Շնորհակալություն Nature.com այցելելու համար:Ձեր օգտագործած բրաուզերի տարբերակը ունի սահմանափակ CSS աջակցություն:Լավագույն փորձի համար խորհուրդ ենք տալիս օգտագործել թարմացված դիտարկիչ (կամ անջատել Համատեղելիության ռեժիմը Internet Explorer-ում):Միևնույն ժամանակ, շարունակական աջակցությունն ապահովելու համար մենք կայքը կներկայացնենք առանց ոճերի և JavaScript-ի:
Կարուսել, որը ցույց է տալիս միաժամանակ երեք սլայդ:Օգտագործեք «Նախորդ» և «Հաջորդ» կոճակները՝ միաժամանակ երեք սլայդներով շարժվելու համար, կամ օգտագործեք վերջում գտնվող սլայդերի կոճակները՝ միաժամանակ երեք սլայդների միջով անցնելու համար:
Լրացուցիչ արտադրությունը փոխում է հետազոտողների և արդյունաբերողների նախագծման և արտադրության քիմիական սարքերը իրենց հատուկ կարիքները բավարարելու համար:Այս փաստաթղթում մենք զեկուցում ենք հոսքային ռեակտորի առաջին օրինակը, որը ձևավորվել է ուլտրաձայնային հավելումների արտադրության (UAM) լամինացիայի արդյունքում պինդ մետաղական թերթիկի ուղղակիորեն ինտեգրված կատալիտիկ մասերով և զգայական տարրերով:UAM տեխնոլոգիան ոչ միայն հաղթահարում է ներկայումս քիմիական ռեակտորների հավելումների արտադրության հետ կապված բազմաթիվ սահմանափակումներ, այլև մեծապես ընդլայնում է նման սարքերի հնարավորությունները:Մի շարք կենսաբանորեն կարևոր 1,4-դիփոխարինված 1,2,3-տրիազոլ միացություններ հաջողությամբ սինթեզվել և օպտիմիզացվել են Cu-ի միջնորդավորված 1,3 երկբևեռ Huisgen ցիկլոավելացման ռեակցիայի միջոցով՝ օգտագործելով UAM քիմիայի սարքը:Օգտագործելով UAM-ի և շարունակական հոսքի մշակման եզակի հատկությունները՝ սարքն ի վիճակի է կատալիզացնել ընթացիկ ռեակցիաները, ինչպես նաև իրական ժամանակի հետադարձ կապ ապահովել՝ ռեակցիաները վերահսկելու և օպտիմալացնելու համար:
Իր զգալի առավելությունների շնորհիվ հոսքային քիմիան կարևոր և աճող ոլորտ է ինչպես ակադեմիական, այնպես էլ արդյունաբերական միջավայրում՝ շնորհիվ քիմիական սինթեզի ընտրողականությունն ու արդյունավետությունը բարձրացնելու ունակության:Սա տարածվում է պարզ օրգանական մոլեկուլների ձևավորումից մինչև դեղագործական միացություններ2,3 և բնական արտադրանք4,5,6:Նուրբ քիմիական և դեղագործական արդյունաբերության ռեակցիաների ավելի քան 50%-ը կարող է օգուտ քաղել շարունակական հոսքից7:
Վերջին տարիներին նկատվում է խմբերի աճող միտում, որոնք ձգտում են փոխարինել ավանդական ապակյա արտադրանքը կամ հոսքային քիմիայի սարքավորումները հարմարվող քիմիական «ռեակտորներով»8:Այս մեթոդների կրկնվող դիզայնը, արագ արտադրությունը և եռաչափ (3D) հնարավորությունները օգտակար են նրանց համար, ովքեր ցանկանում են հարմարեցնել իրենց սարքերը որոշակի ռեակցիաների, սարքերի կամ պայմանների համար:Մինչ օրս այս աշխատանքը կենտրոնացած է գրեթե բացառապես պոլիմերային վրա հիմնված 3D տպագրության տեխնիկայի օգտագործման վրա, ինչպիսիք են ստերեոլիթոգրաֆիան (SL)9,10,11, Fused Deposition Modeling (FDM)8,12,13,14 և inkjet printing7,15:, 16. Նման սարքերի հուսալիության և քիմիական ռեակցիաների/վերլուծությունների լայն շրջանակ կատարելու ունակության բացակայությունը17, 18, 19, 20 հիմնական սահմանափակող գործոն է այս ոլորտում AM-ի ավելի լայն կիրառման համար17, 18, 19, 20:
Հոսքի քիմիայի աճող օգտագործման և AM-ի հետ կապված բարենպաստ հատկությունների պատճառով պետք է ավելի լավ տեխնիկաներ ուսումնասիրվեն, որոնք թույլ կտան օգտագործողներին արտադրել հոսքային ռեակցիայի անոթներ՝ բարելավված քիմիա և վերլուծական կարողություններով:Այս մեթոդները պետք է թույլ տան օգտվողներին ընտրել մի շարք բարձր ամրության կամ ֆունկցիոնալ նյութերից, որոնք կարող են գործել ռեակցիայի լայն շրջանակի պայմաններում, ինչպես նաև հեշտացնել սարքից վերլուծական արդյունքի տարբեր ձևերը՝ հնարավոր դարձնելու ռեակցիայի մոնիտորինգը և վերահսկումը:
Հավելումների արտադրության գործընթացներից մեկը, որը կարող է օգտագործվել հատուկ քիմիական ռեակտորներ մշակելու համար, Ուլտրաձայնային հավելումների արտադրությունն է (UAM):Այս պինդ վիճակի թիթեղների շերտավորման մեթոդը կիրառում է ուլտրաձայնային թրթռումներ բարակ մետաղական փայլաթիթեղների վրա՝ դրանք միացնելու համար շերտ առ շերտ՝ նվազագույն ծավալային ջեռուցմամբ և պլաստիկ հոսքի բարձր աստիճանով 21, 22, 23: կապակցված նյութի շերտի ցանցի ձևը 24, 25: Սա նշանակում է, որ օգտագործողը չի սահմանափակվում փոքր հեղուկ ալիքներից մնացորդային սկզբնական շինանյութի հեռացման հետ կապված խնդիրներով, ինչը հաճախ պատահում է փոշի և հեղուկ համակարգերում AM26,27,28:Դիզայնի այս ազատությունը տարածվում է նաև հասանելի նյութերի ընտրության վրա. UAM-ը կարող է կապել ջերմային առումով նման և տարբեր նյութերի համակցությունները մեկ գործընթացի քայլով:Հալման գործընթացից դուրս նյութերի համակցությունների ընտրությունը նշանակում է, որ կոնկրետ կիրառությունների մեխանիկական և քիմիական պահանջները կարող են ավելի լավ բավարարվել:Ի հավելումն պինդ կապի, մեկ այլ երևույթ, որը տեղի է ունենում ուլտրաձայնային կապի դեպքում, պլաստիկ նյութերի բարձր հեղուկությունն է համեմատաբար ցածր ջերմաստիճաններում29,30,31,32,33:UAM-ի այս եզակի առանձնահատկությունը թույլ է տալիս առանց վնասելու մեխանիկական/ջերմային տարրեր տեղադրել մետաղական շերտերի միջև:Ներկառուցված UAM սենսորները կարող են հեշտացնել իրական ժամանակի տեղեկատվության առաքումը սարքից օգտվողին ինտեգրված վերլուծության միջոցով:
Հեղինակների նախորդ աշխատանքը32 ցույց տվեց UAM գործընթացի կարողությունը՝ ստեղծելու մետաղական 3D միկրոհեղուկ կառուցվածքներ՝ ներկառուցված զգայական հնարավորություններով:Այս սարքը նախատեսված է միայն մոնիտորինգի նպատակների համար:Այս հոդվածը ներկայացնում է UAM-ի կողմից արտադրված միկրոհեղուկ քիմիական ռեակտորի առաջին օրինակը, ակտիվ սարք, որը ոչ միայն վերահսկում է, այլև հրահրում է քիմիական սինթեզ կառուցվածքային ինտեգրված կատալիտիկ նյութերի հետ:Սարքը միավորում է UAM տեխնոլոգիայի հետ կապված մի քանի առավելություններ 3D քիմիական սարքերի արտադրության մեջ, ինչպիսիք են.բարձր ջերմային հաղորդունակության և կատալիտիկ նյութերի, ինչպես նաև ջերմային սենսորների, որոնք տեղադրված են անմիջապես ռեակտիվ հոսքերի միջև՝ ռեակցիայի ջերմաստիճանը ճշգրիտ վերահսկելու և կառավարելու համար բազմաբնույթ նյութի արտադրություն:Ռեակտորի ֆունկցիոնալությունը ցուցադրելու համար դեղագործական նշանակություն ունեցող 1,4-դիփոխարինված 1,2,3-տրիազոլ միացությունների գրադարանը սինթեզվել է պղնձով կատալիզացված 1,3-դիբևեռ Հյուիսգենի ցիկլոդիցիայի միջոցով:Այս աշխատանքը ընդգծում է, թե ինչպես է նյութերի գիտության օգտագործումը և համակարգչային օժանդակ դիզայնը կարող են նոր հնարավորություններ և հնարավորություններ բացել քիմիայի համար միջդիսցիպլինար հետազոտությունների միջոցով:
Բոլոր լուծիչները և ռեակտիվները գնվել են Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI կամ Fischer Scientific ընկերություններից և օգտագործվել առանց նախնական մաքրման:1H և 13C NMR սպեկտրները, որոնք գրանցված են համապատասխանաբար 400 և 100 ՄՀց հաճախականությամբ, ստացվել են JEOL ECS-400 400 ՄՀց սպեկտրոմետրի կամ Bruker Avance II 400 ՄՀց սպեկտրոմետրի վրա՝ որպես լուծիչ CDCl3 կամ (CD3)2SO:Բոլոր ռեակցիաները կատարվել են Uniqsis FlowSyn հոսքի քիմիայի հարթակի միջոցով:
UAM-ն օգտագործվել է այս հետազոտության բոլոր սարքերը պատրաստելու համար:Տեխնոլոգիան հայտնագործվել է 1999 թվականին, և դրա տեխնիկական մանրամասները, գործառնական պարամետրերը և դրա գյուտից ի վեր զարգացումները կարելի է ուսումնասիրել՝ օգտագործելով հետևյալ հրապարակված նյութերը34,35,36,37:Սարքը (նկ. 1) ներդրվել է 9 կՎտ հզորությամբ SonicLayer 4000® UAM համակարգի միջոցով (Fabrisonic, Օհայո, ԱՄՆ):Հոսքային սարքի համար ընտրված նյութերն էին Cu-110 և Al 6061: Cu-110-ն ունի բարձր պղնձի պարունակություն (նվազագույնը 99,9% պղինձ), ինչը այն դարձնում է լավ թեկնածու պղնձի կատալիզացված ռեակցիաների համար և, հետևաբար, օգտագործվում է որպես «ակտիվ շերտ միկրոռեակտորի ներսում:Al 6061 O-ն օգտագործվում է որպես «զանգվածային» նյութ:, ինչպես նաև վերլուծության համար օգտագործվող ինտերկալացիոն շերտը.օժանդակ համաձուլվածքի բաղադրիչների և հալված վիճակի զուգակցում Cu-110 շերտի հետ:պարզվել է, որ քիմիապես կայուն է այս աշխատանքում օգտագործվող ռեագենտների հետ:Al 6061 O-ը Cu-110-ի հետ համատեղ համարվում է նաև համատեղելի նյութերի համակցություն UAM-ի համար և, հետևաբար, հարմար նյութ է այս ուսումնասիրության համար38,42:Այս սարքերը թվարկված են ստորև՝ Աղյուսակ 1-ում:
Ռեակտորի պատրաստման քայլեր (1) 6061 ալյումինե խառնուրդի ենթաշերտ (2) Ստորին ալիքի պատրաստում պղնձե փայլաթիթեղից (3) Ջերմազույգերի տեղադրում շերտերի միջև (4) վերին ալիք (5) մուտք և ելք (6) մոնոլիտ ռեակտոր.
Հեղուկի ալիքի նախագծման փիլիսոփայությունն է՝ օգտագործել ոլորապտույտ ճանապարհ՝ չիպի ներսում հեղուկի անցած տարածությունը մեծացնելու համար՝ պահպանելով չիպի կառավարելի չափը:Հեռավորության այս աճը ցանկալի է կատալիզատոր-ռեակտիվ շփման ժամանակը մեծացնելու և արտադրանքի գերազանց ելք ապահովելու համար:Չիպերն օգտագործում են 90° թեքություններ ուղիղ ճանապարհի ծայրերում՝ սարքի ներսում տուրբուլենտ խառնում հրահրելու և հեղուկի շփման ժամանակը մակերեսի (կատալիզատորի) հետ մեծացնելու համար:Շարունակվող խառնուրդն ավելի ուժեղացնելու համար ռեակտորի դիզայնը ներառում է երկու ռեակտիվ մուտքեր, որոնք միավորված են Y-միացման մեջ, նախքան խառնիչ կծիկի բաժին մտնելը:Երրորդ մուտքը, որն անցնում է հոսքը իր նստավայրի կեսով, ներառված է ապագա բազմաստիճան սինթեզի ռեակցիաների պլանում:
Բոլոր ալիքներն ունեն քառակուսի պրոֆիլ (առանց կոնի անկյունների), որը պարբերական CNC ֆրեզման արդյունք է, որն օգտագործվում է ալիքի երկրաչափությունը ստեղծելու համար:Կապուղու չափերը ընտրված են բարձր (միկրոռեակտորի համար) ծավալային ելք ապահովելու համար, բայց բավական փոքր, որպեսզի հեշտացնեն փոխազդեցությունը մակերեսի (կատալիզատորների) հետ այն հեղուկների մեծ մասի համար:Համապատասխան չափը հիմնված է մետաղ-հեղուկ ռեակցիայի սարքերի հեղինակների անցյալի փորձի վրա:Վերջնական ալիքի ներքին չափերը 750 մկմ x 750 մկմ էին, իսկ ռեակտորի ընդհանուր ծավալը 1 մլ էր:Ներկառուցված միակցիչ (1/4″-28 UNF թել) ներառված է դիզայնում, որը թույլ է տալիս սարքի հեշտ փոխհարաբերությունները առևտրային հոսքի քիմիական սարքավորումների հետ:Ալիքի չափը սահմանափակվում է փայլաթիթեղի նյութի հաստությամբ, մեխանիկական հատկություններով և ուլտրաձայնային սարքերով օգտագործվող կապող պարամետրերով:Տվյալ նյութի համար որոշակի լայնությամբ նյութը «կխկվի» ստեղծված ալիքի մեջ:Ներկայումս այս հաշվարկի համար հատուկ մոդել չկա, ուստի տվյալ նյութի և դիզայնի համար ալիքի առավելագույն լայնությունը որոշվում է փորձարարական եղանակով, որի դեպքում 750 մկմ լայնությունը չի առաջացնի թուլացում:
Ալիքի ձևը (քառակուսին) որոշվում է քառակուսի կտրիչի միջոցով:Ալիքների ձևը և չափը կարող են փոխվել CNC մեքենաների վրա՝ օգտագործելով տարբեր կտրող գործիքներ՝ տարբեր հոսքի արագություն և բնութագրեր ստանալու համար:125 մկմ գործիքով կոր ալիք ստեղծելու օրինակ կարելի է գտնել Մոնաղանում45:Երբ փայլաթիթեղի շերտը կիրառվում է հարթ, փայլաթիթեղի նյութի կիրառումը ալիքների վրա կունենա հարթ (քառակուսի) մակերես:Այս աշխատանքում օգտագործվել է քառակուսի ուրվագիծ՝ կապուղու համաչափությունը պահպանելու համար։
Արտադրության ծրագրավորված դադարի ժամանակ ջերմակույտի ջերմաստիճանի տվիչները (տիպ K) տեղադրվում են անմիջապես սարքի մեջ վերին և ստորին ալիքների խմբերի միջև (նկ. 1 – փուլ 3):Այս ջերմազույգները կարող են կառավարել ջերմաստիճանի փոփոխությունները -200-ից մինչև 1350 °C:
Մետաղների նստեցման գործընթացն իրականացվում է UAM շչակի միջոցով՝ օգտագործելով 25,4 մմ լայնությամբ և 150 մկմ հաստությամբ մետաղական փայլաթիթեղ:Փայլաթիթեղի այս շերտերը միացված են մի շարք հարակից շերտերով, որպեսզի ծածկեն ամբողջ շինարարական տարածքը;պահված նյութի չափը ավելի մեծ է, քան վերջնական արդյունքը, քանի որ հանման գործընթացը ստեղծում է վերջնական մաքուր ձևը:CNC մշակումն օգտագործվում է սարքավորման արտաքին և ներքին ուրվագծերը մշակելու համար, ինչը հանգեցնում է սարքավորումների և ալիքների մակերեսի ավարտին, որը համապատասխանում է ընտրված գործիքին և CNC գործընթացի պարամետրերին (այս օրինակում՝ մոտ 1,6 մկմ Ra):Շարունակական, շարունակական ուլտրաձայնային նյութերի ցողման և մշակման ցիկլերը օգտագործվում են սարքի արտադրության ողջ ընթացքում՝ ապահովելու չափերի ճշգրտությունը, և պատրաստի մասը համապատասխանում է CNC նուրբ ֆրեզերային ճշգրտության մակարդակներին:Այս սարքի համար օգտագործվող ալիքի լայնությունը բավական փոքր է՝ ապահովելու համար, որ փայլաթիթեղի նյութը «չկռվի» հեղուկ ալիքում, ուստի ալիքն ունի քառակուսի խաչմերուկ:Փայլաթիթեղի նյութի հնարավոր բացերը և UAM գործընթացի պարամետրերը փորձնականորեն որոշվել են արտադրող գործընկերոջ կողմից (Fabrisonic ՍՊԸ, ԱՄՆ):
Ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ UAM միացության 46, 47 միջերեսում առկա է տարրերի քիչ տարածում առանց լրացուցիչ ջերմային մշակման, ուստի այս աշխատանքի սարքերի համար Cu-110 շերտը մնում է տարբերվում Al 6061 շերտից և կտրուկ փոխվում:
Տեղադրեք նախապես տրամաչափված հետևի ճնշման կարգավորիչ (BPR) 250 psi (1724 կՊա) ռեակտորից ներքև և ջուր մղեք ռեակտորի միջով 0,1-ից մինչև 1 մլ րոպե-1 արագությամբ:Ռեակտորի ճնշումը մշտադիտարկվել է համակարգում ներկառուցված FlowSyn ճնշման փոխարկիչի միջոցով՝ ապահովելու համար, որ համակարգը կարող է պահպանել կայուն կայուն ճնշում:Հոսքի ռեակտորում պոտենցիալ ջերմաստիճանի գրադիենտները փորձարկվել են՝ փնտրելով որևէ տարբերություն ռեակտորում ներկառուցված ջերմազույգերի և FlowSyn չիպի ջեռուցման ափսեի մեջ ներկառուցված ջերմազույգերի միջև:Սա ձեռք է բերվում ծրագրավորված տաքացուցիչի ջերմաստիճանը 100-ից 150 °C-ի միջև փոխելով 25 °C աստիճանով և վերահսկելով ծրագրավորված և գրանցված ջերմաստիճանների միջև եղած տարբերությունները:Սա ձեռք է բերվել tc-08 տվյալների լոգերի (PicoTech, Cambridge, UK) և ուղեկցող PicoLog ծրագրաշարի միջոցով:
Օպտիմալացված են ֆենիլացետիլենի և յոդոեթանի ցիկլային հավելման ռեակցիայի պայմանները (սխեմա 1-Ֆենիլացետիլենի և յոդոեթանի ցիկլոդացում, սխեմա 1-ֆենիլացետիլենի և յոդոէթանի ցիկլոդիցիան):Այս օպտիմիզացումն իրականացվել է փորձերի լրիվ գործոնային նախագծման (DOE) մոտեցման միջոցով՝ օգտագործելով ջերմաստիճանը և բնակության ժամանակը որպես փոփոխականներ՝ ֆիքսելով ալկին:ազիդ հարաբերակցությունը 1:2:
Պատրաստվել են նատրիումի ազիդի (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), յոդոեթանի (0,25 M, DMF) և ֆենիլացետիլենի (0,125 M, DMF) առանձին լուծույթներ:Յուրաքանչյուր լուծույթի 1,5 մլ մասնաբաժինը խառնվեց և մղվեց ռեակտորի միջով ցանկալի հոսքի արագությամբ և ջերմաստիճանով:Մոդելի պատասխանը վերցվել է որպես տրիազոլի արտադրանքի գագաթնակետային տարածքի հարաբերակցությունը ֆենիլացետիլենի սկզբնական նյութին և որոշվել է բարձր արդյունավետության հեղուկ քրոմատոգրաֆիայի (HPLC) միջոցով:Վերլուծության հետևողականության համար բոլոր ռեակցիաները վերցվել են ռեակցիայի խառնուրդի ռեակտորից դուրս գալուց անմիջապես հետո:Օպտիմալացման համար ընտրված պարամետրերի միջակայքերը ներկայացված են Աղյուսակ 2-ում:
Բոլոր նմուշները վերլուծվել են Chromaster HPLC համակարգի միջոցով (VWR, PA, USA), որը բաղկացած է չորրորդական պոմպից, սյունակային վառարանից, փոփոխական ալիքի երկարության ուլտրամանուշակագույն դետեկտորից և ավտոմատ նմուշառիչից:Սյունակը եղել է Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA), 4,6 x 100 մմ, 5 մկմ մասնիկի չափս, պահպանված 40°C-ում:Լուծիչը եղել է իզոկրատ մեթանոլ:ջուր 50:50 1,5 մլ·րր-1 հոսքի արագությամբ:Ներարկման ծավալը 5 մկլ էր, իսկ դետեկտորի ալիքի երկարությունը՝ 254 նմ:DOE նմուշի գագաթնակետային տարածքը հաշվարկվել է միայն մնացորդային ալկինի և տրիազոլի արտադրանքի գագաթնակետային տարածքներից:Ելակետային նյութի ներմուծումը հնարավորություն է տալիս բացահայտել համապատասխան գագաթները։
Համատեղելով ռեակտորի վերլուծության արդյունքները MODDE DOE ծրագրային ապահովման հետ (Umetrics, Malmö, Շվեդիա) թույլ է տվել արդյունքների մանրակրկիտ վերլուծել տենդենցը և որոշել այս ցիկլային ավելացման օպտիմալ ռեակցիայի պայմանները:Ներկառուցված օպտիմիզատորի գործարկումը և մոդելի բոլոր կարևոր տերմինների ընտրությունը ստեղծում են ռեակցիայի պայմանների մի շարք, որոնք նախատեսված են արտադրանքի գագաթնակետային տարածքը առավելագույնի հասցնելու համար՝ միաժամանակ նվազեցնելով ացետիլենային հումքի պիկ տարածքը:
Պղնձի մակերեսի օքսիդացումը կատալիտիկ ռեակցիայի խցիկում ձեռք է բերվել ջրածնի պերօքսիդի լուծույթի միջոցով (36%), որը հոսում է ռեակցիայի պալատի միջով (հոսքի արագություն = 0,4 մլ րոպե-1, բնակության ժամանակը = 2,5 րոպե) մինչև յուրաքանչյուր տրիազոլային միացության սինթեզը:գրադարան։
Պայմանների օպտիմալ փաթեթը որոշվելուց հետո դրանք կիրառվեցին մի շարք ացետիլենի և հալոալկանի ածանցյալների վրա՝ թույլ տալու համար ստեղծել սինթեզի փոքր գրադարան՝ դրանով իսկ հաստատելով այդ պայմանները կիրառելու հնարավորությունը պոտենցիալ ռեակտիվների ավելի լայն շրջանակի վրա (նկ. 1):2).
Պատրաստել նատրիումի ազիդի (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), հալոալկանների (0,25 M, DMF) և ալկինների (0,125 M, DMF) առանձին լուծույթներ:Յուրաքանչյուր լուծույթի 3 մլ մասերը խառնվեցին և մղվեցին ռեակտորի միջով 75 մկլ/րոպե արագությամբ և 150°C ջերմաստիճանով:Ամբողջ ծավալը հավաքվել է սրվակի մեջ և նոսրացվել 10 մլ էթիլացետատով:Նմուշի լուծույթը լվացվել է 3 x 10 մլ ջրով:Ջրային շերտերը միացվեցին և արդյունահանվեցին 10 մլ էթիլացետատով, այնուհետև օրգանական շերտերը միացվեցին, լվացվեցին 3×10 մլ աղաջրով, չորացրին MgSO 4-ի վրա և զտեցին, ապա լուծիչը հեռացվեց վակուո պայմաններում:Նմուշները մաքրվել են սիլիկա գելի սյունակի քրոմատագրմամբ՝ օգտագործելով էթիլացետատ, նախքան վերլուծությունը HPLC, 1H NMR, 13C NMR և բարձր լուծաչափով զանգվածային սպեկտրոմետրիայի (HR-MS) համակցությամբ:
Բոլոր սպեկտրները ստացվել են օգտագործելով Thermofischer Precision Orbitrap զանգվածային սպեկտրոմետրը ESI-ով որպես իոնացման աղբյուր:Բոլոր նմուշները պատրաստվել են ացետոնիտրիլով որպես լուծիչ:
TLC վերլուծությունը իրականացվել է ալյումինե սուբստրատով սիլիցիումի թիթեղների վրա:Թիթեղները տեսանելի են եղել ուլտրամանուշակագույն լույսի (254 նմ) կամ վանիլինի ներկման և տաքացման միջոցով:
Բոլոր նմուշները վերլուծվել են VWR Chromaster համակարգի միջոցով (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, Միացյալ Թագավորություն), որը հագեցած է ավտոմատ նմուշառիչով, երկուական պոմպով սյունակով վառարանով և մեկ ալիքի երկարության դետեկտորով:Օգտագործվել է ACE Equivalence 5 C18 սյունակ (150 x 4,6 մմ, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Scotland):
Ներարկումները (5 մկլ) արվել են անմիջապես նոսրացված չմշակված ռեակցիայի խառնուրդից (1:10 նոսրացում) և վերլուծվել ջրով:մեթանոլով (50:50 կամ 70:30), բացառությամբ որոշ նմուշների՝ օգտագործելով 70:30 լուծողական համակարգ (նշված է որպես աստղային թիվ) 1,5 մլ/րոպե հոսքի արագությամբ:Սյունակը պահվել է 40°C ջերմաստիճանում:Դետեկտորի ալիքի երկարությունը 254 նմ է։
Նմուշի գագաթնակետային տարածքի % հաշվարկվել է մնացորդային ալկինի, միայն տրիազոլի արտադրանքի գագաթնակետային տարածքից, և սկզբնական նյութի ներմուծումը հնարավորություն է տվել բացահայտել համապատասխան գագաթները:
Բոլոր նմուշները վերլուծվել են Thermo iCAP 6000 ICP-OES-ի միջոցով:Բոլոր չափաբերման ստանդարտները պատրաստվել են՝ օգտագործելով 1000 ppm Cu ստանդարտ լուծույթ՝ 2% ազոտաթթվի մեջ (SPEX Certi Prep):Բոլոր ստանդարտները պատրաստվել են 5% DMF և 2% HNO3 լուծույթում, և բոլոր նմուշները 20 անգամ նոսրացվել են DMF-HNO3 նմուշային լուծույթով:
UAM-ը օգտագործում է ուլտրաձայնային մետաղի եռակցումը որպես մետաղական փայլաթիթեղի միացման մեթոդ, որն օգտագործվում է վերջնական հավաքույթ ստեղծելու համար:Ուլտրաձայնային մետաղի եռակցման համար օգտագործվում է թրթռացող մետաղական գործիք (կոչվում է եղջյուր կամ ուլտրաձայնային շչակ), որպեսզի ճնշում գործադրի փայլաթիթեղի/նախկինում համախմբված շերտի վրա, որը պետք է կապվի/նախկինում ամրացվի նյութը թրթռալով:Շարունակական շահագործման համար sonotrode-ն ունի գլանաձև ձև և գլորվում է նյութի մակերեսի վրա՝ սոսնձելով ամբողջ տարածքը:Երբ ճնշումը և թրթռումը կիրառվում են, նյութի մակերեսի օքսիդները կարող են ճաքել:Մշտական ​​ճնշումը և թրթռումը կարող են հանգեցնել նյութի կոշտության ոչնչացմանը 36:Սերտ շփումը տեղայնացված ջերմության և ճնշման հետ, այնուհետև հանգեցնում է պինդ ֆազային կապի նյութի միջերեսներում.այն կարող է նաև խթանել համախմբվածությունը՝ փոխելով մակերեսային էներգիան48:Կապակցման մեխանիզմի բնույթը հաղթահարում է հալման փոփոխական ջերմաստիճանի և բարձր ջերմաստիճանի ազդեցության հետ կապված բազմաթիվ խնդիրներ, որոնք նշված են հավելումների արտադրության այլ տեխնոլոգիաներում:Սա թույլ է տալիս ուղղակիորեն միացնել տարբեր նյութերի մի քանի շերտերի (այսինքն՝ առանց մակերեսի փոփոխության, լցոնիչների կամ սոսինձների) մեկ միասնական կառուցվածքի մեջ:
CAM-ի համար երկրորդ բարենպաստ գործոնը մետաղական նյութերում նկատվող պլաստիկ հոսքի բարձր աստիճանն է նույնիսկ ցածր ջերմաստիճաններում, այսինքն՝ մետաղական նյութերի հալման կետից շատ ցածր:Ուլտրաձայնային թրթռումների և ճնշման համադրությունը առաջացնում է հացահատիկի տեղական սահմանի միգրացիայի և վերաբյուրեղացման բարձր մակարդակ՝ առանց ջերմաստիճանի զգալի բարձրացման, որը ավանդաբար կապված է զանգվածային նյութերի հետ:Վերջնական հավաքույթի ստեղծման ժամանակ այս երևույթը կարող է օգտագործվել ակտիվ և պասիվ բաղադրիչները մետաղական փայլաթիթեղի շերտերի միջև շերտ առ շերտ տեղադրելու համար:Այնպիսի տարրեր, ինչպիսիք են օպտիկական մանրաթել 49-ը, ամրապնդումը 46, էլեկտրոնիկան 50-ը և ջերմազույգերը (այս աշխատանքը) հաջողությամբ ինտեգրվել են UAM կառույցներում՝ ստեղծելու ակտիվ և պասիվ կոմպոզիտային հավաքներ:
Այս աշխատանքում օգտագործվել են ինչպես նյութերի կապման տարբեր հնարավորություններ, այնպես էլ UAM-ի ինտերկալացիայի հնարավորությունները՝ կատալիտիկ ջերմաստիճանի վերահսկման համար իդեալական միկրոռեակտոր ստեղծելու համար:
Պալադիումի (Pd) և այլ սովորաբար օգտագործվող մետաղական կատալիզատորների համեմատ՝ Cu-ի կատալիզը մի քանի առավելություն ունի. ) Cu-կատալիզացված ռեակցիաները լավ են աշխատում այլ լիգանդների բացակայության դեպքում:Այս լիգանդները հաճախ կառուցվածքային առումով պարզ են և էժան:ցանկության դեպքում, մինչդեռ Pd-ի քիմիայում օգտագործվողները հաճախ բարդ են, թանկարժեք և օդային զգայուն (iv) Cu, հատկապես հայտնի է սինթեզում ալկինները կապելու իր ունակությամբ, ինչպես օրինակ Sonogashira-ի բիմետալիկ կատալիզացված զուգավորումը և ցիկլային հավելումը ազիդների հետ (սեղմեք քիմիան):
Վերջերս ցուցադրվել են այս բոլոր ռեակցիաների հետերոգենացման օրինակներ Cu(0)-ի առկայության դեպքում։Սա մեծապես պայմանավորված է դեղագործական արդյունաբերությամբ և մետաղական կատալիզատորների վերականգնման և վերաօգտագործման վրա աճող կենտրոնացմամբ55,56:
1,3-երկբևեռ ցիկլոավելացման ռեակցիան ացետիլենի և ազիդի միջև 1,2,3-տրիազոլին, որն առաջին անգամ առաջարկվել է Հյուսգենի կողմից 1960-ականներին57, համարվում է սիներգիստական ​​ցուցադրական ռեակցիա:Ստացված 1,2,3 տրիազոլի բեկորները առանձնահատուկ հետաքրքրություն են ներկայացնում որպես դեղորայքի հայտնաբերման ֆարմակոֆոր՝ շնորհիվ իրենց կենսաբանական կիրառությունների և տարբեր թերապևտիկ միջոցների օգտագործման 58:
Այս արձագանքը նոր ուշադրություն դարձրեց, երբ Շարփլեսը և մյուսները ներկայացրեցին «սեղմեք քիմիա» հասկացությունը59:«Click chemistry» տերմինը օգտագործվում է նկարագրելու ռեակցիաների կայուն և ընտրովի շարք նոր միացությունների և կոմբինատոր գրադարանների արագ սինթեզի համար՝ օգտագործելով հետերոատոմային կապը (CXC)60:Այս ռեակցիաների սինթետիկ գրավչությունը պայմանավորված է դրանց հետ կապված բարձր եկամտաբերությամբ:պայմանները պարզ են, դիմադրողականությունը թթվածնի և ջրի նկատմամբ, իսկ արտադրանքի բաժանումը պարզ է61:
Դասական 1,3 դիպոլային Huisgen ցիկլային հավելումը չի մտնում «սեղմեք քիմիա» կատեգորիայի մեջ:Այնուամենայնիվ, Medal-ը և Sharpless-ը ցույց տվեցին, որ այս ազիդ-ալկինային միացման իրադարձությունը ենթարկվում է 107-108-ի Cu(I)-ի առկայության դեպքում՝ համեմատած 62,63 ոչ կատալիտիկ 1,3-երկբևեռ ցիկլային ավելացման արագության զգալի արագացման հետ:Այս առաջադեմ ռեակցիայի մեխանիզմը չի պահանջում պաշտպանիչ խմբեր կամ կոշտ ռեակցիայի պայմաններ և ապահովում է գրեթե ամբողջական փոխակերպում և ընտրողականություն 1,4-դիփոխարինված 1,2,3-տրիազոլներին (հակա-1,2,3-տրիազոլներին) ժամանակի ընթացքում (նկ. 3):
Պայմանական և պղնձով կատալիզացված Huisgen ցիկլոավելացումների իզոմետրիկ արդյունքները:Cu(I)-կատալիզացված Huisgen ցիկլոավելացումները տալիս են միայն 1,4-դիփոխարինված 1,2,3-տրիազոլներ, մինչդեռ ջերմային հրահրված Huisgen-ի ցիկլային հավելումները սովորաբար տալիս են 1,4- և 1,5-տրիազոլներին ազոլային ստերեոիզոմերների 1:1 խառնուրդ:
Արձանագրությունների մեծ մասը ներառում է Cu(II) կայուն աղբյուրների կրճատում, ինչպիսին է CuSO4-ի կամ Cu(II)/Cu(0) միացության կրճատումը նատրիումի աղերի հետ համատեղ:Համեմատած այլ մետաղների կատալիզացված ռեակցիաների հետ՝ Cu(I)-ի օգտագործումը ունի էժան և հեշտ կառավարելի լինելու հիմնական առավելությունները:
Կինետիկ և իզոտոպային ուսումնասիրություններ Worrell et al.65-ը ցույց է տվել, որ տերմինալ ալկինների դեպքում պղնձի երկու համարժեքներ ներգրավված են յուրաքանչյուր մոլեկուլի ռեակտիվության ակտիվացման մեջ ազիդի նկատմամբ։Առաջարկվող մեխանիզմն ընթանում է վեց անդամով պղնձե մետաղական օղակի միջոցով, որը ձևավորվել է ազիդից σ-կապակցված պղնձի ացետիլիդի հետ π- կապակցված պղնձի հետ՝ որպես կայուն դոնոր լիգանդի կոորդինացման արդյունքում:Պղնձի տրիազոլիլային ածանցյալները ձևավորվում են օղակի կծկման արդյունքում, որին հաջորդում է պրոտոնի քայքայումը՝ տրիազոլի արտադրանքները ձևավորելու և կատալիտիկ ցիկլը փակելու համար։
Թեև հոսքի քիմիայի սարքերի օգուտները լավ փաստագրված են, այնուամենայնիվ ցանկություն է առաջացել ինտեգրել վերլուծական գործիքներն այս համակարգերում իրական ժամանակում գործընթացի մոնիտորինգի համար in situ66,67:UAM-ն ապացուցել է, որ հարմար մեթոդ է շատ բարդ 3D հոսքային ռեակտորների նախագծման և արտադրության համար կատալիտիկորեն ակտիվ, ջերմահաղորդիչ նյութերից՝ ուղղակիորեն ներկառուցված զգայական տարրերով (նկ. 4):
Ալյումին-պղնձի հոսքային ռեակտոր՝ արտադրված ուլտրաձայնային հավելումների արտադրության կողմից (UAM)՝ բարդ ներքին կապուղու կառուցվածքով, ներկառուցված ջերմազույգներով և կատալիտիկ ռեակցիայի խցիկով:Ներքին հեղուկի ուղիները պատկերացնելու համար ցուցադրվում է նաև ստերեոլիթոգրաֆիայի միջոցով պատրաստված թափանցիկ նախատիպ:
Ապահովելու համար, որ ռեակտորները պատրաստված են ապագա օրգանական ռեակցիաների համար, լուծիչները պետք է ապահով տաքացվեն իրենց եռման կետից բարձր;դրանք ստուգվում են ճնշման և ջերմաստիճանի վրա:Ճնշման փորձարկումը ցույց է տվել, որ համակարգը պահպանում է կայուն և մշտական ​​ճնշում նույնիսկ համակարգում բարձր ճնշման դեպքում (1,7 ՄՊա):Հիդրոստատիկ փորձարկումներն իրականացվել են սենյակային ջերմաստիճանում՝ որպես հեղուկ օգտագործելով H2O:
Ներկառուցված (Նկար 1) ջերմազույգը ջերմաստիճանի տվյալների լոգերին միացնելը ցույց է տվել, որ ջերմազույգի ջերմաստիճանը 6 °C (± 1 °C) ցածր է FlowSyn համակարգում ծրագրված ջերմաստիճանից։Սովորաբար, 10°C ջերմաստիճանի բարձրացումը կրկնապատկում է ռեակցիայի արագությունը, ուստի ընդամենը մի քանի աստիճանի ջերմաստիճանի տարբերությունը կարող է զգալիորեն փոխել ռեակցիայի արագությունը:Այս տարբերությունը պայմանավորված է արտադրության գործընթացում օգտագործվող նյութերի բարձր ջերմային դիֆուզիոնով պայմանավորված ջերմաստիճանի կորստով ողջ RPV-ում:Այս ջերմային շեղումը հաստատուն է և, հետևաբար, կարող է հաշվի առնվել սարքավորումը կարգավորելիս՝ ապահովելու համար ռեակցիայի ընթացքում ճշգրիտ ջերմաստիճանի հասնելը և չափումը:Այսպիսով, այս առցանց մոնիտորինգի գործիքը հեշտացնում է ռեակցիայի ջերմաստիճանի խիստ վերահսկումը և նպաստում գործընթացի ավելի ճշգրիտ օպտիմալացմանը և օպտիմալ պայմանների զարգացմանը:Այս սենսորները կարող են օգտագործվել նաև էկզոթերմիկ ռեակցիաները հայտնաբերելու և լայնածավալ համակարգերում անհետացող ռեակցիաները կանխելու համար:
Այս աշխատությունում ներկայացված ռեակտորը UAM տեխնոլոգիայի կիրառման առաջին օրինակն է քիմիական ռեակտորների արտադրության մեջ և անդրադառնում է մի քանի հիմնական սահմանափակումներին, որոնք ներկայումս կապված են այս սարքերի AM/3D տպագրության հետ, ինչպիսիք են՝ (i) Պղնձի կամ ալյումինի համաձուլվածքի մշակման հետ կապված նշված խնդիրների հաղթահարումը (ii) բարելավված ներքին ալիքի լուծումը, ինչպիսիք են փոշու հալեցման մեթոդները (PBSLM) և կոպիտ մակերևույթի հյուսվածք26 (iii) մշակման ավելի ցածր ջերմաստիճան, որը հեշտացնում է սենսորների ուղղակի միացումը, ինչը հնարավոր չէ փոշու շերտի տեխնոլոգիայում, (v) պոլիմերային բաղադրիչների վատ մեխանիկական հատկությունները և տարբեր սովորական օրգանական լուծիչների նկատմամբ զգայունության հաղթահարումը17,19:
Ռեակտորի ֆունկցիոնալությունը ցուցադրվել է պղնձի միջոցով կատալիզացված ալկինազիդային ցիկլոավելացման ռեակցիաների միջոցով անընդհատ հոսքի պայմաններում (նկ. 2):Ուլտրաձայնային տպագրված պղնձի ռեակտորը, որը ներկայացված է նկ.4-ը ինտեգրվել է առևտրային հոսքային համակարգին և օգտագործվել տարբեր 1,4-դիփոխարինված 1,2,3-տրիազոլների ազիդային գրադարան սինթեզելու համար՝ օգտագործելով ացետիլենի և ալկիլ խմբի հալոգենիդների ջերմաստիճանի վերահսկվող ռեակցիան նատրիումի քլորիդի առկայության դեպքում (նկ. 3):Շարունակական հոսքի մոտեցման օգտագործումը նվազեցնում է անվտանգության խնդիրները, որոնք կարող են առաջանալ խմբաքանակի գործընթացներում, քանի որ այս ռեակցիան առաջացնում է խիստ ռեակտիվ և վտանգավոր ազիդային միջանկյալներ [317], [318]:Սկզբում ռեակցիան օպտիմիզացվել էր ֆենիլացետիլենի և յոդոեթանի ցիկլային ավելացման համար (սխեմա 1 – ֆենիլացետիլենի և յոդոեթանի ցիկլատումացիա) (տես նկ. 5):
(Վերին ձախ) Կարգավորման սխեման, որն օգտագործվում է 3DP ռեակտորը հոսքային համակարգում ներառելու համար (վերևի աջում), որը ստացվել է Huisgen 57 ցիկլոավելացման սխեմայի օպտիմալացված (ներքևի) սխեմայից՝ ֆենիլացետիլենի և յոդոեթանի միջև՝ օպտիմալացման և ռեակցիայի փոխակերպման արագության օպտիմալացված պարամետրերը ցուցադրելու համար:
Ռեակտորի կատալիտիկ հատվածում ռեակտիվների մնալու ժամանակը վերահսկելով և անմիջականորեն ինտեգրված ջերմազույգ սենսորով ռեակցիայի ջերմաստիճանը ուշադիր վերահսկելով՝ ռեակցիայի պայմանները կարող են արագ և ճշգրիտ օպտիմիզացվել՝ նվազագույն ժամանակով և նյութերով:Արագ պարզվեց, որ ամենաբարձր փոխակերպումը ձեռք է բերվել՝ օգտագործելով 15 րոպե բնակության ժամանակը և 150°C ռեակցիայի ջերմաստիճանը:MODDE ծրագրաշարի գործակիցների գծապատկերից երևում է, որ թե՛ բնակության ժամանակը, թե՛ ռեակցիայի ջերմաստիճանը համարվում են մոդելի կարևոր պայմաններ։Ներկառուցված օպտիմիզատորի գործարկումը՝ օգտագործելով այս ընտրված պայմանները, ստեղծում է ռեակցիայի մի շարք պայմաններ, որոնք նախատեսված են արտադրանքի գագաթնակետային տարածքները առավելագույնի հասցնելու համար՝ միաժամանակ նվազեցնելով սկզբնական նյութերի գագաթնակետային տարածքները:Այս օպտիմալացումը հանգեցրեց տրիազոլի արտադրանքի 53% փոխակերպմանը, որը ճիշտ համընկավ մոդելի 54% կանխատեսմանը: