Nature.com ની મુલાકાત લેવા બદલ આભાર. તમે જે બ્રાઉઝર વર્ઝનનો ઉપયોગ કરી રહ્યા છો તેમાં CSS માટે મર્યાદિત સપોર્ટ છે. શ્રેષ્ઠ અનુભવ માટે, અમે ભલામણ કરીએ છીએ કે તમે અપડેટેડ બ્રાઉઝરનો ઉપયોગ કરો (અથવા ઇન્ટરનેટ એક્સપ્લોરરમાં સુસંગતતા મોડ બંધ કરો). આ દરમિયાન, સતત સપોર્ટ સુનિશ્ચિત કરવા માટે, અમે શૈલીઓ અને જાવાસ્ક્રિપ્ટ વિના સાઇટ પ્રદર્શિત કરીશું.
એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ સંશોધકો અને ઉદ્યોગપતિઓ તેમની ચોક્કસ જરૂરિયાતોને પૂર્ણ કરવા માટે રાસાયણિક ઉપકરણોની ડિઝાઇન અને ઉત્પાદન કરવાની રીત બદલી રહ્યું છે. આ કાર્યમાં, અમે સોલિડ-સ્ટેટ મેટલ શીટ લેમિનેશન તકનીક અલ્ટ્રાસોનિક એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ (UAM) દ્વારા સીધા સંકલિત ઉત્પ્રેરક ભાગો અને સેન્સિંગ તત્વો સાથે રચાયેલ ફ્લો રિએક્ટરના પ્રથમ ઉદાહરણની જાણ કરીએ છીએ. UAM ટેકનોલોજી રાસાયણિક રિએક્ટરના એડિટિવ ઉત્પાદન સાથે સંકળાયેલી ઘણી મર્યાદાઓને દૂર કરે છે એટલું જ નહીં, પરંતુ તે આવા ઉપકરણોની ક્ષમતાઓમાં પણ નોંધપાત્ર વધારો કરે છે. UAM રસાયણશાસ્ત્ર સેટ-અપનો ઉપયોગ કરીને Cu-મધ્યસ્થી Huisgen 1,3-દ્વિધ્રુવીય સાયક્લોએડિશન પ્રતિક્રિયા દ્વારા જૈવિક રીતે મહત્વપૂર્ણ 1,4-વિભાજિત 1,2,3-ટ્રાયઝોલ સંયોજનોની શ્રેણી સફળતાપૂર્વક સંશ્લેષણ અને ઑપ્ટિમાઇઝ કરવામાં આવી હતી. UAM અને સતત પ્રવાહ પ્રક્રિયાના અનન્ય ગુણધર્મોનો લાભ લઈને, ઉપકરણ પ્રતિક્રિયા દેખરેખ અને ઑપ્ટિમાઇઝેશન માટે રીઅલ-ટાઇમ પ્રતિસાદ પ્રદાન કરતી વખતે ચાલુ પ્રતિક્રિયાઓને ઉત્પ્રેરિત કરવામાં સક્ષમ છે.
તેના જથ્થાબંધ સમકક્ષ કરતાં તેના નોંધપાત્ર ફાયદાઓને કારણે, રાસાયણિક સંશ્લેષણની પસંદગી અને કાર્યક્ષમતા વધારવાની ક્ષમતાને કારણે, પ્રવાહ રસાયણશાસ્ત્ર શૈક્ષણિક અને ઔદ્યોગિક બંને સેટિંગ્સમાં એક મહત્વપૂર્ણ અને વિકસતું ક્ષેત્ર છે. આ સરળ કાર્બનિક પરમાણુ રચના1 થી ફાર્માસ્યુટિકલ સંયોજનો2,3 અને કુદરતી ઉત્પાદનો4,5,6 સુધી વિસ્તરે છે. સૂક્ષ્મ રાસાયણિક અને ફાર્માસ્યુટિકલ ઉદ્યોગોમાં 50% થી વધુ પ્રતિક્રિયાઓ સતત પ્રવાહ પ્રક્રિયા7 ના ઉપયોગથી લાભ મેળવી શકે છે.
તાજેતરના વર્ષોમાં, પરંપરાગત કાચનાં વાસણો અથવા ફ્લો કેમિસ્ટ્રી સાધનોને કસ્ટમાઇઝેબલ એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ (AM) કેમિસ્ટ્રી "રિએક્શન વેસલ્સ" સાથે બદલવા માંગતા જૂથોનો ટ્રેન્ડ વધી રહ્યો છે. આ તકનીકોની પુનરાવર્તિત ડિઝાઇન, ઝડપી ઉત્પાદન અને 3-પરિમાણીય (3D) ક્ષમતાઓ તે લોકો માટે ફાયદાકારક છે જેઓ તેમના ઉપકરણોને પ્રતિક્રિયાઓ, ઉપકરણો અથવા પરિસ્થિતિઓના ચોક્કસ સમૂહમાં કસ્ટમાઇઝ કરવા માંગે છે. આજની તારીખે, આ કાર્ય લગભગ ફક્ત પોલિમર-આધારિત 3D પ્રિન્ટિંગ તકનીકો જેમ કે સ્ટીરિયોલિથોગ્રાફી (SL)9,10,11, ફ્યુઝ્ડ ડિપોઝિશન મોડેલિંગ (FDM)8,12,13,14 અને ઇંકજેટ પ્રિન્ટિંગ 7, 15, 16 ના ઉપયોગ પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરે છે. રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ/વિશ્લેષણોની વિશાળ શ્રેણી કરવા માટે આવા ઉપકરણોની મજબૂતાઈ અને ક્ષમતાનો અભાવ 17, 18, 19, 20 આ ક્ષેત્રમાં AM ના વ્યાપક અમલીકરણ માટે એક મુખ્ય મર્યાદિત પરિબળ છે17, 18, 19, 20.
પ્રવાહ રસાયણશાસ્ત્રના વધતા ઉપયોગ અને AM સાથે સંકળાયેલા અનુકૂળ ગુણધર્મોને કારણે, વધુ અદ્યતન તકનીકોનું અન્વેષણ કરવાની જરૂર છે જે વપરાશકર્તાઓને ઉન્નત રાસાયણિક અને વિશ્લેષણાત્મક ક્ષમતાઓ સાથે પ્રવાહ પ્રતિક્રિયા વાહિનીઓ બનાવવા માટે સક્ષમ બનાવે છે. આ તકનીકો વપરાશકર્તાઓને પ્રતિક્રિયા પરિસ્થિતિઓની વિશાળ શ્રેણીને હેન્ડલ કરવા સક્ષમ અત્યંત મજબૂત અથવા કાર્યાત્મક સામગ્રીની શ્રેણીમાંથી પસંદગી કરવા સક્ષમ બનાવશે, જ્યારે પ્રતિક્રિયા દેખરેખ અને નિયંત્રણ માટે ઉપકરણમાંથી વિશ્લેષણાત્મક આઉટપુટના વિવિધ સ્વરૂપોને પણ સુવિધા આપશે.
એક એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ પ્રક્રિયા જેમાં કસ્ટમ કેમિકલ રિએક્ટર વિકસાવવાની ક્ષમતા છે તે અલ્ટ્રાસોનિક એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ (UAM) છે. આ સોલિડ-સ્ટેટ શીટ લેમિનેશન ટેકનિક પાતળા ધાતુના ફોઇલ પર અલ્ટ્રાસોનિક ઓસિલેશન લાગુ કરે છે જેથી તેમને ન્યૂનતમ બલ્ક હીટિંગ અને ઉચ્ચ સ્તરના પ્લાસ્ટિક ફ્લો સાથે સ્તર દ્વારા સ્તરમાં જોડવામાં આવે 21, 22, 23. મોટાભાગની અન્ય AM તકનીકોથી વિપરીત, UAM ને સબટ્રેક્ટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ સાથે સીધા જ સંકલિત કરી શકાય છે, જેને હાઇબ્રિડ મેન્યુફેક્ચરિંગ પ્રક્રિયા તરીકે ઓળખવામાં આવે છે, જેમાં ઇન-સીટુ પિરિયડિક કમ્પ્યુટર ન્યુમેરિકલ કંટ્રોલ (CNC) મિલિંગ અથવા લેસર મશીનિંગ બોન્ડેડ મટિરિયલ 24, 25 ના સ્તરના ચોખ્ખા આકારને વ્યાખ્યાયિત કરે છે. આનો અર્થ એ છે કે વપરાશકર્તા નાના પ્રવાહી ચેનલોમાંથી શેષ કાચા બિલ્ડ મટિરિયલને દૂર કરવા સાથે સંકળાયેલી સમસ્યાઓથી મર્યાદિત નથી, જે ઘણીવાર પાવડર અને લિક્વિડ AM સિસ્ટમ્સ 26,27,28 સાથે થાય છે. આ ડિઝાઇન સ્વતંત્રતા ઉપલબ્ધ મટિરિયલ પસંદગીઓ સુધી પણ વિસ્તરે છે - UAM એક જ પ્રક્રિયા પગલામાં થર્મલી સમાન અને ભિન્ન મટિરિયલ સંયોજનોને બોન્ડ કરી શકે છે. મેલ્ટ પ્રક્રિયાની બહાર મટિરિયલ સંયોજનોની પસંદગીનો અર્થ એ છે કે ચોક્કસ એપ્લિકેશનોની યાંત્રિક અને રાસાયણિક માંગણીઓ વધુ સારી રીતે પૂરી કરી શકાય છે. સોલિડ ઉપરાંત સ્ટેટ બોન્ડિંગ, અલ્ટ્રાસોનિક બોન્ડિંગ દરમિયાન જોવા મળતી બીજી ઘટના એ છે કે પ્રમાણમાં ઓછા તાપમાને પ્લાસ્ટિક સામગ્રીનો ઉચ્ચ પ્રવાહ 29,30,31,32,33. UAM ની આ અનોખી વિશેષતા ધાતુના સ્તરો વચ્ચે યાંત્રિક/થર્મલ તત્વોને નુકસાન વિના એમ્બેડ કરવાની સુવિધા આપી શકે છે. UAM એમ્બેડેડ સેન્સર સંકલિત વિશ્લેષણ દ્વારા ઉપકરણમાંથી વપરાશકર્તાને રીઅલ-ટાઇમ માહિતી પહોંચાડવાની સુવિધા આપી શકે છે.
લેખકોના ભૂતકાળના કાર્ય32 એ UAM પ્રક્રિયા દ્વારા સંકલિત સંવેદના ક્ષમતાઓ સાથે ધાતુ 3D માઇક્રોફ્લુઇડિક માળખાં બનાવવાની ક્ષમતા દર્શાવી હતી. આ એક માત્ર દેખરેખ ઉપકરણ છે. આ પેપર UAM દ્વારા બનાવેલા માઇક્રોફ્લુઇડિક રાસાયણિક રિએક્ટરનું પ્રથમ ઉદાહરણ રજૂ કરે છે; એક સક્રિય ઉપકરણ જે માળખાકીય રીતે સંકલિત ઉત્પ્રેરક સામગ્રી દ્વારા રાસાયણિક સંશ્લેષણનું માત્ર નિરીક્ષણ જ નહીં પણ પ્રેરિત પણ કરે છે. આ ઉપકરણ 3D રાસાયણિક ઉપકરણ ઉત્પાદનમાં UAM ટેકનોલોજી સાથે સંકળાયેલા ઘણા ફાયદાઓને જોડે છે, જેમ કે: કમ્પ્યુટર-એઇડેડ ડિઝાઇન (CAD) મોડેલોમાંથી સીધા જ સંપૂર્ણ 3D ડિઝાઇનને ઉત્પાદનોમાં રૂપાંતરિત કરવાની ક્ષમતા; ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા અને ઉત્પ્રેરક સામગ્રીને જોડવા માટે બહુ-મટીરિયલ ફેબ્રિકેશન; અને ચોક્કસ પ્રતિક્રિયા તાપમાન દેખરેખ અને નિયંત્રણ માટે રીએજન્ટ સ્ટ્રીમ્સ વચ્ચે સીધા થર્મલ સેન્સર્સ એમ્બેડ કરવા. રિએક્ટરની કાર્યક્ષમતા દર્શાવવા માટે, કોપર-ઉત્પ્રેરિત હ્યુઇસજેન 1,3-ડાયપોલર સાયક્લોએડિશન દ્વારા ફાર્માસ્યુટિકલી મહત્વપૂર્ણ 1,4-ડિસબસ્ટિટ્યુટેડ 1,2,3-ટ્રાયઝોલ સંયોજનોની લાઇબ્રેરીનું સંશ્લેષણ કરવામાં આવ્યું હતું. આ કાર્ય દર્શાવે છે કે સામગ્રી વિજ્ઞાન અને કમ્પ્યુટર-સહાયિત ડિઝાઇનનો ઉપયોગ કેવી રીતે બહુ-શાખાકીય સંશોધન દ્વારા રસાયણશાસ્ત્ર માટે નવી તકો અને શક્યતાઓ ખોલી શકે છે.
બધા દ્રાવકો અને રીએજન્ટ્સ સિગ્મા-એલ્ડ્રિચ, આલ્ફા એસર, TCI અથવા ફિશર સાયન્ટિફિક પાસેથી ખરીદવામાં આવ્યા હતા અને પૂર્વ શુદ્ધિકરણ વિના ઉપયોગમાં લેવાયા હતા. અનુક્રમે 400 MHz અને 100 MHz પર રેકોર્ડ કરાયેલ 1H અને 13C NMR સ્પેક્ટ્રા, JEOL ECS-400 400 MHz સ્પેક્ટ્રોમીટર અથવા બ્રુકર એવન્સ II 400 MHz સ્પેક્ટ્રોમીટર અને CDCl3 અથવા (CD3)2SO દ્રાવક તરીકેનો ઉપયોગ કરીને મેળવવામાં આવ્યા હતા. બધી પ્રતિક્રિયાઓ Uniqsis FlowSyn ફ્લો કેમિસ્ટ્રી પ્લેટફોર્મનો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવી હતી.
આ અભ્યાસમાં બધા ઉપકરણો બનાવવા માટે UAM નો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો. આ ટેકનોલોજીની શોધ 1999 માં કરવામાં આવી હતી, અને તેની શોધ પછીની તકનીકી વિગતો, ઓપરેટિંગ પરિમાણો અને વિકાસનો અભ્યાસ નીચેની પ્રકાશિત સામગ્રી 34,35,36,37 દ્વારા કરી શકાય છે. ઉપકરણ (આકૃતિ 1) અલ્ટ્રા-હાઇ પાવર, 9kW SonicLayer 4000® UAM સિસ્ટમ (ફેબ્રિસોનિક, OH, USA) નો ઉપયોગ કરીને અમલમાં મૂકવામાં આવ્યું હતું. ફ્લો ડિવાઇસના ઉત્પાદન માટે પસંદ કરાયેલ સામગ્રી Cu-110 અને Al 6061 હતી. Cu-110 માં ઉચ્ચ તાંબાનું પ્રમાણ (ઓછામાં ઓછું 99.9% તાંબુ) છે, જે તેને તાંબા-ઉત્પ્રેરિત પ્રતિક્રિયાઓ માટે સારો ઉમેદવાર બનાવે છે, અને તેથી તેનો ઉપયોગ "માઇક્રોરિએક્ટરની અંદર સક્રિય સ્તર" તરીકે થાય છે. Al 6061 O નો ઉપયોગ "બલ્ક" સામગ્રી તરીકે થાય છે, વિશ્લેષણ માટે ઉપયોગમાં લેવાતા એમ્બેડિંગ સ્તર પણ; એલોય સહાયક ઘટક એમ્બેડિંગ અને એનિલ કરેલી સ્થિતિ Cu-110 સ્તર સાથે જોડાયેલી છે. Al 6061 O એ એક એવી સામગ્રી છે જે ખૂબ સુસંગત હોવાનું દર્શાવવામાં આવ્યું છે. UAM પ્રક્રિયા કરે છે38, 39, 40, 41 અને તેનું પરીક્ષણ કરવામાં આવ્યું છે અને આ કાર્યમાં ઉપયોગમાં લેવાતા રીએજન્ટ્સ સાથે રાસાયણિક રીતે સ્થિર હોવાનું જાણવા મળ્યું છે. Cu-110 સાથે Al 6061 O નું સંયોજન પણ UAM માટે સુસંગત સામગ્રી સંયોજન માનવામાં આવે છે અને તેથી આ અભ્યાસ માટે યોગ્ય સામગ્રી છે. 38,42 આ ઉપકરણો નીચે કોષ્ટક 1 માં સૂચિબદ્ધ છે.
રિએક્ટર ફેબ્રિકેશન સ્ટેજ (1) Al 6061 સબસ્ટ્રેટ (2) કોપર ફોઇલ પર સેટ કરેલી નીચેની ચેનલનું ફેબ્રિકેશન (3) સ્તરો વચ્ચે થર્મોકપલનું એમ્બેડિંગ (4) ટોપ ચેનલ (5) ઇનલેટ અને આઉટલેટ (6) મોનોલિથિક રિએક્ટર.
પ્રવાહી માર્ગની ડિઝાઇન ફિલોસોફી એ છે કે ચિપની અંદર પ્રવાહી દ્વારા મુસાફરી કરવામાં આવતા અંતરને વધારવા માટે એક ગૂંચવણભર્યા માર્ગનો ઉપયોગ કરવામાં આવે, જ્યારે ચિપને વ્યવસ્થિત કદમાં રાખવામાં આવે. ઉત્પ્રેરક/રીએજન્ટ ક્રિયાપ્રતિક્રિયા સમય વધારવા અને ઉત્તમ ઉત્પાદન ઉપજ પ્રદાન કરવા માટે અંતરમાં આ વધારો ઇચ્છનીય છે. ચિપ્સ ઉપકરણ44 ની અંદર તોફાની મિશ્રણને પ્રેરિત કરવા અને સપાટી (ઉત્પ્રેરક) સાથે પ્રવાહીના સંપર્ક સમયને વધારવા માટે સીધા માર્ગના છેડે 90° વળાંકનો ઉપયોગ કરે છે. પ્રાપ્ત કરી શકાય તેવા મિશ્રણને વધુ વધારવા માટે, રિએક્ટર ડિઝાઇનમાં સર્પેન્ટાઇન મિશ્રણ વિભાગમાં પ્રવેશતા પહેલા Y-જંકશન પર જોડાયેલા બે રીએજન્ટ ઇનલેટ્સ છે. ત્રીજો ઇનલેટ, જે પ્રવાહને તેના રહેઠાણના અડધા રસ્તે છેદે છે, તે ભવિષ્યના મલ્ટિસ્ટેપ પ્રતિક્રિયા સંશ્લેષણની ડિઝાઇનમાં શામેલ છે.
બધી ચેનલોમાં ચોરસ પ્રોફાઇલ (કોઈ ડ્રાફ્ટ એંગલ નથી) હોય છે, જે ચેનલ ભૂમિતિ બનાવવા માટે ઉપયોગમાં લેવાતા સામયિક CNC મિલિંગનું પરિણામ છે. ચેનલના પરિમાણો ઉચ્ચ (માઇક્રોરિએક્ટર માટે) વોલ્યુમ આઉટપુટ સુનિશ્ચિત કરવા માટે પસંદ કરવામાં આવે છે, જ્યારે મોટાભાગના સમાયેલ પ્રવાહી માટે સપાટીની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ (ઉત્પ્રેરક) ને સરળ બનાવવા માટે પૂરતા નાના હોય છે. યોગ્ય કદ પ્રતિક્રિયા માટે મેટલ-ફ્લુઇડિક ઉપકરણો સાથે લેખકોના ભૂતકાળના અનુભવ પર આધારિત છે. અંતિમ ચેનલના આંતરિક પરિમાણો 750 µm x 750 µm હતા અને કુલ રિએક્ટર વોલ્યુમ 1 મિલી હતું. વાણિજ્યિક પ્રવાહ રસાયણશાસ્ત્ર સાધનો સાથે ઉપકરણના સરળ ઇન્ટરફેસિંગને મંજૂરી આપવા માટે ડિઝાઇનમાં એક સંકલિત કનેક્ટર (1/4″—28 UNF થ્રેડ) શામેલ છે. ચેનલનું કદ ફોઇલ સામગ્રીની જાડાઈ, તેના યાંત્રિક ગુણધર્મો અને અલ્ટ્રાસોનિક્સ સાથે ઉપયોગમાં લેવાતા બોન્ડિંગ પરિમાણો દ્વારા મર્યાદિત છે. આપેલ સામગ્રી માટે ચોક્કસ પહોળાઈ પર, સામગ્રી બનાવેલ ચેનલમાં "નમી" જશે. આ ગણતરી માટે હાલમાં કોઈ ચોક્કસ મોડેલ નથી, તેથી આપેલ સામગ્રી અને ડિઝાઇન માટે મહત્તમ ચેનલ પહોળાઈ પ્રાયોગિક રીતે નક્કી કરવામાં આવે છે; આ કિસ્સામાં, 750 μm ની પહોળાઈ ઝૂલવાનું કારણ બનશે નહીં.
ચેનલનો આકાર (ચોરસ) ચોરસ કટરનો ઉપયોગ કરીને નક્કી કરવામાં આવે છે. ચેનલોના આકાર અને કદને CNC મશીનો દ્વારા વિવિધ કટીંગ ટૂલ્સનો ઉપયોગ કરીને બદલી શકાય છે જેથી વિવિધ પ્રવાહ દર અને લાક્ષણિકતાઓ મેળવી શકાય. 125 μm ટૂલનો ઉપયોગ કરીને વક્ર આકારની ચેનલ બનાવવાનું ઉદાહરણ મોનાઘન45 ના કાર્યમાં મળી શકે છે. જ્યારે ફોઇલ લેયરને પ્લેનર ફેશનમાં જમા કરવામાં આવે છે, ત્યારે ચેનલો પર ફોઇલ સામગ્રીનો ઓવરલે સપાટ (ચોરસ) ફિનિશ ધરાવશે. આ કાર્યમાં, ચેનલની સમપ્રમાણતા જાળવવા માટે, ચોરસ રૂપરેખાનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો.
ઉત્પાદનમાં પૂર્વ-પ્રોગ્રામ કરેલ વિરામ દરમિયાન, થર્મોકપલ તાપમાન પ્રોબ્સ (પ્રકાર K) સીધા ઉપકરણમાં ઉપલા અને નીચલા ચેનલ જૂથો વચ્ચે એમ્બેડ કરવામાં આવે છે (આકૃતિ 1 - સ્ટેજ 3). આ થર્મોકપલ -200 થી 1350 °C સુધીના તાપમાનના ફેરફારોનું નિરીક્ષણ કરી શકે છે.
મેટલ ડિપોઝિશન પ્રક્રિયા UAM હોર્ન દ્વારા 25.4 મીમી પહોળા, 150 માઇક્રોન જાડા મેટલ ફોઇલનો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવે છે. આ ફોઇલ સ્તરો સમગ્ર બિલ્ડ એરિયાને આવરી લેવા માટે અડીને આવેલા સ્ટ્રીપ્સની શ્રેણીમાં બંધાયેલા છે; ડિપોઝિટ કરેલી સામગ્રીનું કદ અંતિમ ઉત્પાદન કરતા મોટું છે કારણ કે સબટ્રેક્ટિવ પ્રક્રિયા અંતિમ ચોખ્ખી આકાર ઉત્પન્ન કરે છે. CNC મશીનિંગનો ઉપયોગ સાધનોના બાહ્ય અને આંતરિક રૂપરેખાને મશીન કરવા માટે થાય છે, પરિણામે પસંદ કરેલા ટૂલ અને CNC પ્રક્રિયા પરિમાણો (આ ઉદાહરણમાં આશરે 1.6 μm Ra) ની સમાન સાધનો અને ચેનલોની સપાટી પૂર્ણાહુતિ થાય છે. પરિમાણીય ચોકસાઈ જાળવવામાં આવે છે અને ફિનિશ્ડ ભાગ CNC ફિનિશ મિલિંગ ચોકસાઈ સ્તરોને પૂર્ણ કરશે તેની ખાતરી કરવા માટે ઉપકરણ ઉત્પાદન પ્રક્રિયા દરમ્યાન સતત, સતત અલ્ટ્રાસોનિક મટિરિયલ ડિપોઝિશન અને મશીનિંગ ચક્રનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. આ ઉપકરણ માટે ઉપયોગમાં લેવાતી ચેનલ પહોળાઈ એટલી નાની છે કે ફોઇલ સામગ્રી પ્રવાહી ચેનલમાં "નમી" ન જાય, તેથી ચેનલ ચોરસ ક્રોસ-સેક્શન જાળવી રાખે છે. ફોઇલ સામગ્રી અને UAM પ્રક્રિયા પરિમાણોમાં સંભવિત ગાબડા ઉત્પાદન ભાગીદાર (ફેબ્રિસોનિક LLC, USA) દ્વારા પ્રાયોગિક રીતે નક્કી કરવામાં આવ્યા હતા.
અભ્યાસોએ દર્શાવ્યું છે કે UAM બોન્ડિંગ ઇન્ટરફેસ 46, 47 પર વધારાની થર્મલ ટ્રીટમેન્ટ વિના થોડું એલિમેન્ટલ ડિફ્યુઝન થાય છે, તેથી આ કાર્યમાં ઉપકરણો માટે, Cu-110 સ્તર Al 6061 સ્તરથી અલગ રહે છે અને અચાનક બદલાય છે.
રિએક્ટરના આઉટલેટમાં પ્રી-કેલિબ્રેટેડ 250 psi (1724 kPa) બેક પ્રેશર રેગ્યુલેટર (BPR) ઇન્સ્ટોલ કરો અને રિએક્ટરમાંથી 0.1 થી 1 mL min-1 ના દરે પાણી પંપ કરો. સિસ્ટમ સતત સ્થિર દબાણ જાળવી શકે છે તે ચકાસવા માટે ફ્લોસિન બિલ્ટ-ઇન સિસ્ટમ પ્રેશર સેન્સરનો ઉપયોગ કરીને રિએક્ટર પ્રેશરનું નિરીક્ષણ કરવામાં આવ્યું હતું. રિએક્ટરમાં એમ્બેડ કરેલા થર્મોકપલ્સ અને ફ્લોસિન ચિપ હીટિંગ પ્લેટમાં એમ્બેડ કરેલા થર્મોકપલ્સ વચ્ચેના કોઈપણ તફાવતોને ઓળખીને ફ્લો રિએક્ટરમાં સંભવિત તાપમાન ગ્રેડિયન્ટ્સનું પરીક્ષણ કરવામાં આવ્યું હતું. આ પ્રોગ્રામેબલ હોટપ્લેટ તાપમાનને 25 °C ઇન્ક્રીમેન્ટમાં 100 અને 150 °C વચ્ચે બદલીને અને પ્રોગ્રામ કરેલા અને રેકોર્ડ કરેલા તાપમાન વચ્ચેના કોઈપણ તફાવતને નોંધીને પ્રાપ્ત થાય છે. આ tc-08 ડેટા લોગર (PicoTech, Cambridge, UK) અને તેની સાથેના PicoLog સોફ્ટવેરનો ઉપયોગ કરીને પ્રાપ્ત થયું હતું.
ફિનાઇલએસિટિલીન અને આયોડોઇથેનની સાયક્લોએડિશન પ્રતિક્રિયા સ્થિતિઓને ઑપ્ટિમાઇઝ કરવામાં આવી હતી (સ્કીમ 1- ફિનાઇલએસિટિલીન અને આયોડોઇથેનનું સાયક્લોએડિશન સ્કીમ 1- ફિનાઇલએસિટિલીન અને આયોડોઇથેનનું સાયક્લોએડિશન). આ ઑપ્ટિમાઇઝેશન સંપૂર્ણ ફેક્ટોરિયલ ડિઝાઇન ઓફ એક્સપેરિમેન્ટ્સ (DOE) અભિગમ દ્વારા કરવામાં આવ્યું હતું, જેમાં તાપમાન અને રહેઠાણ સમયનો ઉપયોગ ચલ પરિમાણો તરીકે કરવામાં આવ્યો હતો, જ્યારે આલ્કાઇન:એઝાઇડ ગુણોત્તર 1:2 પર નક્કી કરવામાં આવ્યો હતો.
સોડિયમ એઝાઇડ (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), આયોડોઇથેન (0.25 M, DMF), અને ફિનાઇલએસિટિલીન (0.125 M, DMF) ના અલગ દ્રાવણ તૈયાર કરવામાં આવ્યા હતા. દરેક દ્રાવણના 1.5 mL એલિક્વોટને ઇચ્છિત પ્રવાહ દર અને તાપમાને રિએક્ટરમાં મિશ્રિત કરવામાં આવ્યા હતા અને પમ્પ કરવામાં આવ્યા હતા. મોડેલ પ્રતિભાવને ટ્રાયઝોલ ઉત્પાદન અને ફિનાઇલએસિટિલીન પ્રારંભિક સામગ્રીના ટોચના ક્ષેત્ર ગુણોત્તર તરીકે લેવામાં આવ્યો હતો અને ઉચ્ચ પ્રદર્શન પ્રવાહી ક્રોમેટોગ્રાફી (HPLC) દ્વારા નક્કી કરવામાં આવ્યો હતો. વિશ્લેષણની સુસંગતતા માટે, પ્રતિક્રિયા મિશ્રણ રિએક્ટરમાંથી બહાર નીકળ્યા પછી તરત જ બધી પ્રતિક્રિયાઓનું નમૂના લેવામાં આવ્યું હતું. ઑપ્ટિમાઇઝેશન માટે પસંદ કરેલ પરિમાણ શ્રેણીઓ કોષ્ટક 2 માં બતાવવામાં આવી છે.
બધા નમૂનાઓનું વિશ્લેષણ ક્રોમાસ્ટર HPLC સિસ્ટમ (VWR, PA, USA) નો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવ્યું હતું જેમાં ક્વાટર્નરી પંપ, કોલમ ઓવન, ચલ તરંગલંબાઇ UV ડિટેક્ટર અને ઓટોસેમ્પલરનો સમાવેશ થતો હતો. કોલમ એક ઇક્વિવેલન્સ 5 C18 (VWR, PA, USA), 4.6 × 100 mm કદ, 5 µm કણ કદ, 40 °C પર જાળવવામાં આવ્યો હતો. દ્રાવક 1.5 mL.min-1 ના પ્રવાહ દરે આઇસોક્રેટિક 50:50 મિથેનોલ:પાણી હતું. ઇન્જેક્શન વોલ્યુમ 5 µL હતું અને ડિટેક્ટર તરંગલંબાઇ 254 nm હતી. DOE નમૂના માટે % પીક એરિયા ફક્ત શેષ આલ્કાઇન અને ટ્રાયઝોલ ઉત્પાદનોના પીક વિસ્તારોમાંથી ગણવામાં આવ્યો હતો. પ્રારંભિક સામગ્રીના ઇન્જેક્શનથી સંબંધિત પીક ઓળખી શકાય છે.
રિએક્ટર વિશ્લેષણ આઉટપુટને MODDE DOE સોફ્ટવેર (Umetrics, Malmö, સ્વીડન) સાથે જોડવાથી પરિણામોના વલણોનું સંપૂર્ણ વિશ્લેષણ અને આ સાયક્લોએડિશન માટે શ્રેષ્ઠ પ્રતિક્રિયા પરિસ્થિતિઓનું નિર્ધારણ શક્ય બન્યું. બિલ્ટ-ઇન ઑપ્ટિમાઇઝર ચલાવવાથી અને તમામ મહત્વપૂર્ણ મોડેલ ટર્મ્સ પસંદ કરવાથી ઉત્પાદન પીક એરિયાને મહત્તમ બનાવવા માટે રચાયેલ પ્રતિક્રિયા પરિસ્થિતિઓનો સમૂહ મળે છે જ્યારે એસિટિલિન પ્રારંભિક સામગ્રી માટે પીક એરિયા ઘટાડે છે.
ઉત્પ્રેરક પ્રતિક્રિયા ચેમ્બરમાં સપાટીના તાંબાનું ઓક્સિડેશન દરેક ટ્રાયઝોલ સંયોજન પુસ્તકાલયના સંશ્લેષણ પહેલાં પ્રતિક્રિયા ચેમ્બરમાંથી વહેતા હાઇડ્રોજન પેરોક્સાઇડ (36%) ના દ્રાવણ (પ્રવાહ દર = 0.4 mL મિનિટ-1, નિવાસ સમય = 2.5 મિનિટ) નો ઉપયોગ કરીને પ્રાપ્ત કરવામાં આવ્યું હતું.
એકવાર શ્રેષ્ઠ પરિસ્થિતિઓનો સમૂહ ઓળખાઈ ગયા પછી, તેમને નાના પુસ્તકાલય સંશ્લેષણના સંકલનને મંજૂરી આપવા માટે એસિટિલિન અને હેલોઆલ્કેન ડેરિવેટિવ્ઝની શ્રેણી પર લાગુ કરવામાં આવ્યા, જેનાથી સંભવિત રીએજન્ટ્સની વિશાળ શ્રેણીમાં આ પરિસ્થિતિઓને લાગુ કરવાની ક્ષમતા સ્થાપિત થઈ (આકૃતિ 1).2).
સોડિયમ એઝાઇડ (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), હેલોઆલ્કેન્સ (0.25 M, DMF) અને આલ્કાઇન્સ (0.125 M, DMF) ના અલગ દ્રાવણ તૈયાર કરો. દરેક દ્રાવણના 3 mL એલિક્વોટ્સને 75 µL.min-1 અને 150 °C પર રિએક્ટર દ્વારા મિશ્રિત કરવામાં આવ્યા હતા અને પમ્પ કરવામાં આવ્યા હતા. કુલ વોલ્યુમ એક શીશીમાં એકત્રિત કરવામાં આવ્યું હતું અને 10 mL ઇથિલ એસિટેટથી પાતળું કરવામાં આવ્યું હતું. નમૂનાના દ્રાવણને 3 × 10 mL પાણીથી ધોવામાં આવ્યું હતું. જલીય સ્તરોને 10 mL ઇથિલ એસિટેટ સાથે જોડવામાં આવ્યા હતા અને કાઢવામાં આવ્યા હતા; પછી કાર્બનિક સ્તરોને જોડવામાં આવ્યા હતા, 3 x 10 mL ખારા પાણીથી ધોવામાં આવ્યા હતા, MgSO4 પર સૂકવવામાં આવ્યા હતા અને ફિલ્ટર કરવામાં આવ્યા હતા, પછી દ્રાવકને વેક્યુઓમાં દૂર કરવામાં આવ્યો હતો. HPLC, 1H NMR, 13C NMR અને ઉચ્ચ રીઝોલ્યુશન માસ સ્પેક્ટ્રોમેટ્રી (HR-MS) ના સંયોજન દ્વારા વિશ્લેષણ પહેલાં ઇથિલ એસિટેટનો ઉપયોગ કરીને સિલિકા જેલ પર કોલમ ક્રોમેટોગ્રાફી દ્વારા નમૂનાઓને શુદ્ધ કરવામાં આવ્યા હતા.
બધા સ્પેક્ટ્રા આયનીકરણ સ્ત્રોત તરીકે ESI સાથે થર્મોફિશર પ્રિસિઝન ઓર્બિટ્રેપ રિઝોલ્યુશન માસ સ્પેક્ટ્રોમીટરનો ઉપયોગ કરીને મેળવવામાં આવ્યા હતા. બધા નમૂનાઓ દ્રાવક તરીકે એસિટોનાઇટ્રાઇલનો ઉપયોગ કરીને તૈયાર કરવામાં આવ્યા હતા.
એલ્યુમિનિયમ-સમર્થિત સિલિકા પ્લેટો પર TLC વિશ્લેષણ કરવામાં આવ્યું હતું. પ્લેટોને UV પ્રકાશ (254 nm) અથવા વેનીલીન સ્ટેનિંગ અને હીટિંગ દ્વારા વિઝ્યુઅલાઈઝ કરવામાં આવી હતી.
બધા નમૂનાઓનું વિશ્લેષણ VWR ક્રોમાસ્ટર (VWR ઇન્ટરનેશનલ લિમિટેડ, લેઇટન બઝાર્ડ, યુકે) સિસ્ટમનો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવ્યું હતું જે ઓટોસેમ્પલર, કોલમ ઓવન બાઈનરી પંપ અને સિંગલ વેવલેન્થ ડિટેક્ટરથી સજ્જ હતું. વપરાયેલ કોલમ ACE ઇક્વિવેલન્સ 5 C18 (150 × 4.6 મીમી, એડવાન્સ્ડ ક્રોમેટોગ્રાફી ટેક્નોલોજીસ લિમિટેડ, એબરડીન, સ્કોટલેન્ડ) હતો.
ઇન્જેક્શન (5 µL) સીધા પાતળા ક્રૂડ રિએક્શન મિશ્રણ (1:10 પાતળા) માંથી બનાવવામાં આવ્યા હતા અને પાણી: મિથેનોલ (50:50 અથવા 70:30) સાથે વિશ્લેષણ કરવામાં આવ્યું હતું, સિવાય કે 70:30 દ્રાવક સિસ્ટમ (સ્ટાર નંબર તરીકે સૂચિત) નો ઉપયોગ કરીને 1.5 mL/મિનિટના પ્રવાહ દરે કેટલાક નમૂનાઓ. સ્તંભ 40 °C પર રાખવામાં આવ્યો હતો. ડિટેક્ટર તરંગલંબાઇ 254 nm છે.
નમૂનાના % શિખર વિસ્તારની ગણતરી શેષ આલ્કાઇનના શિખર વિસ્તાર, ફક્ત ટ્રાયઝોલ ઉત્પાદન, અને પ્રારંભિક સામગ્રીના ઇન્જેક્શનથી સંબંધિત શિખરોની ઓળખ કરવાની મંજૂરી મળી.
બધા નમૂનાઓનું વિશ્લેષણ થર્મો iCAP 6000 ICP-OES નો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવ્યું હતું. બધા કેલિબ્રેશન ધોરણો 2% નાઈટ્રિક એસિડ (SPEX Certi Prep) માં 1000 ppm Cu પ્રમાણભૂત દ્રાવણનો ઉપયોગ કરીને તૈયાર કરવામાં આવ્યા હતા. બધા ધોરણો 5% DMF અને 2% HNO3 દ્રાવણમાં તૈયાર કરવામાં આવ્યા હતા, અને બધા નમૂનાઓ નમૂના DMF-HNO3 દ્રાવણમાં 20 ગણા પાતળા કરવામાં આવ્યા હતા.
UAM અંતિમ એસેમ્બલી બનાવવા માટે વપરાતી મેટલ ફોઇલ સામગ્રી માટે બોન્ડિંગ તકનીક તરીકે અલ્ટ્રાસોનિક મેટલ વેલ્ડીંગનો ઉપયોગ કરે છે. અલ્ટ્રાસોનિક મેટલ વેલ્ડીંગ વાઇબ્રેટિંગ મેટલ ટૂલ (જેને હોર્ન અથવા અલ્ટ્રાસોનિક હોર્ન કહેવાય છે) નો ઉપયોગ કરીને ફોઇલ સ્તર/પહેલાં એકીકૃત સ્તર પર દબાણ લાગુ કરે છે જે સામગ્રીને વાઇબ્રેટ કરતી વખતે બંધાય છે. સતત કામગીરી માટે, સોનોટ્રોડ નળાકાર હોય છે અને સામગ્રીની સપાટી પર ફરે છે, જે સમગ્ર વિસ્તારને બંધન કરે છે. જ્યારે દબાણ અને કંપન લાગુ કરવામાં આવે છે, ત્યારે સામગ્રીની સપાટી પરના ઓક્સાઇડ ક્રેક કરી શકે છે. સતત દબાણ અને કંપન સામગ્રીની એસ્પિરિટીઝને પતનનું કારણ બની શકે છે 36 . સ્થાનિક રીતે પ્રેરિત ગરમી અને દબાણ સાથે ઘન-સ્થિતિ બંધન તરફ દોરી જાય છે; તે સપાટી ઊર્જામાં ફેરફારો દ્વારા સંલગ્નતાને પણ મદદ કરી શકે છે48. બોન્ડિંગ મિકેનિઝમની પ્રકૃતિ અન્ય એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ તકનીકોમાં ઉલ્લેખિત ચલ ઓગળેલા તાપમાન અને ઉચ્ચ તાપમાન આફ્ટર-ઇફેક્ટ્સ સાથે સંકળાયેલી ઘણી સમસ્યાઓને દૂર કરે છે. આ વિવિધ સામગ્રીના બહુવિધ સ્તરોના સીધા બંધન (એટલે ​​કે, સપાટી ફેરફાર, ફિલર્સ અથવા એડહેસિવ્સ વિના) ને એક જ એકીકૃત માળખામાં મંજૂરી આપે છે.
UAM માટે બીજું અનુકૂળ પરિબળ એ છે કે ધાતુ પદાર્થોમાં પ્લાસ્ટિક પ્રવાહનું ઉચ્ચ સ્તર જોવા મળે છે, નીચા તાપમાને પણ, એટલે કે ધાતુ પદાર્થોના ગલનબિંદુથી ઘણું નીચે. અલ્ટ્રાસોનિક ઓસિલેશન અને દબાણનું સંયોજન પરંપરાગત રીતે જથ્થાબંધ સામગ્રી સાથે સંકળાયેલા મોટા તાપમાનમાં વધારો કર્યા વિના સ્થાનિક અનાજની સીમા સ્થળાંતર અને પુનઃસ્થાપનના ઉચ્ચ સ્તરને પ્રેરિત કરે છે. અંતિમ એસેમ્બલીના નિર્માણ દરમિયાન, આ ઘટનાનો ઉપયોગ મેટલ ફોઇલના સ્તરો વચ્ચે, સ્તર દ્વારા સ્તરમાં સક્રિય અને નિષ્ક્રિય ઘટકોને એમ્બેડ કરવા માટે કરી શકાય છે. ઓપ્ટિકલ ફાઇબર્સ 49, રિઇન્ફોર્સમેન્ટ્સ 46, ઇલેક્ટ્રોનિક્સ 50 અને થર્મોકપલ્સ (આ કાર્ય) જેવા તત્વોને સક્રિય અને નિષ્ક્રિય સંયુક્ત એસેમ્બલી બનાવવા માટે UAM માળખામાં સફળતાપૂર્વક એમ્બેડ કરવામાં આવ્યા છે.
આ કાર્યમાં, UAM ના વિવિધ મટીરીયલ બોન્ડિંગ અને ઇન્ટરકેલેશન શક્યતાઓ બંનેનો ઉપયોગ અંતિમ ઉત્પ્રેરક તાપમાન મોનિટરિંગ માઇક્રોરિએક્ટર બનાવવા માટે કરવામાં આવ્યો છે.
પેલેડિયમ (Pd) અને અન્ય સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતા ધાતુ ઉત્પ્રેરકોની તુલનામાં, Cu ઉત્પ્રેરકના ઘણા ફાયદા છે: (i) આર્થિક રીતે, Cu ઉત્પ્રેરકમાં વપરાતી ઘણી અન્ય ધાતુઓ કરતાં ઓછી ખર્ચાળ છે અને તેથી રાસાયણિક પ્રક્રિયા ઉદ્યોગ માટે એક આકર્ષક વિકલ્પ છે (ii) Cu-ઉત્પ્રેરક ક્રોસ-કપ્લિંગ પ્રતિક્રિયાઓની શ્રેણી વધી રહી છે અને Pd-આધારિત પદ્ધતિઓ માટે કંઈક અંશે પૂરક લાગે છે51,52,53 (iii) Cu-ઉત્પ્રેરક પ્રતિક્રિયાઓ અન્ય લિગાન્ડ્સની ગેરહાજરીમાં સારી રીતે કાર્ય કરે છે, આ લિગાન્ડ ઘણીવાર માળખાકીય રીતે સરળ અને સસ્તા હોય છે જો ઇચ્છિત હોય, જ્યારે Pd રસાયણશાસ્ત્રમાં ઉપયોગમાં લેવાતા ઘણીવાર જટિલ, ખર્ચાળ અને હવા-સંવેદનશીલ હોય છે (iv) Cu, ખાસ કરીને સંશ્લેષણમાં આલ્કાઇન્સને બાંધવાની ક્ષમતા માટે જાણીતું છે, ઉદાહરણ તરીકે, બાયમેટાલિક-ઉત્પ્રેરક સોનોગાશિરા જોડાણ અને એઝાઇડ્સ સાથે સાયક્લોએડિશન (ક્લિક રસાયણશાસ્ત્ર) (v) Cu ઉલમેન-પ્રકારની પ્રતિક્રિયાઓમાં અનેક ન્યુક્લિયોફાઇલ્સના એરિલેશનને પ્રોત્સાહન આપવા માટે પણ સક્ષમ છે.
આ બધી પ્રતિક્રિયાઓના વિજાતીયકરણના ઉદાહરણો તાજેતરમાં Cu(0) ની હાજરીમાં દર્શાવવામાં આવ્યા છે. આ મોટે ભાગે ફાર્માસ્યુટિકલ ઉદ્યોગ અને ધાતુ ઉત્પ્રેરક પુનઃપ્રાપ્તિ અને પુનઃઉપયોગ પર વધતા ધ્યાનને કારણે છે55,56.
૧૯૬૦ ના દાયકામાં હ્યુઇસજેન દ્વારા પ્રણેતા, એસિટિલીન અને એઝાઇડ વચ્ચે ૧,૨,૩-ટ્રાયઝોલ વચ્ચેની ૧,૩-દ્વિધ્રુવીય સાયક્લોએડિશન પ્રતિક્રિયાને એક સિનર્જિસ્ટિક પ્રદર્શન પ્રતિક્રિયા માનવામાં આવે છે. પરિણામી ૧,૨,૩ ટ્રાયઝોલ મોઇટીઝ દવા શોધના ક્ષેત્રમાં ફાર્માકોફોર તરીકે ખાસ રસ ધરાવે છે કારણ કે તેમના જૈવિક ઉપયોગો અને વિવિધ ઉપચારાત્મક એજન્ટોમાં ઉપયોગ ૫૮ છે.
શાર્પલેસ અને અન્ય લોકોએ "ક્લિક કેમિસ્ટ્રી" ની વિભાવના રજૂ કરી ત્યારે આ પ્રતિક્રિયા ફરીથી ધ્યાન કેન્દ્રિત થઈ. 59. "ક્લિક કેમિસ્ટ્રી" શબ્દનો ઉપયોગ હેટરોએટોમ લિન્કેજ (CXC) દ્વારા નવા સંયોજનો અને કોમ્બીનેટોરિયલ લાઇબ્રેરીઓના ઝડપી સંશ્લેષણ માટે પ્રતિક્રિયાઓના મજબૂત, વિશ્વસનીય અને પસંદગીયુક્ત સમૂહનું વર્ણન કરવા માટે થાય છે. 60 આ પ્રતિક્રિયાઓનું કૃત્રિમ આકર્ષણ તેમની સંકળાયેલ ઉચ્ચ ઉપજ, પ્રતિક્રિયા પરિસ્થિતિઓ સરળ, ઓક્સિજન અને પાણી પ્રતિકાર અને ઉત્પાદન અલગીકરણ સરળ 61 માંથી ઉદ્ભવે છે.
ક્લાસિકલ હ્યુઇસજેન 1,3-ડાયપોલ સાયક્લોએડિશન "ક્લિક કેમિસ્ટ્રી" ની શ્રેણીમાં આવતું નથી. જો કે, મેડલ અને શાર્પલેસે દર્શાવ્યું કે આ એઝાઇડ-આલ્કાઇન કપ્લીંગ ઇવેન્ટ Cu(I) ની હાજરીમાં 107 થી 108 સુધી પહોંચે છે, જે ઉત્પ્રેરક વિનાના 1,3-ડાયપોલર સાયક્લોએડિશન 62,63 નોંધપાત્ર દર પ્રવેગકની તુલનામાં છે. આ સુધારેલ પ્રતિક્રિયા પદ્ધતિને રક્ષણાત્મક જૂથો અથવા કઠોર પ્રતિક્રિયા પરિસ્થિતિઓની જરૂર નથી અને સમય સ્કેલ પર 1,4-ડિસબસ્ટિટ્યુટેડ 1,2,3-ટ્રાયઝોલ (એન્ટી- 1,2,3-ટ્રાયઝોલ) માટે લગભગ સંપૂર્ણ રૂપાંતર અને પસંદગી આપે છે (આકૃતિ 3).
પરંપરાગત અને કોપર-ઉત્પ્રેરિત હ્યુઇજેન સાયક્લોએડિશનના આઇસોમેટ્રિક પરિણામો. Cu(I)-ઉત્પ્રેરિત હ્યુઇજેન સાયક્લોએડિશન ફક્ત 1,4-વિભાજિત 1,2,3-ટ્રાયઝોલ આપે છે, જ્યારે થર્મલી પ્રેરિત હ્યુઇજેન સાયક્લોએડિશન સામાન્ય રીતે એઝોલના સ્ટીરિયોઇસોમરનું 1,4- અને 1,5-ટ્રાયઝોલ 1:1 મિશ્રણ આપે છે.
મોટાભાગના પ્રોટોકોલમાં સ્થિર Cu(II) સ્ત્રોતોમાં ઘટાડો શામેલ છે, જેમ કે CuSO4 ઘટાડો અથવા Cu(II)/Cu(0) પ્રજાતિઓનું સોડિયમ ક્ષાર સાથે સહ-સંયોજન. અન્ય ધાતુ-ઉત્પ્રેરિત પ્રતિક્રિયાઓની તુલનામાં, Cu(I) નો ઉપયોગ સસ્તો અને નિયંત્રિત કરવામાં સરળ હોવાના મુખ્ય ફાયદા ધરાવે છે.
વોરેલ અને અન્યો દ્વારા ગતિ અને આઇસોટોપિક લેબલિંગ અભ્યાસો 65 દર્શાવે છે કે, ટર્મિનલ આલ્કાઇન્સના કિસ્સામાં, કોપરના બે સમકક્ષો એઝાઇડ તરફ દરેક પરમાણુની પ્રતિક્રિયાશીલતાને સક્રિય કરવામાં સામેલ છે. પ્રસ્તાવિત પદ્ધતિ છ-સભ્ય કોપર ધાતુની રિંગ દ્વારા આગળ વધે છે જે એઝાઇડ અને σ-બોન્ડેડ કોપર એસીટીલાઇડના સંકલન દ્વારા π-બોન્ડેડ કોપરને સ્થિર દાતા લિગાન્ડ તરીકે રચાય છે. ટ્રાયઝોલિલ કોપર ડેરિવેટિવ્ઝ રિંગ સંકોચન દ્વારા રચાય છે, ત્યારબાદ ટ્રાયઝોલ ઉત્પાદનો પ્રદાન કરવા અને ઉત્પ્રેરક ચક્રને બંધ કરવા માટે પ્રોટોન વિઘટન થાય છે.
ફ્લો કેમિસ્ટ્રી ડિવાઇસના ફાયદાઓ સારી રીતે દસ્તાવેજીકૃત થયેલ છે, પરંતુ ઇન-લાઇન, ઇન-સીટુ, પ્રક્રિયા દેખરેખ માટે આ સિસ્ટમોમાં વિશ્લેષણાત્મક સાધનોને એકીકૃત કરવાની ઇચ્છા રહી છે66,67. UAM એ ઉત્પ્રેરક રીતે સક્રિય, થર્મલી વાહક સામગ્રીથી બનેલા અત્યંત જટિલ 3D ફ્લો રિએક્ટર ડિઝાઇન અને ઉત્પાદન માટે યોગ્ય પદ્ધતિ સાબિત થઈ છે જેમાં સીધા જ એમ્બેડેડ સેન્સિંગ તત્વો (આકૃતિ 4) હોય છે.
જટિલ આંતરિક ચેનલ માળખું, એમ્બેડેડ થર્મોકપલ્સ અને ઉત્પ્રેરક પ્રતિક્રિયા ચેમ્બર સાથે અલ્ટ્રાસોનિક એડિટિવ મેન્યુફેક્ચરિંગ (UAM) દ્વારા ઉત્પાદિત એલ્યુમિનિયમ-કોપર ફ્લો રિએક્ટર. આંતરિક પ્રવાહી માર્ગોની કલ્પના કરવા માટે, સ્ટીરિયોલિથોગ્રાફીનો ઉપયોગ કરીને ઉત્પાદિત પારદર્શક પ્રોટોટાઇપ પણ બતાવવામાં આવ્યો છે.
ભવિષ્યના કાર્બનિક પ્રતિક્રિયાઓ માટે રિએક્ટર બનાવવામાં આવે તેની ખાતરી કરવા માટે, દ્રાવકોને ઉત્કલન બિંદુથી ઉપર સુરક્ષિત રીતે ગરમ કરવાની જરૂર છે; તેમનું દબાણ અને તાપમાન પરીક્ષણ કરવામાં આવે છે. દબાણ પરીક્ષણ દર્શાવે છે કે સિસ્ટમ વધેલા સિસ્ટમ દબાણ (1.7 MPa) સાથે પણ સ્થિર અને સતત દબાણ જાળવી રાખે છે. હાઇડ્રોસ્ટેટિક પરીક્ષણ H2O ને પ્રવાહી તરીકે ઉપયોગ કરીને ઓરડાના તાપમાને કરવામાં આવ્યું હતું.
એમ્બેડેડ (આકૃતિ 1) થર્મોકપલને તાપમાન ડેટા લોગર સાથે જોડવાથી જાણવા મળ્યું કે થર્મોકપલ ફ્લોસિન સિસ્ટમ પર પ્રોગ્રામ કરેલ તાપમાન કરતા 6 °C (± 1 °C) ઠંડુ હતું. સામાન્ય રીતે, તાપમાનમાં 10 °C નો વધારો પ્રતિક્રિયા દર બમણો થવામાં પરિણમે છે, તેથી માત્ર થોડા ડિગ્રીનો તાપમાન તફાવત પ્રતિક્રિયા દરમાં નોંધપાત્ર ફેરફાર કરી શકે છે. આ તફાવત ઉત્પાદન પ્રક્રિયામાં વપરાતી સામગ્રીની ઉચ્ચ થર્મલ ડિફ્યુસિવિટીને કારણે સમગ્ર રિએક્ટર બોડીમાં તાપમાનના ઘટાડાને કારણે છે. આ થર્મલ ડ્રિફ્ટ સુસંગત છે અને તેથી પ્રતિક્રિયા દરમિયાન ચોક્કસ તાપમાન સુધી પહોંચે અને માપવામાં આવે તેની ખાતરી કરવા માટે સાધનોના સેટઅપમાં તેનો હિસાબ કરી શકાય છે. તેથી, આ ઓનલાઈન મોનિટરિંગ ટૂલ પ્રતિક્રિયા તાપમાનના ચુસ્ત નિયંત્રણને સરળ બનાવે છે અને વધુ સચોટ પ્રક્રિયા ઑપ્ટિમાઇઝેશન અને શ્રેષ્ઠ પરિસ્થિતિઓના વિકાસને સરળ બનાવે છે. આ સેન્સરનો ઉપયોગ પ્રતિક્રિયા એક્ઝોથર્મ્સને ઓળખવા અને મોટા પાયે સિસ્ટમોમાં રનઅવે પ્રતિક્રિયાઓને રોકવા માટે પણ થઈ શકે છે.
આ કાર્યમાં રજૂ કરાયેલ રિએક્ટર રાસાયણિક રિએક્ટરના ઉત્પાદન માટે UAM ટેકનોલોજીના ઉપયોગનું પ્રથમ ઉદાહરણ છે અને હાલમાં આ ઉપકરણોના AM/3D પ્રિન્ટિંગ સાથે સંકળાયેલી ઘણી મુખ્ય મર્યાદાઓને સંબોધે છે, જેમ કે: (i) કોપર અથવા એલ્યુમિનિયમ એલોય પ્રોસેસિંગ સંબંધિત રિપોર્ટ કરેલી સમસ્યાઓને દૂર કરવી (ii) પાવડર બેડ ફ્યુઝન (PBF) તકનીકો જેમ કે પસંદગીયુક્ત લેસર મેલ્ટિંગ (SLM) ની તુલનામાં સુધારેલ આંતરિક ચેનલ રિઝોલ્યુશન25,69 નબળો સામગ્રી પ્રવાહ અને ખરબચડી સપાટીની રચના26 (iii) ઘટાડેલ પ્રોસેસિંગ તાપમાન, જે સેન્સરના સીધા બંધનને સરળ બનાવે છે, જે પાવડર બેડ ટેકનોલોજીમાં શક્ય નથી, (v) નબળા યાંત્રિક ગુણધર્મો અને પોલિમર-આધારિત ઘટકોના ઘટકોની સંવેદનશીલતાને વિવિધ સામાન્ય કાર્બનિક દ્રાવકો માટે દૂર કરે છે17,19.
સતત પ્રવાહની સ્થિતિમાં કોપર-ઉત્પ્રેરિત આલ્કાઇન એઝાઇડ સાયક્લોએડિશન પ્રતિક્રિયાઓની શ્રેણી દ્વારા રિએક્ટરની કાર્યક્ષમતા દર્શાવવામાં આવી હતી (આકૃતિ 2). આકૃતિ 4 માં વિગતવાર અલ્ટ્રાસોનિક-પ્રિન્ટેડ કોપર રિએક્ટરને વાણિજ્યિક પ્રવાહ પ્રણાલી સાથે સંકલિત કરવામાં આવ્યું હતું અને સોડિયમ ક્લોરાઇડ (આકૃતિ 3) ની હાજરીમાં એસિટિલિન અને આલ્કિલ જૂથો હેલાઇડ્સની તાપમાન-નિયંત્રિત પ્રતિક્રિયા દ્વારા વિવિધ 1,4-વિભાજિત 1,2,3-ટ્રાયઝોલ્સના લાઇબ્રેરી એઝાઇડ્સને સંશ્લેષણ કરવા માટે ઉપયોગમાં લેવાય છે. સતત પ્રવાહ અભિગમનો ઉપયોગ બેચ પ્રક્રિયાઓમાં ઉદ્ભવી શકે તેવી સલામતીની ચિંતાઓને ઘટાડે છે, કારણ કે આ પ્રતિક્રિયા અત્યંત પ્રતિક્રિયાશીલ અને જોખમી એઝાઇડ મધ્યસ્થી ઉત્પન્ન કરે છે [317], [318]. શરૂઆતમાં, પ્રતિક્રિયાને ફેનાઇલ એસિટિલિન અને આયોડોઇથેનના સાયક્લોએડિશન માટે ઑપ્ટિમાઇઝ કરવામાં આવી હતી (સ્કીમ 1 - ફેનાઇલ એસિટિલિન અને આયોડોઇથેનનું સાયક્લોએડિશન) (આકૃતિ 5 જુઓ).
(ઉપર ડાબે) 3DP રિએક્ટરને ફ્લો સિસ્ટમ (ઉપર જમણે) માં સમાવિષ્ટ કરવા માટે ઉપયોગમાં લેવાતા સેટઅપની યોજના, જે ફિનાઇલ એસિટિલીન અને આયોડોઇથેન વચ્ચેના ઑપ્ટિમાઇઝ્ડ (નીચે) સ્કીમમાં ઑપ્ટિમાઇઝેશન માટે અને ઑપ્ટિમાઇઝ્ડ પરિમાણો પ્રતિક્રિયા રૂપાંતર દર દર્શાવવા માટે હ્યુઇજેન સાયક્લોએડિશન 57 સ્કીમની ઑપ્ટિમાઇઝ્ડ (નીચે) સ્કીમમાં મેળવેલ છે.
રિએક્ટરના ઉત્પ્રેરક ભાગમાં રીએજન્ટ્સના રહેઠાણ સમયને નિયંત્રિત કરીને અને સીધા સંકલિત થર્મોકપલ પ્રોબ સાથે પ્રતિક્રિયા તાપમાનનું નજીકથી નિરીક્ષણ કરીને, પ્રતિક્રિયા પરિસ્થિતિઓને ન્યૂનતમ સમય અને સામગ્રી વપરાશ સાથે ઝડપથી અને સચોટ રીતે ઑપ્ટિમાઇઝ કરી શકાય છે. તે ઝડપથી નક્કી કરવામાં આવ્યું હતું કે જ્યારે 15 મિનિટનો રહેઠાણ સમય અને 150 °C ના પ્રતિક્રિયા તાપમાનનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો ત્યારે સૌથી વધુ રૂપાંતરણો પ્રાપ્ત થયા હતા. MODDE સોફ્ટવેરના ગુણાંક પ્લોટમાંથી, તે જોઈ શકાય છે કે રહેઠાણ સમય અને પ્રતિક્રિયા તાપમાન બંનેને મહત્વપૂર્ણ મોડેલ પદો ગણવામાં આવે છે. આ પસંદ કરેલા પદોનો ઉપયોગ કરીને બિલ્ટ-ઇન ઑપ્ટિમાઇઝર ચલાવવાથી ઉત્પાદનના ટોચના ક્ષેત્રોને મહત્તમ બનાવવા માટે રચાયેલ પ્રતિક્રિયા પરિસ્થિતિઓનો સમૂહ ઉત્પન્ન થાય છે જ્યારે પ્રારંભિક સામગ્રીના ટોચના ક્ષેત્રોને ઘટાડે છે. આ ઑપ્ટિમાઇઝેશનથી ટ્રાયઝોલ ઉત્પાદનનું 53% રૂપાંતર થયું, જે 54% ના મોડેલ અનુમાન સાથે નજીકથી મેળ ખાય છે.
આ પ્રતિક્રિયાઓમાં શૂન્ય-વેલેન્ટ કોપર સપાટી પર કોપર(I) ઓક્સાઇડ (Cu2O) અસરકારક ઉત્પ્રેરક પ્રજાતિ તરીકે કાર્ય કરી શકે છે તે દર્શાવતા સાહિત્યના આધારે, પ્રવાહમાં પ્રતિક્રિયા હાથ ધરતા પહેલા રિએક્ટર સપાટીને પ્રી-ઓક્સિડાઇઝ કરવાની ક્ષમતાની તપાસ કરવામાં આવી હતી70,71. ત્યારબાદ ફેનાઇલએસિટિલીન અને આયોડોઇથેન વચ્ચેની પ્રતિક્રિયા ફરીથી શ્રેષ્ઠ પરિસ્થિતિઓમાં કરવામાં આવી હતી અને ઉપજની તુલના કરવામાં આવી હતી. એવું જોવા મળ્યું હતું કે આ તૈયારીના પરિણામે પ્રારંભિક સામગ્રીના રૂપાંતરણમાં નોંધપાત્ર વધારો થયો હતો, જે 99% થી વધુ ગણાયો હતો. જો કે, HPLC દ્વારા દેખરેખ દર્શાવે છે કે આ રૂપાંતરણથી લગભગ 90 મિનિટ સુધી અતિશય લાંબા પ્રતિક્રિયા સમયને નોંધપાત્ર રીતે ઘટાડી દેવામાં આવ્યો હતો, જેના પછી પ્રવૃત્તિ સ્તર પર આવી ગઈ અને "સ્થિર સ્થિતિ" સુધી પહોંચી ગઈ. આ અવલોકન સૂચવે છે કે ઉત્પ્રેરક પ્રવૃત્તિનો સ્ત્રોત શૂન્ય-વેલેન્ટ કોપર સબસ્ટ્રેટને બદલે સપાટીના કોપર ઓક્સાઇડમાંથી મેળવવામાં આવે છે. Cu ધાતુને ઓરડાના તાપમાને સરળતાથી ઓક્સિડાઇઝ કરવામાં આવે છે જેથી CuO અને Cu2O બને છે જે સ્વ-રક્ષણાત્મક સ્તરો નથી. આ સહ-રચના માટે સહાયક કોપર(II) સ્ત્રોત ઉમેરવાની જરૂરિયાતને દૂર કરે છે71.