Tankewol foar jo besite oan Nature.com. De browserferzje dy't jo brûke hat beheinde stipe foar CSS. Foar de bêste ûnderfining advisearje wy jo in bywurke browser te brûken (of kompatibiliteitsmodus yn Internet Explorer út te skeakeljen). Yn 'e tuskentiid, om trochgeande stipe te garandearjen, sille wy de side sûnder stilen en JavaScript werjaan.
Additive manufacturing feroaret de manier wêrop ûndersikers en yndustrialisten gemyske apparaten ûntwerpe en produsearje om oan har spesifike behoeften te foldwaan. Yn dit wurk rapportearje wy it earste foarbyld fan in streamreaktor foarme troch de fêste-steat metaalplaatlaminaasjetechnyk Ultrasone Additive Manufacturing (UAM) mei direkt yntegreare katalytyske ûnderdielen en sensoreleminten. UAM-technology oerwint net allinich in protte fan 'e beheiningen dy't op it stuit ferbûn binne mei additive manufacturing fan gemyske reaktors, mar it fergruttet ek de mooglikheden fan sokke apparaten signifikant. In searje biologysk wichtige 1,4-disubstituearre 1,2,3-triazoolferbiningen waarden mei súkses synthetisearre en optimalisearre troch in Cu-bemiddelde Huisgen 1,3-dipolare cycloaddysjereaksje mei in UAM-gemy-opset. Troch gebrûk te meitsjen fan 'e unike eigenskippen fan UAM en trochgeande streamferwurking, is it apparaat yn steat om oanhâldende reaksjes te katalysearjen, wylst it ek real-time feedback leveret foar reaksjemonitoring en optimalisaasje.
Fanwegen syn wichtige foardielen boppe syn bulk-tsjinhinger is streamgemy in wichtich en groeiend fjild yn sawol akademyske as yndustriële omjouwings fanwegen syn fermogen om de selektiviteit en effisjinsje fan gemyske synteze te ferheegjen. Dit giet fan ienfâldige organyske molekulefoarming1 oant farmaseutyske ferbiningen2,3 en natuerlike produkten4,5,6. Mear as 50% fan 'e reaksjes yn' e fyngemyske en farmaseutyske yndustry kinne profitearje fan it gebrûk fan trochgeande streamferwurking7.
Yn 'e ôfrûne jierren is der in groeiende trend west fan groepen dy't tradisjonele glêswurk- of streamchemy-apparatuer wolle ferfange troch oanpasbere additive manufacturing (AM) chemy "reaksjefetten"8. It iterative ûntwerp, rappe produksje en 3D-mooglikheden fan dizze techniken binne foardielich foar dyjingen dy't har apparaten oanpasse wolle oan in spesifike set reaksjes, apparaten of omstannichheden. Oant no ta hat dit wurk him hast allinich rjochte op it gebrûk fan op polymeer basearre 3D-printtechniken lykas stereolitografy (SL)9,10,11, fused deposition modeling (FDM)8,12,13,14 en inkjetprintsjen7,15,16. It gebrek oan robuustheid en fermogen fan sokke apparaten om in breed skala oan gemyske reaksjes/analyses út te fieren17,18,19,20 is in wichtige beheinde faktor foar bredere ymplemintaasje fan AM yn dit fjild17,18,19,20.
Troch it tanimmende gebrûk fan streamgemy en de geunstige eigenskippen dy't ferbûn binne mei AM, is der in needsaak om mear avansearre techniken te ûndersiikjen dy't brûkers yn steat stelle om streamreaksjefetten te meitsjen mei ferbettere gemyske en analytyske mooglikheden. Dizze techniken moatte brûkers yn steat stelle om te kiezen út in oanbod fan heul robuuste of funksjonele materialen dy't by steat binne om in breed skala oan reaksjebetingsten te behanneljen, wylst se ek ferskate foarmen fan analytyske útfier fan it apparaat fasilitearje om reaksjemonitoring en kontrôle mooglik te meitsjen.
Ien addityf produksjeproses dat de potinsje hat om oanpaste gemyske reaktors te ûntwikkeljen is Ultrasone Additive Manufacturing (UAM). Dizze fêste-steat plaatlaminaasjetechnyk past ultrasone oscillaasjes ta op tinne metalen folies om se laach foar laach byinoar te bringen mei minimale bulkferwaarming en in hege mjitte fan plestike stream 21, 22, 23. Oars as de measte oare AM-technologyen kin UAM direkt yntegrearre wurde mei subtraktive produksje, bekend as in hybride produksjeproses, wêrby't in-situ periodike kompjûter numerike kontrôle (CNC) frezen of laserbewerking de netto foarm fan in laach fan bonded materiaal definiearret 24, 25. Dit betsjut dat de brûker net beheind is troch de problemen dy't ferbûn binne mei it fuortheljen fan oerbleaune rau boumateriaal út lytse floeistofkanalen, wat faak it gefal is mei poeier- en floeibere AM-systemen 26,27,28. Dizze ûntwerpfrijheid wreidet him ek út nei de beskikbere materiaalkeuzes - UAM kin termysk ferlykbere en ferskillende materiaalkombinaasjes yn ien prosesstap bine. De kar fan materiaalkombinaasjes bûten it smeltproses betsjut dat de meganyske en gemyske easken fan spesifike tapassingen better foldien wurde kinne. Neist fêste-steatbining is in oar ferskynsel dat tsjinkaam wurdt tidens ultrasone bonding is de hege stream fan plestik materialen by relatyf lege temperatueren29,30,31,32,33. Dizze unike funksje fan UAM kin it ynbêdzjen fan meganyske/termyske eleminten tusken metalen lagen sûnder skea fasilitearje. UAM-ynbêde sensoren kinne de levering fan real-time ynformaasje fan it apparaat nei de brûker fasilitearje fia yntegreare analyses.
It eardere wurk fan 'e auteurs32 demonstrearre it fermogen fan it UAM-proses om metalen 3D mikrofluidyske struktueren te meitsjen mei yntegreare sensormooglikheden. Dit is in apparaat dat allinich monitoaring brûkt wurdt. Dit artikel presintearret it earste foarbyld fan in mikrofluidyske gemyske reaktor makke troch UAM; in aktyf apparaat dat net allinich gemyske synteze monitoart, mar ek ynducearret fia struktureel yntegreare katalysatormaterialen. It apparaat kombinearret ferskate foardielen dy't ferbûn binne mei UAM-technology yn 'e produksje fan 3D-gemyske apparaten, lykas: de mooglikheid om folsleine 3D-ûntwerpen direkt fan kompjûter-stipe ûntwerpmodellen (CAD) te konvertearjen yn produkten; fabrikaazje fan meardere materialen om hege termyske geliedingsfermogen en katalytyske materialen te kombinearjen; en it ynbêdzjen fan termyske sensoren direkt tusken reagensstreamen foar krekte reaksjetemperatuermonitoring en kontrôle. Om de funksjonaliteit fan 'e reaktor te demonstrearjen, waard in bibleteek fan farmaseutyske wichtige 1,4-disubstituearre 1,2,3-triazoolferbiningen synthetisearre troch koperkatalysearre Huisgen 1,3-dipolare cycloaddysje. Dit wurk markearret hoe't it brûken fan materiaalwittenskip en kompjûter-stipe ûntwerp nije kânsen en mooglikheden foar skiekunde kin iepenje troch multidissiplinêr ûndersyk.
Alle oplosmiddels en reagentia waarden kocht fan Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI of Fischer Scientific en waarden brûkt sûnder foarôfgeande suvering. 1H- en 13C-NMR-spektra opnommen by respektivelik 400 MHz en 100 MHz waarden krigen mei in JEOL ECS-400 400 MHz-spektrometer of in Bruker Avance II 400 MHz-spektrometer en CDCl3 of (CD3)2SO as oplosmiddel. Alle reaksjes waarden útfierd mei it Uniqsis FlowSyn-streamchemyplatfoarm.
UAM waard brûkt om alle apparaten yn dizze stúdzje te meitsjen. De technology waard útfûn yn 1999, en de technyske details, wurkparameters en ûntwikkelingen sûnt de útfining kinne bestudearre wurde fia de folgjende publisearre materialen34,35,36,37. It apparaat (figuer 1) waard ymplementearre mei in ultra-heech fermogen, 9kW SonicLayer 4000® UAM-systeem (Fabrisonic, OH, Feriene Steaten). De materialen dy't keazen waarden foar de fabrikaazje fan it streamapparaat wiene Cu-110 en Al 6061. Cu-110 hat in hege koperynhâld (minimaal 99,9% koper), wêrtroch it in goede kandidaat is foar koper-katalysearre reaksjes, en wurdt dêrom brûkt as in "aktive laach binnen in mikroreaktor. Al 6061 O wurdt brûkt as in "bulk" materiaal, ek ynbêdingslaach brûkt foar analyze; ynbêding fan legearinghulpkomponinten en gegloeide tastân kombineare mei Cu-110-laach. Al 6061 O is in materiaal dat oantoand is tige kompatibel te wêzen mei UAM-prosessen38, 39, 40, 41 en is hifke en gemysk stabyl fûn mei de reagentia dy't yn dit wurk brûkt binne. De kombinaasje fan Al 6061 O mei Cu-110 wurdt ek beskôge as in kompatible materiaalkombinaasje foar UAM en is dêrom in geskikt materiaal foar dizze stúdzje. 38,42 Dizze apparaten binne neamd yn tabel 1 hjirûnder.
Reaktorfabrikaazjestappen (1) Al 6061 substraat (2) Fabrikaasje fan ûnderste kanaal ynset op koperfolie (3) Ynbêding fan termokoppels tusken lagen (4) Boppeste kanaal (5) Ynlaat en útlaat (6) Monolityske reaktor.
De ûntwerpfilosofy fan it floeistofpaad is om in yngewikkeld paad te brûken om de ôfstân dy't floeistof binnen de chip ôfleit te fergrutsjen, wylst de chip op in behearsbere grutte bliuwt. Dizze ferheging fan ôfstân is winsklik om de ynteraksjetiid tusken katalysator en reagens te fergrutsjen en poerbêste produktopbringsten te leverjen. De chips brûke 90° bochten oan 'e einen fan it rjochte paad om turbulinte minging binnen it apparaat te indusearjen44 en de kontakttiid fan 'e floeistof mei it oerflak (katalysator) te ferheegjen. Om de berikte minging fierder te fergrutsjen, hat it reaktorûntwerp twa reagensynlaten kombineare by de Y-oergong foardat se de serpentine-mingseksje yngeane. De tredde ynlaat, dy't de stream healwei syn ferbliuw snijt, is opnommen yn it ûntwerp fan takomstige mearstapsreaksjesyntheses.
Alle kanalen hawwe in fjouwerkant profyl (gjin trekhoeken), it resultaat fan it periodike CNC-frezen dat brûkt wurdt om de kanaalgeometrie te meitsjen. De kanaalôfmjittings binne keazen om in hege (foar in mikroreaktor) folumeútfier te garandearjen, wylst se lyts genôch binne om oerflakynteraksjes (katalysatoren) te fasilitearjen foar de measte fan 'e befette floeistoffen. De passende grutte is basearre op 'e eardere ûnderfining fan' e auteurs mei metaal-fluidyske apparaten foar de reaksje. De ynterne ôfmjittings fan it definitive kanaal wiene 750 µm x 750 µm en it totale reaktorvolume wie 1 ml. In yntegreare ferbining (1/4″—28 UNF-tried) is opnommen yn it ûntwerp om ienfâldige ynterfacing fan it apparaat mei kommersjele streamchemyske apparatuer mooglik te meitsjen. De kanaalgrutte wurdt beheind troch de dikte fan it foliemateriaal, syn meganyske eigenskippen, en de bondingparameters dy't brûkt wurde mei ultrasone klanken. By in spesifike breedte foar in bepaald materiaal sil it materiaal "sakje" yn it makke kanaal. D'r is op it stuit gjin spesifyk model foar dizze berekkening, dus de maksimale kanaalbreedte foar in bepaald materiaal en ûntwerp wurdt eksperiminteel bepaald; yn dit gefal sil in breedte fan 750 μm gjin sag feroarsaakje.
De foarm (fjouwerkant) fan it kanaal wurdt bepaald mei in fjouwerkante snijder. De foarm en grutte fan 'e kanalen kinne wurde feroare troch CNC-masines mei ferskate snijgereedschappen om ferskillende streamsnelheden en skaaimerken te krijen. In foarbyld fan it meitsjen fan in bûgd kanaal mei it 125 μm-ark is te finen yn it wurk fan Monaghan45. As de folielaach op in planêre manier wurdt ôfset, sil de oerlaach fan foliemateriaal oer de kanalen in platte (fjouwerkante) finish hawwe. Yn dit wurk waard, om de symmetry fan it kanaal te behâlden, in fjouwerkante omtrek brûkt.
Tidens in foarprogrammearre pauze yn 'e produksje wurde thermokoppeltemperatuersondes (Type K) direkt yn it apparaat ynbêde tusken de boppeste en ûnderste kanaalgroepen (Ofbylding 1 - Fase 3). Dizze thermokoppels kinne temperatuerferoarings fan −200 oant 1350 °C kontrolearje.
It metaalôfsettingsproses wurdt útfierd troch in UAM-hoarn mei in 25,4 mm brede, 150 mikron dikke metaalfolie. Dizze folielagen wurde ferbûn yn in searje oanswettende strips om it heule bougebiet te dekken; de grutte fan it ôfsette materiaal is grutter as it einprodukt, om't it subtraktive proses de definitive nettofoarm produseart. CNC-ferwurking wurdt brûkt om de eksterne en ynterne kontoeren fan 'e apparatuer te ferwurkjen, wat resulteart yn in oerflakfinish fan' e apparatuer en kanalen gelyk oan 'e selekteare ark- en CNC-prosesparameters (sawat 1,6 μm Ra yn dit foarbyld). Kontinu, trochgeande ultrasone materiaalôfsettings- en ferwurkingssyklusen wurde brûkt yn it heule produksjeproses fan it apparaat om te soargjen dat de dimensjonele krektens behâlden wurdt en it ôfmakke ûnderdiel foldocht oan de krektensnivo's fan CNC-ôfwerkingsfrezen. De kanaalbreedte dy't foar dit apparaat brûkt wurdt, is lyts genôch om te soargjen dat it foliemateriaal net "sakket" yn it floeistofkanaal, sadat it kanaal in fjouwerkante dwersdoorsnede behâldt. Mooglike gatten yn foliemateriaal en UAM-prosesparameters waarden eksperiminteel bepaald troch in produksjepartner (Fabrisonic LLC, Feriene Steaten).
Undersyk hat oantoand dat der by de UAM-bonding-ynterface 46, 47 mar in bytsje elemintêre diffúzje foarkomt sûnder ekstra termyske behanneling, dus foar de apparaten yn dit wurk bliuwt de Cu-110-laach ûnderskieden fan 'e Al 6061-laach en feroaret abrupt.
Ynstallearje in foarkalibrearre 250 psi (1724 kPa) tsjindrukregulator (BPR) oan 'e útgong fan' e reaktor en pomp wetter troch de reaktor mei in snelheid fan 0,1 oant 1 mL min-1. De reaktordruk waard kontroleare mei de ynboude systeemdruksensor fan FlowSyn om te ferifiearjen dat it systeem in konstante, stabile druk koe behâlde. Potinsjele temperatuergradiënten oer de streamreaktor waarden hifke troch alle ferskillen te identifisearjen tusken de thermokoppels dy't yn 'e reaktor ynbêde binne en dy't ynbêde binne yn' e FlowSyn-chipferwaarmingsplaat. Dit wurdt berikt troch de programmeerbere temperatuer fan 'e ferwaarmingsplaat te fariearjen tusken 100 en 150 °C yn stappen fan 25 °C en alle ferskillen tusken de programmearre en opnommen temperatueren te notearjen. Dit waard berikt mei in tc-08 datalogger (PicoTech, Cambridge, UK) en begeliedende PicoLog-software.
De sykloaddysje-reaksjebetingsten fan fenylacetyleen en jodoethaan waarden optimalisearre (Skema 1 - Sykloloaddysje fan fenylacetyleen en jodoethaan). Dizze optimalisaasje waard útfierd troch in folsleine faktoriële ûntwerp fan eksperiminten (DOE) oanpak, mei temperatuer en ferbliuwstiid as fariabele parameters, wylst de alkyn:azideferhâlding fêststeld waard op 1:2.
Separate oplossingen fan natriumazide (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), jodoetaan (0,25 M, DMF) en fenylacetyleen (0,125 M, DMF) waarden taret. In aliquot fan 1,5 mL fan elke oplossing waard mingd en troch de reaktor pompt mei de winske streamsnelheid en temperatuer. De modelreaksje waard nommen as de peakoppervlakteferhâlding fan triazoolprodukt ta fenylacetyleenútgongsmateriaal en bepaald troch hege prestaasjes floeistofchromatografy (HPLC). Foar konsistinsje fan analyze waarden alle reaksjes krekt nei't it reaksjemingsel de reaktor ferliet, sampled. De parameterberik selektearre foar optimalisaasje wurde werjûn yn tabel 2.
Alle samples waarden analysearre mei in Chromaster HPLC-systeem (VWR, PA, Feriene Steaten) besteande út in kwaternêre pomp, kolomoven, UV-detektor mei fariabele golflingte en autosampler. De kolom wie in Equivalence 5 C18 (VWR, PA, Feriene Steaten), 4,6 × 100 mm yn grutte, 5 µm dieltsjegrutte, hâlden op 40 °C. It oplosmiddel wie isokratysk 50:50 metanol:wetter mei in streamsnelheid fan 1,5 mL.min-1. It ynjeksjevolume wie 5 µL en de golflingte fan 'e detektor wie 254 nm. It % piekgebiet foar it DOE-sample waard allinich berekkene út 'e piekgebieten fan 'e oerbleaune alkyn- en triazoolprodukten. Ynjeksje fan útgongsmateriaal makket identifikaasje fan relevante pieken mooglik.
It keppeljen fan 'e reaktoranalyse-útfier oan' e MODDE DOE-software (Umetrics, Malmö, Sweden) makke in yngeande analyze fan resultaattrends en bepaling fan optimale reaksjebetingsten foar dizze sykloadysje mooglik. It útfieren fan 'e ynboude optimizer en it selektearjen fan alle wichtige modeltermen jout in set reaksjebetingsten dy't ûntworpen binne om it produktpeakoerflak te maksimalisearjen, wylst it peakoerflak foar asetyleenútgongsmateriaal fermindere wurdt.
De oksidaasje fan oerflakkoper binnen de katalytyske reaksjekeamer waard berikt mei in oplossing fan wetterstofperokside (36%) dy't troch de reaksjekeamer streamde (streamsnelheid = 0,4 mL min-1, ferbliuwstiid = 2,5 min) foarôfgeand oan de synteze fan elke triazoolferbiningbibleteek.
Sadree't in optimale set betingsten identifisearre wie, waarden se tapast op in ferskaat oan asetyleen- en haloalkaanderivaten om de gearstalling fan in lytse bibleteeksynthese mooglik te meitsjen, wêrtroch't de mooglikheid ûntstie om dizze betingsten ta te passen op in breder skala oan potinsjele reagentia (Ofbylding 1).2).
Meitsje aparte oplossingen fan natriumazide (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), haloalkanen (0.25 M, DMF) en alkynen (0.125 M, DMF). 3 mL aliquots fan elke oplossing waarden mingd en troch de reaktor pompt by 75 µL.min-1 en 150 °C. It totale folume waard sammele yn in fleske en ferdund mei 10 mL etylacetaat. De stekproefoplossing waard wosken mei 3 × 10 mL wetter. De wetterige lagen waarden kombinearre en ekstrahearre mei 10 mL etylacetaat; de organyske lagen waarden doe kombinearre, wosken mei 3 x 10 mL pekel, droege oer MgSO4 en filtere, doe waard it oplosmiddel yn fakuüm fuorthelle. De stekproeven waarden suvere troch kolomchromatografy op silikagel mei etylacetaat foarôfgeand oan analyze troch in kombinaasje fan HPLC, 1H NMR, 13C NMR en hege resolúsje massaspektrometry (HR-MS).
Alle spektra waarden krigen mei in Thermofischer presyzje Orbitrap resolúsje massaspektrometer mei ESI as ionisaasjeboarne. Alle samples waarden taret mei acetonitril as oplosmiddel.
TLC-analyze waard útfierd op silikaplaten mei in aluminiumachtergrûn. Platen waarden visualisearre troch UV-ljocht (254 nm) of vanillinekleuring en ferwaarming.
Alle samples waarden analysearre mei in VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) systeem foarsjoen fan in autosampler, in binêre pomp fan in kolomoven en in detektor foar ien golflingte. De brûkte kolom wie in ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Skotlân).
Ynjeksjes (5 µL) waarden direkt makke út it ferdunde rûge reaksjemingsel (1:10 ferdunning) en analysearre mei wetter:methanol (50:50 of 70:30), útsein foar guon samples mei it 70:30 oplosmiddelsysteem (oanjûn as in stjergetal) by in streamingsnelheid fan 1,5 mL/min. De kolom waard op 40 °C hâlden. De golflingte fan 'e detektor is 254 nm.
It % piekoppervlakte fan it stekproef waard berekkene út it piekoppervlakte fan it oerbleaune alkyn, allinich it triazoolprodukt, en de ynjeksje fan it útgongsmateriaal makke de identifikaasje fan 'e relevante peaken mooglik.
Alle samples waarden analysearre mei in Thermo iCAP 6000 ICP-OES. Alle kalibraasjestanderts waarden taret mei in 1000 ppm Cu-standertoplossing yn 2% salpetersoer (SPEX Certi Prep). Alle standerts waarden taret yn in 5% DMF- en 2% HNO3-oplossing, en alle samples waarden 20-fâld ferdund yn in sample DMF-HNO3-oplossing.
UAM brûkt ultrasone metaallassen as in bondingtechnyk foar it metaalfoliemateriaal dat brûkt wurdt om de definitive gearstalling te bouwen. Ultrasone metaallassen brûkt in triljend metaalark (in hoarn of ultrasone hoarn neamd) om druk út te oefenjen op 'e folielaach/earder konsolidearre laach dy't ferbûn wurde moat, wylst it materiaal trilt. Foar trochgeande operaasje is de sonotrode silindrysk en rôlet oer it oerflak fan it materiaal, wêrtroch it heule gebiet ferbûn wurdt. As druk en trilling tapast wurde, kinne de oksiden op it oerflak fan it materiaal barste. Trochgeande druk en trilling kinne feroarsaakje dat de rûchheden fan it materiaal ynstoarte 36. Yntins kontakt mei lokaal ynducearre waarmte en druk liedt dan ta fêste-steatbining by materiaalynterfaces; it kin ek de adhesion helpe troch feroaringen yn oerflakenerzjy 48. De aard fan it bondingmeganisme oerwint in protte fan 'e problemen dy't ferbûn binne mei de fariabele smelttemperatuer en hege temperatuer-neieffekten neamd yn oare additive produksjetechniken. Dit makket direkte bonding mooglik (d.w.s. sûnder oerflakmodifikaasje, fillers of lijmen) fan meardere lagen fan ferskate materialen yn ien konsolidearre struktuer.
In twadde geunstige faktor foar UAM is de hege mjitte fan plestike stream dy't waarnommen wurdt yn metalen materialen, sels by lege temperatueren, d.w.s. fier ûnder it smeltpunt fan metalen materialen. De kombinaasje fan ultrasone oscillaasje en druk feroarsaket hege nivo's fan lokale nôtgrinsmigraasje en rekristallisaasje sûnder de grutte temperatuerferheging dy't tradisjoneel assosjeare wurdt mei bulkmaterialen. Tidens de konstruksje fan 'e definitive gearstalling kin dit ferskynsel brûkt wurde om aktive en passive komponinten tusken lagen metaalfolie yn te bouwen, laach foar laach. Eleminten lykas optyske fezels 49, fersterkingen 46, elektroanika 50 en thermokoppels (dit wurk) binne allegear mei súkses ynbêde yn UAM-struktueren om aktive en passive gearstalde gearstallingen te meitsjen.
Yn dit wurk binne sawol de ferskate materiaalbining as ynterkalaasjemooglikheden fan UAM brûkt om de ultime katalytyske temperatuermonitoring-mikroreaktor te meitsjen.
Yn ferliking mei palladium (Pd) en oare faak brûkte metaalkatalysatoren hat Cu-katalyse ferskate foardielen: (i) Ekonomysk sjoen is Cu minder djoer as in protte oare metalen dy't brûkt wurde yn katalyse en is dêrom in oantreklike opsje foar de gemyske ferwurkingsyndustry (ii) It oanbod fan Cu-katalysearre krúskoppelingsreaksjes nimt ta en liket wat komplementêr te wêzen oan Pd-basearre metodologyen51,52,53 (iii) Cu-katalysearre reaksjes wurkje goed yn 'e ôfwêzigens fan oare liganden. Dizze liganden binne faak struktureel ienfâldich en goedkeap as winske, wylst dyjingen dy't brûkt wurde yn Pd-skiekunde faak kompleks, djoer en gefoelich foar loft binne. (iv) Cu, benammen bekend om syn fermogen om alkynen te binen yn synteze. Bygelyks, bimetallysk-katalysearre Sonogashira-koppeling en cycloaddysje mei aziden (klikskiekunde). (v) Cu is ek yn steat om de arylaasje fan ferskate nukleofilen yn Ullmann-type reaksjes te befoarderjen.
Foarbylden fan heterogenisaasje fan al dizze reaksjes binne koartlyn oantoand yn 'e oanwêzigens fan Cu(0). Dit is foar in grut part te tankjen oan 'e farmaseutyske yndustry en de groeiende fokus op it weromwinnen en werbrûken fan metaalkatalysatoren55,56.
De 1,3-dipolare sykloadysjereaksje tusken asetyleen en azide oan 1,2,3-triazool, dy't yn 'e jierren 196057 troch Huisgen pionierd waard, wurdt beskôge as in synergistyske demonstraasjereaksje. De resultearjende 1,2,3-triazooldielen binne fan bysûnder belang as farmakofoar op it mêd fan medisynûntdekking fanwegen har biologyske tapassingen en gebrûk yn ferskate terapeutyske aginten58.
Dizze reaksje kaam wer yn fokus doe't Sharpless en oaren it konsept fan "klikchemie" yntrodusearren59. De term "klikchemie" wurdt brûkt om in robuuste, betroubere en selektive set reaksjes te beskriuwen foar de rappe synteze fan nije ferbiningen en kombinatoryske bibleteken fia heteroatomlinkage (CXC)60. De synthetyske oantrekkingskrêft fan dizze reaksjes komt troch har assosjearre hege opbringsten, reaksjebetingsten binne ienfâldich, soerstof- en wetterbestindichheid, en produktskieding is ienfâldich61.
De klassike Huisgen 1,3-dipoal sykloadysje heart net ta de kategory "klikchemie". Medal en Sharpless hawwe lykwols oantoand dat dizze azide-alkyn-koppelingsgebeurtenis 107 oant 108 ûndergiet yn 'e oanwêzigens fan Cu(I) yn ferliking mei de net-katalysearre 1,3-dipoal sykloadysje 62,63 in wichtige fersnelling fan 'e snelheid. Dit ferbettere reaksjemeganisme fereasket gjin beskermjende groepen of rûge reaksjeomstannichheden en jout hast folsleine konverzje en selektiviteit nei 1,4-disubstituearre 1,2,3-triazolen (anti-1,2,3-triazol) op in tiidskaal (Ofbylding 3).
Isometryske resultaten fan konvinsjonele en koper-katalysearre Huisgen-sykloaddysjes. Cu(I)-katalysearre Huisgen-sykloaddysjes jouwe allinich 1,4-disubstituearre 1,2,3-triazolen, wylst termysk ynducearre Huisgen-sykloaddysjes typysk in 1:1-mingsel fan stereoisomeren fan azolen fan 1,4- en 1,5-triazolen opleverje.
De measte protokollen omfetsje reduksje fan stabile Cu(II)-boarnen, lykas reduksje fan CuSO4 of Cu(II)/Cu(0)-soarten ko-kombinaasje mei natriumsâlt. Yn ferliking mei oare metaalkatalysearre reaksjes hat it gebrûk fan Cu(I) de wichtichste foardielen dat it goedkeap en maklik te behanneljen is.
Kinetyske en isotopyske labelingstúdzjes troch Worrell et al. 65 lieten sjen dat, yn it gefal fan terminale alkynen, twa ekwivalinten koper belutsen binne by it aktivearjen fan 'e reaktiviteit fan elk molekule rjochting azide. It foarstelde meganisme giet troch in seislidige kopermetaalring dy't foarme wurdt troch de koördinaasje fan azide oan σ-bûn koperacetylide mei π-bûn koper as in stabile donorligand. Triazolyl koperderivaten wurde foarme troch ringkrimp, folge troch protonûntleding om triazoolprodukten te leverjen en de katalytyske syklus te sluten.
Hoewol de foardielen fan streamgemy-apparaten goed dokumintearre binne, is der in winsk west om analytyske ark yn dizze systemen te yntegrearjen foar in-line, in-situ, prosesmonitoring66,67. UAM bliek in gaadlike metoade te wêzen foar it ûntwerpen en produsearjen fan heul komplekse 3D-streamreaktors makke fan katalytysk aktive, termysk geleidende materialen mei direkt ynbêde sensoreleminten (figuer 4).
Aluminium-koper streamreaktor makke troch ultrasone additive manufacturing (UAM) mei komplekse ynterne kanaalstruktuer, ynbêde thermokoppels en katalytyske reaksjekeamer. Om ynterne floeistofpaden te visualisearjen, wurdt ek in transparant prototype makke mei stereolitografy werjûn.
Om te soargjen dat de reaktors makke wurde foar takomstige organyske reaksjes, moatte oplosmiddels feilich boppe it siedpunt ferwaarme wurde; se wurde druk- en temperatuertests dien. De druktest liet sjen dat it systeem in stabile en konstante druk behâldt, sels mei in ferhege systeemdruk (1,7 MPa). De hydrostatyske test waard útfierd by keamertemperatuer mei H2O as floeistof.
It ferbinen fan it ynbêde (figuer 1) thermokoppel mei de temperatuerdatalogger liet sjen dat it thermokoppel 6 °C (± 1 °C) koeler wie as de programmearre temperatuer op it FlowSyn-systeem. Typysk resultearret in temperatuerferheging fan 10 °C yn in ferdûbeling fan 'e reaksjesnelheid, sadat in temperatuerferskil fan mar in pear graden de reaksjesnelheid signifikant kin feroarje. Dit ferskil komt troch it temperatuerferlies yn 'e heule reaktorliif fanwegen de hege termyske diffusiviteit fan 'e materialen dy't brûkt wurde yn it produksjeproses. Dizze termyske drift is konsekwint en kin dêrom rekken holden wurde mei yn 'e apparatueropset om te soargjen dat krekte temperatueren berikt en metten wurde tidens de reaksje. Dêrom makket dizze online monitoringtool in strakke kontrôle fan 'e reaksjetemperatuer mooglik en makket it krekter prosesoptimalisaasje en ûntwikkeling fan optimale omstannichheden mooglik. Dizze sensoren kinne ek brûkt wurde om reaksje-eksotermen te identifisearjen en útrinne reaksjes yn grutskalige systemen te foarkommen.
De reaktor dy't yn dit wurk presintearre wurdt, is it earste foarbyld fan 'e tapassing fan UAM-technology op 'e fabrikaazje fan gemyske reaktors en pakt ferskate wichtige beheiningen oan dy't op it stuit ferbûn binne mei AM/3D-printsjen fan dizze apparaten, lykas: (i) it oerwinnen fan 'e rapportearre problemen yn ferbân mei ferwurking fan koper- of aluminiumlegeringen (ii) ferbettere ynterne kanaalresolúsje yn ferliking mei poeierbêdfúzje (PBF)-techniken lykas selektive lasersmelting (SLM)25,69 Minne materiaalstream en rûge oerflaktekstuer26 (iii) Ferlege ferwurkingstemperatuer, wat direkte ferbining fan sensoren fasilitearret, wat net mooglik is yn poeierbêdtechnology, (v) oerwint minne meganyske eigenskippen en gefoelichheid fan komponinten op basis fan polymeer foar in ferskaat oan mienskiplike organyske oplosmiddels17,19.
De funksjonaliteit fan 'e reaktor waard demonstrearre troch in searje koper-katalysearre alkynazide-sykloaddisyreaksjes ûnder trochgeande streamomstannichheden (Fig. 2). De ultrasone-printe koperreaktor detaillearre yn Figuer 4 waard yntegrearre mei in kommersjeel streamsysteem en brûkt om bibleteekaziden fan ferskate 1,4-disubstituearre 1,2,3-triazolen te synthesisearjen fia de temperatuer-kontroleare reaksje fan asetyleen- en alkylgroephalogeniden yn 'e oanwêzigens fan natriumchloride (Figuer 3). It gebrûk fan in trochgeande streambenadering ferminderet de feiligensproblemen dy't kinne ûntstean yn batchprosessen, om't dizze reaksje heul reaktive en gefaarlike azide-tuskenprodukten produseart [317], [318]. Yn it earstoan waard de reaksje optimalisearre foar de sykloaddisy fan fenylacetyleen en jodoethaan (Skema 1 - Sykloaddisy fan fenylacetyleen en jodoethaan) (sjoch Figuer 5).
(Linksboppe) Skematyske foarstelling fan 'e opset dy't brûkt waard om de 3DP-reaktor yn it streamsysteem (rjochtsboppe) op te nimmen dat krigen is yn it optimalisearre (ûnder) skema fan it Huisgen cycloaddysje 57-skema tusken fenylacetyleen en jodoethaan foar optimalisaasje en it sjen litten fan 'e optimalisearre parameters reaksjekonverzjesnelheid.
Troch de ferbliuwstiid fan 'e reagentia yn it katalytyske diel fan 'e reaktor te kontrolearjen en de reaksjetemperatuer nau te kontrolearjen mei in direkt yntegreare thermokoppelsonde, kinne de reaksjebetingsten fluch en sekuer optimalisearre wurde mei minimaal tiid- en materiaalferbrûk. Der waard fluch fêststeld dat de heechste konversaasjes waarden berikt doe't in ferbliuwstiid fan 15 minuten en in reaksjetemperatuer fan 150 °C waarden brûkt. Ut 'e koëffisjintplot fan' e MODDE-software kin sjoen wurde dat sawol ferbliuwstiid as reaksjetemperatuer as wichtige modeltermen wurde beskôge. It útfieren fan 'e ynboude optimizer mei dizze selektearre termen genereart in set reaksjebetingsten dy't ûntworpen binne om produktpeakgebieten te maksimalisearjen, wylst de peakgebieten fan it útgongsmateriaal wurde fermindere. Dizze optimalisaasje levere in konversaasje fan 53% fan it triazoolprodukt op, wat nau oerienkomt mei de modelfoarsizzing fan 54%.
Op basis fan 'e literatuer dy't oantoant dat koper(I)okside (Cu2O) kin fungearje as in effektive katalytyske soarte op nul-valente koperoerflakken yn dizze reaksjes, waard it fermogen om it reaktoroerflak foarôf te oksidearjen foardat de reaksje yn stream útfierd waard ûndersocht70,71. De reaksje tusken fenylacetyleen en jodoetaan waard doe opnij útfierd ûnder optimale omstannichheden en de opbringsten waarden fergelike. Der waard waarnommen dat dizze tarieding resultearre yn in wichtige ferheging fan 'e konverzje fan it útgongsmateriaal, dy't berekkene waard op >99%. Monitoring troch HPLC liet lykwols sjen dat dizze konverzje de oermjittich ferlingde reaksjetiid signifikant fermindere oant sawat 90 minuten, wêrnei't de aktiviteit like te flakjen en in "steady state" te berikken. Dizze observaasje suggerearret dat de boarne fan katalytyske aktiviteit wurdt krigen fan it oerflak koperokside ynstee fan it nul-valente kopersubstraat. Cu-metaal wurdt maklik oksidearre by keamertemperatuer om CuO en Cu2O te foarmjen dy't gjin selsbeskermjende lagen binne. Dit elimineert de needsaak om in ekstra koper(II)-boarne ta te foegjen foar ko-komposysje71.