Tak fordi du besøgte Nature.com.Den browserversion, du bruger, har begrænset CSS-understøttelse.For den bedste oplevelse anbefaler vi, at du bruger en opdateret browser (eller deaktiverer kompatibilitetstilstand i Internet Explorer).I mellemtiden, for at sikre fortsat support, vil vi gengive webstedet uden stilarter og JavaScript.
En karrusel, der viser tre dias på samme tid.Brug knapperne Forrige og Næste til at flytte gennem tre dias ad gangen, eller brug skyderknapperne i slutningen til at flytte gennem tre dias ad gangen.
Additiv fremstilling ændrer den måde, forskere og industrifolk designer og fremstiller kemiske anordninger på, så de opfylder deres specifikke behov.I dette papir rapporterer vi det første eksempel på en strømningsreaktor dannet ved ultralydsadditiv fremstilling (UAM) laminering af en solid metalplade med direkte integrerede katalytiske dele og føleelementer.UAM-teknologi overvinder ikke kun mange af de begrænsninger, der i øjeblikket er forbundet med additiv fremstilling af kemiske reaktorer, men udvider også i høj grad sådanne enheders muligheder.En række biologisk vigtige 1,4-disubstituerede 1,2,3-triazolforbindelser er blevet syntetiseret og optimeret med succes ved en Cu-medieret 1,3-dipolær Huisgen-cycloadditionsreaktion ved anvendelse af UAM-kemifaciliteten.Ved at bruge de unikke egenskaber ved UAM og kontinuerlig flowbehandling er enheden i stand til at katalysere igangværende reaktioner samt give feedback i realtid for at overvåge og optimere reaktioner.
På grund af dets betydelige fordele i forhold til dets bulk-modstykke er flowkemi et vigtigt og voksende felt i både akademiske og industrielle omgivelser på grund af dets evne til at øge selektiviteten og effektiviteten af ​​kemisk syntese.Dette strækker sig fra dannelsen af ​​simple organiske molekyler1 til farmaceutiske forbindelser2,3 og naturlige produkter4,5,6.Over 50 % af reaktionerne i den fine kemiske og farmaceutiske industri kan drage fordel af kontinuerligt flow7.
I de senere år har der været en stigende tendens til, at grupper søger at erstatte traditionelt glas- eller flowkemiudstyr med tilpasningsdygtige kemiske "reaktorer"8.Disse metoders iterative design, hurtige fremstilling og tredimensionelle (3D) muligheder er nyttige for dem, der ønsker at tilpasse deres enheder til et bestemt sæt reaktioner, enheder eller forhold.Til dato har dette arbejde næsten udelukkende fokuseret på brugen af ​​polymerbaserede 3D-printteknikker såsom stereolitografi (SL)9,10,11, Fused Deposition Modeling (FDM)8,12,13,14 og inkjet print7,15., 16. Sådanne enheders manglende pålidelighed og evne til at udføre en lang række kemiske reaktioner/analyser17, 18, 19, 20 er en væsentlig begrænsende faktor for den bredere anvendelse af AM på dette område17, 18, 19, 20.
På grund af den stigende brug af flowkemi og de gunstige egenskaber forbundet med AM, skal der udforskes bedre teknikker, der vil give brugerne mulighed for at fremstille flow-reaktionsbeholdere med forbedret kemi og analytiske evner.Disse metoder skal give brugerne mulighed for at vælge mellem en række højstyrke eller funktionelle materialer, der er i stand til at fungere under en lang række reaktionsbetingelser, samt lette forskellige former for analytisk output fra enheden for at muliggøre overvågning og kontrol af reaktionen.
En additiv fremstillingsproces, der kan bruges til at udvikle brugerdefinerede kemiske reaktorer, er Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM).Denne solid-state arklamineringsmetode anvender ultralydsvibrationer på tynde metalfolier for at binde dem sammen lag for lag med minimal volumetrisk opvarmning og en høj grad af plastisk flow 21, 22, 23. I modsætning til de fleste andre AM-teknologier kan UAM integreres direkte med subtraktiv produktion, kendt som en hybrid fremstillingsproces, hvor den periodiske in-situ bindingsprocessform bestemmes af laserens netto-bindingsform (CNC numerisk) 24, 25. Det betyder, at brugeren ikke er begrænset til de problemer, der er forbundet med at fjerne rester af originalt byggemateriale fra små væskekanaler, hvilket ofte er tilfældet i pulver- og væskesystemer AM26,27,28.Denne designfrihed strækker sig også til valget af tilgængelige materialer - UAM kan binde kombinationer af termisk lignende og uens materialer i et enkelt procestrin.Valget af materialekombinationer ud over smelteprocessen betyder, at de mekaniske og kemiske krav til specifikke applikationer bedre kan opfyldes.Ud over fast binding er et andet fænomen, der opstår med ultralydsbinding, plastmaterialernes høje flydeevne ved relativt lave temperaturer29,30,31,32,33.Denne unikke egenskab ved UAM gør det muligt at placere mekaniske/termiske elementer mellem metallag uden skader.Indlejrede UAM-sensorer kan lette leveringen af ​​realtidsinformation fra enheden til brugeren gennem integreret analyse.
Tidligere arbejde af forfatterne32 viste UAM-processens evne til at skabe metalliske 3D-mikrofluidiske strukturer med indlejrede sensing-kapaciteter.Denne enhed er kun til overvågningsformål.Denne artikel præsenterer det første eksempel på en mikrofluidisk kemisk reaktor fremstillet af UAM, en aktiv enhed, der ikke kun kontrollerer, men også inducerer kemisk syntese med strukturelt integrerede katalytiske materialer.Enheden kombinerer flere fordele forbundet med UAM-teknologi ved fremstilling af 3D-kemiske enheder, såsom: evnen til at konvertere et komplet 3D-design direkte fra en computerstøttet design (CAD)-model til et produkt;multi-materiale fabrikation til en kombination af høj termisk ledningsevne og katalytiske materialer, samt termiske sensorer indlejret direkte mellem reaktantstrømmene til præcis kontrol og styring af reaktionstemperaturen.For at demonstrere reaktorens funktionalitet blev et bibliotek af farmaceutisk vigtige 1,4-disubstituerede 1,2,3-triazolforbindelser syntetiseret ved kobberkatalyseret 1,3-dipolær Huisgen-cycloaddition.Dette arbejde fremhæver, hvordan brug af materialevidenskab og computerstøttet design kan åbne op for nye muligheder og muligheder for kemi gennem tværfaglig forskning.
Alle opløsningsmidler og reagenser blev købt fra Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI eller Fischer Scientific og brugt uden forudgående oprensning.1H- og 13C NMR-spektre optaget ved henholdsvis 400 og 100 MHz blev opnået på et JEOL ECS-400 400 MHz-spektrometer eller et Bruker Avance II 400 MHz-spektrometer med CDCl3 eller (CD3)2SO som opløsningsmiddel.Alle reaktioner blev udført ved hjælp af Uniqsis FlowSyn flow kemi platform.
UAM blev brugt til at fremstille alle enheder i denne undersøgelse.Teknologien blev opfundet i 1999, og dens tekniske detaljer, driftsparametre og udvikling siden dens opfindelse kan studeres ved hjælp af følgende offentliggjorte materialer34,35,36,37.Enheden (fig. 1) blev implementeret ved brug af et kraftigt 9 kW SonicLayer 4000® UAM-system (Fabrisonic, Ohio, USA).Materialerne valgt til strømningsanordningen var Cu-110 og Al 6061. Cu-110 har et højt kobberindhold (minimum 99,9% kobber), hvilket gør det til en god kandidat til kobberkatalyserede reaktioner og bruges derfor som et "aktivt lag inde i mikroreaktoren.Al 6061 O bruges som "bulk" materiale., samt interkalationslaget, der bruges til analyse;interkalation af hjælpelegeringskomponenter og udglødet tilstand i kombination med Cu-110 lag.fundet at være kemisk stabile med de reagenser, der anvendes i dette arbejde.Al 6061 O i kombination med Cu-110 anses også for at være en kompatibel materialekombination til UAM og er derfor et egnet materiale til denne undersøgelse38,42.Disse enheder er angivet i tabel 1 nedenfor.
Reaktorfremstillingstrin (1) 6061 aluminiumslegeringssubstrat (2) Fremstilling af nedre kanal fra kobberfolie (3) Indsættelse af termoelementer mellem lag (4) Øvre kanal (5) Indløb og udløb (6) Monolitisk reaktor.
Væskekanaldesignfilosofien er at bruge en snoet sti til at øge den afstand, som væsken tilbagelægger inde i chippen, samtidig med at en håndterbar chipstørrelse opretholdes.Denne forøgelse i afstand er ønskelig for at øge katalysator-reaktant-kontakttiden og tilvejebringe fremragende produktudbytter.Spånerne bruger 90° bøjninger ved enderne af en lige bane for at fremkalde turbulent blanding i enheden44 og øge væskens kontakttid med overfladen (katalysator).For yderligere at forbedre den blanding, der kan opnås, omfatter designet af reaktoren to reaktantindløb kombineret i en Y-forbindelse, før den går ind i blandespiralsektionen.Den tredje indgang, som krydser flowet halvvejs gennem sin bolig, er inkluderet i planen for fremtidige flertrins syntesereaktioner.
Alle kanaler har en kvadratisk profil (ingen koniske vinkler), som er resultatet af den periodiske CNC-fræsning, der bruges til at skabe kanalgeometrien.Kanaldimensionerne er valgt til at give et højt (for en mikroreaktor) volumetrisk udbytte, men alligevel lille nok til at lette interaktion med overfladen (katalysatorer) for de fleste af de væsker, den indeholder.Den passende størrelse er baseret på forfatternes tidligere erfaringer med metal-væske reaktionsanordninger.De indre dimensioner af den endelige kanal var 750 µm x 750 µm, og det samlede reaktorvolumen var 1 ml.Et indbygget stik (1/4″-28 UNF gevind) er inkluderet i designet for at muliggøre nem grænseflade mellem enheden og kommercielt flowkemiudstyr.Kanalstørrelsen er begrænset af foliematerialets tykkelse, dets mekaniske egenskaber og de bindingsparametre, der bruges med ultralyd.Ved en vis bredde for givet materiale vil materialet "synke" ned i den dannede kanal.Der er i øjeblikket ingen specifik model for denne beregning, så den maksimale kanalbredde for et givet materiale og design bestemmes eksperimentelt, i hvilket tilfælde en bredde på 750 µm ikke vil forårsage nedbøjning.
Kanalens form (firkantet) bestemmes ved hjælp af en firkantskærer.Kanalernes form og størrelse kan ændres på CNC-maskiner ved hjælp af forskellige skæreværktøjer for at opnå forskellige strømningshastigheder og egenskaber.Et eksempel på at skabe en buet kanal med et 125 µm værktøj kan findes i Monaghan45.Når folielaget påføres fladt, vil påføringen af ​​foliematerialet på kanalerne have en flad (firkantet) overflade.I dette arbejde blev der brugt en firkantet kontur for at bevare kanalens symmetri.
Under en programmeret pause i produktionen er termoelementtemperaturfølere (type K) indbygget direkte i apparatet mellem den øvre og nedre kanalgruppe (fig. 1 – trin 3).Disse termoelementer kan styre temperaturændringer fra -200 til 1350 °C.
Metalaflejringsprocessen udføres af UAM-hornet ved hjælp af metalfolie 25,4 mm bred og 150 mikron tyk.Disse lag af folie er forbundet i en række tilstødende strimler for at dække hele byggeområdet;størrelsen af ​​det aflejrede materiale er større end slutproduktet, da subtraktionsprocessen skaber den endelige rene form.CNC-bearbejdning bruges til at bearbejde udstyrets ydre og indre konturer, hvilket resulterer i en overfladefinish af udstyret og kanalerne svarende til det valgte værktøj og CNC-procesparametre (i dette eksempel ca. 1,6 µm Ra).Kontinuerlige, kontinuerlige ultralydsmateriale sprøjte- og bearbejdningscyklusser bruges gennem hele enhedens fremstillingsproces for at sikre, at dimensionsnøjagtigheden opretholdes, og at den færdige del opfylder CNC-finfræsningspræcisionsniveauer.Bredden af ​​kanalen, der bruges til denne enhed, er lille nok til at sikre, at foliematerialet ikke "sænker" i væskekanalen, så kanalen har et kvadratisk tværsnit.Mulige huller i foliematerialet og parametrene for UAM-processen blev bestemt eksperimentelt af produktionspartneren (Fabrisonic LLC, USA).
Undersøgelser har vist, at der ved grænsefladen 46, 47 af UAM-forbindelsen er ringe diffusion af elementer uden yderligere varmebehandling, så for enhederne i dette arbejde forbliver Cu-110-laget forskelligt fra Al 6061-laget og ændrer sig dramatisk.
Installer en prækalibreret modtryksregulator (BPR) ved 250 psi (1724 kPa) nedstrøms for reaktoren, og pump vand gennem reaktoren med en hastighed på 0,1 til 1 ml min-1.Reaktortrykket blev overvåget ved hjælp af FlowSyn-tryktransduceren indbygget i systemet for at sikre, at systemet kunne opretholde et konstant konstant tryk.Potentielle temperaturgradienter i flowreaktoren blev testet ved at se efter eventuelle forskelle mellem termoelementerne indbygget i reaktoren og termoelementerne indbygget i varmepladen på FlowSyn-chippen.Dette opnås ved at ændre den programmerede kogepladetemperatur mellem 100 og 150 °C i trin på 25 °C og overvåge eventuelle forskelle mellem de programmerede og registrerede temperaturer.Dette blev opnået ved hjælp af tc-08-dataloggeren (PicoTech, Cambridge, UK) og den medfølgende PicoLog-software.
Betingelserne for cycloadditionsreaktionen af ​​phenylacetylen og iodethan er optimeret (skema 1-Cycloaddition af phenylacetylen og iodethan, skema 1-Cycloaddition af phenylacetylen og iodethan).Denne optimering blev udført ved hjælp af en fuld faktoriel design af eksperimenter (DOE) tilgang, ved at bruge temperatur og opholdstid som variabler, mens alkyn:azid-forholdet blev fastsat til 1:2.
Separate opløsninger af natriumazid (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), iodethan (0,25 M, DMF) og phenylacetylen (0,125 M, DMF) blev fremstillet.En 1,5 ml alikvot af hver opløsning blev blandet og pumpet gennem reaktoren ved den ønskede strømningshastighed og temperatur.Modellens respons blev taget som forholdet mellem toparealet af triazolproduktet og udgangsmaterialet af phenylacetylen og blev bestemt ved hjælp af højtydende væskekromatografi (HPLC).For analysekonsistens blev alle reaktioner taget umiddelbart efter, at reaktionsblandingen forlod reaktoren.De parameterområder, der er valgt til optimering, er vist i tabel 2.
Alle prøver blev analyseret ved hjælp af et Chromaster HPLC-system (VWR, PA, USA) bestående af en kvaternær pumpe, kolonneovn, variabel bølgelængde UV-detektor og autosampler.Søjlen var en Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA), 4,6 x 100 mm, 5 µm partikelstørrelse, holdt ved 40°C.Opløsningsmidlet var isokratisk methanol:vand 50:50 ved en strømningshastighed på 1,5 ml·min-1.Injektionsvolumenet var 5 μl og detektorbølgelængden var 254 nm.Det procentvise topareal for DOE-prøven blev kun beregnet ud fra toparealerne af de resterende alkyn- og triazolprodukter.Introduktionen af ​​udgangsmaterialet gør det muligt at identificere de tilsvarende toppe.
Kombinationen af ​​resultaterne af reaktoranalysen med MODDE DOE-softwaren (Umetrics, Malmø, Sverige) muliggjorde en grundig trendanalyse af resultaterne og bestemmelse af de optimale reaktionsbetingelser for denne cycloaddition.Kørsel af den indbyggede optimizer og valg af alle vigtige modelbegreber skaber et sæt reaktionsbetingelser, der er designet til at maksimere spidsarealet af produktet, mens spidsarealet for acetylenråstoffet reduceres.
Oxidation af kobberoverfladen i det katalytiske reaktionskammer blev opnået under anvendelse af en hydrogenperoxidopløsning (36%), der strømmede gennem reaktionskammeret (strømningshastighed = 0,4 ml min-1, opholdstid = 2,5 min) før syntesen af ​​hver triazolforbindelse.bibliotek.
Når først det optimale sæt af betingelser var blevet bestemt, blev de påført en række acetylen- og haloalkanderivater for at muliggøre kompileringen af ​​et lille syntesebibliotek, hvorved der blev etableret muligheden for at anvende disse betingelser på et bredere udvalg af potentielle reagenser (fig. 1).2).
Forbered separate opløsninger af natriumazid (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), haloalkaner (0,25 M, DMF) og alkyner (0,125 M, DMF).Alikvoter på 3 ml af hver opløsning blev blandet og pumpet gennem reaktoren med en hastighed på 75 µl/min og en temperatur på 150°C.Hele volumenet blev opsamlet i et hætteglas og fortyndet med 10 ml ethylacetat.Prøveopløsningen blev vasket med 3 x 10 ml vand.De vandige lag blev kombineret og ekstraheret med 10 ml ethylacetat, derefter blev de organiske lag kombineret, vasket med 3 x 10 ml saltvand, tørret over MgS04 og filtreret, hvorefter opløsningsmidlet blev fjernet i vakuum.Prøver blev oprenset ved silicagelsøjlekromatografi under anvendelse af ethylacetat før analyse ved en kombination af HPLC, 1H NMR, 13C NMR og højopløsningsmassespektrometri (HR-MS).
Alle spektre blev opnået under anvendelse af et Thermofischer Precision Orbitrap massespektrometer med ESI som ioniseringskilden.Alle prøver blev fremstillet under anvendelse af acetonitril som opløsningsmiddel.
TLC-analyse blev udført på silicaplader med et aluminiumsubstrat.Pladerne blev visualiseret med UV-lys (254 nm) eller vanillinfarvning og opvarmning.
Alle prøver blev analyseret ved hjælp af et VWR Chromaster system (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) udstyret med en autosampler, en binær pumpe med en kolonneovn og en enkelt bølgelængde detektor.En ACE Equivalence 5 C18 kolonne (150 x 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Skotland) blev anvendt.
Injektioner (5 µl) blev lavet direkte fra den fortyndede rå reaktionsblanding (1:10 fortynding) og analyseret med vand:methanol (50:50 eller 70:30), bortset fra nogle prøver ved brug af et 70:30 opløsningsmiddelsystem (angivet som stjernetal) ved en strømningshastighed på 1,5 ml/min.Søjlen blev holdt ved 40°C.Bølgelængden af ​​detektoren er 254 nm.
Det procentvise spidsareal af prøven blev beregnet ud fra spidsarealet af den resterende alkyn, kun triazolproduktet, og indførelsen af ​​udgangsmaterialet gjorde det muligt at identificere de tilsvarende toppe.
Alle prøver blev analyseret ved hjælp af Thermo iCAP 6000 ICP-OES.Alle kalibreringsstandarder blev fremstillet under anvendelse af en 1000 ppm Cu-standardopløsning i 2% salpetersyre (SPEX Certi Prep).Alle standarder blev fremstillet i en opløsning af 5% DMF og 2% HNO3, og alle prøver blev fortyndet 20 gange med en prøveopløsning af DMF-HNO3.
UAM bruger ultralydsmetalsvejsning som en metode til at forbinde metalfolien, der bruges til at skabe den endelige samling.Ultralydsmetalsvejsning bruger et vibrerende metalværktøj (kaldet et horn eller ultralydshorn) til at påføre tryk på folien/det tidligere konsoliderede lag, der skal limes/tidligere konsolideres ved at vibrere materialet.Til kontinuerlig drift har sonotroden en cylindrisk form og ruller over overfladen af ​​materialet og limer hele området.Når der påføres tryk og vibrationer, kan oxiderne på materialets overflade revne.Konstant tryk og vibrationer kan føre til ødelæggelse af materialets ruhed 36 .Tæt kontakt med lokaliseret varme og tryk fører derefter til en fastfasebinding ved materialets grænseflader;det kan også fremme sammenhængskraften ved at ændre overfladeenergien48.Beskaffenheden af ​​bindingsmekanismen overvinder mange af de problemer, der er forbundet med den variable smeltetemperatur og højtemperatureffekter, der er nævnt i andre additive fremstillingsteknologier.Dette muliggør direkte forbindelse (dvs. uden overflademodifikationer, fyldstoffer eller klæbemidler) af flere lag af forskellige materialer til en enkelt konsolideret struktur.
Den anden gunstige faktor for CAM er den høje grad af plastisk flow observeret i metalliske materialer selv ved lave temperaturer, dvs. et godt stykke under smeltepunktet for metalliske materialer.Kombinationen af ​​ultralydsvibrationer og tryk forårsager et højt niveau af lokal korngrænsevandring og omkrystallisation uden den betydelige temperaturstigning, der traditionelt er forbundet med bulkmaterialer.Under oprettelsen af ​​den endelige samling kan dette fænomen bruges til at indlejre aktive og passive komponenter mellem lag af metalfolie, lag for lag.Elementer som optisk fiber 49, forstærkning 46, elektronik 50 og termoelementer (dette arbejde) er med succes blevet integreret i UAM-strukturer for at skabe aktive og passive kompositkonstruktioner.
I dette arbejde blev både forskellige materialebindingsevner og UAM-interkalationskapaciteter brugt til at skabe en ideel mikroreaktor til katalytisk temperaturkontrol.
Sammenlignet med palladium (Pd) og andre almindeligt anvendte metalkatalysatorer har Cu-katalyse adskillige fordele: (i) Økonomisk er Cu billigere end mange andre metaller, der anvendes i katalyse og er derfor en attraktiv mulighed for den kemiske industri (ii) rækken af ​​Cu-katalyserede krydskoblingsreaktioner udvides og ser ud til at være en smule komplementære, 515, iii) katalyserede reaktioner fungerer godt i fravær af andre ligander.Disse ligander er ofte strukturelt enkle og billige.hvis det ønskes, hvorimod dem, der anvendes i Pd-kemi, ofte er komplekse, dyre og luftfølsomme (iv) Cu, især kendt for dets evne til at binde alkyner i syntese, såsom Sonogashiras bimetalliske katalyserede kobling og cycloaddition med azider (klikkemi) (v) Cu kan også fremme arylering af nogle nuklemannophiler-reaktioner i U.
For nylig er eksempler på heterogenisering af alle disse reaktioner i nærvær af Cu(0) blevet påvist.Dette skyldes i høj grad den farmaceutiske industri og det voksende fokus på genvinding og genbrug af metalkatalysatorer55,56.
Den 1,3-dipolære cycloadditionsreaktion mellem acetylen og azid til 1,2,3-triazol, først foreslået af Huisgen i 1960'erne57, anses for at være en synergistisk demonstrationsreaktion.De resulterende 1,2,3-triazolfragmenter er af særlig interesse som en farmakofor i lægemiddelopdagelse på grund af deres biologiske anvendelser og anvendelse i forskellige terapeutiske midler 58 .
Denne reaktion fik fornyet opmærksomhed, da Sharpless og andre introducerede begrebet "klikkemi"59.Udtrykket "klikkemi" bruges til at beskrive et robust og selektivt sæt af reaktioner til hurtig syntese af nye forbindelser og kombinatoriske biblioteker ved hjælp af heteroatomisk binding (CXC)60.Den syntetiske appel af disse reaktioner skyldes de høje udbytter forbundet med dem.forholdene er enkle, modstandsdygtighed over for ilt og vand, og produktadskillelse er enkel61.
Den klassiske 1,3-dipole Huisgen cycloaddition falder ikke ind under kategorien "klikkemi".Medal and Sharpless viste imidlertid, at denne azid-alkyn-koblingshændelse gennemgår 107-108 i nærvær af Cu(I) sammenlignet med en signifikant acceleration i hastigheden af ​​ikke-katalytisk 1,3-dipolær cycloaddition 62,63.Denne avancerede reaktionsmekanisme kræver ikke beskyttelsesgrupper eller barske reaktionsbetingelser og giver næsten fuldstændig omdannelse og selektivitet til 1,4-disubstituerede 1,2,3-triazoler (anti-1,2,3-triazoler) over tid (fig. 3).
Isometriske resultater af konventionelle og kobberkatalyserede Huisgen-cykloadditioner.Cu(I)-katalyserede Huisgen-cycloadditioner giver kun 1,4-disubstituerede 1,2,3-triazoler, mens termisk inducerede Huisgen-cycloadditioner typisk giver 1,4- og 1,5-triazoler en 1:1-blanding af azolstereoisomerer.
De fleste protokoller involverer reduktion af stabile kilder til Cu(II), såsom reduktion af CuSO4 eller Cu(II)/Cu(0)-forbindelsen i kombination med natriumsalte.Sammenlignet med andre metalkatalyserede reaktioner har brugen af ​​Cu(I) de største fordele ved at være billig og nem at håndtere.
Kinetiske og isotopiske undersøgelser af Worrell et al.65 har vist, at i tilfælde af terminale alkyner er to ækvivalenter kobber involveret i aktivering af reaktiviteten af ​​hvert molekyle med hensyn til azid.Den foreslåede mekanisme fortsætter gennem en seksleddet kobbermetalring dannet ved koordinering af azid til σ-bundet kobberacetylid med π-bundet kobber som en stabil donorligand.Kobbertriazolylderivater dannes som et resultat af ringkontraktion efterfulgt af protonnedbrydning for at danne triazolprodukter og lukke den katalytiske cyklus.
Mens fordelene ved flowkemi-enheder er veldokumenterede, har der været et ønske om at integrere analytiske værktøjer i disse systemer til real-time procesovervågning in situ66,67.UAM har vist sig at være en velegnet metode til at designe og fremstille meget komplekse 3D-flowreaktorer fra katalytisk aktive, termisk ledende materialer med direkte indlejrede følerelementer (fig. 4).
Aluminium-kobber strømningsreaktor fremstillet ved ultralyd additiv fremstilling (UAM) med en kompleks indre kanalstruktur, indbyggede termoelementer og et katalytisk reaktionskammer.For at visualisere de indre væskebaner vises også en gennemsigtig prototype lavet ved hjælp af stereolitografi.
For at sikre, at reaktorer er lavet til fremtidige organiske reaktioner, skal opløsningsmidler sikkert opvarmes over deres kogepunkt;de er tryk- og temperaturtestede.Tryktestningen viste, at systemet holder et stabilt og konstant tryk selv ved forhøjet tryk i systemet (1,7 MPa).Hydrostatiske test blev udført ved stuetemperatur under anvendelse af H2O som væske.
Tilslutning af det indbyggede (Figur 1) termoelement til temperaturdataloggeren viste, at termoelementets temperatur var 6 °C (± 1 °C) under den programmerede temperatur i FlowSyn-systemet.Typisk fordobler en temperaturstigning på 10°C reaktionshastigheden, så en temperaturforskel på blot et par grader kan ændre reaktionshastigheden markant.Denne forskel skyldes temperaturtabet i hele RPV på grund af den høje termiske diffusivitet af de materialer, der anvendes i fremstillingsprocessen.Denne termiske drift er konstant og kan derfor tages i betragtning ved opsætning af udstyret for at sikre, at nøjagtige temperaturer nås og måles under reaktionen.Dette online overvågningsværktøj letter således en stram kontrol af reaktionstemperaturen og bidrager til mere præcis procesoptimering og udvikling af optimale forhold.Disse sensorer kan også bruges til at detektere eksoterme reaktioner og forhindre løbske reaktioner i store systemer.
Reaktoren præsenteret i dette papir er det første eksempel på anvendelsen af ​​UAM-teknologi til fremstilling af kemiske reaktorer og adresserer adskillige store begrænsninger, der i øjeblikket er forbundet med AM/3D-printning af disse enheder, såsom: (i) Overvindelse af de bemærkede problemer forbundet med behandlingen af ​​kobber eller aluminiumlegering (ii) forbedret intern kanalopløsning sammenlignet med pulverbed-materiale-smeltning (pbm25) smeltning af pulverleje (pbm25) og smeltning af pulverbelægningsmaterialer (pb65) texture26 (iii) lavere forarbejdningstemperatur, hvilket letter direkte tilslutning af sensorer, hvilket ikke er muligt i pulverbed-teknologi, (v) overvindelse af polymerbaserede komponenters dårlige mekaniske egenskaber og følsomhed over for forskellige almindelige organiske opløsningsmidler17,19.
Reaktorens funktionalitet blev demonstreret ved en række kobberkatalyserede alkinazid-cycloadditionsreaktioner under kontinuerlige strømningsbetingelser (fig. 2).Den ultralydstrykte kobberreaktor vist i fig.4 blev integreret med et kommercielt flowsystem og brugt til at syntetisere et azidbibliotek af forskellige 1,4-disubstituerede 1,2,3-triazoler under anvendelse af en temperaturstyret reaktion af acetylen og alkylgruppehalogenider i nærvær af natriumchlorid (fig. 3).Brugen af ​​den kontinuerlige flow-tilgang reducerer de sikkerhedsproblemer, der kan opstå i batch-processer, da denne reaktion producerer meget reaktive og farlige azid-mellemprodukter [317], [318].Indledningsvis blev reaktionen optimeret til cycloaddition af phenylacetylen og iodethan (Skema 1 – Cycladdition af phenylacetylen og iodethan) (se fig. 5).
(Øverst til venstre) Skematisk af opsætningen brugt til at inkorporere en 3DP-reaktor i et flowsystem (øverst til højre) opnået fra det optimerede (nederste) skema af Huisgen 57 cycloadditionsskemaet mellem phenylacetylen og iodethan til optimering og viser de optimerede konverteringshastighedsparametre for reaktionen.
Ved at kontrollere reaktanternes opholdstid i reaktorens katalytiske sektion og omhyggeligt overvåge reaktionstemperaturen med en direkte integreret termoelementsensor, kan reaktionsforholdene hurtigt og præcist optimeres med et minimum af tid og materialer.Det viste sig hurtigt, at den højeste omdannelse blev opnået under anvendelse af en opholdstid på 15 minutter og en reaktionstemperatur på 150°C.Det kan ses fra koefficientdiagrammet for MODDE-softwaren, at både opholdstiden og reaktionstemperaturen anses for at være vigtige betingelser for modellen.Kørsel af den indbyggede optimering ved brug af disse udvalgte betingelser skaber et sæt reaktionsbetingelser, der er designet til at maksimere produktets toparealer, mens udgangsmaterialets toparealer reduceres.Denne optimering gav en omdannelse på 53 % af triazolproduktet, hvilket nøjagtigt matchede modellens forudsigelse på 54 %.