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एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग शोधकर्ताओं और उद्योगपतियों द्वारा अपनी विशिष्ट आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए रासायनिक उपकरणों के डिजाइन और निर्माण के तरीके को बदल रही है। इस शोधपत्र में, हम एक ठोस धातु शीट के अल्ट्रासोनिक एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग (यूएएम) लेमिनेशन द्वारा निर्मित फ्लो रिएक्टर का पहला उदाहरण प्रस्तुत करते हैं, जिसमें उत्प्रेरक भाग और संवेदन तत्व सीधे एकीकृत होते हैं। यूएएम तकनीक न केवल रासायनिक रिएक्टरों के एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग से जुड़ी कई सीमाओं को दूर करती है, बल्कि ऐसे उपकरणों की क्षमताओं का भी व्यापक विस्तार करती है। यूएएम रसायन विज्ञान सुविधा का उपयोग करके Cu-मध्यस्थ 1,3-डिपोलर हुइसगेन साइक्लोएडिशन प्रतिक्रिया द्वारा कई जैविक रूप से महत्वपूर्ण 1,4-डिसबस्टिट्यूटेड 1,2,3-ट्रायज़ोल यौगिकों का सफलतापूर्वक संश्लेषण और अनुकूलन किया गया है। यूएएम के अद्वितीय गुणों और निरंतर प्रवाह प्रसंस्करण का उपयोग करते हुए, यह उपकरण चल रही प्रतिक्रियाओं को उत्प्रेरित करने के साथ-साथ प्रतिक्रियाओं की निगरानी और अनुकूलन के लिए वास्तविक समय प्रतिक्रिया प्रदान करने में सक्षम है।
बल्क केमिस्ट्री की तुलना में इसके महत्वपूर्ण लाभों के कारण, फ्लो केमिस्ट्री अकादमिक और औद्योगिक दोनों क्षेत्रों में एक महत्वपूर्ण और तेजी से विकसित हो रहा क्षेत्र है, क्योंकि यह रासायनिक संश्लेषण की चयनात्मकता और दक्षता को बढ़ाने में सक्षम है। यह सरल कार्बनिक अणुओं1 के निर्माण से लेकर फार्मास्युटिकल यौगिकों2,3 और प्राकृतिक उत्पादों4,5,6 तक फैला हुआ है। फाइन केमिकल और फार्मास्युटिकल उद्योगों में 50% से अधिक अभिक्रियाएं निरंतर प्रवाह से लाभान्वित हो सकती हैं7।
हाल के वर्षों में, ऐसे समूहों की संख्या में वृद्धि देखी गई है जो पारंपरिक कांच के बर्तनों या प्रवाह रसायन उपकरणों को अनुकूलनीय रासायनिक "रिएक्टरों" से बदलने की कोशिश कर रहे हैं।8 इन विधियों की पुनरावर्ती डिजाइन, तीव्र निर्माण और त्रि-आयामी (3डी) क्षमताएं उन लोगों के लिए उपयोगी हैं जो अपने उपकरणों को प्रतिक्रियाओं, उपकरणों या स्थितियों के एक विशेष समूह के लिए अनुकूलित करना चाहते हैं। आज तक, यह कार्य लगभग विशेष रूप से स्टीरियोलिथोग्राफी (एसएल)9,10,11, फ्यूज्ड डिपोजिशन मॉडलिंग (एफडीएम)8,12,13,14 और इंकजेट प्रिंटिंग7,15, 16 जैसी पॉलिमर-आधारित 3डी प्रिंटिंग तकनीकों के उपयोग पर केंद्रित रहा है। ऐसे उपकरणों की विश्वसनीयता की कमी और रासायनिक प्रतिक्रियाओं/विश्लेषणों की एक विस्तृत श्रृंखला को करने की क्षमता की कमी17, 18, 19, 20 इस क्षेत्र में एएम के व्यापक अनुप्रयोग के लिए एक प्रमुख सीमित कारक है17, 18, 19, 20।
फ्लो केमिस्ट्री के बढ़ते उपयोग और एएम से जुड़े अनुकूल गुणों के कारण, बेहतर तकनीकों की खोज करना आवश्यक है जो उपयोगकर्ताओं को उन्नत रसायन विज्ञान और विश्लेषणात्मक क्षमताओं वाले फ्लो रिएक्शन वेसल बनाने में सक्षम बनाएंगी। इन विधियों से उपयोगकर्ताओं को विभिन्न प्रकार की प्रतिक्रिया स्थितियों में कार्य करने में सक्षम उच्च शक्ति या कार्यात्मक सामग्रियों की एक विस्तृत श्रृंखला में से चयन करने की सुविधा मिलनी चाहिए, साथ ही उपकरण से विभिन्न प्रकार के विश्लेषणात्मक आउटपुट प्राप्त करने में भी सहायता मिलनी चाहिए ताकि प्रतिक्रिया की निगरानी और नियंत्रण किया जा सके।
कस्टम केमिकल रिएक्टर विकसित करने के लिए उपयोग की जा सकने वाली एक एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग प्रक्रिया अल्ट्रासोनिक एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग (UAM) है। 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 जोड़ा जा सके 21, 22, 23। अधिकांश अन्य AM तकनीकों के विपरीत, UAM को सबट्रैक्टिव प्रोडक्शन के साथ सीधे एकीकृत किया जा सकता है, जिसे हाइब्रिड मैन्युफैक्चरिंग प्रक्रिया के रूप में जाना जाता है, जिसमें आवधिक इन-सीटू न्यूमेरिकल कंट्रोल (CNC) मिलिंग या लेजर प्रोसेसिंग बॉन्डेड सामग्री की परत के अंतिम आकार को निर्धारित करती है 24, 25। इसका अर्थ 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 चयन तक भी फैली हुई है - UAM एक ही प्रक्रिया चरण में ऊष्मीय रूप से समान और असमान सामग्रियों के संयोजन को जोड़ सकती है। पिघलने की प्रक्रिया से परे सामग्री संयोजनों के चयन का अर्थ है कि विशिष्ट अनुप्रयोगों की यांत्रिक और रासायनिक आवश्यकताओं को बेहतर ढंग से पूरा किया जा सकता है। ठोस बंधन के अलावा, अल्ट्रासोनिक बंधन में एक और घटना होती है, वह है अपेक्षाकृत कम तापमान पर प्लास्टिक सामग्री की उच्च तरलता29,30,31,32,33। यूएएम की यह अनूठी विशेषता यांत्रिक/तापीय तत्वों को धातु की परतों के बीच बिना किसी क्षति के रखने की अनुमति देती है। एम्बेडेड यूएएम सेंसर एकीकृत विश्लेषण के माध्यम से डिवाइस से उपयोगकर्ता तक वास्तविक समय की जानकारी पहुंचाने में मदद कर सकते हैं।
लेखकों द्वारा किए गए पिछले कार्य32 में यूएएम प्रक्रिया की अंतर्निहित संवेदन क्षमताओं वाली धात्विक 3डी माइक्रोफ्लुइडिक संरचनाओं के निर्माण की क्षमता का प्रदर्शन किया गया था। यह उपकरण केवल निगरानी उद्देश्यों के लिए है। यह लेख यूएएम द्वारा निर्मित एक माइक्रोफ्लुइडिक रासायनिक रिएक्टर का पहला उदाहरण प्रस्तुत करता है, जो एक सक्रिय उपकरण है जो न केवल रासायनिक संश्लेषण को नियंत्रित करता है बल्कि संरचनात्मक रूप से एकीकृत उत्प्रेरक पदार्थों के साथ इसे प्रेरित भी करता है। यह उपकरण 3डी रासायनिक उपकरणों के निर्माण में यूएएम प्रौद्योगिकी से जुड़े कई लाभों को जोड़ता है, जैसे: कंप्यूटर-एडेड डिज़ाइन (CAD) मॉडल से सीधे एक पूर्ण 3डी डिज़ाइन को उत्पाद में परिवर्तित करने की क्षमता; उच्च तापीय चालकता और उत्प्रेरक पदार्थों के संयोजन के लिए बहु-सामग्री निर्माण, साथ ही अभिक्रिया तापमान के सटीक नियंत्रण और प्रबंधन के लिए अभिकारक धाराओं के बीच सीधे अंतर्निहित तापीय सेंसर। रिएक्टर की कार्यक्षमता का प्रदर्शन करने के लिए, औषधीय रूप से महत्वपूर्ण 1,4-डिसबस्टिट्यूटेड 1,2,3-ट्रायज़ोल यौगिकों की एक लाइब्रेरी को कॉपर-उत्प्रेरित 1,3-डिपोलर हुइसगेन साइक्लोएडिशन द्वारा संश्लेषित किया गया था। यह शोध 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 संभावनाएं और अवसर खोल सकता है।
सभी विलायक और अभिकर्मक सिग्मा-एल्ड्रिच, अल्फा एसर, टीसीआई या फिशर साइंटिफिक से खरीदे गए थे और बिना पूर्व शुद्धिकरण के उपयोग किए गए थे। 1H और 13C NMR स्पेक्ट्रा क्रमशः 400 और 100 मेगाहर्ट्ज पर रिकॉर्ड किए गए थे और CDCl3 या (CD3)2SO4 को विलायक के रूप में उपयोग करके JEOL ECS-400 400 मेगाहर्ट्ज स्पेक्ट्रोमीटर या ब्रूकर एडवांस II 400 मेगाहर्ट्ज स्पेक्ट्रोमीटर पर प्राप्त किए गए थे। सभी अभिक्रियाएं यूनिक्सिस फ्लोसिन फ्लो केमिस्ट्री प्लेटफॉर्म का उपयोग करके की गईं।
इस अध्ययन में सभी उपकरणों के निर्माण के लिए यूएएम का उपयोग किया गया था। इस तकनीक का आविष्कार 1999 में हुआ था और इसके तकनीकी विवरण, परिचालन मापदंड और आविष्कार के बाद से हुए विकास का अध्ययन निम्नलिखित प्रकाशित सामग्रियों34,35,36,37 का उपयोग करके किया जा सकता है। उपकरण (चित्र 1) को एक हेवी ड्यूटी 9 किलोवाट सोनिकलेयर 4000® यूएएम सिस्टम (फैब्रिसोनिक, ओहियो, यूएसए) का उपयोग करके कार्यान्वित किया गया था। प्रवाह उपकरण के लिए चुनी गई सामग्रियाँ Cu-110 और Al 6061 थीं। Cu-110 में तांबे की मात्रा अधिक होती है (कम से कम 99.9% तांबा), जो इसे तांबे द्वारा उत्प्रेरित अभिक्रियाओं के लिए उपयुक्त बनाती है और इसलिए इसे सूक्ष्म अभिकारक के अंदर एक सक्रिय परत के रूप में उपयोग किया जाता है। Al 6061O का उपयोग मुख्य सामग्री के रूप में किया जाता है, साथ ही विश्लेषण के लिए उपयोग की जाने वाली अंतर्विलंब परत के रूप में भी; सहायक मिश्र धातु घटकों का अंतर्विलंब और Cu-110 परत के साथ संयोजन में एनील्ड अवस्था। यह इस कार्य में उपयोग किए गए अभिकर्मकों के साथ रासायनिक रूप से स्थिर पाया गया। Cu-110 के साथ संयोजन में Al 6061O को UAM के लिए एक संगत सामग्री संयोजन भी माना जाता है और इसलिए यह इस अध्ययन के लिए एक उपयुक्त सामग्री है38,42। इन उपकरणों को नीचे तालिका 1 में सूचीबद्ध किया गया है।
रिएक्टर निर्माण चरण (1) 6061 एल्युमिनियम 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 डिजाइन का मूल सिद्धांत चिप के भीतर द्रव द्वारा तय की गई दूरी को बढ़ाने के लिए एक घुमावदार मार्ग का उपयोग करना है, साथ ही चिप के आकार को प्रबंधनीय बनाए रखना है। दूरी में यह वृद्धि उत्प्रेरक-अभिकारक संपर्क समय को बढ़ाने और उत्कृष्ट उत्पाद उपज प्राप्त करने के लिए वांछनीय है। चिप्स एक सीधे मार्ग के सिरों पर 90° के मोड़ का उपयोग करते हैं ताकि उपकरण के भीतर अशांत मिश्रण को प्रेरित किया जा सके44 और सतह (उत्प्रेरक) के साथ तरल के संपर्क समय को बढ़ाया जा सके। मिश्रण को और बेहतर बनाने के लिए, रिएक्टर के डिजाइन में मिश्रण कॉइल अनुभाग में प्रवेश करने से पहले Y-कनेक्शन में संयोजित दो अभिकारक प्रवेश द्वार शामिल हैं। तीसरा प्रवेश द्वार, जो प्रवाह को उसके निवास स्थान के मध्य में पार करता है, भविष्य की बहु-चरणीय संश्लेषण प्रतिक्रियाओं की योजना में शामिल किया गया है।
सभी चैनलों का आकार वर्गाकार है (कोई टेपर कोण नहीं), जो चैनल की ज्यामिति बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली आवधिक सीएनसी मिलिंग का परिणाम है। चैनल के आयामों को इस प्रकार चुना गया है कि एक माइक्रोरेक्टर के लिए उच्च आयतनिक उपज प्राप्त हो, फिर भी यह इतना छोटा हो कि इसमें मौजूद अधिकांश तरल पदार्थों के लिए सतह (उत्प्रेरक) के साथ परस्पर क्रिया को सुगम बना सके। उपयुक्त आकार का निर्धारण लेखकों के धातु-तरल प्रतिक्रिया उपकरणों के पूर्व अनुभव के आधार पर किया गया है। अंतिम चैनल के आंतरिक आयाम 750 µm x 750 µm थे और रिएक्टर का कुल आयतन 1 मिलीलीटर था। व्यावसायिक प्रवाह रसायन उपकरणों के साथ उपकरण के आसान इंटरफेसिंग की अनुमति देने के लिए डिज़ाइन में एक अंतर्निर्मित कनेक्टर (1/4″-28 UNF थ्रेड) शामिल किया गया है। चैनल का आकार पन्नी सामग्री की मोटाई, उसके यांत्रिक गुणों और अल्ट्रासोनिक्स के साथ उपयोग किए जाने वाले बॉन्डिंग मापदंडों द्वारा सीमित है। किसी दी गई सामग्री के लिए एक निश्चित चौड़ाई पर, सामग्री निर्मित चैनल में "झुक" जाएगी। इस गणना के लिए फिलहाल कोई विशिष्ट मॉडल नहीं है, इसलिए किसी दी गई सामग्री और डिजाइन के लिए अधिकतम चैनल की चौड़ाई प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित की जाती है, ऐसे में 750 µm की चौड़ाई से झुकाव नहीं होगा।
चैनल का आकार (वर्गाकार) एक वर्गाकार कटर का उपयोग करके निर्धारित किया जाता है। विभिन्न प्रवाह दरों और विशेषताओं को प्राप्त करने के लिए विभिन्न कटिंग टूल्स का उपयोग करके सीएनसी मशीनों पर चैनलों के आकार और माप को बदला जा सकता है। 125 µm टूल से घुमावदार चैनल बनाने का एक उदाहरण मोनाघन45 में देखा जा सकता है। जब पन्नी की परत को सपाट लगाया जाता है, तो चैनलों पर पन्नी सामग्री लगाने से एक सपाट (वर्गाकार) सतह प्राप्त होती है। इस कार्य में, चैनल की समरूपता को बनाए रखने के लिए एक वर्गाकार आकृति का उपयोग किया गया था।
उत्पादन में नियोजित विराम के दौरान, थर्मोकपल तापमान सेंसर (टाइप K) को ऊपरी और निचले चैनल समूहों के बीच सीधे उपकरण में लगाया जाता है (चित्र 1 - चरण 3)। ये थर्मोकपल -200 से 1350 डिग्री सेल्सियस तक के तापमान परिवर्तन को नियंत्रित कर सकते हैं।
धातु निक्षेपण प्रक्रिया 25.4 मिमी चौड़ी और 150 माइक्रोन मोटी धातु पन्नी का उपयोग करके यूएएम हॉर्न द्वारा की जाती है। पन्नी की ये परतें पूरे निर्माण क्षेत्र को ढकने के लिए आसन्न पट्टियों की एक श्रृंखला में जुड़ी होती हैं; निक्षेपित सामग्री का आकार अंतिम उत्पाद से बड़ा होता है क्योंकि घटाव प्रक्रिया अंतिम साफ आकार बनाती है। उपकरण के बाहरी और आंतरिक किनारों को मशीन करने के लिए सीएनसी मशीनिंग का उपयोग किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप उपकरण और चैनलों की सतह की फिनिश चयनित उपकरण और सीएनसी प्रक्रिया मापदंडों के अनुरूप होती है (इस उदाहरण में, लगभग 1.6 µm Ra)। आयामी सटीकता बनाए रखने और तैयार भाग के सीएनसी फाइन मिलिंग परिशुद्धता स्तरों को पूरा करने के लिए उपकरण की निर्माण प्रक्रिया के दौरान निरंतर अल्ट्रासोनिक सामग्री छिड़काव और मशीनिंग चक्रों का उपयोग किया जाता है। इस उपकरण के लिए उपयोग किए जाने वाले चैनल की चौड़ाई इतनी कम है कि पन्नी सामग्री द्रव चैनल में "झुकती" नहीं है, इसलिए चैनल का क्रॉस सेक्शन वर्गाकार है। पन्नी सामग्री में संभावित अंतराल और यूएएम प्रक्रिया के मापदंडों को निर्माण भागीदार (फैब्रिसोनिक एलएलसी, यूएसए) द्वारा प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित किया गया था।
अध्ययनों से पता चला है कि यूएएम यौगिक के इंटरफ़ेस 46, 47 पर अतिरिक्त ताप उपचार के बिना तत्वों का बहुत कम प्रसार होता है, इसलिए इस कार्य में उपकरणों के लिए Cu-110 परत Al 6061 परत से अलग रहती है और नाटकीय रूप से बदल जाती है।
रिएक्टर के अनुदिश 250 psi (1724 kPa) पर पूर्व-कैलिब्रेटेड बैक प्रेशर रेगुलेटर (BPR) स्थापित करें और रिएक्टर में 0.1 से 1 मिलीलीटर/मिनट की दर से पानी पंप करें। सिस्टम में लगे FlowSyn प्रेशर ट्रांसड्यूसर का उपयोग करके रिएक्टर के दबाव की निगरानी की गई ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि सिस्टम एक स्थिर दबाव बनाए रख सके। फ्लो रिएक्टर में संभावित तापमान प्रवणता का परीक्षण रिएक्टर में लगे थर्मोकपल और FlowSyn चिप की हीटिंग प्लेट में लगे थर्मोकपल के बीच किसी भी अंतर की जांच करके किया गया। यह प्रोग्राम किए गए हॉटप्लेट तापमान को 100 और 150 °C के बीच 25 °C की वृद्धि में बदलकर और प्रोग्राम किए गए और रिकॉर्ड किए गए तापमान के बीच किसी भी अंतर की निगरानी करके प्राप्त किया गया। यह tc-08 डेटा लॉगर (PicoTech, कैम्ब्रिज, यूके) और इसके साथ आने वाले PicoLog सॉफ़्टवेयर का उपयोग करके किया गया।
फिनाइलएसिटिलीन और आयोडोएथेन की साइक्लोएडिशन अभिक्रिया के लिए अनुकूलतम परिस्थितियाँ निर्धारित की गई हैं (योजना 1- फिनाइलएसिटिलीन और आयोडोएथेन की साइक्लोएडिशन)। यह अनुकूलतम निर्धारण पूर्ण फैक्टोरियल डिजाइन ऑफ एक्सपेरिमेंट्स (डीओई) पद्धति का उपयोग करके किया गया, जिसमें तापमान और निवास समय को चर के रूप में लिया गया और एल्काइन:एज़ाइड अनुपात को 1:2 पर स्थिर रखा गया।
सोडियम एजाइड (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), आयोडोएथेन (0.25 M, DMF) और फिनाइलएसिटिलीन (0.125 M, DMF) के अलग-अलग विलयन तैयार किए गए। प्रत्येक विलयन की 1.5 मिलीलीटर मात्रा को मिलाया गया और वांछित प्रवाह दर और तापमान पर रिएक्टर में प्रवाहित किया गया। मॉडल की प्रतिक्रिया को ट्राइएज़ोल उत्पाद के शिखर क्षेत्र और फिनाइलएसिटिलीन के प्रारंभिक पदार्थ के अनुपात के रूप में लिया गया और उच्च प्रदर्शन तरल क्रोमैटोग्राफी (HPLC) का उपयोग करके निर्धारित किया गया। विश्लेषण की स्थिरता के लिए, सभी अभिक्रियाओं को अभिक्रिया मिश्रण के रिएक्टर से निकलने के तुरंत बाद लिया गया। अनुकूलन के लिए चयनित पैरामीटर श्रेणियां तालिका 2 में दर्शाई गई हैं।
सभी नमूनों का विश्लेषण क्रोमास्टर एचपीएलसी प्रणाली (वीडब्ल्यूआर, पीए, यूएसए) का उपयोग करके किया गया, जिसमें एक चतुर्धातुक पंप, कॉलम ओवन, परिवर्तनीय तरंगदैर्ध्य यूवी डिटेक्टर और ऑटोसेम्प्लर शामिल थे। कॉलम इक्विवेलेंस 5 सी18 (वीडब्ल्यूआर, पीए, यूएसए) था, जिसका आकार 4.6 x 100 मिमी और कण आकार 5 µm था, और इसे 40°C पर बनाए रखा गया था। विलायक 50:50 के अनुपात में आइसोग्रैफिक मेथनॉल:जल था, जिसकी प्रवाह दर 1.5 मिली·मिनट⁻¹ थी। इंजेक्शन की मात्रा 5 μl थी और डिटेक्टर की तरंगदैर्ध्य 254 एनएम थी। डीओई नमूने के लिए प्रतिशत पीक क्षेत्र की गणना केवल अवशिष्ट एल्काइन और ट्राइएज़ोल उत्पादों के पीक क्षेत्रों से की गई थी। प्रारंभिक सामग्री के उपयोग से संबंधित पीक की पहचान करना संभव हो जाता है।
रिएक्टर विश्लेषण के परिणामों को MODDE DOE सॉफ़्टवेयर (Umetrics, माल्मो, स्वीडन) के साथ संयोजित करने से परिणामों का गहन प्रवृत्ति विश्लेषण और इस साइक्लोएडिशन के लिए इष्टतम प्रतिक्रिया स्थितियों का निर्धारण संभव हुआ। अंतर्निहित ऑप्टिमाइज़र को चलाने और सभी महत्वपूर्ण मॉडल पदों का चयन करने से प्रतिक्रिया स्थितियों का एक ऐसा समूह तैयार होता है जो उत्पाद के पीक क्षेत्र को अधिकतम करते हुए एसिटिलीन फीडस्टॉक के पीक क्षेत्र को कम करता है।
प्रत्येक ट्रायज़ोल यौगिक के संश्लेषण से पहले उत्प्रेरक अभिक्रिया कक्ष में तांबे की सतह का ऑक्सीकरण हाइड्रोजन पेरोक्साइड विलयन (36%) का उपयोग करके किया गया, जो अभिक्रिया कक्ष से होकर प्रवाहित होता था (प्रवाह दर = 0.4 मिली मिनट-1, निवास समय = 2.5 मिनट)।
एक बार जब इष्टतम परिस्थितियों का निर्धारण हो गया, तो उन्हें एसिटिलीन और हेलोएल्केन व्युत्पन्नों की एक श्रृंखला पर लागू किया गया ताकि एक छोटी संश्लेषण लाइब्रेरी का संकलन किया जा सके, जिससे इन परिस्थितियों को संभावित अभिकर्मकों की एक विस्तृत श्रृंखला पर लागू करने की संभावना स्थापित हो सके (चित्र 1)। 2)।
सोडियम एजाइड (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), हैलोएल्केन (0.25 M, DMF) और एल्काइन (0.125 M, DMF) के अलग-अलग विलयन तैयार करें। प्रत्येक विलयन के 3 मिलीलीटर अंशों को मिलाकर 75 µl/min की दर से और 150°C तापमान पर रिएक्टर में प्रवाहित किया गया। संपूर्ण आयतन को एक शीशी में एकत्रित किया गया और 10 मिलीलीटर एथिल एसीटेट से तनु किया गया। नमूना विलयन को 3 x 10 मिलीलीटर पानी से धोया गया। जलीय परतों को मिलाकर 10 मिलीलीटर एथिल एसीटेट से निष्कर्षण किया गया, फिर कार्बनिक परतों को मिलाकर 3 × 10 मिलीलीटर खारे पानी से धोया गया, MgSO4 पर सुखाया गया और छान लिया गया, फिर निर्वात में विलायक को हटा दिया गया। एचपीएलसी, 1एच एनएमआर, 13सी एनएमआर और उच्च रिज़ॉल्यूशन मास स्पेक्ट्रोमेट्री (एचआर-एमएस) के संयोजन द्वारा विश्लेषण से पहले, नमूनों को एथिल एसीटेट का उपयोग करके सिलिका जेल कॉलम क्रोमैटोग्राफी द्वारा शुद्ध किया गया था।
सभी स्पेक्ट्रा थर्मोफिशर प्रेसिजन ऑर्बिट्रैप मास स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग करके प्राप्त किए गए थे, जिसमें आयनीकरण स्रोत के रूप में ईएसआई का प्रयोग किया गया था। सभी नमूनों को एसीटोनिट्राइल विलायक का उपयोग करके तैयार किया गया था।
एल्यूमीनियम सब्सट्रेट वाली सिलिका प्लेटों पर टीएलसी विश्लेषण किया गया। प्लेटों को यूवी प्रकाश (254 एनएम) या वैनिलिन स्टेनिंग और हीटिंग द्वारा देखा गया।
सभी नमूनों का विश्लेषण वीडब्ल्यूआर क्रोमास्टर सिस्टम (वीडब्ल्यूआर इंटरनेशनल लिमिटेड, लेटन बजार्ड, यूके) का उपयोग करके किया गया, जिसमें एक ऑटोसेम्प्लर, कॉलम ओवन के साथ एक बाइनरी पंप और एक सिंगल वेवलेंथ डिटेक्टर लगा हुआ था। इसके लिए एसीई इक्विवेलेंस 5 सी18 कॉलम (150 x 4.6 मिमी, एडवांस्ड क्रोमैटोग्राफी टेक्नोलॉजीज लिमिटेड, एबरडीन, स्कॉटलैंड) का प्रयोग किया गया।
तनु किए गए कच्चे अभिक्रिया मिश्रण (1:10 तनुकरण) से सीधे इंजेक्शन (5 µl) बनाए गए और उनका विश्लेषण जल:मेथेनॉल (50:50 या 70:30) के साथ किया गया, सिवाय कुछ नमूनों के जिनमें 70:30 विलायक प्रणाली (तारा संख्या द्वारा दर्शाया गया) का उपयोग किया गया, प्रवाह दर 1.5 मिली/मिनट थी। कॉलम को 40°C पर रखा गया था। डिटेक्टर की तरंगदैर्ध्य 254 एनएम है।
नमूने के शिखर क्षेत्र का प्रतिशत अवशिष्ट एल्काइन के शिखर क्षेत्र से, केवल ट्राइएज़ोल उत्पाद से, और प्रारंभिक सामग्री के परिचय से गणना की गई थी, जिससे संबंधित शिखरों की पहचान करना संभव हो गया।
सभी नमूनों का विश्लेषण थर्मो आईकैप 6000 आईसीपी-ओईएस का उपयोग करके किया गया। सभी अंशांकन मानक 2% नाइट्रिक अम्ल (एसपीईएक्स सर्टि प्रेप) में 1000 पीपीएम कॉपर मानक विलयन का उपयोग करके तैयार किए गए थे। सभी मानक 5% डीएमएफ और 2% एचएनओ3 के विलयन में तैयार किए गए थे, और सभी नमूनों को डीएमएफ-एचएनओ3 के नमूना विलयन के साथ 20 गुना पतला किया गया था।
यूएएम अंतिम असेंबली 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 करके सामग्री को कंपन करते हुए पन्नी/पहले से समेकित परत पर दबाव डाला जाता है। निरंतर संचालन के लिए, सोनोट्रोड बेलनाकार आकार का होता है और सामग्री की सतह पर घूमता है, जिससे पूरा क्षेत्र चिपक जाता है। दबाव और कंपन लागू होने पर, सामग्री की सतह पर मौजूद ऑक्साइड में दरार पड़ सकती है। लगातार दबाव और कंपन से सामग्री की खुरदरापन नष्ट हो सकती है 36। स्थानीयकृत ऊष्मा और दबाव के साथ निकट संपर्क से सामग्री इंटरफेस पर एक ठोस चरण बंधन बनता है; यह सतह ऊर्जा को बदलकर सामंजस्य को भी बढ़ावा दे सकता है 48। बंधन तंत्र की प्रकृति अन्य एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग तकनीकों में उल्लिखित परिवर्तनशील पिघलने के तापमान और उच्च तापमान प्रभावों से जुड़ी कई समस्याओं को दूर करती है। यह विभिन्न सामग्रियों की कई परतों को एक एकल समेकित संरचना में सीधे जोड़ने की अनुमति देता है (अर्थात सतह संशोधन, भराव या चिपकने वाले पदार्थों के बिना)।
सीएएम के लिए दूसरा अनुकूल कारक यह है कि धात्विक पदार्थों में कम तापमान पर भी उच्च स्तर का प्लास्टिक प्रवाह देखा जाता है, यानी धात्विक पदार्थों के गलनांक से काफी नीचे के तापमान पर भी। अल्ट्रासोनिक कंपन और दबाव के संयोजन से उच्च स्तर का स्थानीय कण सीमा स्थानांतरण और पुनर्क्रिस्टलीकरण होता है, जबकि आमतौर पर थोक पदार्थों में तापमान में महत्वपूर्ण वृद्धि नहीं होती है। अंतिम संयोजन के निर्माण के दौरान, इस घटना का उपयोग धातु पन्नी की परतों के बीच सक्रिय और निष्क्रिय घटकों को परत दर परत स्थापित करने के लिए किया जा सकता है। ऑप्टिकल फाइबर 49, सुदृढ़ीकरण 46, इलेक्ट्रॉनिक्स 50 और थर्मोकपल (इस कार्य में) जैसे तत्वों को सक्रिय और निष्क्रिय मिश्रित संयोजन बनाने के लिए यूएएम संरचनाओं में सफलतापूर्वक एकीकृत किया गया है।
इस कार्य में, उत्प्रेरक तापमान नियंत्रण के लिए एक आदर्श माइक्रोरेक्टर बनाने के लिए विभिन्न सामग्री बंधन क्षमताओं और यूएएम अंतर्संयोजन क्षमताओं दोनों का उपयोग किया गया था।
पैलेडियम (Pd) और अन्य सामान्यतः प्रयुक्त धातु उत्प्रेरकों की तुलना में, Cu उत्प्रेरण के कई लाभ हैं: (i) आर्थिक रूप से, Cu उत्प्रेरण में प्रयुक्त कई अन्य धातुओं की तुलना में सस्ता है और इसलिए रासायनिक उद्योग के लिए एक आकर्षक विकल्प है (ii) Cu-उत्प्रेरित क्रॉस-कपलिंग अभिक्रियाओं की श्रृंखला का विस्तार हो रहा है और यह Pd51, 52, 53-आधारित पद्धतियों के कुछ हद तक पूरक प्रतीत होती है (iii) Cu-उत्प्रेरित अभिक्रियाएँ अन्य लिगेंड की अनुपस्थिति में भी अच्छी तरह से कार्य करती हैं। ये लिगेंड अक्सर संरचनात्मक रूप से सरल और सस्ते होते हैं, यदि वांछित हो, जबकि Pd रसायन विज्ञान में प्रयुक्त लिगेंड अक्सर जटिल, महंगे और वायु संवेदनशील होते हैं (iv) Cu, विशेष रूप से संश्लेषण में एल्काइन को जोड़ने की अपनी क्षमता के लिए जाना जाता है, जैसे कि सोनोगशिरा का द्विधात्विक उत्प्रेरित कपलिंग और एज़ाइड के साथ साइक्लोएडिशन (क्लिक रसायन विज्ञान) (v) Cu उल्मैन-प्रकार की अभिक्रियाओं में कुछ न्यूक्लियोफाइल के आर्यलेशन को भी बढ़ावा दे सकता है।
हाल ही में, Cu(0) की उपस्थिति में इन सभी प्रतिक्रियाओं के विषमताकरण के उदाहरण प्रदर्शित किए गए हैं। यह काफी हद तक फार्मास्युटिकल उद्योग और धातु उत्प्रेरकों को पुनर्प्राप्त करने और पुनः उपयोग करने पर बढ़ते ध्यान के कारण है55,56।
एसिटिलीन और एज़ाइड के बीच 1,3-डिपोलर साइक्लोएडिशन अभिक्रिया से 1,2,3-ट्रायज़ोल बनता है, जिसे पहली बार 1960 के दशक में हुइसगेन द्वारा प्रस्तावित किया गया था।57 इसे एक सहक्रियात्मक प्रदर्शन अभिक्रिया माना जाता है। परिणामी 1,2,3 ट्रायज़ोल खंड, उनके जैविक अनुप्रयोगों और विभिन्न चिकित्सीय एजेंटों में उपयोग के कारण, औषधि खोज में फार्माकोफोर के रूप में विशेष रुचि रखते हैं।58
इस प्रतिक्रिया को तब पुनः ध्यान मिला जब शार्पलेस और अन्य लोगों ने "क्लिक केमिस्ट्री"59 की अवधारणा पेश की। "क्लिक केमिस्ट्री" शब्द का प्रयोग हेटरोएटॉमिक बॉन्डिंग (CXC)60 का उपयोग करके नए यौगिकों और कॉम्बिनेटोरियल लाइब्रेरी के तीव्र संश्लेषण के लिए मजबूत और चयनात्मक प्रतिक्रियाओं के एक समूह का वर्णन करने के लिए किया जाता है। इन प्रतिक्रियाओं की सिंथेटिक अपील इनसे जुड़ी उच्च उपज, सरल परिस्थितियों, ऑक्सीजन और पानी के प्रति प्रतिरोध और सरल उत्पाद पृथक्करण61 के कारण है।
क्लासिक 1,3-डिपोल ह्युइसगेन साइक्लोएडिशन "क्लिक केमिस्ट्री" श्रेणी में नहीं आता है। हालांकि, मेडल और शार्पलेस ने प्रदर्शित किया कि यह एज़ाइड-एल्काइन युग्मन घटना Cu(I) की उपस्थिति में 107-108 गुना बढ़ जाती है, जबकि गैर-उत्प्रेरक 1,3-डिपोलर साइक्लोएडिशन 62,63 की दर में उल्लेखनीय त्वरण होता है। इस उन्नत अभिक्रिया तंत्र को सुरक्षात्मक समूहों या कठोर अभिक्रिया स्थितियों की आवश्यकता नहीं होती है और यह समय के साथ 1,4-डिसबस्टिट्यूटेड 1,2,3-ट्रायज़ोल (एंटी-1,2,3-ट्रायज़ोल) में लगभग पूर्ण रूपांतरण और चयनात्मकता प्रदान करता है (चित्र 3)।
परंपरागत और कॉपर-उत्प्रेरित हुइसगेन साइक्लोएडिशन के आइसोमेट्रिक परिणाम। Cu(I)-उत्प्रेरित हुइसगेन साइक्लोएडिशन से केवल 1,4-डिसबस्टिट्यूटेड 1,2,3-ट्रायज़ोल प्राप्त होते हैं, जबकि ऊष्मीय रूप से प्रेरित हुइसगेन साइक्लोएडिशन से आमतौर पर 1,4- और 1,5-ट्रायज़ोल के साथ एज़ोल स्टीरियोआइसोमर्स का 1:1 मिश्रण प्राप्त होता है।
अधिकांश प्रोटोकॉल में Cu(II) के स्थिर स्रोतों का अपचयन शामिल होता है, जैसे कि CuSO4 का अपचयन या सोडियम लवणों के साथ Cu(II)/Cu(0) यौगिक का अपचयन। अन्य धातु उत्प्रेरित अभिक्रियाओं की तुलना में, Cu(I) का उपयोग करने के प्रमुख लाभ यह हैं कि यह सस्ता और उपयोग में आसान होता है।
वॉरेल एट अल. 65 द्वारा किए गए 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 क्रियाविधि एक छह सदस्यीय तांबे के धातु वलय के माध्यम से आगे बढ़ती है, जो π-बंधित तांबे को एक स्थिर दाता लिगैंड के रूप में उपयोग करते हुए, σ-बंधित कॉपर एसिटिलाइड से एज़ाइड के समन्वय द्वारा निर्मित होता है। वलय संकुचन के परिणामस्वरूप कॉपर ट्रायज़ोलिल व्युत्पन्न बनते हैं, जिसके बाद प्रोटॉन अपघटन से ट्रायज़ोल उत्पाद बनते हैं और उत्प्रेरक चक्र पूरा होता है।
जबकि प्रवाह रसायन उपकरणों के लाभ अच्छी तरह से प्रलेखित हैं, वास्तविक समय में प्रक्रिया निगरानी के लिए इन प्रणालियों में विश्लेषणात्मक उपकरणों को एकीकृत करने की इच्छा रही है66,67। यूएएम उत्प्रेरक रूप से सक्रिय, तापीय रूप से प्रवाहकीय सामग्रियों से सीधे एम्बेडेड संवेदन तत्वों के साथ बहुत जटिल 3डी प्रवाह रिएक्टरों को डिजाइन और निर्माण करने के लिए एक उपयुक्त विधि साबित हुई है (चित्र 4)।
अल्ट्रासोनिक एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग (यूएएम) द्वारा निर्मित एल्युमीनियम-तांबा प्रवाह रिएक्टर, जिसमें जटिल आंतरिक चैनल संरचना, अंतर्निर्मित थर्मोकपल और उत्प्रेरक प्रतिक्रिया कक्ष शामिल हैं। आंतरिक द्रव पथों को देखने के लिए, स्टीरियोलिथोग्राफी का उपयोग करके बनाया गया एक पारदर्शी प्रोटोटाइप भी दिखाया गया है।
भविष्य में होने वाली कार्बनिक अभिक्रियाओं के लिए रिएक्टरों की गुणवत्ता सुनिश्चित करने हेतु, विलायकों को उनके क्वथनांक से ऊपर सुरक्षित रूप से गर्म किया जाना आवश्यक है; इसके लिए उनका दाब और तापमान परीक्षण किया जाता है। दाब परीक्षण से पता चला कि सिस्टम में उच्च दाब (1.7 एमपीए) पर भी स्थिर दाब बना रहता है। जलस्थैतिक परीक्षण कमरे के तापमान पर जल (H2O) को द्रव के रूप में उपयोग करके किए गए।
अंतर्निर्मित (चित्र 1) थर्मोकपल को तापमान डेटा लॉगर से जोड़ने पर पता चला कि फ्लोसिन सिस्टम में थर्मोकपल का तापमान प्रोग्राम किए गए तापमान से 6 °C (± 1 °C) कम था। आमतौर पर, तापमान में 10°C की वृद्धि से अभिक्रिया दर दोगुनी हो जाती है, इसलिए कुछ डिग्री के तापमान अंतर से भी अभिक्रिया दर में काफी परिवर्तन आ सकता है। यह अंतर निर्माण प्रक्रिया में उपयोग की जाने वाली सामग्रियों की उच्च तापीय विसरणशीलता के कारण आरपीवी में तापमान हानि के कारण होता है। यह तापीय विचलन स्थिर होता है और इसलिए अभिक्रिया के दौरान सटीक तापमान प्राप्त करने और मापने के लिए उपकरण स्थापित करते समय इसे ध्यान में रखा जा सकता है। इस प्रकार, यह ऑनलाइन निगरानी उपकरण अभिक्रिया तापमान पर कड़ा नियंत्रण रखने में सहायक होता है और अधिक सटीक प्रक्रिया अनुकूलन और इष्टतम स्थितियों के विकास में योगदान देता है। इन सेंसरों का उपयोग ऊष्माक्षेपी अभिक्रियाओं का पता लगाने और बड़े पैमाने के सिस्टम में अनियंत्रित अभिक्रियाओं 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 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) सेलेक्टिव लेजर मेल्टिंग (एसएलएम)25,69 जैसी 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 प्रदान करता है, जो पाउडर बेड प्रौद्योगिकी में संभव नहीं है, (v) पॉलिमर-आधारित घटकों के खराब यांत्रिक गुणों और विभिन्न सामान्य कार्बनिक विलायकों के प्रति संवेदनशीलता पर काबू पाना17,19।
निरंतर प्रवाह की स्थिति में तांबे द्वारा उत्प्रेरित एल्काइनाज़ाइड साइक्लोएडिशन अभिक्रियाओं की एक श्रृंखला द्वारा रिएक्टर की कार्यक्षमता का प्रदर्शन किया गया (चित्र 2)। चित्र 4 में दर्शाए गए अल्ट्रासोनिक प्रिंटेड तांबे के रिएक्टर को एक व्यावसायिक प्रवाह प्रणाली के साथ एकीकृत किया गया और सोडियम क्लोराइड की उपस्थिति में एसिटिलीन और एल्काइल समूह हैलाइड्स की तापमान नियंत्रित अभिक्रिया का उपयोग करके विभिन्न 1,4-डिसबस्टिट्यूटेड 1,2,3-ट्रायज़ोल के एज़ाइड लाइब्रेरी को संश्लेषित करने के लिए उपयोग किया गया (चित्र 3)। निरंतर प्रवाह विधि का उपयोग बैच प्रक्रियाओं में उत्पन्न होने वाली सुरक्षा समस्याओं को कम करता है, क्योंकि यह अभिक्रिया अत्यधिक प्रतिक्रियाशील और खतरनाक एज़ाइड मध्यवर्ती उत्पन्न करती है [317], [318]। प्रारंभ में, अभिक्रिया को फेनिलएसिटिलीन और आयोडोएथेन के साइक्लोएडिशन के लिए अनुकूलित किया गया (योजना 1 - फेनिलएसिटिलीन और आयोडोएथेन का साइक्लोएडिशन) (चित्र 5 देखें)।
(ऊपर बाएँ) 3DP रिएक्टर को प्रवाह प्रणाली (ऊपर दाएँ) में शामिल करने के लिए उपयोग किए जाने वाले सेटअप का योजनाबद्ध आरेख, जो अनुकूलन के लिए फिनाइलएसिटिलीन और आयोडोएथेन के बीच ह्युइसगेन 57 साइक्लोएडिशन योजना की अनुकूलित (नीचे) योजना से प्राप्त किया गया है और प्रतिक्रिया के अनुकूलित रूपांतरण दर मापदंडों को दर्शाता है।
रिएक्टर के उत्प्रेरक भाग में अभिकारकों के निवास समय को नियंत्रित करके और सीधे एकीकृत थर्मोकपल सेंसर के साथ अभिक्रिया तापमान की सावधानीपूर्वक निगरानी करके, न्यूनतम समय और सामग्री में अभिक्रिया स्थितियों को शीघ्रता और सटीकता से अनुकूलित किया जा सकता है। यह शीघ्र ही पाया गया कि 15 मिनट के निवास समय और 150°C के अभिक्रिया तापमान पर उच्चतम रूपांतरण प्राप्त हुआ। MODDE सॉफ़्टवेयर के गुणांक प्लॉट से यह देखा जा सकता है कि निवास समय और अभिक्रिया तापमान दोनों को मॉडल की महत्वपूर्ण स्थितियों के रूप में माना जाता है। इन चयनित स्थितियों का उपयोग करके अंतर्निर्मित अनुकूलक को चलाने से अभिक्रिया स्थितियों का एक समूह बनता है जो उत्पाद शिखर क्षेत्रों को अधिकतम करते हुए प्रारंभिक सामग्री शिखर क्षेत्रों को कम करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। इस अनुकूलन से ट्राइएज़ोल उत्पाद का 53% रूपांतरण प्राप्त हुआ, जो मॉडल के 54% के पूर्वानुमान से बिल्कुल मेल खाता है।