cù i reagenti utilizati in stu travagliu.Al 6061 O in cumbinazione cù Cu-110 hè ancu cunsideratu cum'è una combinazione di materiale cumpatibile per UAM è hè dunque un materiale adattatu per stu studiu38,42.Sti dispusitivi sò listati in Table 1 sottu.
Passi di fabricazione di u reattore (1) Sustrato di lega d'aluminiu 6061 (2) Fabricazione di u canali inferjuri da foglia di rame (3) Inserzione di termocoppie trà strati (4) Canale superiore (5) Ingressu è uscita (6) Reattore monoliticu.
A filosofia di cuncepimentu di u canali di fluidu hè di utilizà una strada tortuosa per aumentà a distanza percorsa da u fluidu in u chip mantenendu una dimensione di chip maneggevole.Stu aumentu di a distanza hè desideratu per aumentà u tempu di cuntattu catalyseur-reactant è furnisce un rendimentu eccellente di u produttu.I chips utilizanu curve di 90 ° à l'estremità di una strada dritta per induce un mischju turbulente in u dispusitivu44 è aumentanu u tempu di cuntattu di u liquidu cù a superficia (catalizzatore).Per rinfurzà ancu u mischju chì pò esse ottenutu, u disignu di u reattore include dui ingressi di reagenti cumminati in una cunnessione Y prima di entre in a sezione di a bobina di mistura.A terza entrata, chì attraversa u flussu à mezu à a so residenza, hè inclusa in u pianu per e reazzioni di sintesi multi-stadi futuri.
Tutti i canali anu un prufilu quadratu (senza anguli di taper), chì hè u risultatu di a fresatura CNC periodica utilizata per creà a geometria di u canali.E dimensioni di u canali sò scelti per furnisce un rendimentu volumetricu altu (per un microreactor), ma abbastanza chjucu per facilità l'interazzione cù a superficia (catalizatori) per a maiò parte di i liquidi chì cuntene.A taglia apprupriata hè basatu annantu à l'esperienza passata di l'autori cù i dispositi di reazzione metalli-liquidu.E dimensioni interne di u canali finali eranu 750 µm x 750 µm è u voluminu tutale di u reattore era 1 ml.Un connettore integratu (filu 1/4 "-28 UNF) hè inclusu in u disignu per permette una interfaccia faciule di u dispusitivu cù l'equipaggiu di chimica di flussu cummerciale.A dimensione di u canali hè limitata da u grossu di u materiale di foil, e so proprietà meccaniche, è i paràmetri di ligame utilizati cù ultrasonici.À una certa larghezza per u materiale datu, u materiale "sag" in u canali creatu.Attualmente ùn ci hè micca un mudellu specificu per stu calculu, cusì a larghezza massima di u canali per un materiale è u disignu determinatu hè determinata sperimentalmente, in quale casu una larghezza di 750 µm ùn pruvucarà micca sag.
A forma (square) di u canali hè determinata cù un cutter quadru.A forma è a dimensione di i canali ponu esse cambiate nantu à e macchine CNC chì utilizanu diversi strumenti di taglio per ottene diverse velocità di flussu è caratteristiche.Un esempiu di creazione di un canale curvo cù un strumentu di 125 µm pò esse truvatu in Monaghan45.Quandu a strata di foil hè appiicata pianu, l'applicazione di u materiale di foil à i canali avarà una superficia plana (quadrata).In questu travagliu, un contornu quadru hè stata utilizata per priservà a simetria di u canali.
Duranti una pausa programata in a pruduzzione, i sensori di temperatura di termocoppiu (tipu K) sò custruiti direttamente in u dispusitivu trà i gruppi di canali superiore è inferiore (Fig. 1 - stage 3).Queste termocoppie ponu cuntrullà i cambiamenti di temperatura da -200 à 1350 ° C.
U prucessu di depositu di metallu hè realizatu da u cornu UAM cù un fogliu di metallu di 25,4 mm di larghezza è 150 microns di grossu.Questi strati di foil sò cunnessi in una seria di strisce adiacenti per copre tutta l'area di custruzzione;a dimensione di u materiale dipositu hè più grande di u pruduttu finali chì u prucessu di sottrazione crea a forma pulita finale.A machining CNC hè aduprata per machinà i contorni esterni è internu di l'equipaggiu, risultannu in una finitura di a superficia di l'equipaggiu è di i canali chì currispondenu à l'uttellu sceltu è à i paràmetri di prucessu CNC (in questu esempiu, circa 1,6 µm Ra).I cicli di spruzzatura è di lavorazione di materiale ultrasonicu cuntinuu è cuntinuu sò usati in tuttu u prucessu di fabricazione di u dispusitivu per assicurà a precisione dimensionale hè mantinuta è a parte finita risponde à i livelli di precisione di fresatura fine CNC.A larghezza di u canale utilizatu per stu dispusitivu hè abbastanza chjuca per assicurà chì u materiale di foil ùn "sag" in u canali di fluidu, cusì u canali hà una sezione trasversale quadrata.Possibili lacune in u materiale di foil è i paràmetri di u prucessu UAM sò stati determinati sperimentalmente da u cumpagnu di fabricazione (Fabrisonic LLC, USA).
I studii anu dimustratu chì à l'interfaccia 46, 47 di u compostu UAM ci hè pocu diffusione di elementi senza trattamentu termale supplementu, cusì per i dispusitivi in ​​questu travagliu a capa Cu-110 ferma diversa da a capa Al 6061 è cambia dramaticamente.
Installa un regulatore di contrapressione pre-calibratu (BPR) à 250 psi (1724 kPa) in aval di u reattore è pompa l'acqua attraversu u reattore à un ritmu di 0,1 à 1 ml min-1.A pressione di u reattore hè stata monitorata cù u trasduttore di pressione FlowSyn integratu in u sistema per assicurà chì u sistema puderia mantene una pressione constantemente constante.I gradienti di temperatura potenziale in u reattore di flussu sò stati pruvati cerchendu ogni diffarenza trà i termocoppii integrati in u reattore è i termocoppii integrati in a piastra di riscaldamentu di u chip FlowSyn.Questu hè ottenutu da cambià a temperatura di a piastra programata trà 100 è 150 °C in incrementi di 25 °C è monitorendu ogni differenza trà e temperature programate è registrate.Questu hè stata ottenuta cù u data logger tc-08 (PicoTech, Cambridge, UK) è u software PicoLog accumpagnatu.
E cundizioni per a reazione di cicloaddizione di fenilacetilene è iodoetanu sò ottimizzati (Scheme 1-Cycloaddition of phenylacetylene and iodoethane, Scheme 1-Cycloaddition of phenylacetylene and iodoethane).Questa ottimisazione hè stata realizata utilizendu un approcciu cumpletu di cuncepimentu fattoriale di esperimenti (DOE), utilizendu a temperatura è u tempu di residenza cum'è variàbili mentre fissava u rapportu alcinu: azide à 1: 2.
Soluzioni separati di sodium azide (0.25 M, 4: 1 DMF: H2O), iodoethane (0.25 M, DMF) è phenylacetylene (0.125 M, DMF) sò stati preparati.Una aliquota di 1,5 ml di ogni suluzione hè stata mischjata è pumped through the reactor à u flussu è a temperatura desiderate.A risposta di u mudellu hè stata presa cum'è u rapportu di l'area di punta di u pruduttu triazole à u materiale di partenza di fenilacetilene è hè stata determinata cù cromatografia liquida d'alta prestazione (HPLC).Per a cunsistenza di l'analisi, tutte e reazzione sò state pigliate immediatamente dopu chì a mistura di reazzione abbandunò u reactor.I intervalli di parametri selezziunati per l'ottimisazione sò mostrati in a Tabella 2.
Tutti i campioni sò stati analizati utilizendu un sistema Chromaster HPLC (VWR, PA, USA) custituitu da una pompa quaternaria, un fornu di colonna, un detector UV di lunghezza d'onda variabile è un autosampler.La colonna era un Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA), 4,6 x 100 mm, 5 µm di granulometria, mantenuta a 40°C.U solvente era metanol isocraticu: acqua 50:50 à un flussu di 1,5 ml·min-1.Il volume d'iniezione era 5 μl e la lunghezza d'onda del rivelatore era 254 nm.U % di l'area di punta per u campione DOE hè stata calculata da e zone di punta di i prudutti residuali di l'alchini è di i triazoli solu.L'intruduzioni di u materiale di partenza permette di identificà i cimi currispundenti.
Cumminendu i risultati di l'analisi di u reattore cù u software MODDE DOE (Umetrics, Malmö, Svezia) hà permessu un'analisi di tendenza approfondita di i risultati è a determinazione di e cundizioni ottimali di reazione per questa cicloaddizione.Eseguisce l'ottimisatore integratu è selezziunate tutti i termini impurtanti di u mudellu crea un inseme di cundizioni di reazione pensate per maximizà l'area di punta di u pruduttu mentre diminuite l'area di punta per a materia prima di acetilene.
L'ossidazione di a superficia di ramu in a camera di reazzione catalitica hè stata ottenuta utilizendu una suluzione di perossu di l'idrogenu (36%) chì scorri à traversu a camera di reazzione (flussu = 0,4 ml min-1, tempu di residenza = 2,5 min) prima di a sintesi di ogni compostu triazole.biblioteca.
Una volta chì u settore ottimali di e cundizioni sò stati determinati, sò stati appiicati à una varietà di derivati ​​di acetilene è haloalkane per permette a compilazione di una piccula biblioteca di sintesi, stabilendu cusì a pussibilità di applicà sti cundizioni à una gamma più larga di reagenti potenziali (Fig. 1).2).
Preparate solu suluzione di sodium azide (0,25 M, 4:1 DMF: H2O), haloalkanes (0,25 M, DMF) è alchini (0,125 M, DMF).Aliquote di 3 ml di ogni suluzione sò stati mischiati è pompati attraversu u reattore à una velocità di 75 µl/min è una temperatura di 150 ° C.U voluminu tutale hè cullatu in un vial è diluted with 10 ml of ethyl acetate.A suluzione di mostra hè stata lavata cù 3 x 10 ml d'acqua.I strati aqueous sò stati cumminati è estratti cù 10 ml d'acetate d'etile, dopu i strati organici sò stati cumminati, lavati cù 3 × 10 ml di salmuera, siccati nantu à MgSO 4 è filtrati, dopu u solvente hè statu eliminatu in vacuo.I campioni sò stati purificati da cromatografia di colonna di gel di silice utilizendu acetato di etile prima di l'analisi da una cumminazione di HPLC, 1H NMR, 13C NMR è spettrometria di massa d'alta risoluzione (HR-MS).
Tutti i spettri sò stati ottenuti cù un spettrometru di massa Thermofischer Precision Orbitrap cù ESI cum'è a fonte di ionizazione.Tutti i campioni sò stati preparati cù acetonitrile cum'è solvente.
L'analisi TLC hè stata realizata nantu à platti di silice cù un sustrato d'aluminiu.I platti sò stati visualizati cù luce UV (254 nm) o vanillin staining and heating.
Tutti i campioni sò stati analizati cù un sistema VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) equipatu di un autosampler, una pompa binaria cù un fornu di colonna è un detector di lunghezza d'onda unica.Hè stata aduprata una colonna ACE Equivalence 5 C18 (150 x 4.6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Scotland).
L'iniezioni (5 µl) sò state fatte direttamente da a mistura di reazzione cruda diluita (diluzione 1:10) è analizate cù acqua: metanolu (50:50 o 70:30), eccettu per certi campioni chì utilizanu un sistema di solvente 70:30 (indicatu cum'è numeru stella) à un flussu di 1,5 ml/min.A colonna hè stata mantenuta à 40 ° C.A lunghezza d'onda di u detector hè 254 nm.
U % di l'area di punta di a mostra hè stata calculata da l'area di punta di l'alcinu residuale, solu u pruduttu triazole, è l'intruduzione di u materiale di partenza hà permessu di identificà i picchi currispundenti.
Tutti i campioni sò stati analizati cù Thermo iCAP 6000 ICP-OES.Tutti i standard di calibrazione sò stati preparati cù una soluzione standard di 1000 ppm Cu in 2% d'acidu nitricu (SPEX Certi Prep).Tutti i normi sò stati preparati in una suluzione di 5% DMF è 2% HNO3, è tutti i campioni sò stati diluiti 20 volte cù una suluzione di mostra di DMF-HNO3.
UAM usa a saldatura ultrasonica di metallu cum'è un metudu di unisce a lamina di metallu utilizata per creà l'assemblea finali.A saldatura di metallu ultrasonicu usa un strumentu metallicu vibrante (chjamatu cornu o cornu ultrasonicu) per applicà pressione à a foglia / strata cunsulidata prima per esse ligata / cunsulidata prima vibrendu u materiale.Per u funziunamentu cuntinuu, u sonotrode hà una forma cilindrica è rotulà nantu à a superficia di u materiale, gluing tutta l'area.Quandu a pressione è a vibrazione sò appiicati, l'ossidi nantu à a superficia di u materiale ponu crack.A pressione constante è a vibrazione pò purtà à a distruzzione di a rugosità di u materiale 36 .U cuntattu strettu cù u calore è a pressione lucalizata porta à un ligame di fase solida à l'interfaccia di materiale;pò ancu prumove a cuesione cambiendu l'energia di a superficia48.A natura di u mecanismu di ligame supera parechji di i prublemi assuciati cù a temperatura di fusione variabile è l'effetti di l'alta temperatura citati in altre tecnulugia di fabricazione additiva.Questu permette a cunnessione diretta (vale à dì senza mudificazione di a superficia, riempitivi o adesivi) di parechji strati di materiali diffirenti in una sola struttura cunsulidata.
U sicondu fattore favurevule per a CAM hè l'altu gradu di flussu plasticu osservatu in i materiali metallichi ancu à e basse temperature, vale à dì assai sottu à u puntu di fusione di i materiali metallici.A cumminazzioni di vibrazioni ultrasoniche è pressione provoca un altu livellu di migrazione di frontiere di granu lucale è recristallizazione senza l'aumentu di temperatura significativu tradiziunale assuciatu cù materiali in massa.Durante a creazione di l'assemblea finali, stu fenomenu pò esse usatu per incrustà cumpunenti attivi è passivi trà strati di foglia di metallu, strati per strati.Elementi cum'è a fibra ottica 49, rinforzu 46, l'elettronica 50 è i termocoppi (stu travagliu) sò stati integrati cù successu in strutture UAM per creà assemblei composti attivi è passivi.
In questu travagliu, sia e diverse capacità di legame di materiale è capacità di intercalazione UAM sò state aduprate per creà un microreattore ideale per u cuntrollu di a temperatura catalitica.
Rispetto al palladio (Pd) e altri catalizzatori metallici comunemente usati, la catalisi di Cu presenta diversi vantaggi: (i) Economicamente, Cu è più economico di molti altri metalli usati in catalisi ed è dunque un'opzione attraente per l'industria chimica (ii) l'intervallo di reazioni di accoppiamento incrociato catalizzate da Cu si sta espandendo e sembra essere in qualche modo complementare a metodologie basate su Pd. reazzioni zed funziona bè in l'absenza di altri ligands.Questi ligandi sò spessu strutturalmente simplici è prezzu.se vulete, mentri quelli chì sò usati in Pd chimica sò spessu cumplessu, caru, è aria sensitiva (iv) Cu, soprattuttu cunnisciutu per a so capacità di legà alkynes in sintesi, cum'è l'accoppiamentu catalysed bimetallic di Sonogashira è cycloaddition cù azidi (cliccate chimica) (v) Cu pò ancu prumove l'arylation di qualchi nucleo-philacy retypes.
Recentemente, sò stati dimustrati esempi di heterogenizazione di tutte queste reazzioni in presenza di Cu(0).Questu hè in gran parte dovutu à l'industria farmaceutica è u focusu crescente nantu à a ricuperazione è a riutilizazione di catalizzatori metallici55,56.
A reazione di cicloaddizione 1,3-dipolar trà l'acetilene è l'azide à 1,2,3-triazole, pruposta per a prima volta da Huisgen in l'anni 196057, hè cunsiderata cum'è una reazione di manifestazione sinergica.I frammenti di triazole 1,2,3 resultanti sò d'interessu particulari cum'è farmacoforu in a scuperta di droga per via di e so applicazioni biologiche è l'usu in diversi agenti terapèuti 58 .
Sta reazione hà ricivutu una nova attenzione quandu Sharpless è altri anu introduttu u cuncettu di "click chemistry"59.U terminu "chimica di clic" hè utilizatu per discrìviri un inseme robustu è selettivu di reazzioni per a sintesi rapida di novi composti è biblioteche combinatori chì utilizanu ligame eteroatomicu (CXC)60.L'appellu sinteticu di sti reazzioni hè duvuta à l'alti rendimenti assuciati cun elli.e cundizioni sò simplici, resistenza à l'ossigenu è l'acqua, è a separazione di u produttu hè simplice61.
A cicloaddizione classica di 1,3-dipole Huisgen ùn hè micca in a categuria "cliccate chimica".Tuttavia, Medal and Sharpless hà dimustratu chì questu avvenimentu di accoppiamentu azide-alkyne subisce 107-108 in presenza di Cu (I) cumparatu cù una accelerazione significativa in a rata di cicloaddizione 1,3-dipolar non catalitica 62,63.Stu mekanismu di reazzione avanzata ùn deve micca bisognu di gruppi di prutezzione o cundizioni di reazzione dura è furnisce a cunversione quasi cumpleta è a selettività à 1,2,3-triazoles disubstituted 1,4 (anti-1,2,3-triazoles) cù u tempu (Fig. 3).
I risultati isometrici di cicloaddizioni Huisgen convenzionali è catalizzate da rame.Le cicloaddizioni di Huisgen catalizzate da Cu(I) danno solo 1,2,3-triazoli disubstituiti 1,4, mentre le cicloaddizioni di Huisgen indotte termicamente danno tipicamente 1,4- e 1,5-triazoli una miscela 1:1 di stereoisomeri azolici.
A maiò parte di i protokolli implicanu a riduzzione di fonti stabili di Cu(II), cum'è a riduzzione di CuSO4 o u compostu Cu(II)/Cu(0) in cumbinazioni cù i sali di sodiu.Comparatu à l'altri reazzioni catalysate di metalli, l'usu di Cu(I) hà i vantaghji principali di esse pocu prezzu è faciule da manighjà.
Studi cinetici è isotopichi di Worrell et al.65 anu dimustratu chì in u casu di l'alchini terminali, dui equivalenti di ramu sò implicati in l'attivazione di a reattività di ogni molécula in quantu à l'azide.Le mécanisme proposé passe par un anneau métallique de cuivre à six chaînons formé par la coordination de l'azide à l'acétylide de cuivre lié σ avec du cuivre lié π comme ligand donneur stable.I derivati ​​di triazolyl di cobre sò furmati com'è u risultatu di a cuntrazione di l'anellu seguita da a descomposizione di protoni per furmà prudutti di triazole è chjude u ciculu cataliticu.
Mentre i benefizii di i dispositi di chimica di flussu sò ben documentati, ci hè statu un desideriu di integrà strumenti analitici in questi sistemi per u monitoraghju di u prucessu in tempu reale in situ66,67.UAM hà dimustratu per esse un metudu adattatu per u disignu è a fabricazione di reattori di flussu 3D assai cumplessi da materiali cataliticamente attivi, cunduttivi termichi cù elementi sensing direttamente incrustati (Fig. 4).
Reattore di flussu d'aluminiu-ramu fabbricatu da a fabricazione additiva ultrasonica (UAM) cù una struttura cumplessa di canali internu, termocoppie integrate è una camera di reazione catalitica.Per visualizà i percorsi fluidi interni, un prototipu trasparente fattu cù stereolitografia hè ancu mostratu.
Per assicurà chì i reattori sò fatti per riazzioni urgànichi futuri, i solventi devenu esse riscaldati in modu sicuru sopra u so puntu di ebollizione;sò pruvati a pressione è a temperatura.A prova di pressione hà dimustratu chì u sistema mantene una pressione stabile è constante ancu à pressione elevata in u sistema (1,7 MPa).I testi idrostatici sò stati realizati à a temperatura di l'ambienti utilizendu H2O cum'è u liquidu.
Cunnettendu u termocoppiu integratu (Figura 1) à u registratore di dati di temperatura hà dimustratu chì a temperatura di u termocoppiu era 6 °C (± 1 °C) sottu à a temperatura programata in u sistema FlowSyn.Di genere, un aumentu di a temperatura di 10 ° C radduppia a velocità di reazione, cusì una diferenza di temperatura di pocu gradi pò cambià a velocità di reazione significativamente.Sta differenza hè duvuta à a perdita di temperatura in tuttu u RPV per via di l'alta diffusività termale di i materiali utilizati in u prucessu di fabricazione.Questa deriva termica hè custante è pò dunque esse presa in contu à a messa in opera di l'attrezzatura per assicurà chì e temperature precise sò righjunte è misurate durante a reazione.Cusì, stu strumentu di surviglianza in linea facilita un cuntrollu strettu di a temperatura di reazione è cuntribuisce à l'optimizazione di u prucessu più precisa è u sviluppu di e cundizioni ottimali.Questi sensori ponu ancu esse aduprati per detectà reazzioni esotermichi è impediscenu riazzioni di fughje in sistemi di grande scala.
U reattore presentatu in questu documentu hè u primu esempiu di l'applicazione di a tecnulugia UAM à a fabricazione di reattori chimichi è indirizza parechje limitazioni principali attualmente assuciate à a stampa AM / 3D di questi dispositi, cum'è: (i) Superà i prublemi noti associati à u processu di lega di rame o d'aluminiu (ii) risoluzione di canali internu migliorata in paragunà à u metudu di fusione di u lettu di polveri cum'è fusione di u lettu di polveri (PBSF2 è laser Powder Better melting, PBS962). texture di superficia rugosa26 (iii) a temperatura di trasfurmazioni più bassa, chì facilita i sensori di cunnessione diretta, chì ùn hè micca pussibule in a tecnulugia di u lettu di polvera, (v) superendu i poveri proprietà meccaniche è a sensibilità di cumpunenti basati in polimeru à vari solventi organici cumuni17,19.
A funziunalità di u reattore hè statu dimustratu da una seria di riazzioni di cicloaddizione di alkinazide catalysate in cobre in cundizioni di flussu cuntinuu (Fig. 2).U reattore di cobre stampatu ultrasonicu mostratu in a fig.4 hè stata integrata cù un sistema di flussu cummerciale è utilizatu per sintetizà una libreria di azide di vari 1,2,3-triazoles disubstituiti 1,4 cù una reazione cuntrullata à a temperatura di l'acetilene è l'alogenuri di u gruppu alchile in presenza di chlorure di sodium (Fig. 3).L'usu di l'approcciu di flussu cuntinuu riduce i prublemi di sicurezza chì ponu esse in i prucessi batch, postu chì sta reazione produce intermediate azidi altamente reattivi è periculosi [317], [318].Inizialmente, a reazione hè stata ottimizzata per a cicloaddizione di fenilacetilene è iodoetanu (Scheme 1 - Cicloaddizione di fenilacetilene è iodoetanu) (vede Fig. 5).
(Super left) Schematic of the setup used to incorpore a 3DP reactor in a flow system (upper right) uttenutu da u schema ottimisatu (inferjuri) di u schema di cicloaddizione Huisgen 57 trà fenilacetilene è iodoethane per ottimisazione è chì mostra i parametri ottimizzati di a rata di cunversione di a reazione.
Cuntrollendu u tempu di residenza di i reagenti in a sezione catalitica di u reattore è cuntrollendu currettamente a temperatura di reazione cù un sensoru di termocoppiu integratu direttamente, e cundizioni di reazione ponu esse ottimizzate rapidamente è precisamente cun un minimu di tempu è materiali.Hè statu trovu rapidamente chì a cunversione più altu hè stata ottenuta cù un tempu di residenza di 15 minuti è una temperatura di reazione di 150 ° C.Pò esse vistu da u coefficient plot di u software MODDE chì u tempu di residenza è a temperatura di reazzione sò cunsiderate cundizioni impurtanti di u mudellu.L'esecuzione di l'ottimizzatore integratu utilizendu queste cundizioni selezziunate crea un inseme di cundizioni di reazione pensate per maximizà e zone di punta di u produttu mentre diminuite e zone di punta di u materiale di partenza.Questa ottimisazione hà datu una cunversione di 53% di u pruduttu di triazole, chì currisponde esattamente à a predizione di u mudellu di 54%.