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एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग शोधकर्ताओं और उद्योगपतियों के रासायनिक उपकरणों को उनकी विशिष्ट आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए डिजाइन और निर्माण करने के तरीके को बदल रहा है। इस काम में, हम सॉलिड-स्टेट मेटल शीट लेमिनेशन तकनीक अल्ट्रासोनिक एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग (यूएएम) द्वारा सीधे एकीकृत उत्प्रेरक भागों और सेंसिंग तत्वों द्वारा निर्मित फ्लो रिएक्टर का पहला उदाहरण रिपोर्ट करते हैं। यूएएम तकनीक न केवल रासायनिक रिएक्टरों के एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग से जुड़ी कई सीमाओं को दूर करती है, बल्कि यह ऐसे उपकरणों की क्षमताओं को भी महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाती है। यूएएम रसायन सेट-अप का उपयोग करके Cu-मध्यस्थ ह्यूजेन 1,3-द्विध्रुवीय साइक्लोडडिशन प्रतिक्रिया द्वारा जैविक रूप से महत्वपूर्ण 1,4-डिसबस्टिट्यूटेड 1,2,3-ट्राईज़ोल यौगिकों की एक श्रृंखला को सफलतापूर्वक संश्लेषित और अनुकूलित किया गया
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 अणु निर्माण1 से लेकर फार्मास्युटिकल यौगिकों2,3 और प्राकृतिक उत्पादों4,5,6 तक फैला हुआ है। फाइन केमिकल और फार्मास्युटिकल उद्योगों में 50% से अधिक प्रतिक्रियाएं निरंतर प्रवाह प्रसंस्करण7 के उपयोग से लाभान्वित हो सकती हैं।
हाल के वर्षों में, पारंपरिक कांच के बने पदार्थ या प्रवाह रसायन उपकरण को अनुकूलन योग्य एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग (एएम) रसायन "प्रतिक्रिया वाहिकाओं"8 के साथ बदलने के लिए समूहों की प्रवृत्ति बढ़ रही है। इन तकनीकों के पुनरावृत्त डिजाइन, तेजी से उत्पादन, और 3-आयामी (3 डी) क्षमताएं उन लोगों के लिए फायदेमंद हैं जो अपने उपकरणों को प्रतिक्रियाओं, उपकरणों या स्थितियों के एक विशिष्ट सेट के लिए अनुकूलित करना चाहते हैं। आज तक, यह काम लगभग विशेष रूप से पॉलीमर-आधारित 3 डी प्रिंटिंग तकनीकों जैसे स्टीरियोलिथोग्राफी (एसएल)9,10,11, फ्यूज्ड डिपोजिशन मॉडलिंग (एफडीएम)8,12,13,14 और इंकजेट प्रिंटिंग7, 15, 16 के उपयोग पर केंद्रित रहा है। इस तरह के उपकरणों की मजबूती और रासायनिक प्रतिक्रियाओं/विश्लेषणों की एक विस्तृत श्रृंखला को करने की क्षमता की कमी
प्रवाह रसायन विज्ञान के बढ़ते उपयोग और एएम से जुड़े अनुकूल गुणों के कारण, अधिक उन्नत तकनीकों की खोज करने की आवश्यकता है, जो उपयोगकर्ताओं को उन्नत रासायनिक और विश्लेषणात्मक क्षमताओं के साथ प्रवाह प्रतिक्रिया वाहिकाओं का निर्माण करने में सक्षम बनाती हैं। इन तकनीकों से उपयोगकर्ताओं को अत्यधिक मजबूत या कार्यात्मक सामग्रियों की एक श्रृंखला से चुनने में सक्षम होना चाहिए, जो प्रतिक्रिया की स्थितियों की एक विस्तृत श्रृंखला को संभालने में सक्षम हों, साथ ही प्रतिक्रिया की निगरानी और नियंत्रण के लिए उपकरण से विश्लेषणात्मक आउटपुट के विभिन्न रूपों की सुविधा भी प्रदान करें।
एक एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग प्रक्रिया जिसमें कस्टम केमिकल रिएक्टर विकसित करने की क्षमता है, वह है अल्ट्रासोनिक एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग (UAM)। यह सॉलिड-स्टेट शीट लेमिनेशन तकनीक पतली धातु की पन्नी पर अल्ट्रासोनिक दोलनों को लागू करती है ताकि उन्हें न्यूनतम थोक 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 सीधे घटाव निर्माण के साथ एकीकृत किया जा सकता है, जिसे हाइब्रिड निर्माण प्रक्रिया के रूप में जाना जाता है, जिसमें इन-सीटू आवधिक कंप्यूटर संख्यात्मक नियंत्रण (CNC) मिलिंग या लेजर मशीनिंग बंधी हुई सामग्री की एक परत के शुद्ध आकार को परिभाषित करती है 24, 25। इसका मतलब यह है कि उपयोगकर्ता छोटे द्रव चैनलों से अवशिष्ट कच्चे निर्माण सामग्री को हटाने से जुड़ी समस्याओं से सीमित नहीं है, जो अक्सर पाउडर और तरल AM प्रणालियों के साथ होता है ठोस अवस्था बंधन के अलावा, अल्ट्रासोनिक बंधन के दौरान सामना की जाने वाली एक अन्य घटना अपेक्षाकृत कम तापमान पर प्लास्टिक सामग्री का उच्च प्रवाह है29,30,31,32,33। यूएएम की यह अनूठी विशेषता बिना किसी नुकसान के धातु परतों के बीच यांत्रिक/थर्मल तत्वों को एम्बेड करने की सुविधा प्रदान कर सकती है। यूएएम एम्बेडेड सेंसर एकीकृत एनालिटिक्स के माध्यम से डिवाइस से उपयोगकर्ता तक वास्तविक समय की जानकारी की डिलीवरी की सुविधा प्रदान कर सकते हैं।
लेखकों के पिछले कार्य32 ने एकीकृत संवेदन क्षमताओं के साथ धातुई 3D माइक्रोफ्लुइडिक संरचनाएं बनाने के लिए UAM प्रक्रिया की क्षमता को प्रदर्शित किया है। यह केवल निगरानी करने वाला उपकरण है। यह पत्र UAM द्वारा निर्मित एक माइक्रोफ्लुइडिक रासायनिक रिएक्टर का पहला उदाहरण प्रस्तुत करता है; एक सक्रिय उपकरण जो न केवल निगरानी करता है बल्कि संरचनात्मक रूप से एकीकृत उत्प्रेरक सामग्रियों के माध्यम से रासायनिक संश्लेषण को प्रेरित भी करता है। यह उपकरण 3D रासायनिक उपकरण निर्माण में UAM तकनीक से जुड़े कई लाभों को जोड़ता है, जैसे: कंप्यूटर एडेड डिजाइन (CAD) मॉडल से सीधे पूर्ण 3D डिज़ाइन को उत्पादों में बदलने की क्षमता; उच्च तापीय चालकता और उत्प्रेरक सामग्रियों को संयोजित करने के लिए बहु-सामग्री निर्माण; और सटीक प्रतिक्रिया तापमान की निगरानी और नियंत्रण के लिए अभिकर्मक धाराओं के बीच सीधे थर्मल सेंसर एम्बेड करना। रिएक्टर की कार्यक्षमता को प्रदर्शित करने के लिए, फार्मास्यूटिकल रूप से महत्वपूर्ण 1,4-डिसब्सिट्यूटेड 1,2,3-ट्राईज़ोल यौगिकों का एक पुस्तकालय तांबा-उत्प्रेरित ह्यूजेन 1,3-द्विध्रुवीय साइक्लोडडिशन द्वारा संश्लेषित किया गया था। यह कार्य इस बात पर प्रकाश डालता है कि कैसे सामग्री विज्ञान और कंप्यूटर सहायता प्राप्त डिजाइन का उपयोग बहु-विषयक अनुसंधान के माध्यम से रसायन विज्ञान के लिए नए अवसरों और संभावनाओं को 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 मेगाहर्ट्ज और 100 मेगाहर्ट्ज पर दर्ज किए गए थे, जो JEOL ECS-400 400 मेगाहर्ट्ज स्पेक्ट्रोमीटर या ब्रूकर एवेंस II 400 मेगाहर्ट्ज स्पेक्ट्रोमीटर और CDCl3 या (CD3)2SO को विलायक के रूप में उपयोग करके प्राप्त किए गए थे। सभी प्रतिक्रियाएं यूनिक्सिस फ्लोसिन फ्लो केमिस्ट्री प्लेटफॉर्म का उपयोग करके की गई थीं।
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 मापदंडों और इसके आविष्कार के बाद से हुए विकास का अध्ययन निम्नलिखित प्रकाशित सामग्रियों 34,35,36,37 के माध्यम से किया जा सकता है। डिवाइस (चित्र 1) को एक अल्ट्रा-हाई पावर, 9kW सोनिकलेयर 4000® UAM सिस्टम (फैब्रिसोनिक, OH, USA) का उपयोग करके कार्यान्वित किया गया था। प्रवाह डिवाइस के निर्माण के लिए चुनी गई सामग्री Cu-110 और Al 6061 थी। Cu-110 में तांबे की उच्च सामग्री (न्यूनतम 99.9% तांबा) होती है, जो इसे तांबा-उत्प्रेरित प्रतिक्रियाओं के लिए एक अच्छा उम्मीदवार बनाती है, और इसलिए इसे "माइक्रोरिएक्टर के भीतर सक्रिय परत" के रूप में उपयोग किया जाता है। Al 6061 O का उपयोग "बल्क" सामग्री के रूप में किया जाता है, विश्लेषण के लिए एम्बेडिंग परत का भी उपयोग किया जाता है; मिश्र धातु सहायक घटक एम्बेडिंग और एनील्ड स्थिति Cu-110 परत के साथ संयुक्त होती है। Al 6061 O एक ऐसी सामग्री है जिसे अत्यधिक दिखाया गया है यूएएम प्रक्रियाओं38, 39, 40, 41 के साथ संगत है और इसका परीक्षण किया गया है और इस कार्य में उपयोग किए गए अभिकर्मकों के साथ रासायनिक रूप से स्थिर पाया गया है। Cu-110 के साथ Al 6061 O का संयोजन भी UAM के लिए एक संगत सामग्री संयोजन माना जाता है और इसलिए यह इस अध्ययन के लिए एक उपयुक्त सामग्री है। 38,42 ये उपकरण नीचे तालिका 1 में सूचीबद्ध हैं।
रिएक्टर निर्माण चरण (1) Al 6061 सब्सट्रेट (2) तांबे की पन्नी पर सेट निचले चैनल का निर्माण (3) परतों के बीच थर्मोकपल का एम्बेडिंग (4) शीर्ष चैनल (5) इनलेट और आउटलेट (6) मोनोलिथिक रिएक्टर।
द्रव पथ का डिज़ाइन दर्शन चिप के भीतर द्रव द्वारा यात्रा की जाने वाली दूरी को बढ़ाने के लिए एक जटिल पथ का उपयोग करना है, जबकि चिप को एक प्रबंधनीय आकार में रखना है। दूरी में यह वृद्धि उत्प्रेरक/अभिकर्मक 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 द्रव के संपर्क समय को बढ़ाने के लिए सीधे पथ के सिरों पर 90 डिग्री के मोड़ का उपयोग करते हैं। प्राप्त किए जा सकने वाले मिश्रण को और अधिक बढ़ाने के लिए, रिएक्टर डिज़ाइन में सर्पेन्टाइन मिश्रण अनुभाग में प्रवेश करने से पहले वाई-जंक्शन पर संयुक्त दो अभिकर्मक इनलेट हैं। तीसरा इनलेट, जो अपनी निवास अवधि के दौरान धारा को आधे रास्ते में काटता है, भविष्य के मल्टीस्टेप प्रतिक्रिया संश्लेषण के डिजाइन में शामिल है।
सभी चैनलों में एक वर्गाकार प्रोफ़ाइल (कोई ड्राफ्ट कोण नहीं) है, जो चैनल ज्यामिति बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली आवधिक सीएनसी मिलिंग का परिणाम है। चैनल के आयामों को उच्च (माइक्रोरिएक्टर के लिए) वॉल्यूम आउटपुट सुनिश्चित करने के लिए चुना जाता है, जबकि अधिकांश निहित तरल पदार्थों के लिए सतह इंटरैक्शन (उत्प्रेरक) को सुविधाजनक बनाने के लिए पर्याप्त छोटा होता है। उपयुक्त आकार प्रतिक्रिया के लिए धातु-द्रव 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 सरल इंटरफेसिंग की अनुमति देने के लिए डिज़ाइन में एक एकीकृत 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 संबंध मापदंडों द्वारा सीमित है। किसी दी गई सामग्री के लिए एक विशिष्ट 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 डिज़ाइन के लिए अधिकतम चैनल चौड़ाई प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित की जाती है; इस मामले में, 750μm की चौड़ाई से झुकाव नहीं होगा।
चैनल का आकार (वर्ग) एक वर्ग कटर का उपयोग करके निर्धारित किया जाता है। चैनलों के आकार और आकार को विभिन्न प्रवाह दरों और विशेषताओं को प्राप्त करने के लिए विभिन्न काटने वाले उपकरणों का उपयोग करके सीएनसी मशीनों द्वारा बदला जा सकता है। 125 माइक्रोन उपकरण का उपयोग करके एक घुमावदार आकार के चैनल बनाने का एक उदाहरण मोनाघन के काम में पाया जा सकता है। जब पन्नी की परत एक समतल फैशन में जमा होती है, तो चैनलों पर पन्नी सामग्री का ओवरले एक सपाट (वर्ग) खत्म होगा। इस काम में, चैनल की समरूपता बनाए रखने के लिए, एक चौकोर रूपरेखा का उपयोग किया गया था।
विनिर्माण में पूर्व-क्रमादेशित विराम के दौरान, थर्मोकपल तापमान जांच (प्रकार K) ऊपरी और निचले चैनल समूहों के बीच डिवाइस के भीतर सीधे एम्बेडेड होते हैं (चित्र 1 - चरण 3)। ये थर्मोकपल -200 से 1350 °C तक के तापमान परिवर्तनों की निगरानी कर सकते हैं।
धातु जमा करने की प्रक्रिया एक यूएएम हॉर्न द्वारा 25.4 मिमी चौड़ी, 150 माइक्रोन मोटी धातु की पन्नी का उपयोग करके की जाती है। इन पन्नी परतों को पूरे निर्माण क्षेत्र को कवर करने के लिए आसन्न स्ट्रिप्स की एक श्रृंखला में बांधा जाता है; जमा सामग्री का आकार अंतिम उत्पाद से बड़ा होता है क्योंकि घटाव प्रक्रिया अंतिम शुद्ध आकार का उत्पादन करती है। सीएनसी 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 परिष्करण चयनित उपकरण और सीएनसी प्रक्रिया मापदंडों (इस उदाहरण में लगभग 1.6 माइक्रोन रा) के बराबर होता है। निरंतर, सतत अल्ट्रासोनिक सामग्री जमाव और मशीनिंग चक्रों का उपयोग उपकरण निर्माण प्रक्रिया के दौरान किया जाता है ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि आयामी सटीकता बनाए रखी जाए और तैयार हिस्सा सीएनसी फिनिश मिलिंग सटीकता के स्तर को पूरा करेगा। इस उपकरण के लिए उपयोग की जाने वाली चैनल की चौड़ाई यह सुनिश्चित करने के लिए काफी छोटी है कि पन्नी सामग्री द्रव चैनल में "ढीली" न हो, इसलिए चैनल एक वर्ग क्रॉस-सेक्शन बनाए रखता है। पन्नी सामग्री और यूएएम प्रक्रिया मापदंडों में संभावित अंतराल
अध्ययनों से पता चला है कि अतिरिक्त तापीय उपचार के बिना UAM बॉन्डिंग इंटरफेस 46, 47 पर थोड़ा सा तत्वीय प्रसार होता है, इसलिए इस कार्य में उपकरणों के लिए, Cu-110 परत Al 6061 परत से अलग रहती है और अचानक बदल जाती है।
रिएक्टर के आउटलेट में एक पूर्व-कैलिब्रेटेड 250 psi (1724 kPa) बैक प्रेशर रेगुलेटर (BPR) स्थापित करें और रिएक्टर के माध्यम से 0.1 से 1 mL मिनट-1 की दर से पानी पंप करें। यह सत्यापित करने के लिए कि सिस्टम एक निरंतर स्थिर दबाव बनाए रख सकता है, फ्लोसिन बिल्ट-इन सिस्टम प्रेशर सेंसर का उपयोग करके रिएक्टर प्रेशर की निगरानी की गई थी। रिएक्टर के भीतर एम्बेडेड थर्मोकपल और फ्लोसिन चिप हीटिंग प्लेट के भीतर एम्बेडेड थर्मोकपल के बीच किसी भी अंतर की पहचान करके फ्लो रिएक्टर में संभावित तापमान ढाल का परीक्षण किया गया था। यह 25 °C की वृद्धि में 100 और 150 °C के बीच प्रोग्राम करने योग्य हॉटप्लेट तापमान को अलग-अलग करके और प्रोग्राम किए गए और रिकॉर्ड किए गए तापमान के बीच किसी भी अंतर को नोट करके प्राप्त किया जाता है।
फेनिलएसिटिलीन और आयोडोइथेन के साइक्लोडडिशन प्रतिक्रिया की स्थितियों को अनुकूलित किया गया (योजना 1- फेनिलएसिटिलीन और आयोडोइथेन का साइक्लोडडिशन योजना 1- फेनिलएसिटिलीन और आयोडोइथेन का साइक्लोडडिशन)। यह अनुकूलन प्रयोगों के पूर्ण फैक्टोरियल डिजाइन (DOE) दृष्टिकोण द्वारा किया गया था, जिसमें तापमान और निवास समय को चर मापदंडों के रूप में उपयोग किया गया था, जबकि एल्काइन: एज़ाइड अनुपात 1:2 पर तय किया गया था।
सोडियम एज़ाइड (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 के 1.5 एमएल अंश को मिश्रित किया गया और वांछित प्रवाह दर और तापमान पर रिएक्टर के माध्यम से पंप किया गया। मॉडल प्रतिक्रिया को ट्रायज़ोल उत्पाद से फेनिलएसिटिलीन प्रारंभिक सामग्री के शिखर क्षेत्र अनुपात के रूप में लिया गया और उच्च प्रदर्शन तरल क्रोमैटोग्राफी (एचपीएलसी) द्वारा निर्धारित किया गया। विश्लेषण की स्थिरता के लिए, सभी प्रतिक्रियाओं का नमूना प्रतिक्रिया मिश्रण के रिएक्टर से निकलने के तुरंत बाद लिया गया। अनुकूलन के लिए चयनित पैरामीटर श्रेणियों को तालिका 2 में दिखाया गया है।
सभी नमूनों का विश्लेषण एक क्रोमैस्टर एचपीएलसी प्रणाली (वीडब्ल्यूआर, पीए, यूएसए) का उपयोग करके किया गया था जिसमें एक चतुर्धातुक पंप, कॉलम ओवन, परिवर्तनीय तरंगदैर्ध्य यूवी डिटेक्टर और ऑटोसैम्पलर शामिल था। कॉलम एक इक्विवेलेंस 5 सी 18 (वीडब्ल्यूआर, पीए, यूएसए) था, जिसका आकार 4.6 × 100 मिमी, 5 माइक्रोन कण आकार था, जिसे 40 डिग्री सेल्सियस पर बनाए रखा गया था। विलायक 1.5 एमएल.मिनट-1 की प्रवाह दर पर आइसोक्रेटिक 50:50 मेथनॉल:पानी था। इंजेक्शन की मात्रा 5 µL थी और डिटेक्टर तरंगदैर्ध्य 254 एनएम था। डीओई नमूने के लिए% शिखर क्षेत्र की गणना केवल अवशिष्ट एल्काइन और ट्रायज़ोल उत्पादों के शिखर क्षेत्रों से की गई थी।
रिएक्टर विश्लेषण आउटपुट को MODDE DOE सॉफ्टवेयर (यूमेट्रिक्स, माल्मो, स्वीडन) से जोड़ने पर परिणामों की प्रवृत्तियों का गहन विश्लेषण और इस साइक्लोडडिशन के लिए इष्टतम प्रतिक्रिया स्थितियों का निर्धारण संभव हो सका। अंतर्निर्मित अनुकूलक को चलाने और सभी महत्वपूर्ण मॉडल शब्दों का चयन करने से प्रतिक्रिया स्थितियों का एक सेट प्राप्त हुआ, जिसे उत्पाद के अधिकतम क्षेत्र के लिए डिजाइन किया गया था, जबकि एसिटिलीन प्रारंभिक सामग्री के लिए अधिकतम क्षेत्र को कम किया गया था।
उत्प्रेरक प्रतिक्रिया कक्ष के भीतर सतह तांबे का ऑक्सीकरण प्रत्येक ट्राइजोल यौगिक लाइब्रेरी के संश्लेषण से पहले प्रतिक्रिया कक्ष (प्रवाह दर = 0.4 एमएल मिनट -1, निवास समय = 2.5 मिनट) के माध्यम से बहने वाले हाइड्रोजन पेरोक्साइड (36%) के समाधान का उपयोग करके प्राप्त किया गया था।
एक बार जब स्थितियों का एक इष्टतम सेट पहचान लिया गया, तो उन्हें एसिटिलीन और हेलोएल्केन व्युत्पन्नों की एक श्रृंखला पर लागू किया गया ताकि एक छोटे पुस्तकालय संश्लेषण के संकलन की अनुमति मिल सके, जिससे इन स्थितियों को संभावित अभिकर्मकों की एक व्यापक श्रृंखला पर लागू करने की क्षमता स्थापित हो सके (चित्र 1)।
सोडियम एज़ाइड (0.25 एम, 4:1 डीएमएफ:एच2ओ), हैलोऐल्केन्स (0.25 एम, डीएमएफ) और एल्काइन्स (0.125 एम, डीएमएफ) के अलग-अलग घोल तैयार करें। प्रत्येक घोल के 3 एमएल एलिक्वॉट को मिश्रित किया गया और रिएक्टर के माध्यम से 75 µL.min-1 और 150 °C पर पंप किया गया। कुल मात्रा को एक शीशी में एकत्र किया गया और 10 एमएल एथिल एसीटेट के साथ पतला किया गया। नमूना घोल को 3 × 10 एमएल पानी से धोया गया। जलीय परतों को 10 एमएल एथिल एसीटेट के साथ मिलाया गया और निकाला गया; फिर कार्बनिक परतों को मिलाया गया, 3 x 10 एमएल नमकीन पानी से धोया गया, MgSO4 पर सुखाया गया और फ़िल्टर किया गया, फिर विलायक को वैक्यूम में हटा दिया गया। नमूनों को एचपीएलसी, 1 एच एनएमआर, 13 सी एनएमआर और उच्च संकल्प द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमेट्री (एचआर-एमएस) के संयोजन द्वारा विश्लेषण से पहले एथिल एसीटेट का उपयोग करके सिलिका जेल पर कॉलम क्रोमैटोग्राफी द्वारा शुद्ध किया गया था।
सभी स्पेक्ट्रा को थर्मोफिशर प्रिसिज़न ऑर्बिट्रैप रेजोल्यूशन मास स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग करके प्राप्त किया गया, जिसमें आयनीकरण स्रोत के रूप में ईएसआई का उपयोग किया गया। सभी नमूने विलायक के रूप में एसिटोनाइट्राइल का उपयोग करके तैयार किए गए थे।
टीएलसी विश्लेषण एल्युमिनियम-समर्थित सिलिका प्लेटों पर किया गया। प्लेटों को यूवी प्रकाश (254 एनएम) या वैनिलीन अभिरंजन और हीटिंग द्वारा देखा गया।
सभी नमूनों का विश्लेषण एक VWR क्रोमैस्टर (VWR इंटरनेशनल लिमिटेड, लीटन बज़र्ड, यूके) प्रणाली का उपयोग करके किया गया, जो एक ऑटोसैम्पलर, कॉलम ओवन बाइनरी पंप और एकल तरंगदैर्ध्य डिटेक्टर से सुसज्जित है। प्रयुक्त कॉलम एक ACE इक्विवेलेंस 5 C18 (150 × 4.6 मिमी, एडवांस्ड क्रोमैटोग्राफी टेक्नोलॉजीज लिमिटेड, एबरडीन, स्कॉटलैंड) था।
इंजेक्शन (5 µL) को तनुकृत कच्चे प्रतिक्रिया मिश्रण (1:10 तनुकरण) से सीधे बनाया गया और 1.5 mL/min की प्रवाह दर पर 70:30 विलायक प्रणाली (स्टार संख्या के रूप में चिह्नित) का उपयोग करने वाले कुछ नमूनों को छोड़कर, पानी: मेथनॉल (50:50 या 70:30) के साथ विश्लेषण किया गया। स्तंभ को 40 °C पर रखा गया था। डिटेक्टर तरंग दैर्ध्य 254 nm है।
नमूने के % शिखर क्षेत्र की गणना अवशिष्ट एल्काइन के शिखर क्षेत्र, केवल ट्रायज़ोल उत्पाद से की गई थी, और प्रारंभिक सामग्री के इंजेक्शन से प्रासंगिक चोटियों की पहचान की अनुमति दी गई थी।
सभी नमूनों का विश्लेषण थर्मो आईसीएपी 6000 आईसीपी-ओईएस का उपयोग करके किया गया था। सभी अंशांकन मानकों को 2% नाइट्रिक एसिड (एसपीईएक्स सर्टि प्रीप) में 1000 पीपीएम सीयू मानक समाधान का उपयोग करके तैयार किया गया था। सभी मानकों को 5% डीएमएफ और 2% एचएनओ 3 समाधान में तैयार किया गया था, और सभी नमूनों को नमूना डीएमएफ-एचएनओ 3 समाधान में 20 गुना पतला किया गया था।
यूएएम अंतिम असेंबली बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली धातु पन्नी सामग्री के लिए बंधन तकनीक के रूप में अल्ट्रासोनिक धातु वेल्डिंग का उपयोग करता है। अल्ट्रासोनिक धातु वेल्डिंग एक कंपन धातु उपकरण (जिसे हॉर्न या अल्ट्रासोनिक हॉर्न कहा जाता है) का उपयोग करता है ताकि सामग्री को कंपन करते समय बंधे जाने वाले पन्नी परत / पहले से समेकित परत पर दबाव लागू किया जा सके। निरंतर संचालन के लिए, सोनोट्रोड बेलनाकार होता है और सामग्री की सतह पर घूमता है, पूरे क्षेत्र को जोड़ता है। जब दबाव और कंपन लागू होते हैं, तो सामग्री की सतह पर ऑक्साइड टूट सकते हैं। निरंतर दबाव और कंपन सामग्री की असमानताओं को नष्ट कर सकता है 36। स्थानीय रूप से प्रेरित गर्मी और दबाव के साथ घनिष्ठ संपर्क सामग्री इंटरफेस पर ठोस-अवस्था बंधन की ओर ले जाता है; यह सतह ऊर्जा में परिवर्तन के माध्यम से आसंजन में भी सहायता कर सकता है48. बंधन तंत्र की प्रकृति अन्य योजक विनिर्माण तकनीकों में वर्णित परिवर्तनशील पिघल तापमान और उच्च तापमान के बाद के प्रभावों से जुड़ी कई समस्याओं पर काबू पाती है। यह विभिन्न सामग्रियों की कई परतों को एक समेकित संरचना में सीधे बंधन (यानी, सतह संशोधन, भराव या चिपकने वाले के बिना) की अनुमति देता है।
यूएएम के लिए दूसरा अनुकूल कारक धातु सामग्री में देखी जाने वाली प्लास्टिक प्रवाह की उच्च डिग्री है, यहां तक ​​कि कम तापमान पर भी, यानी धातु सामग्री के पिघलने बिंदु से काफी नीचे। अल्ट्रासोनिक दोलन और दबाव का संयोजन पारंपरिक रूप से थोक सामग्रियों से जुड़े बड़े तापमान वृद्धि के बिना स्थानीय अनाज सीमा प्रवास और पुनः क्रिस्टलीकरण के उच्च स्तर को प्रेरित करता है। अंतिम असेंबली के निर्माण के दौरान, इस घटना का उपयोग धातु की पन्नी की परतों के बीच परत दर परत सक्रिय और निष्क्रिय घटकों को एम्बेड करने के लिए किया जा सकता है। ऑप्टिकल फाइबर 49, सुदृढीकरण 46, इलेक्ट्रॉनिक्स 50, और थर्मोकपल (यह कार्य) जैसे तत्व सभी को सक्रिय और निष्क्रिय समग्र संयोजनों को बनाने के लिए यूएएम संरचनाओं में सफलतापूर्वक एम्बेड किया गया है।
इस कार्य में, UAM के विभिन्न पदार्थ बंधन और अंतर्संयोजन संभावनाओं का उपयोग अंतिम उत्प्रेरक तापमान निगरानी माइक्रोरिएक्टर बनाने के लिए किया गया है।
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 कम खर्चीला है और इसलिए यह रासायनिक प्रसंस्करण उद्योग के लिए एक आकर्षक विकल्प है। (ii) Cu-उत्प्रेरित क्रॉस-युग्मन अभिक्रियाओं की सीमा बढ़ रही है और यह Pd-आधारित पद्धतियों की कुछ हद तक पूरक प्रतीत होती है51,52,53 (iii) Cu-उत्प्रेरित अभिक्रियाएं अन्य लिगैंडों की अनुपस्थिति में भी अच्छी तरह से कार्य करती हैं। ये लिगैंड अक्सर संरचनात्मक रूप से सरल और सस्ते होते हैं, जबकि Pd रसायन विज्ञान में प्रयुक्त लिगैंड अक्सर जटिल, महंगे और वायु-संवेदनशील होते हैं। (iv) Cu, विशेष रूप से संश्लेषण में एल्काइनों को बांधने की अपनी क्षमता के लिए जाना जाता है।
इन सभी प्रतिक्रियाओं के विषमीकरण के उदाहरण हाल ही में Cu(0) की उपस्थिति में प्रदर्शित किए गए हैं। यह काफी हद तक दवा उद्योग और धातु उत्प्रेरक पुनर्प्राप्ति और पुन: उपयोग पर बढ़ते फोकस के कारण है55,56।
1960 के दशक में ह्यूसगेन द्वारा शुरू की गई57, 1,2,3-ट्राईजोल के लिए एसिटिलीन और एजाइड के बीच 1,3-द्विध्रुवीय साइक्लोडिशन प्रतिक्रिया को एक सहक्रियात्मक प्रदर्शन प्रतिक्रिया माना जाता है। इसके परिणामस्वरूप 1,2,3 ट्राईजोल के अंश, जैविक अनुप्रयोगों और विभिन्न चिकित्सीय एजेंटों में उपयोग के कारण दवा की खोज के क्षेत्र में फार्माकोपोर के रूप में विशेष रुचि रखते हैं58।
यह अभिक्रिया फिर से ध्यान में आई जब शार्पलेस और अन्य ने "क्लिक केमिस्ट्री"59 की अवधारणा पेश की। "क्लिक केमिस्ट्री" शब्द का उपयोग हेटेरोएटम लिंकेज (सीएक्ससी)60 के माध्यम से नए यौगिकों और कॉम्बिनेटरियल लाइब्रेरी के तेजी से संश्लेषण के लिए प्रतिक्रियाओं के एक मजबूत, विश्वसनीय और चयनात्मक सेट का वर्णन करने के लिए किया जाता है। इन प्रतिक्रियाओं का सिंथेटिक आकर्षण उनके संबंधित उच्च पैदावार से उपजा है, प्रतिक्रिया की स्थितियाँ सरल हैं, ऑक्सीजन और पानी प्रतिरोध है, और उत्पाद पृथक्करण सरल है61।
शास्त्रीय हुइस्जेन 1,3-द्विध्रुवीय साइक्लोडडिशन "क्लिक केमिस्ट्री" की श्रेणी से संबंधित नहीं है। हालांकि, मेडल और शार्पलेस ने दिखाया कि यह एज़ाइड-एल्केनी युग्मन घटना Cu(I) की उपस्थिति में 107 से 108 तक होती है, जबकि असंक्रमित 1,3-द्विध्रुवीय साइक्लोडडिशन 62,63 में महत्वपूर्ण दर त्वरण होता है। इस बेहतर प्रतिक्रिया तंत्र को सुरक्षा समूहों या कठोर प्रतिक्रिया स्थितियों की आवश्यकता नहीं होती है और यह समय के पैमाने पर 1,4-डिसब्सिट्यूटेड 1,2,3-ट्राईज़ोल (एंटी-1,2,3-ट्राईज़ोल) में लगभग पूर्ण रूपांतरण और चयनात्मकता प्रदान करता है (चित्र 3)।
पारंपरिक और तांबा-उत्प्रेरित हुइसजेन साइक्लोडडिशन के आइसोमेट्रिक परिणाम। Cu(I)-उत्प्रेरित हुइसजेन साइक्लोडडिशन से केवल 1,4-डाइसबस्टिट्यूटेड 1,2,3-ट्राईजोल प्राप्त होते हैं, जबकि तापीय रूप से प्रेरित हुइसजेन साइक्लोडडिशन से आमतौर पर 1,4- और 1,5-ट्राईजोल प्राप्त होते हैं, जो एजोल के स्टीरियोआइसोमर्स का 1:1 मिश्रण है।
अधिकांश प्रोटोकॉल में स्थिर Cu(II) स्रोतों की कमी शामिल होती है, जैसे CuSO4 की कमी या Cu(II)/Cu(0) प्रजातियों का सोडियम लवणों के साथ सह-संयोजन। अन्य धातु-उत्प्रेरित प्रतिक्रियाओं की तुलना में, Cu(I) के उपयोग के प्रमुख लाभ यह हैं कि यह सस्ता है और इसे संभालना आसान है।
वॉरेल एट अल. 65 द्वारा गतिज और समस्थानिक लेबलिंग अध्ययनों से पता चला है कि, टर्मिनल एल्काइन्स के मामले में, तांबे के दो समतुल्य एज़ाइड के प्रति प्रत्येक अणु की प्रतिक्रियाशीलता को सक्रिय करने में शामिल होते हैं। प्रस्तावित तंत्र एक छह-सदस्यीय तांबे की धातु की अंगूठी के माध्यम से आगे बढ़ता है, जो एक स्थिर दाता लिगैंड के रूप में π-बंधित तांबे के साथ σ-बंधित तांबे एसिटिलाइड के लिए एज़ाइड के समन्वय द्वारा बनाई गई है। ट्रायज़ोलिल तांबे के व्युत्पन्न रिंग सिकुड़न द्वारा बनते हैं, इसके बाद प्रोटॉन अपघटन होता है जिससे ट्रायज़ोल उत्पाद मिलते हैं और उत्प्रेरक चक्र बंद हो जाता है।
जबकि प्रवाह रसायन उपकरणों के लाभ अच्छी तरह से प्रलेखित हैं, इन प्रणालियों में इन-लाइन, इन-सिटू, प्रक्रिया निगरानी66,67 के लिए विश्लेषणात्मक उपकरणों को एकीकृत करने की इच्छा रही है। यूएएम सीधे एम्बेडेड सेंसिंग तत्वों के साथ उत्प्रेरक रूप से सक्रिय, तापीय रूप से प्रवाहकीय सामग्रियों से बने अत्यधिक जटिल 3 डी प्रवाह रिएक्टरों को डिजाइन करने और उत्पादन करने के लिए एक उपयुक्त विधि साबित हुई है (चित्र 4)।
अल्ट्रासोनिक एडिटिव मैन्यूफैक्चरिंग (यूएएम) द्वारा निर्मित एल्युमिनियम-कॉपर प्रवाह रिएक्टर, जिसमें जटिल आंतरिक चैनल संरचना, एम्बेडेड थर्मोकपल और उत्प्रेरक प्रतिक्रिया कक्ष है। आंतरिक द्रव पथों को देखने के लिए, स्टीरियोलिथोग्राफी का उपयोग करके निर्मित एक पारदर्शी प्रोटोटाइप भी दिखाया गया है।
यह सुनिश्चित करने के लिए कि रिएक्टर भविष्य की कार्बनिक प्रतिक्रियाओं के लिए निर्मित हैं, सॉल्वैंट्स को उबलते बिंदु से ऊपर सुरक्षित रूप से गर्म करने की आवश्यकता होती है; उनका दबाव और तापमान परीक्षण किया जाता है। दबाव परीक्षण से पता चला कि सिस्टम दबाव (1.7 एमपीए) में वृद्धि के साथ भी सिस्टम एक स्थिर और निरंतर दबाव बनाए रखता है। हाइड्रोस्टेटिक परीक्षण तरल पदार्थ के रूप में H2O का उपयोग करके कमरे के तापमान पर किया गया था।
एम्बेडेड (चित्र 1) थर्मोकपल को तापमान डेटा लॉगर से जोड़ने पर पता चला कि थर्मोकपल फ़्लोसिन सिस्टम पर प्रोग्राम किए गए तापमान से 6 °C (± 1 °C) ठंडा था। आमतौर पर, तापमान में 10 °C की वृद्धि से प्रतिक्रिया दर दोगुनी हो जाती है, इसलिए केवल कुछ डिग्री का तापमान अंतर प्रतिक्रिया दर को काफी हद तक बदल सकता है। यह अंतर विनिर्माण प्रक्रिया में उपयोग की जाने वाली सामग्रियों की उच्च तापीय विसरणशीलता के कारण रिएक्टर बॉडी में तापमान के नुकसान के कारण होता है। यह तापीय बहाव सुसंगत है और इसलिए उपकरण सेटअप में इसका हिसाब लगाया जा सकता है ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि प्रतिक्रिया के दौरान सटीक तापमान तक पहुँचा जाए और मापा जाए। इसलिए, यह ऑनलाइन निगरानी उपकरण प्रतिक्रिया तापमान के सख्त नियंत्रण की सुविधा देता है और अधिक सटीक प्रक्रिया अनुकूलन और इष्टतम स्थितियों के विकास की सुविधा देता है। इन सेंसर का उपयोग प्रतिक्रिया एक्सोथर्म की पहचान करने और बड़े पैमाने की प्रणालियों में बेकाबू प्रतिक्रियाओं को रोकने के लिए भी किया जा सकता है।
इस कार्य में प्रस्तुत रिएक्टर रासायनिक रिएक्टरों के निर्माण के लिए यूएएम प्रौद्योगिकी के अनुप्रयोग का पहला उदाहरण है और इन उपकरणों की एएम/3डी प्रिंटिंग के साथ वर्तमान में जुड़ी कई प्रमुख सीमाओं को संबोधित करता है, जैसे: (i) तांबे या एल्यूमीनियम मिश्र धातु प्रसंस्करण से संबंधित रिपोर्ट की गई समस्याओं पर काबू पाना (ii) चयनात्मक लेजर मेल्टिंग (एसएलएम)25,69 जैसी पाउडर बेड फ्यूजन (पीबीएफ) तकनीकों की तुलना में बेहतर आंतरिक चैनल रिज़ॉल्यूशन; खराब सामग्री प्रवाह और खुरदरी सतह बनावट26 (iii) कम प्रसंस्करण तापमान, जो सेंसरों की सीधी बॉन्डिंग की सुविधा देता है, जो पाउडर बेड तकनीक में संभव नहीं है, (v) विभिन्न प्रकार के सामान्य कार्बनिक सॉल्वैंट्स17,19 के लिए पॉलिमर-आधारित घटकों के खराब यांत्रिक गुणों और संवेदनशीलता पर काबू पाता है।
रिएक्टर की कार्यक्षमता को निरंतर प्रवाह की स्थिति में तांबा-उत्प्रेरित एल्काइन एज़ाइड साइक्लोडडिशन प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला द्वारा प्रदर्शित किया गया था (चित्र 2)। चित्र 4 में विस्तृत अल्ट्रासोनिक-मुद्रित तांबा रिएक्टर को एक वाणिज्यिक प्रवाह प्रणाली के साथ एकीकृत किया गया था और सोडियम क्लोराइड की उपस्थिति में एसिटिलीन और एल्काइल समूह हैलाइड्स की तापमान-नियंत्रित प्रतिक्रिया के माध्यम से विभिन्न 1,4-डाइसबस्टिट्यूटेड 1,2,3-ट्राईज़ोल के लाइब्रेरी एज़ाइड्स को संश्लेषित करने के लिए उपयोग किया गया था (चित्र 3)। निरंतर प्रवाह दृष्टिकोण का उपयोग सुरक्षा चिंताओं को कम करता है जो बैच प्रक्रियाओं में उत्पन्न हो सकती हैं, क्योंकि यह प्रतिक्रिया अत्यधिक प्रतिक्रियाशील और खतरनाक एज़ाइड मध्यवर्ती [317], [318] का उत्पादन करती है। प्रारंभ में, प्रतिक्रिया को फेनिलएसिटिलीन और आयोडोइथेन के साइक्लोडडिशन के लिए अनुकूलित किया गया था (योजना 1 - फेनिलएसिटिलीन और आयोडोइथेन का साइक्लोडडिशन)
(ऊपर बाएँ) 3DP रिएक्टर को प्रवाह प्रणाली (ऊपर दाएँ) में शामिल करने के लिए उपयोग किए गए सेटअप का योजनाबद्ध, अनुकूलन के लिए फेनिलएसिटिलीन और आयोडोइथेन के बीच हुइसजेन साइक्लोडडिशन 57 योजना की अनुकूलित (नीचे) योजना में प्राप्त किया गया और अनुकूलित पैरामीटर प्रतिक्रिया रूपांतरण दर को दर्शाता है।
रिएक्टर के उत्प्रेरक भाग में अभिकर्मकों के निवास समय को नियंत्रित करने और सीधे एकीकृत थर्मोकपल जांच के साथ प्रतिक्रिया तापमान की बारीकी से निगरानी करने से, प्रतिक्रिया की स्थिति को न्यूनतम समय और सामग्री की खपत के साथ जल्दी और सटीक रूप से अनुकूलित किया जा सकता है। यह जल्दी से निर्धारित किया गया था कि उच्चतम रूपांतरण तब प्राप्त हुए थे जब 15 मिनट का निवास समय और 150 डिग्री सेल्सियस का प्रतिक्रिया तापमान इस्तेमाल किया गया था। MODDE सॉफ्टवेयर के गुणांक प्लॉट से, यह देखा जा सकता है कि निवास समय और प्रतिक्रिया तापमान दोनों महत्वपूर्ण मॉडल शब्द माने जाते हैं। इन चयनित शब्दों का उपयोग करके अंतर्निहित अनुकूलक को चलाने से प्रतिक्रिया की स्थिति का एक सेट उत्पन्न होता है जो उत्पाद के शिखर क्षेत्रों को अधिकतम करने के लिए डिज़ाइन किया गया है जबकि शुरुआती सामग्री के शिखर क्षेत्रों को कम करता है।
साहित्य के आधार पर यह दर्शाया गया है कि कॉपर (I) ऑक्साइड (Cu2O) इन अभिक्रियाओं में शून्य-संयोजी कॉपर सतहों पर एक प्रभावी उत्प्रेरक प्रजाति के रूप में कार्य कर सकता है, प्रवाह में अभिक्रिया करने से पहले रिएक्टर सतह को पूर्व-ऑक्सीकृत करने की क्षमता की जांच की गई70,71। फिर फेनिलएसिटिलीन और आयोडोइथेन के बीच अभिक्रिया को इष्टतम स्थितियों के तहत फिर से किया गया और उपज की तुलना की गई। यह देखा गया कि इस तैयारी के परिणामस्वरूप प्रारंभिक सामग्री के रूपांतरण में उल्लेखनीय वृद्धि हुई, जिसकी गणना 99% से अधिक की गई। हालाँकि, HPLC द्वारा निगरानी से पता चला कि इस रूपांतरण ने लगभग 90 मिनट तक अत्यधिक लंबे समय तक चलने वाले अभिक्रिया समय को महत्वपूर्ण रूप से कम कर दिया, जिसके बाद गतिविधि समतल हो गई और "स्थिर अवस्था" पर पहुँच गई। यह अवलोकन बताता है कि उत्प्रेरक गतिविधि का स्रोत शून्य-संयोजी कॉपर सब्सट्रेट के बजाय सतह कॉपर ऑक्साइड से प्राप्त होता है। Cu धातु को कमरे के तापमान पर आसानी से ऑक्सीकृत किया जाता है जिससे CuO और Cu2O बनते हैं जो स्वयं-सुरक्षात्मक परतें नहीं हैं। यह सह-संरचना के लिए एक सहायक कॉपर (II) स्रोत को जोड़ने की आवश्यकता को समाप्त करता है71।