Mèsi paske ou te vizite Nature.com. Vèsyon navigatè w ap itilize a pa gen sipò limite pou CSS. Pou pi bon eksperyans lan, nou rekòmande pou w itilize yon navigatè ki ajou (oswa dezaktive mòd konpatibilite nan Internet Explorer). Antretan, pou asire sipò kontinyèl, nou pral montre sit la san estil ak JavaScript.
Fabrikasyon aditif ap chanje fason chèchè yo ak endistriyalis yo desine ak fabrike aparèy chimik pou satisfè bezwen espesifik yo. Nan travay sa a, nou rapòte premye egzanp yon reaktè koule ki fòme pa teknik laminasyon fèy metal solid Ultrasons Additive Manufacturing (UAM) ak pati katalitik ak eleman deteksyon entegre dirèkteman. Non sèlman teknoloji UAM simonte anpil nan limitasyon ki asosye kounye a ak fabrikasyon aditif reaktè chimik yo, men li ogmante tou kapasite aparèy sa yo anpil. Yon seri konpoze 1,2,3-triazol 1,4-disubstituted ki enpòtan byolojikman te sentetize ak optimize avèk siksè pa yon reyaksyon sikloadisyon Huisgen 1,3-dipolè medyatè Cu lè l sèvi avèk yon konfigirasyon chimi UAM. Lè l sèvi avèk pwopriyete inik UAM ak pwosesis koule kontinyèl, aparèy la kapab katalize reyaksyon kontinyèl pandan y ap bay fidbak an tan reyèl pou siveyans reyaksyon ak optimize.
Akòz avantaj enpòtan li genyen sou tokay an gwo li a, chimi koule se yon domèn enpòtan k ap grandi nan anviwònman akademik ak endistriyèl akòz kapasite li pou ogmante selektivite ak efikasite sentèz chimik la. Sa a pwolonje soti nan fòmasyon molekil òganik senp1 rive nan konpoze famasetik2,3 ak pwodwi natirèl4,5,6. Plis pase 50% nan reyaksyon nan endistri chimik amann ak famasetik yo ka benefisye de itilizasyon pwosesis koule kontinyèl7.
Nan dènye ane sa yo, te gen yon tandans k ap grandi nan gwoup k ap chèche ranplase ekipman tradisyonèl an vè oswa chimi koule ak "veso reyaksyon" chimi fabrikasyon aditif (AM) personnalisable8. Konsepsyon iteratif, pwodiksyon rapid, ak kapasite 3 dimansyon (3D) teknik sa yo benefisye pou moun ki vle Customize aparèy yo pou yon seri reyaksyon, aparèy, oswa kondisyon espesifik. Jiska prezan, travay sa a te konsantre prèske sèlman sou itilizasyon teknik enprime 3D ki baze sou polymère tankou estereolitografi (SL)9,10,11, modèl depozisyon fizyon (FDM)8,12,13,14 ak enprime jet lank 7, 15, 16. Mank robustès ak kapasite aparèy sa yo pou fè yon pakèt reyaksyon/analiz chimik17, 18, 19, 20 se yon gwo faktè limitatif pou yon aplikasyon AM pi laj nan domèn sa a17, 18, 19, 20.
Akòz itilizasyon chimi koule k ap ogmante a ak pwopriyete favorab ki asosye ak AM, gen yon bezwen pou eksplore teknik ki pi avanse ki pèmèt itilizatè yo fabrike veso reyaksyon koule ak kapasite chimik ak analiz amelyore. Teknik sa yo ta dwe pèmèt itilizatè yo chwazi nan yon seri materyèl trè solid oswa fonksyonèl ki kapab jere yon pakèt kondisyon reyaksyon, pandan y ap fasilite tou divès fòm rezilta analiz ki soti nan aparèy la pou pèmèt siveyans ak kontwòl reyaksyon.
Yon pwosesis fabrikasyon aditif ki gen potansyèl pou devlope reaktè chimik koutim se Fabrikasyon Aditif Ultrasonik (UAM). Teknik laminasyon fèy solid sa a aplike osilasyon ultrasonik sou papye metal mens pou ini yo ansanm kouch pa kouch ak yon chofaj minimòm an mas ak yon wo degre koule plastik 21 , 22 , 23 . Kontrèman ak pifò lòt teknoloji AM, UAM ka entegre dirèkteman ak fabrikasyon soustraktif, ke yo rekonèt kòm yon pwosesis fabrikasyon ibrid, nan ki fraisage kontwòl nimerik òdinatè peryodik (CNC) oswa machin lazè defini fòm nèt yon kouch materyèl lye 24, 25. Sa vle di ke itilizatè a pa limite pa pwoblèm ki asosye ak retire materyèl kri rezidyèl nan ti chanèl likid, ki souvan ka a ak sistèm AM poud ak likid 26,27,28. Libète konsepsyon sa a pwolonje tou nan chwa materyèl ki disponib yo - UAM ka lye konbinezon materyèl tèmikman menm jan ak diferan nan yon sèl etap pwosesis. Chwa konbinezon materyèl ki depase pwosesis fonn lan vle di ke demand mekanik ak chimik aplikasyon espesifik yo ka pi byen satisfè. Anplis lyezon solid, yon lòt fenomèn ki rankontre pandan ultrasons Lyezon se gwo koule materyèl plastik nan tanperati relativman ba29,30,31,32,33. Karakteristik inik UAM sa a ka fasilite entegrasyon eleman mekanik/tèmik ant kouch metal yo san domaj. Detèktè entegre UAM yo ka fasilite livrezon enfòmasyon an tan reyèl soti nan aparèy la bay itilizatè a atravè analiz entegre.
Travay otè yo te fè anvan yo32 te demontre kapasite pwosesis UAM lan pou kreye estrikti mikwofluidik 3D metalik ak kapasite deteksyon entegre. Sa a se yon aparèy siveyans sèlman. Atik sa a prezante premye egzanp yon reaktè chimik mikwofluidik fabrike pa UAM; yon aparèy aktif ki pa sèlman siveye men tou pwovoke sentèz chimik atravè materyèl katalis entegre estriktirèlman. Aparèy la konbine plizyè avantaj ki asosye ak teknoloji UAM nan fabrikasyon aparèy chimik 3D, tankou: kapasite pou konvèti desen 3D konplè dirèkteman nan modèl konsepsyon asisté pa òdinatè (CAD) an pwodwi; fabrikasyon milti-materyèl pou konbine konduktivite tèmik segondè ak materyèl katalitik; ak entegre detèktè tèmik dirèkteman ant kouran reyaktif yo pou siveyans ak kontwòl tanperati reyaksyon presi. Pou demontre fonksyonalite reaktè a, yo te sentetize yon bibliyotèk konpoze 1,2,3-triazol 1,4-disubstituted ki enpòtan nan domèn famasetik pa sikloadisyon Huisgen 1,3-dipolè katalize pa kwiv. Travay sa a mete aksan sou kijan itilizasyon syans materyèl ak konsepsyon asisté pa òdinatè ka louvri nouvo opòtinite ak posiblite pou chimi atravè rechèch miltidisiplinè.
Tout solvan ak reyaktif yo te achte nan men Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI oswa Fischer Scientific epi yo te itilize san pirifikasyon alavans. Espèk 1H ak 13C NMR ki te anrejistre nan 400 MHz ak 100 MHz, respektivman, yo te jwenn lè l sèvi avèk yon espektwomèt JEOL ECS-400 400 MHz oswa yon espektwomèt Bruker Avance II 400 MHz ak CDCl3 oswa (CD3)2SO kòm solvan. Tout reyaksyon yo te fèt lè l sèvi avèk platfòm chimi koule Uniqsis FlowSyn.
Yo te itilize UAM pou fabrike tout aparèy nan etid sa a. Yo te envante teknoloji a an 1999, epi nou ka etidye detay teknik li yo, paramèt fonksyònman li yo ak devlopman li yo depi envansyon li a atravè materyèl pibliye sa yo34,35,36,37. Yo te aplike aparèy la (Figi 1) lè l sèvi avèk yon sistèm SonicLayer 4000® UAM ultra-gwo puisans, 9kW (Fabrisonic, OH, USA). Materyèl yo te chwazi pou fabrikasyon aparèy koule a se te Cu-110 ak Al 6061. Cu-110 gen yon kontni kwiv ki wo (minimòm 99.9% kwiv), sa ki fè li yon bon kandida pou reyaksyon katalize pa kwiv, e poutèt sa yo itilize li kòm yon "kouch aktif nan yon mikworeaktè. Yo itilize Al 6061 O kòm yon materyèl "an mas", epi yo itilize tou kouch entegrasyon pou analiz; Entegrasyon konpozan oksilyè alyaj ak kondisyon rkui konbine avèk kouch Cu-110. Al 6061 O se yon materyèl ki te montre li trè konpatib ak pwosesis UAM38, 39. 40, 41 epi li te teste epi yo te jwenn li chimikman estab ak reyaktif yo itilize nan travay sa a. Konbinezon Al 6061 O ak Cu-110 la konsidere tou kòm yon konbinezon materyèl konpatib pou UAM e pakonsekan li se yon materyèl ki apwopriye pou etid sa a. 38,42 Aparèy sa yo ki nan lis nan Tablo 1 ki anba a.
Etap fabrikasyon reaktè (1) Substra Al 6061 (2) Fabrikasyon kanal anba a ki mete sou papye kwiv (3) Entegrasyon tèmokoupl ant kouch yo (4) Kanal anwo (5) Antre ak sòti (6) Reaktè monolitik.
Filozofi konsepsyon chemen likid la se sèvi ak yon chemen konplike pou ogmante distans likid la vwayaje andedan chip la, tout pandan y ap kenbe chip la nan yon gwosè jere. Ogmantasyon distans sa a dezirab pou ogmante tan entèraksyon katalis/reyaktif epi bay ekselan rannman pwodwi. Chip yo itilize koube 90° nan bout chemen dwat la pou pwovoke melanj ajite andedan aparèy la44 epi ogmante tan kontak likid la ak sifas la (katalis). Pou ogmante plis melanj ki ka reyalize a, konsepsyon reaktè a prezante de antre reyaktif konbine nan jonksyon Y a anvan yo antre nan seksyon melanj serpentin lan. Twazyèm antre a, ki kwaze kouran an nan mitan rezidans li, enkli nan konsepsyon sentèz reyaksyon plizyè etap nan lavni.
Tout kanal yo gen yon pwofil kare (pa gen ang debouchaj), rezilta fraisage CNC peryodik ki itilize pou kreye jeyometri kanal la. Dimansyon kanal yo chwazi pou asire yon pwodiksyon volim ki wo (pou yon mikworeaktè), pandan y ap piti ase pou fasilite entèraksyon sifas (katalizè) pou pifò likid ki ladan yo. Gwosè apwopriye a baze sou eksperyans sot pase otè yo ak aparèy metal-fluidik pou reyaksyon an. Dimansyon entèn kanal final la te 750 µm x 750 µm epi volim total reaktè a te 1 ml. Yon konektè entegre (file 1/4″—28 UNF) enkli nan konsepsyon an pou pèmèt yon koneksyon senp ant aparèy la ak ekipman chimi koule komèsyal yo. Gwosè kanal la limite pa epesè materyèl papye aliminyòm nan, pwopriyete mekanik li yo, ak paramèt lyezon yo itilize ak ultrasons yo. Nan yon lajè espesifik pou yon materyèl bay, materyèl la pral "afese" nan kanal ki kreye a. Kounye a pa gen okenn modèl espesifik pou kalkil sa a, kidonk lajè maksimòm kanal la pou yon materyèl ak yon konsepsyon bay detèmine eksperimantalman; Nan ka sa a, yon lajè 750 μm pap lakòz afesman.
Yo detèmine fòm kanal la (kare) lè yo sèvi ak yon kouto kare. Machin CNC yo ka chanje fòm ak gwosè kanal yo lè l sèvi avèk diferan zouti koupe pou jwenn diferan to koule ak karakteristik. Ou ka jwenn yon egzanp sou kreye yon kanal fòm koube lè l sèvi avèk zouti 125 μm nan nan travay Monaghan45. Lè yo depoze kouch papye aliminyòm nan yon fason plan, sipèpozisyon materyèl papye aliminyòm sou kanal yo ap gen yon fini plat (kare). Nan travay sa a, pou kenbe simetri kanal la, yo te itilize yon kontou kare.
Pandan yon poz pre-pwograme nan fabrikasyon, sond tanperati tèmokoupl (Kalite K) yo entegre dirèkteman nan aparèy la ant gwoup kanal anwo ak anba yo (Figi 1 - Etap 3). Tèmokoupl sa yo ka kontwole chanjman tanperati soti nan -200 rive nan 1350 °C.
Pwosesis depo metal la fèt pa yon kòn UAM ki itilize yon papye metal 25.4 mm lajè, 150 mikron epesè. Kouch papye sa yo kole nan yon seri bann adjasan pou kouvri tout zòn konstriksyon an; gwosè materyèl depoze a pi gwo pase pwodwi final la pandan pwosesis soustraktif la pwodui fòm nèt final la. Machinasyon CNC yo itilize pou machin kontou ekstèn ak entèn ekipman an, sa ki lakòz yon fini sifas ekipman an ak chanèl ki egal a zouti ki chwazi a ak paramèt pwosesis CNC yo (apeprè 1.6 μm Ra nan egzanp sa a). Sik depo materyèl ultrasonik kontinyèl ak kontinyèl yo itilize pandan tout pwosesis fabrikasyon aparèy la pou asire presizyon dimansyonèl la kenbe epi pyès fini an ap satisfè nivo presizyon fraisaj fini CNC. Lajè chanèl ki itilize pou aparèy sa a piti ase pou asire ke materyèl papye a pa "afese" nan chanèl likid la, kidonk chanèl la kenbe yon seksyon kare. Twou posib nan materyèl papye a ak paramèt pwosesis UAM yo te detèmine eksperimantalman pa yon patnè fabrikasyon (Fabrisonic LLC, USA).
Etid yo montre ke pa gen anpil difizyon eleman ki rive nan koòdone lyezon UAM 46, 47 san tretman tèmik adisyonèl, kidonk pou aparèy ki nan travay sa a, kouch Cu-110 la rete diferan de kouch Al 6061 la epi li chanje bridsoukou.
Enstale yon regilatè presyon dèyè (BPR) 250 psi (1724 kPa) ki deja kalibre nan sòti reaktè a epi ponpe dlo nan reaktè a nan yon vitès 0.1 a 1 mL min-1. Yo te kontwole presyon reaktè a lè l sèvi avèk detèktè presyon sistèm entegre FlowSyn nan pou verifye ke sistèm nan te kapab kenbe yon presyon konstan. Yo te teste gradyan tanperati potansyèl atravè reaktè koule a lè yo te idantifye nenpòt diferans ant tèmokoupl ki entegre nan reaktè a ak sa yo ki entegre nan plak chofaj chip FlowSyn nan. Sa a reyalize lè yo varye tanperati plak cho pwogramasyon an ant 100 ak 150 °C nan ogmantasyon 25 °C epi note nenpòt diferans ant tanperati pwograme ak anrejistre yo. Sa a te reyalize lè l sèvi avèk yon anrejistreman done tc-08 (PicoTech, Cambridge, UK) ak lojisyèl PicoLog ki akonpaye l la.
Yo te optimize kondisyon reyaksyon sikloadisyon fenilasetilèn ak iyodoetan an (Schéma 1- Sikloadisyon fenilasetilèn ak iyodoetan). Yo te fè optimize sa a grasa yon apwòch konsepsyon faktoryèl konplè eksperyans (DOE), lè l sèvi avèk tanperati ak tan rezidans kòm paramèt varyab, pandan y ap fikse rapò alkin:azid la a 1:2.
Yo te prepare solisyon separe azid sodyòm (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), yodoetan (0.25 M, DMF), ak fenilasetilèn (0.125 M, DMF). Yo te melanje yon alikòt 1.5 mL nan chak solisyon epi yo te ponpe l nan reaktè a nan vitès koule ak tanperati ki te vle a. Yo te pran repons modèl la kòm rapò sifas pik pwodui triazol la ak materyèl depa fenilasetilèn nan epi yo te detèmine l pa kromatografi likid pèfòmans segondè (HPLC). Pou konsistans analiz la, yo te pran echantiyon tout reyaksyon yo touswit apre melanj reyaksyon an te kite reaktè a. Entèval paramèt yo te chwazi pou optimize yo montre nan Tablo 2.
Tout echantiyon yo te analize lè l sèvi avèk yon sistèm Chromaster HPLC (VWR, PA, USA) ki gen ladan yon ponp kwatènè, yon fou kolòn, yon detektè UV longèdonn varyab ak yon oto-echantiyonè. Kolòn nan te yon Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA), 4.6 × 100 mm nan gwosè, 5 µm gwosè patikil, kenbe a 40 °C. Solvan an te izokratik 50:50 metanòl:dlo nan yon vitès koule 1.5 mL.min-1. Volim enjeksyon an te 5 µL epi longèdonn detektè a te 254 nm. Pousantaj zòn pik pou echantiyon DOE a te kalkile sèlman apati zòn pik pwodwi alkin rezidyèl ak triazol yo. Enjeksyon materyèl depa a pèmèt idantifikasyon pik ki enpòtan yo.
Koneksyon rezilta analiz reaktè a ak lojisyèl MODDE DOE a (Umetrics, Malmö, Syèd) te pèmèt yon analiz apwofondi sou tandans rezilta yo ak detèminasyon kondisyon reyaksyon optimal pou sikloadisyon sa a. Lè yo te egzekite optimizeur entegre a epi yo te chwazi tout tèm modèl enpòtan yo, yo te jwenn yon seri kondisyon reyaksyon ki fèt pou maksimize sifas pik pwodwi a pandan y ap diminye sifas pik pou materyèl depa asetilèn nan.
Yo te reyalize oksidasyon sifas kwiv la nan chanm reyaksyon katalitik la lè l sèvi avèk yon solisyon oksijene idwojèn (36%) k ap koule nan chanm reyaksyon an (vitès = 0.4 mL min-1, tan rezidans = 2.5 min) anvan sentèz chak bibliyotèk konpoze triazol.
Yon fwa yo te idantifye yon seri kondisyon optimal, yo te aplike yo sou yon seri dérivés asetilèn ak aloalkan pou pèmèt konpilasyon yon ti sentèz bibliyotèk, kidonk etabli kapasite pou aplike kondisyon sa yo sou yon pi gwo seri reyaktif potansyèl (Figi 1).2).
Prepare solisyon separe azid sodyòm (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), aloalkan (0.25 M, DMF) ak alkin (0.125 M, DMF). Yo melanje 3 mL alikòt nan chak solisyon epi yo ponpe yo nan reaktè a nan 75 µL.min-1 ak 150 °C. Yo kolekte volim total la nan yon ti boutèy epi yo dilye l ak 10 mL asetat etilik. Yo lave solisyon echantiyon an ak 3 × 10 mL dlo. Yo konbine kouch akeuz yo epi yo ekstrè yo ak 10 mL asetat etilik; apre sa, yo konbine kouch òganik yo, yo lave yo ak 3 x 10 mL sèl, yo seche yo sou MgSO4 epi yo filtre yo, epi yo retire solvan an anba vid. Yo pirifye echantiyon yo pa kromatografi kolòn sou jèl silica lè l sèvi avèk asetat etilik anvan analiz la pa yon konbinezon HPLC, 1H NMR, 13C NMR ak spektwometri mas rezolisyon segondè (HR-MS).
Tout espèk yo te pran lè l sèvi avèk yon espektwomèt mas rezolisyon Orbitrap presizyon Thermofischer avèk ESI kòm sous iyonizasyon an. Tout echantiyon yo te prepare lè l sèvi avèk asetonitril kòm sòlvan.
Yo te fè analiz TLC sou plak silica ak sipò aliminyòm. Yo te vizyalize plak yo avèk limyè UV (254 nm) oubyen koloran vaniyin epi chofe.
Tout echantiyon yo te analize lè l sèvi avèk yon sistèm VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) ekipe ak yon oto-echantiyonè, yon ponp binè fou kolòn ak yon detektè longèdonn sèl. Kolòn ki te itilize a se te yon ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4.6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Scotland).
Yo te fè enjeksyon yo (5 µL) dirèkteman nan melanj reyaksyon brit dilye a (dilisyon 1:10) epi yo te analize yo avèk dlo:metanòl (50:50 oswa 70:30), eksepte pou kèk echantiyon ki te itilize sistèm sòlvan 70:30 la (yo make l kòm yon nimewo zetwal) nan yon vitès koule 1.5 mL/min. Yo te kenbe kolòn nan a 40 °C. Longèdonn detektè a se 254 nm.
Yo kalkile % sifas pik echantiyon an apati sifas pik alkin rezidyèl la, sèlman pwodui triazol la, epi enjeksyon materyèl depa a te pèmèt idantifikasyon pik ki enpòtan yo.
Tout echantiyon yo te analize lè l sèvi avèk yon Thermo iCAP 6000 ICP-OES. Tout estanda kalibrasyon yo te prepare lè l sèvi avèk yon solisyon estanda 1000 ppm Cu nan 2% asid nitrique (SPEX Certi Prep). Tout estanda yo te prepare nan yon solisyon 5% DMF ak 2% HNO3, epi tout echantiyon yo te delye 20 fwa nan solisyon echantiyon DMF-HNO3.
UAM itilize soude metal ultrasonik kòm yon teknik lyezon pou materyèl papye metalik ki itilize pou konstwi asanblaj final la. Soude metal ultrasonik itilize yon zouti metal ki vibre (yo rele yon kòn oswa kòn ultrasonik) pou aplike presyon sou kouch papye metalik la/kouch ki te konsolide anvan an pou lye pandan y ap vibre materyèl la. Pou operasyon kontinyèl, sonotwòd la silendrik epi li woule sou sifas materyèl la, li lye tout zòn nan. Lè yo aplike presyon ak vibrasyon, oksid ki sou sifas materyèl la ka fann. Presyon ak vibrasyon kontinyèl ka lakòz aspèrite materyèl la tonbe 36. Kontak entim ak chalè ak presyon pwovoke lokalman mennen nan lyezon solid nan entèfas materyèl yo; li kapab ede tou adezyon atravè chanjman nan enèji sifas 48. Natirèl mekanis lyezon an simonte anpil nan pwoblèm ki asosye ak tanperati fizyon varyab ak efè segondè tanperati ki wo yo mansyone nan lòt teknik fabrikasyon aditif. Sa pèmèt lyezon dirèk (sa vle di, san modifikasyon sifas, ranpli oswa adezif) plizyè kouch diferan materyèl nan yon sèl estrikti konsolide.
Yon dezyèm faktè favorab pou UAM se gwo degre koule plastik ki obsève nan materyèl metalik yo, menm nan tanperati ki ba, sa vle di byen anba pwen fizyon materyèl metalik yo. Konbinezon osilasyon ultrasonik ak presyon pwovoke gwo nivo migrasyon limit grenn lokal ak rekristalizasyon san gwo ogmantasyon tanperati ki tradisyonèlman asosye ak materyèl an gwo. Pandan konstriksyon asanblaj final la, yo ka eksplwate fenomèn sa a pou entegre konpozan aktif ak pasif ant kouch papye metalik, kouch pa kouch. Yo tout entegre avèk siksè eleman tankou fib optik 49, ranfòsman 46, elektwonik 50, ak tèmokoupl (travay sa a) nan estrikti UAM pou kreye asanblaj konpoze aktif ak pasif.
Nan travay sa a, yo te itilize tou de diferan posiblite lyezon materyèl ak entèkalasyon UAM yo pou kreye mikworeaktè siveyans tanperati katalitik ultim lan.
Konpare ak paladyòm (Pd) ak lòt katalis metal yo itilize souvan, kataliz Cu gen plizyè avantaj: (i) Ekonomikman, Cu mwens chè pase anpil lòt metal yo itilize nan kataliz e pakonsekan li se yon opsyon atiran pou endistri pwosesis chimik la (ii) Gam reyaksyon kouplaj kwaze katalize pa Cu ap ogmante e li sanble yon ti jan konplemantè ak metodoloji ki baze sou Pd51,52,53 (iii) Reyaksyon katalize pa Cu yo fonksyone byen san lòt ligand, Ligand sa yo souvan senp estriktirèlman e yo pa chè si yo vle, tandiske sa yo itilize nan chimi Pd yo souvan konplèks, chè, e sansib a lè (iv) Cu, espesyalman li te ye pou kapasite li pou lye alkin nan sentèz, Pa egzanp, kouplaj Sonogashira katalize pa bimetalik ak sikloadisyon ak azid (chimi klike) (v) Cu kapab tou ankouraje arylasyon plizyè nikleofil nan reyaksyon tip Ullmann.
Yo fèk demontre egzanp eterojenizasyon tout reyaksyon sa yo an prezans Cu(0). Sa a se sitou akòz endistri famasetik la ak atansyon k ap grandi sou rekiperasyon ak reyitilizasyon katalis metal55,56.
Huisgen te inisye reyaksyon sikloadisyon 1,3-dipolè ant asetilèn ak azid pou bay 1,2,3-triazol, ki te fèt nan ane 1960 yo57. Yo konsidere reyaksyon demonstrasyon sinèjik. Patikilyèman, patikilyèman, triazol ki sòti a gen yon enterè patikilye kòm farmakofò nan domèn dekouvèt medikaman, akòz aplikasyon byolojik yo ak itilizasyon yo nan divès ajan terapetik58.
Reyaksyon sa a te vin an evidans ankò lè Sharpless ak lòt moun te prezante konsèp "chimi klike"59. Yo itilize tèm "chimi klike" a pou dekri yon seri reyaksyon solid, fyab ak selektif pou sentèz rapid nouvo konpoze ak bibliyotèk konbinatwa atravè lyezon eteroatòm (CXC)60. Apèl sentetik reyaksyon sa yo soti nan gwo sede ki asosye avèk yo, kondisyon reyaksyon yo senp, rezistans oksijèn ak dlo, epi separasyon pwodwi a senp61.
Sikloadisyon klasik Huisgen 1,3-dipol la pa fè pati kategori "chimi klik". Sepandan, Medal ak Sharpless te demontre ke evènman kouplaj azid-alkin sa a sibi 107 a 108 an prezans Cu(I) konpare ak sikloadisyon 1,3-dipolè ki pa katalize a 62,63 akselerasyon vitès siyifikatif. Mekanis reyaksyon amelyore sa a pa mande gwoup pwoteksyon oswa kondisyon reyaksyon difisil epi li bay yon konvèsyon ak selektivite prèske konplè pou 1,4-disubstituted 1,2,3-triazoles (anti-1,2,3-triazole) sou yon echèl tan (Figi 3).
Rezilta izometrik sikloadisyon Huisgen konvansyonèl ak katalize pa kwiv. Sikloadisyon Huisgen katalize pa Cu(I) bay sèlman 1,2,3-triazòl 1,4-disibstitye, tandiske sikloadisyon Huisgen pwovoke tèmikman bay 1,4- ak 1,5-triazòl yon melanj estereyoizomè azòl 1:1.
Pifò pwotokòl yo enplike rediksyon sous Cu(II) ki estab, tankou rediksyon CuSO4 oubyen ko-konbinezon espès Cu(II)/Cu(0) ak sèl sodyòm. Konpare ak lòt reyaksyon katalize pa metal, itilizasyon Cu(I) gen gwo avantaj pou li pa chè epi fasil pou jere.
Etid maketaj sinetik ak izotopik pa Worrell et al. 65 te montre ke, nan ka alkin tèminal yo, de ekivalan kwiv enplike nan aktive reyaktivite chak molekil anvè azid. Mekanis pwopoze a kontinye atravè yon bag metal kwiv sis manm ki fòme pa kowòdinasyon azid ak asetilid kwiv ki lye ak σ ak kwiv ki lye ak π kòm yon ligand donatè ki estab. Derivatif kwiv triazolil yo fòme pa kontraksyon bag, ki te swiv pa dekonpozisyon pwoton pou bay pwodwi triazol epi fèmen sik katalitik la.
Malgre ke benefis aparèy chimi koule yo byen dokimante, te gen yon dezi pou entegre zouti analiz nan sistèm sa yo pou siveyans pwosesis an liy, in-situ66,67. UAM te pwouve ke li se yon metòd apwopriye pou konsepsyon ak pwodiksyon reaktè koule 3D trè konplèks ki fèt ak materyèl katalitikman aktif, tèmikman kondiktif ak eleman deteksyon entegre dirèkteman (Figi 4).
Reaktè koule aliminyòm-kwiv fabrike pa fabrikasyon aditif ultrasons (UAM) ak yon estrikti kanal entèn konplèks, tèrmokoupl entegre ak yon chanm reyaksyon katalitik. Pou vizyalize chemen likid entèn yo, yo montre tou yon pwototip transparan fabrike lè l sèvi avèk estereolitografi.
Pou asire reaktè yo fabrike pou reyaksyon òganik nan lavni, solvan yo bezwen chofe san danje pi wo pase pwen ebulisyon an; yo teste presyon ak tanperati. Tès presyon an te montre ke sistèm nan kenbe yon presyon ki estab ak konstan menm avèk yon presyon sistèm ki ogmante (1.7 MPa). Tès idrostatik la te fèt nan tanperati chanm lè l sèvi avèk H2O kòm likid.
Lè yo konekte tèmokoupl entegre a (Figi 1) ak anrejistreman done tanperati a, yo te montre ke tèmokoupl la te 6 °C (± 1 °C) pi frèt pase tanperati ki te pwograme sou sistèm FlowSyn nan. Tipikman, yon ogmantasyon 10 °C nan tanperati a lakòz yon doubleman nan vitès reyaksyon an, kidonk yon diferans tanperati ki jis kèk degre ka chanje vitès reyaksyon an anpil. Diferans sa a se akòz pèt tanperati nan tout kò reaktè a akòz gwo difizivite tèmik materyèl yo itilize nan pwosesis fabrikasyon an. Derive tèmik sa a konsistan e pakonsekan yo ka pran li an kont nan konfigirasyon ekipman an pou asire ke tanperati egzak yo rive epi mezire pandan reyaksyon an. Se poutèt sa, zouti siveyans anliy sa a fasilite yon kontwòl sere sou tanperati reyaksyon an epi li fasilite yon optimize pwosesis ki pi egzak ak devlopman kondisyon optimal. Detèktè sa yo kapab tou itilize pou idantifye ègzotèm reyaksyon yo epi anpeche reyaksyon ki sove nan sistèm gwo echèl.
Reaktè ki prezante nan travay sa a se premye egzanp aplikasyon teknoloji UAM nan fabrikasyon reaktè chimik epi li adrese plizyè gwo limitasyon ki asosye kounye a ak enprime AM/3D aparèy sa yo, tankou: (i) simonte pwoblèm yo rapòte ki gen rapò ak pwosesis alyaj kwiv oswa aliminyòm (ii) amelyorasyon rezolisyon kanal entèn konpare ak teknik fizyon kabann poud (PBF) tankou fizyon lazè selektif (SLM)25,69 Pòv koule materyèl ak teksti sifas ki graj26 (iii) Rediksyon tanperati pwosesis, ki fasilite lyezon dirèk detèktè yo, ki pa posib nan teknoloji kabann poud, (v) simonte pòv pwopriyete mekanik ak sansiblite konpozan ki baze sou polymère a yon varyete solvang òganik komen17,19.
Yo te demontre fonksyonalite reaktè a pa yon seri reyaksyon sikloadisyon alkin azid katalize pa kwiv anba kondisyon koule kontinyèl (Fig. 2). Reaktè kwiv enprime ak ultrasons ki detaye nan Figi 4 la te entegre ak yon sistèm koule komèsyal epi yo te itilize li pou sentetize azid bibliyotèk divès 1,2,3-triazol 1,4-disubstituted atravè reyaksyon kontwole tanperati asetilèn ak alkil gwoup alid an prezans klori sodyòm (Figi 3). Itilizasyon yon apwòch koule kontinyèl diminye enkyetid sekirite ki ka rive nan pwosesis pakèt, paske reyaksyon sa a pwodui entèmedyè azid trè reyaktif ak danjere [317], [318]. Okòmansman, yo te optimize reyaksyon an pou sikloadisyon fenilasetilèn ak iyodoetan (Scheme 1 - Sikloadisyon fenilasetilèn ak iyodoetan) (gade Figi 5).
(Anlè agòch) Dyagram konfigirasyon ki itilize pou enkòpore reaktè 3DP a nan sistèm koule a (anlè adwat) ki jwenn nan konplo optimize (anba) konplo sikloadisyon Huisgen 57 ant fenilasetilèn ak iyodoetan pou optimize epi ki montre to konvèsyon reyaksyon paramèt optimize yo.
Lè nou kontwole tan rezidans reyaktif yo nan pati katalitik reaktè a epi nou siveye tanperati reyaksyon an byen avèk yon sond tèrmokoupl entegre dirèkteman, nou ka optimize kondisyon reyaksyon yo byen vit e avèk presizyon avèk yon konsomasyon minimòm tan ak materyèl. Nou te byen vit detèmine ke pi gwo konvèsyon yo te jwenn lè nou te itilize yon tan rezidans 15 minit ak yon tanperati reyaksyon 150 °C. Nan graf koyefisyan lojisyèl MODDE a, nou ka wè ke ni tan rezidans ni tanperati reyaksyon yo konsidere kòm tèm modèl enpòtan. Lè nou fè optimize entegre a lè nou itilize tèm sa yo, nou jenere yon seri kondisyon reyaksyon ki fèt pou maksimize zòn pik pwodwi yo pandan n ap diminye zòn pik materyèl depa yo. Optimizasyon sa a te bay yon konvèsyon 53% nan pwodwi triazol la, ki te byen koresponn ak prediksyon modèl 54% la.
Baze sou literati ki montre ke oksid kwiv(I) (Cu2O) ka aji kòm yon espès katalitik efikas sou sifas kwiv zewo-valan nan reyaksyon sa yo, yo te envestige kapasite pou pre-okside sifas reaktè a anvan yo fè reyaksyon an nan koule70,71. Yo te fè reyaksyon ant fenilasetilèn ak iyodoetan ankò nan kondisyon optimal epi yo te konpare sede yo. Yo te obsève ke preparasyon sa a te lakòz yon ogmantasyon siyifikatif nan konvèsyon materyèl depa a, ki te kalkile a >99%. Sepandan, siveyans pa HPLC te montre ke konvèsyon sa a te siyifikativman redwi tan reyaksyon twò long lan jiska apeprè 90 minit, apre sa aktivite a te sanble estabilize epi rive nan yon "eta fiks". Obsèvasyon sa a sijere ke sous aktivite katalitik la jwenn nan oksid kwiv sifas la olye ke substra kwiv zewo-valan an. Metal Cu okside fasilman nan tanperati chanm pou fòme CuO ak Cu2O ki pa kouch oto-pwoteksyon. Sa elimine nesesite pou ajoute yon sous kwiv(II) oksilyè pou ko-konpozisyon71.