Nature.com पर आने के लिए धन्यवाद। आप जिस ब्राउज़र संस्करण का उपयोग कर रहे हैं, उसमें CSS समर्थन सीमित है। सर्वोत्तम अनुभव के लिए, हम अनुशंसा करते हैं कि आप अपडेट किया गया ब्राउज़र उपयोग करें (या इंटरनेट एक्सप्लोरर में संगतता मोड अक्षम करें)। इस बीच, निरंतर समर्थन सुनिश्चित करने के लिए, हम साइट को स्टाइल और जावास्क्रिप्ट के बिना प्रस्तुत करेंगे।
एक ही समय में तीन स्लाइड दिखाने वाला कैरोसेल। एक बार में तीन स्लाइड पर जाने के लिए पिछला और अगला बटन इस्तेमाल करें, या एक बार में तीन स्लाइड पर जाने के लिए अंत में स्लाइडर बटन का इस्तेमाल करें।
एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग शोधकर्ताओं और उद्योगपतियों द्वारा रासायनिक उपकरणों को उनकी विशिष्ट आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए डिज़ाइन और निर्माण करने के तरीके को बदल रहा है। इस पेपर में, हम सीधे एकीकृत उत्प्रेरक भागों और संवेदन तत्वों के साथ एक ठोस धातु शीट के अल्ट्रासोनिक एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग (UAM) लेमिनेशन द्वारा निर्मित प्रवाह रिएक्टर के पहले उदाहरण की रिपोर्ट करते हैं। UAM तकनीक न केवल रासायनिक रिएक्टरों के एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग से जुड़ी वर्तमान सीमाओं में से कई को दूर करती है, बल्कि ऐसे उपकरणों की क्षमताओं का भी बहुत विस्तार करती है। UAM रसायन विज्ञान सुविधा का उपयोग करके Cu-मध्यस्थ 1,3-द्विध्रुवीय ह्यूजेन साइक्लोडिशन प्रतिक्रिया द्वारा कई जैविक रूप से महत्वपूर्ण 1,4-डिसब्सिट्यूटेड 1,2,3-ट्राईज़ोल यौगिकों को सफलतापूर्वक संश्लेषित और अनुकूलित किया गया है। UAM और निरंतर प्रवाह प्रसंस्करण के अनूठे गुणों का उपयोग करके, डिवाइस चल रही प्रतिक्रियाओं को उत्प्रेरित करने के साथ-साथ प्रतिक्रियाओं की निगरानी और अनुकूलन के लिए वास्तविक समय की प्रतिक्रिया प्रदान करने में सक्षम है।
अपने थोक समकक्ष पर इसके महत्वपूर्ण लाभों के कारण, प्रवाह रसायन विज्ञान रासायनिक संश्लेषण की चयनात्मकता और दक्षता को बढ़ाने की अपनी क्षमता के कारण अकादमिक और औद्योगिक दोनों सेटिंग्स में एक महत्वपूर्ण और बढ़ता हुआ क्षेत्र है। यह सरल कार्बनिक अणुओं1 से लेकर फार्मास्युटिकल यौगिकों2,3 और प्राकृतिक उत्पादों4,5,6 के निर्माण तक फैला हुआ है। फाइन केमिकल और फार्मास्युटिकल उद्योगों में 50% से अधिक प्रतिक्रियाएं निरंतर प्रवाह7 से लाभान्वित हो सकती हैं।
हाल के वर्षों में, पारंपरिक कांच के बने पदार्थ या प्रवाह रसायन उपकरणों को अनुकूलनीय रासायनिक "रिएक्टर"8 से बदलने की मांग करने वाले समूहों की प्रवृत्ति बढ़ रही है। इन विधियों की पुनरावृत्तीय डिजाइन, तेजी से विनिर्माण और त्रि-आयामी (3D) क्षमताएं उन लोगों के लिए उपयोगी हैं जो किसी विशेष प्रतिक्रिया, उपकरण या स्थितियों के लिए अपने उपकरणों को अनुकूलित करना चाहते हैं। आज तक, यह कार्य लगभग विशेष रूप से पॉलीमर-आधारित 3D प्रिंटिंग तकनीकों जैसे स्टीरियोलिथोग्राफी (SL)9,10,11, फ्यूज्ड डिपोजिशन मॉडलिंग (FDM)8,12,13,14 और इंकजेट प्रिंटिंग7,15 के उपयोग पर केंद्रित रहा है। , 16. रासायनिक प्रतिक्रियाओं/विश्लेषणों की एक विस्तृत श्रृंखला को करने के लिए ऐसे उपकरणों की विश्वसनीयता और क्षमता की कमी17, 18, 19, 20 इस क्षेत्र में AM के व्यापक अनुप्रयोग के लिए एक प्रमुख सीमित कारक है17, 18, 19, 20।
प्रवाह रसायन विज्ञान के बढ़ते उपयोग और एएम से जुड़े अनुकूल गुणों के कारण, बेहतर तकनीकों की खोज की जानी चाहिए जो उपयोगकर्ताओं को बेहतर रसायन विज्ञान और विश्लेषणात्मक क्षमताओं के साथ प्रवाह प्रतिक्रिया वाहिकाओं का निर्माण करने की अनुमति देगी। इन विधियों से उपयोगकर्ताओं को उच्च शक्ति या कार्यात्मक सामग्रियों की एक श्रृंखला से चयन करने की अनुमति मिलनी चाहिए जो प्रतिक्रिया स्थितियों की एक विस्तृत श्रृंखला के तहत काम करने में सक्षम हैं, साथ ही प्रतिक्रिया की निगरानी और नियंत्रण को सक्षम करने के लिए डिवाइस से विश्लेषणात्मक आउटपुट के विभिन्न रूपों की सुविधा प्रदान करते हैं।
एक एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग प्रक्रिया जिसका उपयोग कस्टम रासायनिक रिएक्टरों को विकसित करने के लिए किया जा सकता है, वह है अल्ट्रासोनिक एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग (UAM)। यह सॉलिड-स्टेट शीट लेमिनेशन विधि पतली धातु की पन्नी पर अल्ट्रासोनिक कंपन लागू करती है ताकि उन्हें न्यूनतम वॉल्यूमेट्रिक हीटिंग और उच्च स्तर के प्लास्टिक प्रवाह के साथ परत दर परत एक साथ जोड़ा जा सके 21, 22, 23. अधिकांश अन्य AM तकनीकों के विपरीत, UAM को हाइब्रिड मैन्युफैक्चरिंग प्रक्रिया के रूप में जानी जाने वाली सबट्रैक्टिव प्रोडक्शन के साथ सीधे एकीकृत किया जा सकता है, जिसमें आवधिक इन-सीटू संख्यात्मक नियंत्रण (CNC) मिलिंग या लेजर प्रसंस्करण बंधी हुई सामग्री की परत के शुद्ध आकार को निर्धारित करता है 24, 25. इसका मतलब यह है कि उपयोगकर्ता छोटे तरल चैनलों से अवशिष्ट मूल निर्माण सामग्री को हटाने से जुड़ी समस्याओं तक सीमित नहीं है, जो अक्सर पाउडर और तरल प्रणालियों AM26,27,28 में होता है। यह डिज़ाइन स्वतंत्रता उपलब्ध सामग्रियों के विकल्प तक भी फैली हुई है - UAM एक ही प्रक्रिया चरण में थर्मली समान और असमान सामग्रियों के संयोजनों को जोड़ सकता है। पिघलने की प्रक्रिया से परे सामग्री संयोजनों का चयन करने का मतलब है कि विशिष्ट अनुप्रयोगों की यांत्रिक और रासायनिक आवश्यकताओं को बेहतर ढंग से पूरा किया जा सकता है। ठोस बंधन के अलावा, अल्ट्रासोनिक बंधन के साथ होने वाली एक और घटना अपेक्षाकृत कम तापमान पर प्लास्टिक सामग्री की उच्च तरलता है29,30,31,32,33। UAM की यह अनूठी विशेषता यांत्रिक/थर्मल तत्वों को बिना किसी नुकसान के धातु परतों के बीच रखने की अनुमति देती है। एम्बेडेड UAM सेंसर एकीकृत एनालिटिक्स के माध्यम से डिवाइस से उपयोगकर्ता तक वास्तविक समय की जानकारी पहुंचाने की सुविधा प्रदान कर सकते हैं।
लेखकों द्वारा पिछले कार्य32 ने UAM प्रक्रिया की क्षमता को प्रदर्शित किया है, जिससे एम्बेडेड सेंसिंग क्षमताओं के साथ धातु 3D माइक्रोफ्लुइडिक संरचनाएँ बनाई जा सकती हैं। यह डिवाइस केवल निगरानी उद्देश्यों के लिए है। यह लेख UAM द्वारा निर्मित एक माइक्रोफ्लुइडिक रासायनिक रिएक्टर का पहला उदाहरण प्रस्तुत करता है, एक सक्रिय डिवाइस जो न केवल संरचनात्मक रूप से एकीकृत उत्प्रेरक सामग्रियों के साथ रासायनिक संश्लेषण को नियंत्रित करता है, बल्कि प्रेरित भी करता है। यह डिवाइस 3D रासायनिक उपकरणों के निर्माण में UAM तकनीक से जुड़े कई लाभों को जोड़ती है, जैसे: कंप्यूटर-एडेड डिज़ाइन (CAD) मॉडल से सीधे एक पूर्ण 3D डिज़ाइन को उत्पाद में बदलने की क्षमता; उच्च तापीय चालकता और उत्प्रेरक सामग्रियों के संयोजन के लिए बहु-सामग्री निर्माण, साथ ही प्रतिक्रिया तापमान के सटीक नियंत्रण और प्रबंधन के लिए अभिकारक धाराओं के बीच सीधे एम्बेडेड थर्मल सेंसर। रिएक्टर की कार्यक्षमता को प्रदर्शित करने के लिए, कॉपर-उत्प्रेरित 1,3-द्विध्रुवीय ह्यूजेन साइक्लोडडिशन द्वारा फार्मास्यूटिकल रूप से महत्वपूर्ण 1,4-डिसब्सिट्यूटेड 1,2,3-ट्राईज़ोल यौगिकों की एक लाइब्रेरी को संश्लेषित किया गया था। यह कार्य इस बात पर प्रकाश डालता है कि किस प्रकार पदार्थ विज्ञान और कंप्यूटर-सहायता प्राप्त डिजाइन का उपयोग अंतःविषयक अनुसंधान के माध्यम से रसायन विज्ञान के लिए नई संभावनाओं और अवसरों को खोल सकता है।
सभी विलायक और अभिकर्मक सिग्मा-एल्ड्रिच, अल्फा एसर, टीसीआई या फिशर साइंटिफिक से खरीदे गए थे और बिना किसी पूर्व शुद्धिकरण के इस्तेमाल किए गए थे। 400 और 100 मेगाहर्ट्ज पर क्रमशः रिकॉर्ड किए गए 1H और 13C NMR स्पेक्ट्रा को JEOL ECS-400 400 मेगाहर्ट्ज स्पेक्ट्रोमीटर या ब्रूकर एवेंस II 400 मेगाहर्ट्ज स्पेक्ट्रोमीटर पर CDCl3 या (CD3)2SO विलायक के रूप में प्राप्त किया गया था। सभी अभिक्रियाएँ Uniqsis FlowSyn फ्लो केमिस्ट्री प्लेटफ़ॉर्म का उपयोग करके की गईं।
इस अध्ययन में सभी उपकरणों को बनाने के लिए UAM का उपयोग किया गया था। इस तकनीक का आविष्कार 1999 में किया गया था और इसके तकनीकी विवरण, संचालन पैरामीटर और इसके आविष्कार के बाद से हुए विकास का अध्ययन निम्नलिखित प्रकाशित सामग्रियों34,35,36,37 का उपयोग करके किया जा सकता है। डिवाइस (चित्र 1) को एक हेवी ड्यूटी 9 kW सोनिकलेयर 4000® UAM सिस्टम (फैब्रिसोनिक, ओहियो, यूएसए) का उपयोग करके कार्यान्वित किया गया था। प्रवाह उपकरण के लिए चुनी गई सामग्री Cu-110 और Al 6061 थी। Cu-110 में तांबे की उच्च मात्रा (न्यूनतम 99.9% तांबा) होती है, जो इसे तांबा उत्प्रेरित प्रतिक्रियाओं के लिए एक अच्छा उम्मीदवार बनाती है और इसलिए इसका उपयोग माइक्रोरिएक्टर के अंदर एक "सक्रिय परत" के रूप में किया जाता है। Al 6061 O का उपयोग "थोक" सामग्री के रूप में किया जाता है। , साथ ही विश्लेषण के लिए उपयोग की जाने वाली इंटरकैलेशन परत; Cu-110 परत के साथ संयोजन में सहायक मिश्र धातु घटकों और annealed अवस्था का इंटरकैलेशन। इस काम में उपयोग किए गए अभिकर्मकों के साथ रासायनिक रूप से स्थिर पाया गया। Cu-110 के संयोजन में Al 6061 O को भी UAM के लिए एक सुसंगत सामग्री संयोजन माना जाता है
रिएक्टर निर्माण चरण (1) 6061 एल्यूमीनियम मिश्र धातु सब्सट्रेट (2) तांबे की पन्नी से निचले चैनल का निर्माण (3) परतों के बीच थर्मोकपल का सम्मिलन (4) ऊपरी चैनल (5) इनलेट और आउटलेट (6) मोनोलिथिक रिएक्टर।
द्रव चैनल डिज़ाइन दर्शन चिप के अंदर द्रव द्वारा तय की गई दूरी को बढ़ाने के लिए एक टेढ़े-मेढ़े रास्ते का उपयोग करना है, जबकि चिप का आकार प्रबंधनीय बनाए रखना है। दूरी में यह वृद्धि उत्प्रेरक-प्रतिक्रियाशील संपर्क समय को बढ़ाने और उत्कृष्ट उत्पाद उपज प्रदान करने के लिए वांछनीय है। चिप्स डिवाइस44 के भीतर अशांत मिश्रण को प्रेरित करने और सतह (उत्प्रेरक) के साथ तरल के संपर्क समय को बढ़ाने के लिए एक सीधे रास्ते के सिरों पर 90° मोड़ का उपयोग करते हैं। प्राप्त किए जा सकने वाले मिश्रण को और बढ़ाने के लिए, रिएक्टर के डिज़ाइन में मिक्सिंग कॉइल सेक्शन में प्रवेश करने से पहले Y-कनेक्शन में संयुक्त दो अभिकारक इनलेट शामिल हैं। तीसरा प्रवेश द्वार, जो अपने निवास के माध्यम से प्रवाह को आधे रास्ते से पार करता है, भविष्य की बहु-चरण संश्लेषण प्रतिक्रियाओं की योजना में शामिल है।
सभी चैनलों में एक चौकोर प्रोफ़ाइल (कोई टेपर कोण नहीं) है, जो चैनल ज्यामिति बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली आवधिक CNC मिलिंग का परिणाम है। चैनल के आयामों को एक उच्च (एक माइक्रोरिएक्टर के लिए) वॉल्यूमेट्रिक उपज प्रदान करने के लिए चुना जाता है, फिर भी इसमें मौजूद अधिकांश तरल पदार्थों के लिए सतह (उत्प्रेरक) के साथ बातचीत को सुविधाजनक बनाने के लिए पर्याप्त छोटा होता है। उपयुक्त आकार धातु-तरल प्रतिक्रिया उपकरणों के साथ लेखकों के पिछले अनुभव पर आधारित है। अंतिम चैनल के आंतरिक आयाम 750 µm x 750 µm थे और कुल रिएक्टर की मात्रा 1 मिली थी। वाणिज्यिक प्रवाह रसायन विज्ञान उपकरण के साथ डिवाइस के आसान इंटरफेसिंग की अनुमति देने के लिए डिज़ाइन में एक अंतर्निहित कनेक्टर (1/4″-28 UNF थ्रेड) शामिल किया गया है। चैनल का आकार पन्नी सामग्री की मोटाई, इसके यांत्रिक गुणों और अल्ट्रासोनिक्स के साथ उपयोग किए जाने वाले बॉन्डिंग मापदंडों द्वारा सीमित है। दी गई सामग्री के लिए एक निश्चित चौड़ाई पर, सामग्री बनाई गई चैनल में "ढीली" हो जाएगी। वर्तमान में इस गणना के लिए कोई विशिष्ट मॉडल नहीं है, इसलिए किसी दी गई सामग्री और डिजाइन के लिए अधिकतम चैनल चौड़ाई प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित की जाती है, जिस स्थिति में 750 µm की चौड़ाई से झुकाव नहीं होगा।
चैनल का आकार (वर्ग) एक वर्गाकार कटर का उपयोग करके निर्धारित किया जाता है। विभिन्न प्रवाह दरों और विशेषताओं को प्राप्त करने के लिए विभिन्न कटिंग उपकरणों का उपयोग करके सीएनसी मशीनों पर चैनलों के आकार और आकार को बदला जा सकता है। 125 µm उपकरण के साथ एक घुमावदार चैनल बनाने का एक उदाहरण Monaghan45 में पाया जा सकता है। जब पन्नी परत को सपाट रूप से लगाया जाता है, तो चैनलों पर पन्नी सामग्री के आवेदन में एक सपाट (वर्गाकार) सतह होगी। इस कार्य में, चैनल समरूपता को संरक्षित करने के लिए एक वर्गाकार समोच्च का उपयोग किया गया था।
उत्पादन में प्रोग्राम किए गए विराम के दौरान, थर्मोकपल तापमान सेंसर (प्रकार K) सीधे ऊपरी और निचले चैनल समूहों (चित्र 1 - चरण 3) के बीच डिवाइस में बनाए जाते हैं। ये थर्मोकपल -200 से 1350 °C तक के तापमान परिवर्तनों को नियंत्रित कर सकते हैं।
धातु निक्षेपण प्रक्रिया UAM हॉर्न द्वारा 25.4 मिमी चौड़ी और 150 माइक्रोन मोटी धातु की पन्नी का उपयोग करके की जाती है। पन्नी की ये परतें पूरे निर्माण क्षेत्र को कवर करने के लिए आसन्न पट्टियों की एक श्रृंखला में जुड़ी हुई हैं; जमा सामग्री का आकार अंतिम उत्पाद से बड़ा होता है क्योंकि घटाव प्रक्रिया अंतिम साफ आकार बनाती है। CNC मशीनिंग का उपयोग उपकरण के बाहरी और आंतरिक आकृति को मशीन करने के लिए किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप उपकरण और चैनलों की सतह का फ़िनिश चयनित उपकरण और CNC प्रक्रिया मापदंडों (इस उदाहरण में, लगभग 1.6 µm Ra) के अनुरूप होता है। निरंतर, निरंतर अल्ट्रासोनिक सामग्री छिड़काव और मशीनिंग चक्रों का उपयोग डिवाइस की निर्माण प्रक्रिया के दौरान किया जाता है ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि आयामी सटीकता बनाए रखी जाए और तैयार भाग CNC फ़ाइन मिलिंग परिशुद्धता स्तरों को पूरा करे। इस डिवाइस के लिए उपयोग किए जाने वाले चैनल की चौड़ाई यह सुनिश्चित करने के लिए पर्याप्त छोटी है कि फ़ॉइल सामग्री द्रव चैनल में "ढीली" न हो, इसलिए चैनल में एक चौकोर क्रॉस सेक्शन होता है। पन्नी सामग्री में संभावित अंतराल और यूएएम प्रक्रिया के मापदंडों को विनिर्माण साझेदार (फैब्रिसोनिक एलएलसी, यूएसए) द्वारा प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित किया गया था।
अध्ययनों से पता चला है कि यूएएम यौगिक के इंटरफेस 46, 47 पर अतिरिक्त ताप उपचार के बिना तत्वों का प्रसार बहुत कम होता है, इसलिए इस कार्य में प्रयुक्त उपकरणों के लिए Cu-110 परत Al 6061 परत से भिन्न रहती है और नाटकीय रूप से परिवर्तित होती है।
रिएक्टर के डाउनस्ट्रीम में 250 psi (1724 kPa) पर एक प्री-कैलिब्रेटेड बैक प्रेशर रेगुलेटर (BPR) स्थापित करें और रिएक्टर के माध्यम से 0.1 से 1 ml मिनट-1 की दर से पानी पंप करें। सिस्टम में निर्मित FlowSyn प्रेशर ट्रांसड्यूसर का उपयोग करके रिएक्टर दबाव की निगरानी की गई ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि सिस्टम एक निरंतर स्थिर दबाव बनाए रख सकता है। फ्लो रिएक्टर में संभावित तापमान प्रवणता का परीक्षण रिएक्टर में निर्मित थर्मोकपल और FlowSyn चिप की हीटिंग प्लेट में निर्मित थर्मोकपल के बीच किसी भी अंतर को देखकर किया गया। यह 25 °C की वृद्धि में 100 और 150 °C के बीच प्रोग्राम किए गए हॉटप्लेट तापमान को बदलकर और प्रोग्राम किए गए और रिकॉर्ड किए गए तापमान के बीच किसी भी अंतर की निगरानी करके प्राप्त किया जाता है। यह tc-08 डेटा लॉगर (PicoTech, कैम्ब्रिज, UK) और साथ में दिए गए PicoLog सॉफ़्टवेयर का उपयोग करके प्राप्त किया गया था।
फेनिलएसिटिलीन और आयोडोइथेन की साइक्लोएडिशन प्रतिक्रिया के लिए स्थितियाँ अनुकूलित हैं (योजना 1-फेनिलएसिटिलीन और आयोडोइथेन का साइक्लोएडिशन, योजना 1-फेनिलएसिटिलीन और आयोडोइथेन का साइक्लोएडिशन)। यह अनुकूलन प्रयोगों के पूर्ण कारक डिजाइन (DOE) दृष्टिकोण का उपयोग करके किया गया था, जिसमें तापमान और निवास समय को चर के रूप में इस्तेमाल किया गया था जबकि एल्काइन:एज़ाइड अनुपात 1:2 पर तय किया गया था।
सोडियम एजाइड (0.25 एम, 4:1 डीएमएफ:एच2ओ), आयोडोइथेन (0.25 एम, डीएमएफ) और फेनिलएसिटिलीन (0.125 एम, डीएमएफ) के अलग-अलग घोल तैयार किए गए। प्रत्येक घोल का 1.5 मिली लीटर मिश्रण मिलाया गया और वांछित प्रवाह दर और तापमान पर रिएक्टर के माध्यम से पंप किया गया। मॉडल की प्रतिक्रिया को ट्रायज़ोल उत्पाद के शिखर क्षेत्र और फेनिलएसिटिलीन की शुरुआती सामग्री के अनुपात के रूप में लिया गया था और उच्च प्रदर्शन तरल क्रोमैटोग्राफी (एचपीएलसी) का उपयोग करके निर्धारित किया गया था। विश्लेषण की स्थिरता के लिए, प्रतिक्रिया मिश्रण के रिएक्टर से निकलने के तुरंत बाद सभी प्रतिक्रियाएं ली गईं। अनुकूलन के लिए चयनित पैरामीटर रेंज तालिका 2 में दिखाई गई हैं।
सभी नमूनों का विश्लेषण क्रोमेस्टर एचपीएलसी सिस्टम (वीडब्ल्यूआर, पीए, यूएसए) का उपयोग करके किया गया था, जिसमें एक क्वाटरनेरी पंप, कॉलम ओवन, वैरिएबल वेवलेंथ यूवी डिटेक्टर और ऑटोसैम्पलर शामिल थे। कॉलम एक इक्विवेलेंस 5 सी18 (वीडब्ल्यूआर, पीए, यूएसए), 4.6 x 100 मिमी, 5 µm कण आकार था, जिसे 40 डिग्री सेल्सियस पर बनाए रखा गया था। विलायक आइसोक्रेटिक मेथनॉल: पानी 50:50 था, जिसकी प्रवाह दर 1.5 मिली·मिनट-1 थी। इंजेक्शन की मात्रा 5 μl थी और डिटेक्टर तरंग दैर्ध्य 254 एनएम था। डीओई नमूने के लिए % शिखर क्षेत्र की गणना केवल अवशिष्ट एल्काइन और ट्रायज़ोल उत्पादों के शिखर क्षेत्रों से की गई थी। प्रारंभिक सामग्री का परिचय संबंधित चोटियों की पहचान करना संभव बनाता है।
MODDE DOE सॉफ्टवेयर (यूमेट्रिक्स, माल्मो, स्वीडन) के साथ रिएक्टर विश्लेषण के परिणामों को संयोजित करने से परिणामों का गहन प्रवृत्ति विश्लेषण और इस साइक्लोडिशन के लिए इष्टतम प्रतिक्रिया स्थितियों का निर्धारण संभव हुआ। बिल्ट-इन ऑप्टिमाइज़र को चलाने और सभी महत्वपूर्ण मॉडल शब्दों का चयन करने से प्रतिक्रिया स्थितियों का एक सेट तैयार होता है, जिसे उत्पाद के शिखर क्षेत्र को अधिकतम करने के लिए डिज़ाइन किया गया है जबकि एसिटिलीन फीडस्टॉक के लिए शिखर क्षेत्र को कम किया गया है।
उत्प्रेरक प्रतिक्रिया कक्ष में तांबे की सतह का ऑक्सीकरण प्रत्येक ट्राइजोल यौगिक के संश्लेषण से पहले प्रतिक्रिया कक्ष (प्रवाह दर = 0.4 मिली मिनट -1, निवास समय = 2.5 मिनट) के माध्यम से बहने वाले हाइड्रोजन पेरोक्साइड समाधान (36%) का उपयोग करके प्राप्त किया गया था।
एक बार जब परिस्थितियों का इष्टतम सेट निर्धारित हो गया, तो उन्हें एसिटिलीन और हेलोएल्केन व्युत्पन्नों की एक श्रृंखला पर लागू किया गया ताकि एक छोटे संश्लेषण पुस्तकालय का संकलन किया जा सके, जिससे इन परिस्थितियों को संभावित अभिकर्मकों की एक व्यापक श्रृंखला पर लागू करने की संभावना स्थापित हो सके (चित्र 1)।
सोडियम एजाइड (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), हेलोएल्केन (0.25 M, DMF) और एल्काइन (0.125 M, DMF) के अलग-अलग घोल तैयार करें। प्रत्येक घोल के 3 ml के एलिक्वॉट्स को मिलाया गया और रिएक्टर के माध्यम से 75 µl/min की दर और 150°C के तापमान पर पंप किया गया। पूरी मात्रा को एक शीशी में एकत्र किया गया और 10 ml एथिल एसीटेट के साथ पतला किया गया। सैंपल घोल को 3 x 10 ml पानी से धोया गया। जलीय परतों को 10 ml एथिल एसीटेट के साथ मिलाया और निकाला गया, फिर कार्बनिक परतों को मिलाया गया, 3×10 ml ब्राइन से धोया गया, MgSO 4 पर सुखाया गया और फ़िल्टर किया गया, फिर विलायक को वैक्यूम में हटा दिया गया। एचपीएलसी, 1एच एनएमआर, 13सी एनएमआर और उच्च रिज़ॉल्यूशन मास स्पेक्ट्रोमेट्री (एचआर-एमएस) के संयोजन द्वारा विश्लेषण से पहले एथिल एसीटेट का उपयोग करके सिलिका जेल कॉलम क्रोमैटोग्राफी द्वारा नमूनों को शुद्ध किया गया।
सभी स्पेक्ट्रा थर्मोफिशर प्रिसिजन ऑर्बिट्रैप मास स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग करके प्राप्त किए गए थे, जिसमें आयनीकरण स्रोत के रूप में ईएसआई था। सभी नमूने विलायक के रूप में एसिटोनाइट्राइल का उपयोग करके तैयार किए गए थे।
टीएलसी विश्लेषण सिलिका प्लेटों पर एल्युमिनियम सब्सट्रेट के साथ किया गया। प्लेटों को यूवी प्रकाश (254 एनएम) या वैनिलीन धुंधला और गर्म करके देखा गया।
सभी नमूनों का विश्लेषण VWR क्रोमास्टर सिस्टम (VWR इंटरनेशनल लिमिटेड, लीटन बज़र्ड, यूके) का उपयोग करके किया गया, जो ऑटोसैम्पलर, कॉलम ओवन के साथ बाइनरी पंप और एकल तरंगदैर्ध्य डिटेक्टर से सुसज्जित है। ACE इक्विवेलेंस 5 C18 कॉलम (150 x 4.6 मिमी, एडवांस्ड क्रोमैटोग्राफी टेक्नोलॉजीज लिमिटेड, एबरडीन, स्कॉटलैंड) का उपयोग किया गया।
इंजेक्शन (5 µl) सीधे तनुकृत कच्चे प्रतिक्रिया मिश्रण (1:10 तनुकरण) से बनाए गए और पानी:मेथनॉल (50:50 या 70:30) के साथ विश्लेषण किया गया, सिवाय कुछ नमूनों के जो 70:30 विलायक प्रणाली (स्टार नंबर के रूप में चिह्नित) का उपयोग करके 1.5 मिली/मिनट की प्रवाह दर पर किए गए। स्तंभ को 40°C पर रखा गया था। डिटेक्टर की तरंग दैर्ध्य 254 एनएम है।
नमूने के % शिखर क्षेत्र की गणना अवशिष्ट एल्काइन, केवल ट्राइजोल उत्पाद के शिखर क्षेत्र से की गई थी, और प्रारंभिक सामग्री की शुरूआत से संबंधित चोटियों की पहचान करना संभव हो गया।
सभी नमूनों का विश्लेषण थर्मो आईसीएपी 6000 आईसीपी-ओईएस का उपयोग करके किया गया। सभी अंशांकन मानक 2% नाइट्रिक एसिड (एसपीईएक्स सर्टि प्रीप) में 1000 पीपीएम सीयू मानक समाधान का उपयोग करके तैयार किए गए थे। सभी मानक 5% डीएमएफ और 2% एचएनओ3 के घोल में तैयार किए गए थे, और सभी नमूनों को डीएमएफ-एचएनओ3 के नमूना समाधान के साथ 20 गुना पतला किया गया था।
UAM अंतिम संयोजन बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली धातु की पन्नी को जोड़ने की विधि के रूप में अल्ट्रासोनिक धातु वेल्डिंग का उपयोग करता है। अल्ट्रासोनिक धातु वेल्डिंग में कंपन करने वाले धातु उपकरण (जिसे हॉर्न या अल्ट्रासोनिक हॉर्न कहा जाता है) का उपयोग किया जाता है, ताकि सामग्री को कंपन करके बंधे जाने वाले/पहले से समेकित परत पर दबाव डाला जा सके। निरंतर संचालन के लिए, सोनोट्रोड का आकार बेलनाकार होता है और यह सामग्री की सतह पर घूमता है, पूरे क्षेत्र को चिपकाता है। जब दबाव और कंपन लागू होते हैं, तो सामग्री की सतह पर ऑक्साइड फट सकते हैं। लगातार दबाव और कंपन से सामग्री की खुरदरापन नष्ट हो सकती है 36। स्थानीयकृत गर्मी और दबाव के साथ निकट संपर्क से सामग्री इंटरफेस पर एक ठोस चरण बंधन बनता है; यह सतह की ऊर्जा को बदलकर सामंजस्य को भी बढ़ावा दे सकता है48। बंधन तंत्र की प्रकृति अन्य एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग प्रौद्योगिकियों में वर्णित परिवर्तनशील पिघल तापमान और उच्च तापमान प्रभावों से जुड़ी कई समस्याओं को दूर करती है। इससे विभिन्न सामग्रियों की कई परतों को एक एकल समेकित संरचना में सीधे जोड़ने (अर्थात सतह संशोधन, भराव या चिपकाने के बिना) की अनुमति मिलती है।
सीएएम के लिए दूसरा अनुकूल कारक धातु सामग्री में प्लास्टिक प्रवाह की उच्च डिग्री है, जो कम तापमान पर भी देखी जाती है, यानी धातु सामग्री के पिघलने बिंदु से काफी नीचे। अल्ट्रासोनिक कंपन और दबाव का संयोजन पारंपरिक रूप से थोक सामग्रियों से जुड़े महत्वपूर्ण तापमान वृद्धि के बिना स्थानीय अनाज सीमा प्रवास और पुनर्रचना के उच्च स्तर का कारण बनता है। अंतिम असेंबली के निर्माण के दौरान, इस घटना का उपयोग धातु की पन्नी की परतों के बीच सक्रिय और निष्क्रिय घटकों को परत दर परत एम्बेड करने के लिए किया जा सकता है। ऑप्टिकल फाइबर 49, सुदृढीकरण 46, इलेक्ट्रॉनिक्स 50 और थर्मोकपल (यह कार्य) जैसे तत्वों को सक्रिय और निष्क्रिय समग्र असेंबली बनाने के लिए यूएएम संरचनाओं में सफलतापूर्वक एकीकृत किया गया है।
इस कार्य में, उत्प्रेरक तापमान नियंत्रण के लिए एक आदर्श माइक्रोरिएक्टर बनाने के लिए विभिन्न सामग्री बंधन क्षमताओं और यूएएम अंतर्संयोजन क्षमताओं का उपयोग किया गया।
पैलेडियम (Pd) और अन्य सामान्यतः प्रयुक्त धातु उत्प्रेरकों की तुलना में Cu उत्प्रेरक के कई लाभ हैं: (i) आर्थिक रूप से, Cu उत्प्रेरक में प्रयुक्त कई अन्य धातुओं की तुलना में सस्ता है और इसलिए यह रासायनिक उद्योग के लिए एक आकर्षक विकल्प है (ii) Cu-उत्प्रेरित क्रॉस-युग्मन अभिक्रियाओं की श्रेणी का विस्तार हो रहा है और यह Pd51, 52, 53-आधारित पद्धतियों की कुछ हद तक पूरक प्रतीत होती है (iii) Cu-उत्प्रेरित अभिक्रियाएं अन्य लिगैंडों की अनुपस्थिति में भी अच्छी तरह से कार्य करती हैं। ये लिगैंड प्रायः संरचनात्मक रूप से सरल और सस्ते होते हैं। यदि वांछित हो, जबकि Pd रसायन विज्ञान में प्रयुक्त लिगैंड प्रायः जटिल, महंगे और वायु के प्रति संवेदनशील होते हैं (iv) Cu, विशेष रूप से संश्लेषण में एल्काइनों को बंधवाने की अपनी क्षमता के लिए जाना जाता है
हाल ही में, Cu(0) की उपस्थिति में इन सभी अभिक्रियाओं के विषमीकरण के उदाहरण प्रदर्शित किए गए हैं। यह मुख्य रूप से दवा उद्योग और धातु उत्प्रेरकों को पुनः प्राप्त करने और पुनः उपयोग करने पर बढ़ते ध्यान के कारण है55,56।
1,2,3-ट्राईज़ोल के लिए एसिटिलीन और एज़ाइड के बीच 1,3-डिपोलर साइक्लोडिशन प्रतिक्रिया, जिसे पहली बार 1960 के दशक में ह्यूसगेन द्वारा प्रस्तावित किया गया था57, को एक सहक्रियात्मक प्रदर्शन प्रतिक्रिया माना जाता है। परिणामी 1,2,3 ट्राईज़ोल टुकड़े अपने जैविक अनुप्रयोगों और विभिन्न चिकित्सीय एजेंटों में उपयोग के कारण दवा खोज में फार्माकोपोर के रूप में विशेष रुचि रखते हैं58।
इस प्रतिक्रिया ने तब नए सिरे से ध्यान आकर्षित किया जब शार्पलेस और अन्य ने "क्लिक केमिस्ट्री"59 की अवधारणा पेश की। "क्लिक केमिस्ट्री" शब्द का उपयोग हेटेरोएटोमिक बॉन्डिंग (CXC)60 का उपयोग करके नए यौगिकों और कॉम्बिनेटरियल लाइब्रेरी के तेजी से संश्लेषण के लिए प्रतिक्रियाओं के एक मजबूत और चयनात्मक सेट का वर्णन करने के लिए किया जाता है। इन प्रतिक्रियाओं की सिंथेटिक अपील उनके साथ जुड़ी उच्च पैदावार के कारण है। स्थितियाँ सरल हैं, ऑक्सीजन और पानी के लिए प्रतिरोध है, और उत्पाद पृथक्करण सरल है61।
क्लासिकल 1,3-द्विध्रुव हुइसजेन साइक्लोडडिशन "क्लिक केमिस्ट्री" श्रेणी में नहीं आता है। हालाँकि, मेडल और शार्पलेस ने प्रदर्शित किया कि यह एज़ाइड-एल्काइन युग्मन घटना Cu(I) की उपस्थिति में 107–108 से गुजरती है, जबकि गैर-उत्प्रेरक 1,3-द्विध्रुवीय साइक्लोडडिशन 62,63 की दर में महत्वपूर्ण त्वरण होता है। इस उन्नत प्रतिक्रिया तंत्र को सुरक्षा समूहों या कठोर प्रतिक्रिया स्थितियों की आवश्यकता नहीं होती है और यह समय के साथ 1,4-डिसब्सिट्यूटेड 1,2,3-ट्राईज़ोल (एंटी-1,2,3-ट्राईज़ोल) को लगभग पूर्ण रूपांतरण और चयनात्मकता प्रदान करता है (चित्र 3)।
पारंपरिक और कॉपर-उत्प्रेरित हुइसजेन साइक्लोडडिशन के आइसोमेट्रिक परिणाम। Cu(I)-उत्प्रेरित हुइसजेन साइक्लोडडिशन केवल 1,4-डिसब्सिट्यूटेड 1,2,3-ट्राईजोल देते हैं, जबकि थर्मली प्रेरित हुइसजेन साइक्लोडडिशन आमतौर पर 1,4- और 1,5-ट्राईजोल देते हैं जो एज़ोल स्टीरियोइसोमर्स का 1:1 मिश्रण है।
अधिकांश प्रोटोकॉल में Cu(II) के स्थिर स्रोतों की कमी शामिल होती है, जैसे CuSO4 की कमी या सोडियम लवण के साथ Cu(II)/Cu(0) यौगिक का संयोजन। अन्य धातु उत्प्रेरित अभिक्रियाओं की तुलना में, Cu(I) के उपयोग के मुख्य लाभ यह हैं कि यह सस्ता है और इसे संभालना आसान है।
वॉरेल एट अल. 65 द्वारा गतिज और समस्थानिक अध्ययनों से पता चला है कि टर्मिनल एल्काइन्स के मामले में, एज़ाइड के संबंध में प्रत्येक अणु की प्रतिक्रियाशीलता को सक्रिय करने में तांबे के दो समतुल्य शामिल होते हैं। प्रस्तावित तंत्र एक छह-सदस्यीय तांबे की धातु की अंगूठी के माध्यम से आगे बढ़ता है जो स्थिर दाता लिगैंड के रूप में π-बंधित तांबे के साथ σ-बंधित तांबे एसिटिलाइड के एज़ाइड के समन्वय द्वारा बनाई गई है। कॉपर ट्रायज़ोलिल व्युत्पन्न रिंग संकुचन के परिणामस्वरूप बनते हैं, जिसके बाद प्रोटॉन अपघटन होता है जिससे ट्रायज़ोल उत्पाद बनते हैं और उत्प्रेरक चक्र बंद हो जाता है।
जबकि प्रवाह रसायन उपकरणों के लाभ अच्छी तरह से प्रलेखित हैं, इन प्रणालियों में वास्तविक समय प्रक्रिया निगरानी के लिए विश्लेषणात्मक उपकरणों को एकीकृत करने की इच्छा रही है66,67। यूएएम सीधे एम्बेडेड सेंसिंग तत्वों के साथ उत्प्रेरक रूप से सक्रिय, थर्मली कंडक्टिव सामग्रियों से बहुत जटिल 3 डी फ्लो रिएक्टरों को डिजाइन करने और निर्माण करने के लिए एक उपयुक्त विधि साबित हुई है (चित्र 4)।
अल्ट्रासोनिक एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग (यूएएम) द्वारा निर्मित एल्युमिनियम-कॉपर फ्लो रिएक्टर में एक जटिल आंतरिक चैनल संरचना, अंतर्निर्मित थर्मोकपल और एक उत्प्रेरक प्रतिक्रिया कक्ष है। आंतरिक द्रव पथों को देखने के लिए, स्टीरियोलिथोग्राफी का उपयोग करके बनाया गया एक पारदर्शी प्रोटोटाइप भी दिखाया गया है।
यह सुनिश्चित करने के लिए कि रिएक्टर भविष्य की कार्बनिक प्रतिक्रियाओं के लिए बने हैं, सॉल्वैंट्स को उनके क्वथनांक से ऊपर सुरक्षित रूप से गर्म किया जाना चाहिए; उनका दबाव और तापमान परीक्षण किया जाता है। दबाव परीक्षण से पता चला कि सिस्टम सिस्टम में उच्च दबाव (1.7 एमपीए) पर भी स्थिर और निरंतर दबाव बनाए रखता है। हाइड्रोस्टेटिक परीक्षण तरल के रूप में H2O का उपयोग करके कमरे के तापमान पर किए गए थे।
बिल्ट-इन (चित्र 1) थर्मोकपल को तापमान डेटा लॉगर से जोड़ने पर पता चला कि थर्मोकपल का तापमान फ़्लोसिन सिस्टम में प्रोग्राम किए गए तापमान से 6 °C (± 1 °C) कम था। आमतौर पर, तापमान में 10°C की वृद्धि प्रतिक्रिया दर को दोगुना कर देती है, इसलिए सिर्फ़ कुछ डिग्री का तापमान अंतर प्रतिक्रिया दर को काफ़ी हद तक बदल सकता है। यह अंतर विनिर्माण प्रक्रिया में उपयोग की जाने वाली सामग्रियों की उच्च तापीय विसरणशीलता के कारण RPV में तापमान के नुकसान के कारण होता है। यह तापीय बहाव स्थिर है और इसलिए प्रतिक्रिया के दौरान सटीक तापमान तक पहुँचने और मापने के लिए उपकरण स्थापित करते समय इसे ध्यान में रखा जा सकता है। इस प्रकार, यह ऑनलाइन निगरानी उपकरण प्रतिक्रिया तापमान पर सख्त नियंत्रण की सुविधा देता है और अधिक सटीक प्रक्रिया अनुकूलन और इष्टतम स्थितियों के विकास में योगदान देता है। इन सेंसर का उपयोग बड़े पैमाने की प्रणालियों में एक्सोथर्मिक प्रतिक्रियाओं का पता लगाने और बेकाबू प्रतिक्रियाओं को रोकने के लिए भी किया जा सकता है।
इस पत्र में प्रस्तुत रिएक्टर रासायनिक रिएक्टरों के निर्माण के लिए यूएएम प्रौद्योगिकी के अनुप्रयोग का पहला उदाहरण है और इन उपकरणों की एएम/3डी प्रिंटिंग से वर्तमान में जुड़ी कई प्रमुख सीमाओं को संबोधित करता है, जैसे: (i) तांबे या एल्यूमीनियम मिश्र धातु के प्रसंस्करण से जुड़ी उल्लेखनीय समस्याओं पर काबू पाना (ii) चयनात्मक लेजर मेल्टिंग (एसएलएम)25,69 जैसे पाउडर बेड मेल्टिंग (पीबीएफ) विधियों की तुलना में बेहतर आंतरिक चैनल रिज़ॉल्यूशन; खराब सामग्री प्रवाह और खुरदरी सतह बनावट26 (iii) कम प्रसंस्करण तापमान, जो सेंसर को सीधे जोड़ने की सुविधा देता है, जो पाउडर बेड तकनीक में संभव नहीं है, (v) विभिन्न सामान्य कार्बनिक सॉल्वैंट्स17,19 के लिए पॉलिमर-आधारित घटकों के खराब यांत्रिक गुणों और संवेदनशीलता पर काबू पाना।
रिएक्टर की कार्यक्षमता को निरंतर प्रवाह स्थितियों (चित्र 2) के तहत तांबा-उत्प्रेरित एल्किनाज़ाइड साइक्लोडिशन प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला द्वारा प्रदर्शित किया गया था। चित्र 4 में दिखाए गए अल्ट्रासोनिक मुद्रित तांबे के रिएक्टर को एक वाणिज्यिक प्रवाह प्रणाली के साथ एकीकृत किया गया था और सोडियम क्लोराइड की उपस्थिति में एसिटिलीन और एल्काइल समूह हलाइड्स की तापमान नियंत्रित प्रतिक्रिया का उपयोग करके विभिन्न 1,4-डिसब्सिट्यूटेड 1,2,3-ट्राईज़ोल की एज़ाइड लाइब्रेरी को संश्लेषित करने के लिए उपयोग किया गया था (चित्र 3)। निरंतर प्रवाह दृष्टिकोण का उपयोग सुरक्षा मुद्दों को कम करता है जो बैच प्रक्रियाओं में उत्पन्न हो सकते हैं, क्योंकि यह प्रतिक्रिया अत्यधिक प्रतिक्रियाशील और खतरनाक एज़ाइड मध्यवर्ती [317], [318] का उत्पादन करती है। प्रारंभ में, प्रतिक्रिया को फेनिलएसिटिलीन और आयोडोइथेन (योजना 1 - फेनिलएसिटिलीन और आयोडोइथेन का साइक्लोडिशन) के साइक्लोडिशन के लिए अनुकूलित किया गया था (चित्र 5 देखें)।
(ऊपरी बाएँ) एक प्रवाह प्रणाली (ऊपरी दाएँ) में 3DP रिएक्टर को शामिल करने के लिए उपयोग किए जाने वाले सेटअप का योजनाबद्ध, अनुकूलन के लिए फेनिलएसिटिलीन और आयोडोइथेन के बीच हुइसजेन 57 साइक्लोडडिशन योजना की अनुकूलित (निचली) योजना से प्राप्त किया गया और प्रतिक्रिया के अनुकूलित रूपांतरण दर मापदंडों को दर्शाता है।
रिएक्टर के उत्प्रेरक खंड में अभिकारकों के निवास समय को नियंत्रित करने और सीधे एकीकृत थर्मोकपल सेंसर के साथ प्रतिक्रिया तापमान की सावधानीपूर्वक निगरानी करने से, प्रतिक्रिया की स्थितियों को न्यूनतम समय और सामग्रियों के साथ जल्दी और सटीक रूप से अनुकूलित किया जा सकता है। यह जल्दी से पाया गया कि 15 मिनट के निवास समय और 150 डिग्री सेल्सियस के प्रतिक्रिया तापमान का उपयोग करके उच्चतम रूपांतरण प्राप्त किया गया था। यह MODDE सॉफ्टवेयर के गुणांक प्लॉट से देखा जा सकता है कि निवास समय और प्रतिक्रिया तापमान दोनों को मॉडल की महत्वपूर्ण स्थितियाँ माना जाता है। इन चयनित स्थितियों का उपयोग करके अंतर्निहित अनुकूलक को चलाने से प्रतिक्रिया की स्थितियों का एक सेट बनता है, जिसे उत्पाद के शिखर क्षेत्रों को अधिकतम करने के लिए डिज़ाइन किया गया है जबकि शुरुआती सामग्री के शिखर क्षेत्रों को कम किया गया है।