Շնորհակալություն Nature.com կայք այցելելու համար: Ձեր օգտագործած դիտարկիչի տարբերակն ունի սահմանափակ CSS աջակցություն: Լավագույն փորձի համար խորհուրդ ենք տալիս օգտագործել թարմացված դիտարկիչ (կամ անջատել համատեղելիության ռեժիմը Internet Explorer-ում): Մինչդեռ, շարունակական աջակցությունն ապահովելու համար, մենք կայքը կցուցադրենք առանց ոճերի և JavaScript-ի:
Կարուսել, որը միաժամանակ ցուցադրում է երեք սլայդ: Օգտագործեք «Նախորդ» և «Հաջորդ» կոճակները՝ միաժամանակ երեք սլայդով անցնելու համար, կամ օգտագործեք վերջում գտնվող սահող կոճակները՝ միաժամանակ երեք սլայդով անցնելու համար:
Հավելյալ արտադրությունը փոխում է հետազոտողների և արդյունաբերողների կողմից քիմիական սարքերի նախագծման և արտադրության եղանակը՝ իրենց կոնկրետ կարիքները բավարարելու համար: Այս հոդվածում մենք ներկայացնում ենք հոսքային ռեակտորի առաջին օրինակը, որը ձևավորվել է ուլտրաձայնային հավելյալ արտադրության (UAM) միջոցով ամուր մետաղական թերթիկի՝ ուղղակիորեն ինտեգրված կատալիտիկ մասերով և զգայուն տարրերով, շերտավորմամբ: UAM տեխնոլոգիան ոչ միայն հաղթահարում է քիմիական ռեակտորների հավելյալ արտադրության հետ կապված բազմաթիվ սահմանափակումներ, այլև զգալիորեն ընդլայնում է նման սարքերի հնարավորությունները: Մի շարք կենսաբանորեն կարևոր 1,4-դիսբիստուցված 1,2,3-տրիազոլային միացություններ հաջողությամբ սինթեզվել և օպտիմալացվել են Cu-միջնորդավորված 1,3-դիպոլար Հյուսգենի ցիկլոադդիցիայի ռեակցիայի միջոցով՝ օգտագործելով UAM քիմիական կենտրոնը: UAM-ի եզակի հատկությունները և անընդհատ հոսքային մշակումը օգտագործելով՝ սարքը կարող է կատալիզացնել ընթացիկ ռեակցիաները, ինչպես նաև ապահովել իրական ժամանակի հետադարձ կապ՝ ռեակցիաները վերահսկելու և օպտիմալացնելու համար:
Իր զանգվածային տարբերակի նկատմամբ զգալի առավելությունների շնորհիվ, հոսքային քիմիան կարևոր և զարգացող ոլորտ է թե՛ ակադեմիական, թե՛ արդյունաբերական միջավայրերում՝ քիմիական սինթեզի ընտրողականությունն ու արդյունավետությունը բարձրացնելու իր ունակության շնորհիվ: Սա տարածվում է պարզ օրգանական մոլեկուլների1 առաջացումից մինչև դեղագործական միացություններ2,3 և բնական արտադրանք4,5,6: Նուրբ քիմիական և դեղագործական արդյունաբերություններում ռեակցիաների ավելի քան 50%-ը կարող է օգուտ քաղել անընդհատ հոսքից7:
Վերջին տարիներին նկատվում է խմբերի աճող միտում, որոնք ձգտում են փոխարինել ավանդական ապակե իրերը կամ հոսքային քիմիայի սարքավորումները հարմարվողական քիմիական «ռեակտորներով»8: Այս մեթոդների իտերատիվ նախագծումը, 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 գրեթե բացառապես կենտրոնացած է եղել պոլիմերային հիմքով 3D տպագրության տեխնիկայի օգտագործման վրա, ինչպիսիք են ստերեոլիթոգրաֆիան (SL)9,10,11, միաձուլված նստեցման մոդելավորումը (FDM)8,12,13,14 և թանաքային տպագրությունը7,15, 16: Նման սարքերի հուսալիության և քիմիական ռեակցիաների/վերլուծությունների լայն շրջանակ կատարելու ունակության17, 18, 19, 20 բացակայությունը հիմնական սահմանափակող գործոն է այս ոլորտում AM-ի ավելի լայն կիրառման համար17, 18, 19, 20:
Հոսքային քիմիայի աճող օգտագործման և հակադարձ ռեակցիայի (ԱՀ) հետ կապված դրական հատկությունների պատճառով անհրաժեշտ է ուսումնասիրել ավելի լավ մեթոդներ, որոնք թույլ կտան օգտագործողներին ստեղծել բարելավված քիմիական և վերլուծական հնարավորություններով հոսքային ռեակցիայի անոթներ: Այս մեթոդները պետք է թույլ տան օգտագործողներին ընտրել բարձր ամրության կամ ֆունկցիոնալ նյութերի շարքից, որոնք կարող են գործել ռեակցիայի լայն պայմաններում, ինչպես նաև կնպաստեն սարքից վերլուծական արդյունքի տարբեր ձևերի ստացմանը՝ ռեակցիայի մոնիթորինգն ու վերահսկումը հնարավոր դարձնելու համար:
Ավելորդ արտադրության գործընթացներից մեկը, որը կարող է օգտագործվել հատուկ քիմիական ռեակտորներ մշակելու համար, ուլտրաձայնային հավելյալ արտադրությունն է (UAM): Այս պինդ վիճակում թերթերի շերտավորման մեթոդը կիրառում է ուլտրաձայնային տատանումներ բարակ մետաղական փայլաթիթեղների վրա՝ դրանք շերտ առ շերտ կապելու համար՝ նվազագույն ծավալային տաքացմամբ և պլաստիկ հոսքի բարձր աստիճանով 21, 22, 23: Ի տարբերություն AM այլ տեխնոլոգիաների մեծ մասի, UAM-ը կարող է ուղղակիորեն ինտեգրվել սուտրացիոն արտադրության հետ, որը հայտնի է որպես հիբրիդային արտադրական գործընթաց, որի դեպքում պարբերական տեղում թվային կառավարման (CNC) ֆրեզավորումը կամ լազերային մշակումը որոշում է կապակցված նյութի շերտի զուտ ձևը 24, 25: Սա նշանակում է, որ օգտագործողը չի սահմանափակվում փոքր հեղուկային խողովակներից մնացորդային սկզբնական շինանյութի հեռացման հետ կապված խնդիրներով, ինչը հաճախ պատահում է փոշու և հեղուկ համակարգերում AM26,27,28: Այս նախագծային ազատությունը տարածվում է նաև առկա նյութերի ընտրության վրա. UAM-ը կարող է կապել ջերմային առումով նման և տարբեր նյութերի համադրություններ մեկ գործընթացային քայլում: Հալման գործընթացից այն կողմ նյութերի համադրությունների ընտրությունը նշանակում է, որ որոշակի կիրառությունների մեխանիկական և քիմիական պահանջները կարող են ավելի լավ բավարարվել: Բացի ամուր կապից, ուլտրաձայնային կապման հետ կապված մեկ այլ երևույթ է պլաստիկ նյութերի բարձր հոսունությունը համեմատաբար ցածր ջերմաստիճաններում29,30,31,32,33: UAM-ի այս եզակի առանձնահատկությունը թույլ է տալիս մեխանիկական/ջերմային տարրերը տեղադրել մետաղական շերտերի միջև՝ առանց վնասվելու: Ներկառուցված UAM սենսորները կարող են հեշտացնել սարքից օգտատիրոջը իրական ժամանակում տեղեկատվության փոխանցումը՝ ինտեգրված վերլուծության միջոցով:
Հեղինակների նախորդ աշխատանքները32 ցույց են տվել UAM գործընթացի կարողությունը՝ ստեղծելու մետաղական 3D միկրոհոսքային կառուցվածքներ՝ ներդրված զգայունության հնարավորություններով: Այս սարքը նախատեսված է միայն մոնիթորինգի նպատակներով: Այս հոդվածը ներկայացնում է UAM-ի կողմից արտադրված միկրոհոսքային քիմիական ռեակտորի առաջին օրինակը, որը ակտիվ սարք է, որը ոչ միայն վերահսկում է, այլև առաջացնում է քիմիական սինթեզ կառուցվածքային ինտեգրված կատալիտիկ նյութերի միջոցով: Սարքը համատեղում է UAM տեխնոլոգիայի հետ կապված մի քանի առավելություններ 3D քիմիական սարքերի արտադրության մեջ, ինչպիսիք են՝ ամբողջական 3D դիզայնը համակարգչային օժանդակ նախագծման (CAD) մոդելից անմիջապես արտադրանքի վերածելու ունակությունը, բարձր ջերմահաղորդականության և կատալիտիկ նյութերի համադրությամբ բազմանյութային արտադրությունը, ինչպես նաև ջերմային սենսորները, որոնք ներդրված են անմիջապես ռեակտիվ հոսքերի միջև՝ ռեակցիայի ջերմաստիճանի ճշգրիտ վերահսկման և կառավարման համար: Ռեակտորի ֆունկցիոնալությունը ցույց տալու համար, պղնձի կատալիզացված 1,3-դիպոլար Հյուսգենի ցիկլոհավելման միջոցով սինթեզվել է դեղագործական կարևոր 1,4-դիսուբստիտուցված 1,2,3-տրիազոլային միացությունների գրադարան: Այս աշխատանքը ընդգծում է, թե ինչպես նյութագիտության և համակարգչային նախագծման կիրառումը կարող է նոր հնարավորություններ և հնարավորություններ բացել քիմիայի համար՝ միջառարկայական հետազոտությունների միջոցով։
Բոլոր լուծիչներն ու ռեակտիվները ձեռք են բերվել Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI կամ Fischer Scientific ընկերություններից և օգտագործվել են առանց նախնական մաքրման: 1H և 13C NMR սպեկտրները, որոնք գրանցվել են համապատասխանաբար 400 և 100 ՄՀց հաճախականություններում, ստացվել են JEOL ECS-400 400 ՄՀց սպեկտրոմետրով կամ Bruker Avance II 400 ՄՀց սպեկտրոմետրով՝ որպես լուծիչ օգտագործելով CDCl3 կամ (CD3)2SO3: Բոլոր ռեակցիաները կատարվել են Uniqsis FlowSyn հոսքային քիմիայի հարթակի միջոցով:
Այս ուսումնասիրության մեջ ներառված բոլոր սարքերը պատրաստելու համար օգտագործվել է UAM: Տեխնոլոգիան հորինվել է 1999 թվականին, և դրա տեխնիկական մանրամասները, շահագործման պարամետրերը և գյուտից հետո զարգացումները կարող են ուսումնասիրվել հետևյալ հրապարակված նյութերի միջոցով34,35,36,37: Սարքը (Նկ. 1) ներդրվել է ծանր 9 կՎտ հզորությամբ SonicLayer 4000® UAM համակարգի միջոցով (Fabrisonic, Օհայո, ԱՄՆ): Հոսքային սարքի համար ընտրված նյութերն էին Cu-110-ը և Al 6061-ը: Cu-110-ը ունի պղնձի բարձր պարունակություն (նվազագույնը 99.9% պղինձ), ինչը այն դարձնում է պղնձի կատալիզացված ռեակցիաների լավ թեկնածու և, հետևաբար, օգտագործվում է որպես միկրոռեակտորի ներսում «ակտիվ շերտ»: Al 6061O-ն օգտագործվում է որպես «հիմնական» նյութ: , ինչպես նաև վերլուծության համար օգտագործվող ինտերկալացիոն շերտը, օժանդակ համաձուլվածքային բաղադրիչների ինտերկալացիան և թրծված վիճակը Cu-110 շերտի հետ համատեղ, քիմիապես կայուն են այս աշխատանքում օգտագործված ռեակտիվների հետ: Al 6061O-ն Cu-110-ի հետ համատեղ նույնպես համարվում է համատեղելի նյութերի համադրություն UAM-ի համար և, հետևաբար, հարմար նյութ է այս ուսումնասիրության համար38,42: Այս սարքերը ներկայացված են ստորև բերված աղյուսակ 1-ում:
Ռեակտորի պատրաստման քայլեր (1) 6061 ալյումինե համաձուլվածքի հիմք (2) Ստորին խողովակի պատրաստում պղնձե փայլաթիթեղից (3) Ջերմազույգերի տեղադրում շերտերի միջև (4) Վերին խողովակ (5) Մուտք և ելք (6) Մոնոլիտ ռեակտոր։
Հեղուկային խողովակի նախագծման փիլիսոփայությունն այն է, որ ոլորապտույտ ուղի օգտագործվի՝ չիպի ներսում հեղուկի անցած հեռավորությունը մեծացնելու համար՝ միաժամանակ պահպանելով չիպի կառավարելի չափը: Հեռավորության այս աճը ցանկալի է կատալիզատոր-ռեակտիվ նյութ շփման ժամանակը մեծացնելու և գերազանց արդյունք ապահովելու համար: Չիպսերը օգտագործում են 90° թեքություններ ուղիղ ուղու ծայրերում՝ սարքի ներսում տուրբուլենտ խառնում առաջացնելու44 և հեղուկի մակերեսի (կատալիզատորի) հետ շփման ժամանակը մեծացնելու համար: Հնարավոր խառնումը հետագայում բարելավելու համար ռեակտորի նախագծում ներառված են ռեակտիվ նյութի երկու մուտքեր, որոնք միացված են Y-աձև միացմամբ՝ խառնման կծիկի հատված մտնելուց առաջ: Երրորդ մուտքը, որը հատում է հոսքը իր բնակեցման կեսից, ներառված է ապագա բազմաստիճան սինթեզի ռեակցիաների ծրագրում:
Բոլոր ալիքներն ունեն քառակուսի պրոֆիլ (առանց կոնաձև անկյունների), որը ալիքի երկրաչափությունը ստեղծելու համար օգտագործվող պարբերական թվային կոնվեկտորային մշակման արդյունք է: Ալիքի չափերը ընտրվում են բարձր (միկրոռեակտորի համար) ծավալային ելք ապահովելու համար, բայց բավականաչափ փոքր՝ մակերեսի (կատալիզատորների) հետ փոխազդեցությունը հեշտացնելու համար դրա մեջ պարունակվող հեղուկների մեծ մասի համար: Համապատասխան չափը հիմնված է հեղինակների մետաղ-հեղուկ ռեակցիայի սարքերի հետ ունեցած նախկին փորձի վրա: Վերջնական ալիքի ներքին չափերը 750 մկմ x 750 մկմ էին, իսկ ռեակտորի ընդհանուր ծավալը՝ 1 մլ: Նախագծում ներառված է ներկառուցված միակցիչ (1/4″-28 UNF թել)՝ սարքը առևտրային հոսքաքիմիայի սարքավորումների հետ հեշտ միացնելու համար: Ալիքի չափը սահմանափակվում է փայլաթիթեղի նյութի հաստությամբ, դրա մեխանիկական հատկություններով և ուլտրաձայնային սարքերի հետ օգտագործվող կապման պարամետրերով: Տվյալ նյութի որոշակի լայնության դեպքում նյութը «կախվի» ստեղծված ալիքի մեջ: Այս հաշվարկի համար ներկայումս որևէ կոնկրետ մոդել չկա, ուստի տվյալ նյութի և դիզայնի համար առավելագույն ալիքի լայնությունը որոշվում է փորձարարական ճանապարհով, որի դեպքում 750 մկմ լայնությունը չի առաջացնի կախում։
Ջրանցքի ձևը (քառակուսի) որոշվում է քառակուսի կտրիչի միջոցով: Ջրանցքների ձևը և չափը կարող են փոխվել CNC մեքենաների վրա՝ օգտագործելով տարբեր կտրող գործիքներ՝ տարբեր հոսքի արագություններ և բնութագրեր ստանալու համար: 125 մկմ գործիքով կոր ջրանցք ստեղծելու օրինակ կարելի է գտնել Մոնագանում45: Երբ փայլաթիթեղի շերտը հարթ է քսվում, փայլաթիթեղի նյութի ջրանցքների վրա քսումը կունենա հարթ (քառակուսի) մակերես: Այս աշխատանքում քառակուսի ուրվագիծ է օգտագործվել ջրանցքի համաչափությունը պահպանելու համար:
Արտադրության ծրագրավորված դադարի ընթացքում ջերմազույգերի ջերմաստիճանի սենսորները (K տեսակ) անմիջապես ներկառուցվում են սարքի մեջ՝ վերին և ստորին ալիքային խմբերի միջև (Նկ. 1 – փուլ 3): Այս ջերմազույգերը կարող են կառավարել ջերմաստիճանի փոփոխությունները -200-ից մինչև 1350 °C:
Մետաղի նստեցման գործընթացը իրականացվում է UAM եղջյուրի միջոցով՝ օգտագործելով 25.4 մմ լայնությամբ և 150 միկրոն հաստությամբ մետաղական փայլաթիթեղ: Այս փայլաթիթեղի շերտերը միացված են հարակից շերտերի շարքով՝ ամբողջ կառուցման տարածքը ծածկելու համար. նստեցված նյութի չափը ավելի մեծ է, քան վերջնական արդյունքը, քանի որ հանման գործընթացը ստեղծում է վերջնական մաքուր ձևը: CNC մեքենայացումը օգտագործվում է սարքավորումների արտաքին և ներքին ուրվագծերը մեքենայացնելու համար, որի արդյունքում սարքավորումների և ալիքների մակերեսային մշակումը համապատասխանում է ընտրված գործիքին և CNC գործընթացի պարամետրերին (այս օրինակում՝ մոտ 1.6 միկրոն Ra): Սարքի արտադրական գործընթացի ընթացքում օգտագործվում են անընդհատ, անընդհատ ուլտրաձայնային նյութի ցողման և մեքենայացման ցիկլեր՝ ապահովելու համար չափերի ճշգրտության պահպանումը և պատրաստի մասի համապատասխանությունը CNC նուրբ ֆրեզավորման ճշգրտության մակարդակներին: Այս սարքի համար օգտագործվող ալիքի լայնությունը բավականաչափ փոքր է, որպեսզի փայլաթիթեղի նյութը չ«կախվի» հեղուկի ալիքում, ուստի ալիքն ունի քառակուսի լայնական հատույթ: Փայլաթիթեղի նյութի հնարավոր ճեղքերը և UAM գործընթացի պարամետրերը փորձարարականորեն որոշվել են արտադրող գործընկերոջ (Fabrisonic LLC, ԱՄՆ) կողմից:
Ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ UAM միացության 46, 47 միջերեսում տարրերի դիֆուզիան առանց լրացուցիչ ջերմային մշակման քիչ է, ուստի այս աշխատանքում օգտագործվող սարքերի համար Cu-110 շերտը մնում է տարբեր Al 6061 շերտից և կտրուկ փոխվում է։
Տեղադրեք նախապես կարգավորված հետադարձ ճնշման կարգավորիչ (BPR) ռեակտորից 250 psi (1724 կՊա) հոսանքն ի վար և ջուրը մղեք ռեակտորի միջով 0.1-ից մինչև 1 մլ/րոպե արագությամբ: Ռեակտորի ճնշումը վերահսկվել է համակարգում ներկառուցված FlowSyn ճնշման փոխարկիչի միջոցով՝ ապահովելու համար, որ համակարգը կարողանա պահպանել հաստատուն ճնշում: Հոսքային ռեակտորի պոտենցիալ ջերմաստիճանի գրադիենտները ստուգվել են՝ փնտրելով ռեակտորի մեջ ներկառուցված ջերմազույգերի և FlowSyn չիպի տաքացման թիթեղի մեջ ներկառուցված ջերմազույգերի միջև եղած տարբերությունները: Սա իրականացվում է ծրագրավորված տաքացման թիթեղի ջերմաստիճանը 100-ից 150 °C-ի միջև փոխելով՝ 25 °C աճով և վերահսկելով ծրագրավորված և գրանցված ջերմաստիճանների միջև եղած ցանկացած տարբերություն: Սա իրականացվել է tc-08 տվյալների գրանցիչի (PicoTech, Քեմբրիջ, Մեծ Բրիտանիա) և ուղեկցող PicoLog ծրագրի միջոցով:
Ֆենիլացետիլենի և յոդոէթանի ցիկլոադդիցիայի ռեակցիայի պայմանները օպտիմալացված են (Սխեմա 1 - Ֆենիլացետիլենի և յոդոէթանի ցիկլոադդիցիա, Սխեմա 1 - Ֆենիլացետիլենի և յոդոէթանի ցիկլոադդիցիա): Այս օպտիմալացումը կատարվել է փորձերի լրիվ ֆակտորային նախագծման (DOE) մոտեցմամբ՝ օգտագործելով ջերմաստիճանը և նստեցման ժամանակը որպես փոփոխականներ՝ ալկին:ազիդ հարաբերակցությունը ֆիքսելով 1:2-ի վրա:
Պատրաստվել են նատրիումի ազիդի (0.25 Մ, 4:1 DMF:H2O), յոդոէթանի (0.25 Մ, DMF) և ֆենիլացետիլենի (0.125 Մ, DMF) առանձին լուծույթներ: Յուրաքանչյուր լուծույթի 1.5 մլ ալիքվոտ խառնվել և մղվել է ռեակտորի միջով՝ ցանկալի հոսքի արագությամբ և ջերմաստիճանով: Մոդելի արձագանքը ընդունվել է որպես տրիազոլային արգասիքի գագաթնակետի մակերեսի և ֆենիլացետիլենի սկզբնական նյութի հարաբերակցություն և որոշվել է բարձր արդյունավետությամբ հեղուկ քրոմատոգրաֆիայի (HPLC) միջոցով: Վերլուծության հետևողականության համար բոլոր ռեակցիաները կատարվել են անմիջապես ռեակցիոն խառնուրդի ռեակտորից դուրս գալուց հետո: Օպտիմալացման համար ընտրված պարամետրերի միջակայքերը ներկայացված են աղյուսակ 2-ում:
Բոլոր նմուշները վերլուծվել են Chromaster HPLC համակարգի (VWR, PA, ԱՄՆ) միջոցով, որը բաղկացած է քառորդային պոմպից, սյունակային վառարանից, փոփոխական ալիքի երկարությամբ ուլտրամանուշակագույն դետեկտորից և ինքնանմուշառիչից: Սյունակը Equivalence 5 C18 (VWR, PA, ԱՄՆ) էր, 4.6 x 100 մմ, 5 մկմ մասնիկի չափսով, պահպանված 40°C ջերմաստիճանում: Լուծիչը իզոկրատիկ մեթանոլ:ջուր 50:50 հարաբերակցությամբ էր՝ 1.5 մլ·րոպե-1 հոսքի արագությամբ: Ներարկման ծավալը 5 մկլ էր, իսկ դետեկտորի ալիքի երկարությունը՝ 254 նմ: DOE նմուշի համար գագաթնակետային մակերեսի տոկոսը հաշվարկվել է միայն մնացորդային ալկինային և տրիազոլային արգասիքների գագաթնակետային մակերեսներից: Սկզբնական նյութի ներմուծումը հնարավորություն է տալիս նույնականացնել համապատասխան գագաթները:
Ռեակտորի վերլուծության արդյունքները MODDE DOE ծրագրի (Umetrics, Մալմյո, Շվեդիա) հետ համատեղելը հնարավորություն տվեց մանրակրկիտ վերլուծություն կատարել արդյունքների միտումների վերաբերյալ և որոշել այս ցիկլոավելացման համար օպտիմալ ռեակցիայի պայմանները: Ներկառուցված օպտիմիզատորը գործարկելը և բոլոր կարևոր մոդելային տերմինները ընտրելը ստեղծում է ռեակցիայի պայմանների մի շարք, որոնք նախատեսված են արտադրանքի գագաթնակետային մակերեսը մեծացնելու և ացետիլենային հումքի գագաթնակետային մակերեսը նվազեցնելու համար:
Կատալիտիկ ռեակցիայի խցիկում պղնձի մակերեսի օքսիդացումը իրականացվել է յուրաքանչյուր տրիազոլային միացության սինթեզից առաջ ռեակցիայի խցիկով հոսող ջրածնի պերօքսիդի լուծույթի (36%) միջոցով (հոսքի արագություն = 0.4 մլ րոպե -1, նստեցման ժամանակ = 2.5 րոպե):
Օպտիմալ պայմանների հավաքածուն որոշվելուց հետո, դրանք կիրառվեցին ացետիլենի և հալոգենալկանի ածանցյալների մի շարքի վրա՝ փոքր սինթեզի գրադարան կազմելու համար, այդպիսով ստեղծելով այս պայմանները պոտենցիալ ռեակտիվների ավելի լայն շրջանակի վրա կիրառելու հնարավորություն (Նկ. 1): 2):
Պատրաստեք նատրիումի ազիդի (0.25 Մ, 4:1 DMF:H2O), հալոգենալկանների (0.25 Մ, DMF) և ալկինների (0.125 Մ, DMF) առանձին լուծույթներ: Յուրաքանչյուր լուծույթի 3 մլ ալիքվոտները խառնվել են և մղվել ռեակտորի միջով 75 մկլ/րոպե արագությամբ և 150°C ջերմաստիճանում: Ամբողջ ծավալը հավաքվել է սրվակի մեջ և նոսրացվել է 10 մլ էթիլացետատով: Նմուշի լուծույթը լվացվել է 3 x 10 մլ ջրով: Ջրային շերտերը միացվել և արդյունահանվել են 10 մլ էթիլացետատով, այնուհետև օրգանական շերտերը միացվել են, լվացվել 3×10 մլ աղաջրով, չորացվել MgSO4-ի վրա և զտվել, այնուհետև լուծիչը հեռացվել է վակուումում: Նմուշները մաքրվել են սիլիցիումային գելի սյունակային քրոմատոգրաֆիայի միջոցով՝ օգտագործելով էթիլացետատ, նախքան վերլուծությունը կատարելը՝ HPLC, 1H NMR, 13C NMR և բարձր լուծաչափի զանգվածային սպեկտրոմետրիայի (HR-MS) համադրությամբ:
Բոլոր սպեկտրները ստացվել են Thermofischer Precision Orbitrap զանգվածային սպեկտրոմետրի միջոցով՝ ESI-ն որպես իոնացման աղբյուր օգտագործելով։ Բոլոր նմուշները պատրաստվել են ացետոնիտրիլը որպես լուծիչ օգտագործելով։
TLC վերլուծությունը կատարվել է ալյումինե հիմքով սիլիցիումային թիթեղների վրա: Թիթեղները տեսանելի են դարձել ուլտրամանուշակագույն լույսով (254 նմ) կամ վանիլինով ներկմամբ և տաքացմամբ:
Բոլոր նմուշները վերլուծվել են VWR Chromaster համակարգի միջոցով (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK), որը հագեցած է ավտոնմուշառիչով, սյունակային վառարանով երկուական պոմպով և մեկ ալիքի երկարության դետեկտորով: Օգտագործվել է ACE Equivalence 5 C18 սյուն (150 x 4.6 մմ, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Աբերդին, Շոտլանդիա):
Ներարկումները (5 մկլ) կատարվել են անմիջապես նոսրացված հում ռեակցիայի խառնուրդից (1:10 նոսրացում) և վերլուծվել են ջուր:մեթանոլով (50:50 կամ 70:30), բացառությամբ որոշ նմուշների, որոնք օգտագործել են 70:30 լուծիչ համակարգ (նշանակվում է որպես աստղային համար) 1.5 մլ/րոպե հոսքի արագությամբ: Սյունը պահվել է 40°C ջերմաստիճանում: Դետեկտորի ալիքի երկարությունը 254 նմ է:
Նմուշի գագաթնակետային մակերեսի տոկոսը հաշվարկվել է միայն մնացորդային ալկինի՝ տրիազոլի արգասիքի գագաթնակետային մակերեսից, և մեկնարկային նյութի ներմուծումը հնարավորություն է տվել նույնականացնել համապատասխան գագաթները։
Բոլոր նմուշները վերլուծվել են Thermo iCAP 6000 ICP-OES-ի միջոցով: Բոլոր տրամաչափման ստանդարտները պատրաստվել են 1000 ppm Cu ստանդարտ լուծույթի միջոցով 2% ազոտական ​​թթվի մեջ (SPEX Certi Prep): Բոլոր ստանդարտները պատրաստվել են 5% DMF և 2% HNO3 լուծույթում, և բոլոր նմուշները 20 անգամ նոսրացվել են DMF-HNO3 նմուշի լուծույթով:
UAM-ը օգտագործում է ուլտրաձայնային մետաղական եռակցում որպես վերջնական հավաքման համար օգտագործվող մետաղական փայլաթիթեղի միացման մեթոդ: Ուլտրաձայնային մետաղական եռակցումը օգտագործում է թրթռացող մետաղական գործիք (կոչվում է եղջյուր կամ ուլտրաձայնային եղջյուր)՝ ճնշում գործադրելու փայլաթիթեղի/նախկինում ամրացված շերտի վրա, որը պետք է միացվի/նախկինում ամրացված լինի՝ նյութը թրթռացնելով: Անընդհատ աշխատանքի համար սոնոտրոդն ունի գլանաձև ձև և գլորվում է նյութի մակերեսով՝ սոսնձելով ամբողջ տարածքը: Երբ ճնշում և թրթռում են կիրառվում, նյութի մակերեսին գտնվող օքսիդները կարող են ճաքել: Մշտական ​​ճնշումը և թրթռումը կարող են հանգեցնել նյութի կոպտության քայքայմանը36: Տեղայնացված ջերմության և ճնշման հետ սերտ շփումը հանգեցնում է պինդ փուլային կապի նյութի միջերեսներում. այն կարող է նաև խթանել կպչունությունը՝ փոխելով մակերեսային էներգիան48: Կապակցման մեխանիզմի բնույթը հաղթահարում է հալման փոփոխական ջերմաստիճանի և բարձր ջերմաստիճանի ազդեցությունների հետ կապված բազմաթիվ խնդիրներ, որոնք նշված են այլ հավելանյութերի արտադրության տեխնոլոգիաներում: Սա թույլ է տալիս ուղիղ միացնել (այսինքն՝ առանց մակերեսի փոփոխության, լցոնիչների կամ սոսինձների) տարբեր նյութերի մի քանի շերտեր մեկ ամրացված կառուցվածքի մեջ:
Երկրորդ բարենպաստ գործոնը CAM-ի համար մետաղական նյութերում դիտարկվող պլաստիկ հոսքի բարձր աստիճանն է նույնիսկ ցածր ջերմաստիճաններում, այսինքն՝ մետաղական նյութերի հալման կետից շատ ցածր: Ուլտրաձայնային տատանումների և ճնշման համադրությունը առաջացնում է հատիկների սահմանային տեղային տեղաշարժի և վերաբյուրեղացման բարձր մակարդակ՝ առանց զանգվածային նյութերի հետ ավանդաբար կապված ջերմաստիճանի զգալի բարձրացման: Վերջնական հավաքման ստեղծման ընթացքում այս երևույթը կարող է օգտագործվել ակտիվ և պասիվ բաղադրիչները մետաղական փայլաթիթեղի շերտերի միջև՝ շերտ առ շերտ, ներդնելու համար: Օպտիկական մանրաթել 49, ամրացում 46, էլեկտրոնիկա 50 և ջերմազույգեր (այս աշխատանքը) նման տարրերը հաջողությամբ ինտեգրվել են UAM կառուցվածքներում՝ ակտիվ և պասիվ կոմպոզիտային հավաքույթներ ստեղծելու համար:
Այս աշխատանքում օգտագործվել են ինչպես տարբեր նյութերի կապման հնարավորությունները, այնպես էլ UAM ինտերկալացիայի հնարավորությունները՝ կատալիտիկ ջերմաստիճանի կարգավորման համար իդեալական միկրոռեակտոր ստեղծելու համար։
Համեմատած պալադիումի (Pd) և այլ լայնորեն օգտագործվող մետաղական կատալիզատորների հետ, Cu կատալիզն ունի մի քանի առավելություններ՝ (i) Տնտեսապես, Cu-ն ավելի էժան է, քան կատալիզում օգտագործվող շատ այլ մետաղներ և, հետևաբար, գրավիչ տարբերակ է քիմիական արդյունաբերության համար, (ii) Cu-ի կատալիզացված խաչաձև միացման ռեակցիաների շրջանակը ընդլայնվում է և, կարծես, որոշ չափով լրացնում է Pd51, 52, 53-ի վրա հիմնված մեթոդաբանությունները, (iii) Cu-ի կատալիզացված ռեակցիաները լավ են աշխատում այլ լիգանդների բացակայության դեպքում: Այս լիգանդները հաճախ կառուցվածքային առումով պարզ և էժան են, մինչդեռ Pd քիմիայում օգտագործվողները հաճախ բարդ, թանկ և օդի նկատմամբ զգայուն են, (iv) Cu-ն, հատկապես հայտնի է սինթեզում ալկիններ կապելու իր ունակությամբ, ինչպիսիք են Սոնոգաշիրա բիմետալիկ կատալիզացված միացումը և ցիկլոավելացումը ազիդների հետ (click քիմիա), (v) Cu-ն կարող է նաև նպաստել որոշ նուկլեոֆիլների արիլացմանը Ուլմանի տիպի ռեակցիաներում:
Վերջերս ցուցադրվել են այս բոլոր ռեակցիաների հետերոգենացման օրինակներ Cu(0)-ի առկայությամբ: Սա մեծապես պայմանավորված է դեղագործական արդյունաբերությամբ և մետաղական կատալիզատորների վերականգնման ու վերօգտագործման վրա աճող ուշադրության կենտրոնացմամբ55,56:
Ացետիլենի և ազիդի միջև 1,3-դիպոլային ցիկլոադդիցիայի ռեակցիան՝ 1,2,3-տրիազոլի առաջացման համար, որն առաջին անգամ առաջարկվել է Հյուիսգենի կողմից 1960-ականներին57, համարվում է սիներգետիկ ցուցադրական ռեակցիա։ Արդյունքում ստացված 1,2,3 տրիազոլի բեկորները հատկապես հետաքրքրություն են ներկայացնում որպես դեղերի հայտնաբերման ֆարմակոֆոր՝ իրենց կենսաբանական կիրառությունների և տարբեր թերապևտիկ միջոցներում օգտագործման շնորհիվ58։
Այս ռեակցիան նոր ուշադրություն գրավեց, երբ Շարփլեսը և ուրիշները ներկայացրին «սեղմման քիմիա» հասկացությունը59: «Սեղմման քիմիա» տերմինն օգտագործվում է նոր միացությունների և կոմբինատոր գրադարանների արագ սինթեզի համար նախատեսված կայուն և ընտրողական ռեակցիաների ամբողջություն նկարագրելու համար՝ օգտագործելով հետերոատոմային կապ (CXC)60: Այս ռեակցիաների սինթետիկ գրավչությունը պայմանավորված է դրանց հետ կապված բարձր ելքերով: Պայմանները պարզ են, թթվածնի և ջրի նկատմամբ դիմադրությունը, և արտադրանքի բաժանումը պարզ է61:
Դասական 1,3-դիպոլային Հյուսգենի ցիկլոհավելումը չի դասվում «սեղմող քիմիայի» կատեգորիայի մեջ։ Այնուամենայնիվ, Մեդալը և Շարփլեսը ցույց տվեցին, որ այս ազիդ-ալկինային միացման իրադարձությունը ենթարկվում է 107–108 Cu(I)-ի առկայության դեպքում՝ համեմատած ոչ կատալիտիկ 1,3-դիպոլային ցիկլոհավելման արագության զգալի արագացման հետ 62,63։ Այս առաջադեմ ռեակցիայի մեխանիզմը չի պահանջում պաշտպանիչ խմբեր կամ կոշտ ռեակցիայի պայմաններ և ժամանակի ընթացքում ապահովում է գրեթե ամբողջական փոխակերպում և ընտրողականություն 1,4-դիսբիստուցված 1,2,3-տրիազոլների (հակա-1,2,3-տրիազոլների) համար (Նկար 3):
Հյուսգենի ավանդական և պղնձով կատալիզացված ցիկլոավելացումների իզոմետրիկ արդյունքները։ Cu(I)-ով կատալիզացված Հյուսգենի ցիկլոավելացումները տալիս են միայն 1,4-դիսբուստացված 1,2,3-տրիազոլներ, մինչդեռ ջերմային ինդուկցված Հյուսգենի ցիկլոավելացումները սովորաբար տալիս են 1,4- և 1,5-տրիազոլներ՝ ազոլային ստերեոիզոմերների 1:1 խառնուրդով։
Արձանագրությունների մեծ մասը ներառում է Cu(II)-ի կայուն աղբյուրների վերականգնում, ինչպիսիք են CuSO4-ի կամ Cu(II)/Cu(0) միացության վերականգնումը նատրիումի աղերի հետ համատեղ: Մետաղական կատալիզացված այլ ռեակցիաների համեմատ, Cu(I)-ի օգտագործումը ունի հիմնական առավելությունները՝ լինելով էժան և հեշտ կառավարելի:
Ուորելի և այլոց 65 կողմից անցկացված կինետիկ և իզոտոպային ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ տերմինալ ալկինների դեպքում պղնձի երկու համարժեքներ ներգրավված են յուրաքանչյուր մոլեկուլի ազիդի նկատմամբ ռեակտիվության ակտիվացման մեջ: Առաջարկվող մեխանիզմը տեղի է ունենում վեցանդամ պղնձե մետաղական օղակի միջոցով, որը ձևավորվում է ազիդի և σ-կապված պղնձի ացետիլիդի կոորդինացմամբ՝ π-կապված պղնձի հետ որպես կայուն դոնոր լիգանդ: Պղնձի տրիազոլիլային ածանցյալները ձևավորվում են օղակի կծկման, որին հաջորդում է պրոտոնների քայքայումը՝ տրիազոլային արգասիքներ առաջացնելու և կատալիտիկ ցիկլը փակելու համար:
Չնայած հոսքաքիմիայի սարքերի առավելությունները լավ փաստաթղթավորված են, ցանկություն է առաջացել ինտեգրել վերլուծական գործիքներ այս համակարգերում՝ իրական ժամանակում գործընթացի տեղում մոնիթորինգի համար66,67: UAM-ը ապացուցել է իր արդյունավետությունը՝ կատալիտիկ ակտիվ, ջերմահաղորդիչ նյութերից շատ բարդ եռաչափ հոսքային ռեակտորներ նախագծելու և արտադրելու համար՝ անմիջապես ներդրված զգայուն տարրերով (Նկար 4):
Ալյումին-պղնձե հոսքային ռեակտոր, որը արտադրվել է ուլտրաձայնային հավելանյութերի արտադրության (UAM) միջոցով՝ բարդ ներքին ալիքային կառուցվածքով, ներկառուցված ջերմազույգերով և կատալիտիկ ռեակցիայի խցիկով: Ներքին հեղուկի ուղիները պատկերացնելու համար ցուցադրվում է նաև ստերեոլիտոգրաֆիայի միջոցով պատրաստված թափանցիկ նախատիպ:
Ապագա օրգանական ռեակցիաների համար նախատեսված ռեակտորների համար նախատեսված լինելու համար լուծիչները պետք է անվտանգ կերպով տաքացվեն իրենց եռման կետից բարձր. դրանք ենթարկվում են ճնշման և ջերմաստիճանի ստուգման: Ճնշման փորձարկումը ցույց տվեց, որ համակարգը պահպանում է կայուն և հաստատուն ճնշում նույնիսկ համակարգում բարձր ճնշման դեպքում (1.7 ՄՊա): Հիդրոստատիկ փորձարկումները կատարվել են սենյակային ջերմաստիճանում՝ H2O-ն որպես հեղուկ օգտագործելով:
Ներկառուցված (Նկար 1) ջերմազույգը ջերմաստիճանի տվյալների գրանցողին միացնելը ցույց տվեց, որ ջերմազույգի ջերմաստիճանը FlowSyn համակարգում ծրագրավորված ջերմաստիճանից 6 °C (± 1 °C) ցածր է։ Սովորաբար, ջերմաստիճանի 10°C-ով բարձրացումը կրկնապատկում է ռեակցիայի արագությունը, ուստի ընդամենը մի քանի աստիճան ջերմաստիճանի տարբերությունը կարող է զգալիորեն փոխել ռեակցիայի արագությունը։ Այս տարբերությունը պայմանավորված է ջերմաստիճանի կորստով ամբողջ RPV-ի ընթացքում՝ արտադրական գործընթացում օգտագործվող նյութերի բարձր ջերմային դիֆուզիվության պատճառով։ Այս ջերմային շեղումը հաստատուն է և, հետևաբար, կարող է հաշվի առնվել սարքավորումները կարգավորելիս՝ ռեակցիայի ընթացքում ճշգրիտ ջերմաստիճանների հասնելու և չափման ապահովման համար։ Այսպիսով, այս առցանց մոնիթորինգի գործիքը հեշտացնում է ռեակցիայի ջերմաստիճանի խիստ վերահսկողությունը և նպաստում է գործընթացի ավելի ճշգրիտ օպտիմալացմանը և օպտիմալ պայմանների մշակմանը։ Այս սենսորները կարող են նաև օգտագործվել էկզոթերմիկ ռեակցիաները հայտնաբերելու և մեծածավալ համակարգերում անկանոն ռեակցիաները կանխելու համար։
Այս հոդվածում ներկայացված ռեակտորը քիմիական ռեակտորների արտադրության մեջ UAM տեխնոլոգիայի կիրառման առաջին օրինակն է և լուծում է այս սարքերի AM/3D տպագրության հետ կապված մի քանի հիմնական սահմանափակումներ, ինչպիսիք են՝ (i) պղնձի կամ ալյումինի համաձուլվածքի մշակման հետ կապված նշված խնդիրների հաղթահարումը, (ii) ներքին ալիքի բարելավված լուծաչափը՝ համեմատած փոշե շերտային հալեցման (PBF) մեթոդների հետ, ինչպիսին է ընտրողական լազերային հալեցումը (SLM)25,69, նյութի վատ հոսքը և կոպիտ մակերեսային հյուսվածքը26, (iii) ցածր մշակման ջերմաստիճան, որը հեշտացնում է սենսորների անմիջական միացումը, ինչը հնարավոր չէ փոշե շերտային տեխնոլոգիայում, (v) պոլիմերային բաղադրիչների վատ մեխանիկական հատկությունների և տարբեր տարածված օրգանական լուծիչների նկատմամբ զգայունության հաղթահարումը17,19:
Ռեակտորի ֆունկցիոնալությունը ցուցադրվել է պղնձով կատալիզացված ալկինազիդի ցիկլոավելացման ռեակցիաների շարքով՝ անընդհատ հոսքի պայմաններում (Նկար 2): Նկար 4-ում պատկերված ուլտրաձայնային տպագիր պղնձե ռեակտորը ինտեգրվել է առևտրային հոսքային համակարգի հետ և օգտագործվել է տարբեր 1,4-դիսբուստացված 1,2,3-տրիազոլների ազիդային գրադարան սինթեզելու համար՝ օգտագործելով ացետիլենի և ալկիլային խմբի հալոգենիդների ջերմաստիճանային կարգավորմամբ ռեակցիա նատրիումի քլորիդի առկայությամբ (Նկար 3): Անընդհատ հոսքի մոտեցման կիրառումը նվազեցնում է խմբաքանակային գործընթացներում առաջացող անվտանգության խնդիրները, քանի որ այս ռեակցիան առաջացնում է բարձր ռեակտիվ և վտանգավոր ազիդային միջանկյալներ [317], [318]: Սկզբում ռեակցիան օպտիմալացվել է ֆենիլացետիլենի և յոդոէթանի ցիկլոավելացման համար (Սխեմա 1 - Ֆենիլացետիլենի և յոդոէթանի ցիկլոավելացում) (տե՛ս Նկար 5):
(Վերևի ձախ անկյունում) 3DP ռեակտորը հոսքային համակարգում ներառելու համար օգտագործված կառուցվածքի սխեման (վերևի աջ անկյունում), որը ստացվել է ֆենիլացետիլենի և յոդոէթանի միջև Հյուիսգեն 57 ցիկլոավելացման սխեմայի օպտիմիզացված (ներքևի) սխեմայից՝ օպտիմալացման և ռեակցիայի օպտիմիզացված փոխակերպման արագության պարամետրերը ցույց տալու համար։
Ռեակտորի կատալիտիկ հատվածում ռեակտիվ նյութերի մնալու ժամանակը վերահսկելով և ռեակցիայի ջերմաստիճանը անմիջապես ինտեգրված ջերմազույգի սենսորով ուշադիր վերահսկելով՝ ռեակցիայի պայմանները կարող են արագ և ճշգրիտ օպտիմալացվել՝ նվազագույն ժամանակով և նյութերով։ Արագ պարզվեց, որ ամենաբարձր փոխակերպմանը հասել են 15 րոպե մնալու ժամանակի և 150°C ռեակցիայի ջերմաստիճանի դեպքում։ MODDE ծրագրաշարի գործակիցների գրաֆիկից կարելի է տեսնել, որ և՛ մնալու ժամանակը, և՛ ռեակցիայի ջերմաստիճանը համարվում են մոդելի կարևոր պայմաններ։ Ներկառուցված օպտիմիզատորի այս ընտրված պայմաններն օգտագործելով աշխատեցնելը ստեղծում է ռեակցիայի պայմանների մի շարք, որոնք նախատեսված են արտադրանքի գագաթնակետային մակերեսները մեծացնելու և միաժամանակ սկզբնական նյութի գագաթնակետային մակերեսները նվազեցնելու համար։ Այս օպտիմալացումը տվեց տրիազոլային արտադրանքի 53% փոխակերպում, որը ճշգրտորեն համապատասխանում էր մոդելի 54% կանխատեսմանը։