Շնորհակալություն Nature.com կայք այցելելու համար: Ձեր օգտագործած դիտարկիչի տարբերակը սահմանափակ աջակցություն ունի CSS-ի համար: 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:
Հավելի արտադրությունը փոխում է հետազոտողների և արդյունաբերողների կողմից քիմիական սարքերի նախագծման և արտադրության եղանակը՝ իրենց կոնկրետ կարիքները բավարարելու համար: Այս աշխատանքում մենք ներկայացնում ենք հոսքային ռեակտորի առաջին օրինակը, որը ձևավորվել է պինդ վիճակում գտնվող մետաղական թերթերի շերտավորման տեխնիկայով՝ ուլտրաձայնային հավելի արտադրության (UAM) միջոցով՝ ուղղակիորեն ինտեգրված կատալիտիկ մասերով և զգայուն տարրերով: UAM տեխնոլոգիան ոչ միայն հաղթահարում է քիմիական ռեակտորների հավելի արտադրության հետ կապված բազմաթիվ սահմանափակումներ, այլև զգալիորեն մեծացնում է նման սարքերի հնարավորությունները: Կենսաբանորեն կարևոր 1,4-դիսբուստիտացված 1,2,3-տրիազոլային միացությունների շարք հաջողությամբ սինթեզվել և օպտիմալացվել է Cu-միջնորդավորված Huisgen 1,3-դիպոլար ցիկլոհավելման ռեակցիայի միջոցով՝ օգտագործելով UAM քիմիական կառուցվածք: UAM-ի եզակի հատկությունները և անընդհատ հոսքի մշակումը օգտագործելով՝ սարքը կարող է կատալիզացնել ընթացիկ ռեակցիաները՝ միաժամանակ ապահովելով իրական ժամանակի հետադարձ կապ ռեակցիայի մոնիթորինգի և օպտիմալացման համար:
Իր զանգվածային համարժեքի 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 մոլեկուլների ձևավորումից1 մինչև դեղագործական միացություններ2,3 և բնական արտադրանք4,5,6: Նուրբ քիմիական և դեղագործական արդյունաբերություններում ռեակցիաների ավելի քան 50%-ը կարող է օգուտ քաղել անընդհատ հոսքային մշակման օգտագործումից7:
Վերջին տարիներին նկատվում է խմբերի աճող միտում, որոնք ձգտում են փոխարինել ավանդական ապակե իրերը կամ հոսքային քիմիայի սարքավորումները հարմարեցվող հավելումային արտադրության (ԱՀ) քիմիայի «ռեակցիայի անոթներով»8: Այս տեխնիկաների իտերատիվ նախագծումը, արագ արտադրությունը և եռաչափ (3D) հնարավորությունները օգտակար են նրանց համար, ովքեր ցանկանում են հարմարեցնել իրենց սարքերը ռեակցիաների, սարքերի կամ պայմանների որոշակի շարքի: Մինչ օրս այս աշխատանքը գրեթե բացառապես կենտրոնացած է եղել պոլիմերային հիմքով եռաչափ տպագրության տեխնիկաների, ինչպիսիք են ստերեոլիթոգրաֆիան (SL)9,10,11, միաձուլված նստեցման մոդելավորումը (FDM)8,12,13,14 և թանաքային տպագրությունը7, 15, 16, օգտագործման վրա: Նման սարքերի կայունության և քիմիական ռեակցիաների/վերլուծությունների լայն շրջանակ կատարելու ունակության17, 18, 19, 20 բացակայությունը հիմնական սահմանափակող գործոն է ԱՀ-ի ավելի լայն կիրառման համար այս ոլորտում17, 18, 19, 20:
Հոսքային քիմիայի աճող օգտագործման և հակադարձ ռեակցիայի (AM) հետ կապված բարենպաստ հատկությունների պատճառով անհրաժեշտություն կա ուսումնասիրել ավելի առաջադեմ մեթոդներ, որոնք թույլ կտան օգտատերերին ստեղծել հոսքային ռեակցիայի անոթներ՝ բարելավված քիմիական և վերլուծական հնարավորություններով: Այս մեթոդները պետք է հնարավորություն տան օգտատերերին ընտրել բարձր կայուն կամ ֆունկցիոնալ նյութերի շարքից, որոնք կարող են կարգավորել ռեակցիայի լայն շրջանակի պայմաններ, միաժամանակ նպաստելով սարքից վերլուծական արդյունքի տարբեր ձևերի ստացմանը՝ ռեակցիայի մոնիթորինգը և վերահսկումը հնարավոր դարձնելու համար:
Ուլտրաձայնային հավելումային արտադրությունը (UAM) հավելումային արտադրության գործընթացներից մեկն է, որը կարող է զարգացնել հատուկ քիմիական ռեակտորներ։ Այս պինդ վիճակում թերթերի շերտավորման տեխնիկան կիրառում է ուլտրաձայնային տատանումներ բարակ մետաղական փայլաթիթեղների վրա՝ դրանք շերտ առ շերտ միացնելու 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 տեղում պարբերական համակարգչային թվային կառավարման (CNC) ֆրեզավորումը կամ լազերային մշակումը սահմանում է կապակցված նյութի շերտի զուտ ձևը 24, 25։ Սա նշանակում է, որ օգտագործողը չի սահմանափակվում փոքր հեղուկային խողովակներից մնացորդային հումքի հեռացման հետ կապված խնդիրներով, ինչը հաճախ պատահում է փոշու և հեղուկ AM համակարգերի դեպքում 26, 27, 28։ Այս նախագծային ազատությունը տարածվում է նաև առկա նյութերի ընտրության վրա. UAM-ը կարող է կապել ջերմային առումով նմանատիպ 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 պինդ վիճակում կապումից, ուլտրաձայնային մշակման ընթացքում հանդիպող մեկ այլ երևույթ է... Կապումը պլաստիկ նյութերի բարձր հոսքն է համեմատաբար ցածր ջերմաստիճաններում29,30,31,32,33: UAM-ի այս եզակի առանձնահատկությունը կարող է հեշտացնել մեխանիկական/ջերմային տարրերի ներդրումը մետաղական շերտերի միջև՝ առանց վնասվելու: UAM-ում ներկառուցված սենսորները կարող են հեշտացնել սարքից օգտատիրոջը իրական ժամանակում տեղեկատվության մատակարարումը՝ ինտեգրված վերլուծության միջոցով:
Հեղինակների նախորդ աշխատանքները32 ցույց են տվել UAM գործընթացի կարողությունը՝ ստեղծելու մետաղական 3D միկրոհոսքային կառուցվածքներ՝ ինտեգրված զգայունության հնարավորություններով: Սա միայն մոնիթորինգի սարք է: Այս հոդվածը ներկայացնում է UAM-ով պատրաստված միկրոհոսքային քիմիական ռեակտորի առաջին օրինակը. ակտիվ սարք, որը ոչ միայն մոնիթորինգ է անում, այլև առաջացնում է քիմիական սինթեզ՝ կառուցվածքային ինտեգրված կատալիզատորային նյութերի միջոցով: Սարքը համատեղում է UAM տեխնոլոգիայի հետ կապված մի քանի առավելություններ 3D քիմիական սարքերի արտադրության մեջ, ինչպիսիք են՝ համակարգչային նախագծման (CAD) մոդելներից լրիվ 3D նախագծերը անմիջապես արտադրանքի վերածելու ունակությունը, բարձր ջերմահաղորդականությունը և կատալիտիկ նյութերը համատեղելու բազմանյութային արտադրությունը, և ռեակտիվ հոսքերի միջև անմիջապես ջերմային սենսորների ներդրումը՝ ռեակցիայի ջերմաստիճանի ճշգրիտ մոնիթորինգի և վերահսկման համար: Ռեակտորի ֆունկցիոնալությունը ցույց տալու համար, պղնձով կատալիզացված Huisgen 1,3-դիպոլար ցիկլոհավելման միջոցով սինթեզվել է դեղագործական կարևոր 1,4-դիսբիստուցված 1,2,3-տրիազոլային միացությունների գրադարան: Այս աշխատանքը ընդգծում է, թե ինչպես նյութագիտության և համակարգչային նախագծման օգտագործումը կարող է նոր հնարավորություններ և հնարավորություններ բացել քիմիայի համար՝ բազմամասնագիտական ​​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 ՄՀց և 100 ՄՀց հաճախականություններում, ստացվել են JEOL ECS-400 400 ՄՀց սպեկտրոմետրի կամ Bruker Avance II 400 ՄՀց սպեկտրոմետրի և CDCl3 կամ (CD3)2SO4-ի միջոցով որպես լուծիչ: 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 ի վեր զարգացումները կարելի է ուսումնասիրել հետևյալ հրապարակված նյութերի միջոցով34,35,36,37: Սարքը (Նկար 1) իրականացվել է գերբարձր հզորությամբ, 9 կՎտ SonicLayer 4000® UAM համակարգի միջոցով (Fabrisonic, OH, ԱՄՆ): Հոսքային սարքի պատրաստման 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 պղնձով կատալիզացված ռեակցիաների լավ թեկնածու և, հետևաբար, օգտագործվում է որպես «ակտիվ շերտ միկրոռեակտորի ներսում»: Al 6061O-ն օգտագործվում է որպես «ծավալային» նյութ, ինչպես նաև ներդրման շերտ է օգտագործվում վերլուծության համար. համաձուլվածքի օժանդակ բաղադրիչների ներդրման և թրծման պայմանի համադրություն Cu-110 շերտի հետ: Al 6061O-ն նյութ է, որը, ինչպես ցույց է տրվել, բարձր համատեղելիություն ունի UAM գործընթացների հետ38, 39, 40, 41 և փորձարկվել է և քիմիապես կայուն է այս աշխատանքում օգտագործված ռեակտիվների հետ։ Al 6061O-ի և Cu-110-ի համադրությունը նույնպես համարվում է UAM-ի համար համատեղելի նյութերի համադրություն և, հետևաբար, հարմար նյութ է այս ուսումնասիրության համար։ 38,42 Այս սարքերը ներկայացված են ստորև բերված աղյուսակ 1-ում։
Ռեակտորի պատրաստման փուլեր (1) Al 6061 հիմք (2) Պղնձե փայլաթիթեղի վրա ամրացված ստորին ջրանցքի պատրաստում (3) Ջերմազույգերի տեղադրում շերտերի միջև (4) Վերին ջրանցք (5) Մուտք և ելք (6) Մոնոլիտ ռեակտոր։
Հեղուկի ուղու նախագծման փիլիսոփայությունն այն է, որ ոլորուն ուղի օգտագործվի՝ հեղուկի չիպի ներսում անցած հեռավորությունը մեծացնելու համար, միաժամանակ չիպը կառավարելի չափի վրա պահելով: Հեռավորության այս աճը ցանկալի է կատալիզատոր/ռեակտիվ փոխազդեցության ժամանակը մեծացնելու և գերազանց արտադրանքի բերքատվություն ապահովելու համար: Չիպսերը ուղիղ ուղու ծայրերում օգտագործում են 90° թեքություններ՝ սարքի ներսում տուրբուլենտ խառնում առաջացնելու44 և հեղուկի մակերեսի (կատալիզատորի) հետ շփման ժամանակը մեծացնելու համար: Հնարավոր խառնումը հետագայում մեծացնելու համար ռեակտորի նախագծում կան երկու ռեակտիվ մուտքեր, որոնք միացված են Y-հատման մեջ՝ նախքան օձաձև խառնման հատված մտնելը: Երրորդ մուտքը, որը հատում է հոսքը իր բնակեցման կեսից, ներառված է ապագա բազմաստիճան ռեակցիայի սինթեզների նախագծում:
Բոլոր ալիքներն ունեն քառակուսի պրոֆիլ (առանց քաշի անկյունների), որը ալիքի երկրաչափությունը ստեղծելու համար օգտագործվող պարբերական CNC ֆրեզավորման արդյունք է: Ալիքի չափերը ընտրվում են՝ ապահովելու համար բարձր (միկրոռեակտորի համար) ծավալային ելք, միաժամանակ լինելով բավականաչափ փոքր՝ պարունակվող հեղուկների մեծ մասի համար մակերեսային փոխազդեցությունները (կատալիզատորները) հեշտացնելու համար: Համապատասխան չափը հիմնված է հեղինակների անցյալի փորձի վրա՝ ռեակցիայի համար մետաղ-հեղուկային սարքերի հետ: Վերջնական ալիքի ներքին չափերը 750 մկմ x 750 մկմ էին, իսկ ռեակտորի ընդհանուր ծավալը՝ 1 մլ: Նախագծում ներառված է ինտեգրված միակցիչ (1/4″—28 UNF թել), որը թույլ է տալիս սարքի պարզ միացումը առևտրային հոսքի քիմիայի սարքավորումների հետ: Ալիքի չափը սահմանափակվում է փայլաթիթեղի նյութի հաստությամբ, դրա մեխանիկական հատկություններով և ուլտրաձայնային սարքերի հետ օգտագործվող կապման պարամետրերով: Տվյալ նյութի համար որոշակի լայնության դեպքում նյութը «կախվի» ստեղծված ալիքի մեջ: Ներկայումս այս հաշվարկի համար հատուկ մոդել չկա, ուստի տվյալ նյութի և դիզայնի համար ալիքի առավելագույն լայնությունը որոշվում է փորձարարական ճանապարհով: այս դեպքում 750 մկմ լայնությունը չի առաջացնի կախում։
Ջրանցքի ձևը (քառակուսի) որոշվում է քառակուսի կտրիչով։ Ջրանցքների ձևը և չափը կարող են փոփոխվել CNC մեքենաներով՝ օգտագործելով տարբեր կտրող գործիքներ՝ տարբեր հոսքի արագություններ և բնութագրեր ստանալու համար։ 125 մկմ գործիքով կոր ձևի ջրանցք ստեղծելու օրինակ կարելի է գտնել Մոնահանի աշխատանքում45։ Երբ փայլաթիթեղի շերտը նստեցվում է հարթ ձևով, ջրանցքների վրա փայլաթիթեղի նյութի ծածկույթը կունենա հարթ (քառակուսի) մակերես։ Այս աշխատանքում, ջրանցքի համաչափությունը պահպանելու համար, օգտագործվել է քառակուսի ուրվագիծ։
Արտադրության նախապես ծրագրավորված դադարի ընթացքում ջերմազույգերի ջերմաստիճանի զոնդերը (K տիպի) ներդրվում են անմիջապես սարքի մեջ՝ վերին և ստորին ալիքային խմբերի միջև (Նկար 1 – Փուլ 3): Այս ջերմազույգերը կարող են վերահսկել ջերմաստիճանի փոփոխությունները -200-ից մինչև 1350 °C:
Մետաղի նստեցման գործընթացը կատարվում 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 մեծ է վերջնական արդյունքից, քանի որ հանումային գործընթացը ստեղծում է վերջնական ցանցի ձևը։ CNC մեքենայացումը օգտագործվում է սարքավորումների արտաքին և ներքին ուրվագծերը մեքենայացնելու համար, որի արդյունքում սարքավորումների և խողովակների մակերեսային մշակումը հավասար է ընտրված գործիքի և CNC գործընթացի պարամետրերին (այս օրինակում մոտավորապես 1.6 մկմ Ra): Սարքի արտադրության ողջ ընթացքում օգտագործվում են անընդհատ, անընդհատ ուլտրաձայնային նյութի նստեցման և մեքենայացման ցիկլեր՝ չափերի ճշգրտությունը պահպանելու և պատրաստի մասը համապատասխանելու CNC վերջնական ֆրեզավորման ճշգրտության մակարդակներին ապահովելու համար։ Այս սարքի համար օգտագործվող խողովակի լայնությունը բավականաչափ փոքր է, որպեսզի փայլաթիթեղի նյութը չ«կախվի» հեղուկի խողովակի մեջ, ուստի խողովակը պահպանում է քառակուսի լայնական հատույթ։ Փայլաթիթեղի նյութի և UAM գործընթացի պարամետրերի հնարավոր ճեղքերը որոշվել են փորձարարականորեն արտադրող գործընկերոջ կողմից (Fabrisonic LLC, ԱՄՆ):
Ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ UAM միացման միջերեսում 46, 47 առանց լրացուցիչ ջերմային մշակման տեղի է ունենում տարրական քիչ դիֆուզիա, ուստի այս աշխատանքում օգտագործվող սարքերի համար Cu-110 շերտը մնում է տարբեր Al 6061 շերտից և կտրուկ փոխվում է։
Ռեակտորի ելքին տեղադրեք նախապես կարգավորված 250 psi (1724 կՊա) հետադարձ ճնշման կարգավորիչ (BPR) և ջուրը մղեք ռեակտորի միջով 0.1-ից մինչև 1 մլ րոպե-1 արագությամբ։ Ռեակտորի ճնշումը վերահսկվել է FlowSyn ներկառուցված համակարգի ճնշման սենսորով՝ ստուգելու համար, որ համակարգը կարող է պահպանել հաստատուն կայուն ճնշում։ Հոսքային ռեակտորի ջերմաստիճանի հնարավոր գրադիենտները ստուգվել են՝ ռեակտորի մեջ ներդրված ջերմազույգերի և FlowSyn չիպային տաքացման թիթեղի մեջ ներդրված ջերմազույգերի միջև եղած ցանկացած տարբերություն հայտնաբերելով։ Սա իրականացվում է ծրագրավորվող տաքացման թիթեղի ջերմաստիճանը 100-ից 150 °C-ի սահմաններում փոփոխելով 25 °C աճով և նշելով 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 օպտիմալացվել են (Սխեմա 1 - Ֆենիլացետիլենի և յոդոէթանի ցիկլոադդիցիա): Այս օպտիմալացումը կատարվել է փորձերի լրիվ ֆակտորային նախագծման (DOE) մոտեցմամբ՝ օգտագործելով ջերմաստիճանը և նստեցման ժամանակը որպես փոփոխական պարամետրեր, միաժամանակ 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 և ֆենիլացետիլենի մեկնարկային նյութի գագաթնակետային մակերեսների հարաբերակցություն և որոշվել է բարձր արդյունավետությամբ հեղուկային քրոմատոգրաֆիայի (HPLC) միջոցով: Վերլուծության հետևողականության համար բոլոր ռեակցիաները նմուշառվել են անմիջապես այն բանից հետո, երբ ռեակցիայի խառնուրդը դուրս է եկել ռեակտորից: 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 երկարության ուլտրամանուշակագույն դետեկտորից և ինքնանմուշառիչից: Սյունակը Equivalence 5 C18 (VWR, PA, ԱՄՆ) էր, 4.6 × 100 մմ չափսերով, 5 մկմ մասնիկի չափսերով, պահպանված 40°C ջերմաստիճանում: Լուծիչը իզոկրատիկ 50:50 մեթանոլ:ջուր էր՝ 1.5 մլ/րոպե 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 ներարկումը թույլ է տալիս նույնականացնել համապատասխան գագաթները:
Ռեակտորի վերլուծության արդյունքը MODDE DOE ծրագրին (Umetrics, Մալմյո, Շվեդիա) միացնելը հնարավորություն տվեց մանրակրկիտ վերլուծել արդյունքների միտումները և որոշել այս ցիկլոավելացման համար օպտիմալ ռեակցիայի պայմանները: Ներկառուցված օպտիմիզատորը գործարկելը և բոլոր կարևոր մոդելային տերմինները ընտրելը տալիս է ռեակցիայի պայմանների մի շարք, որոնք նախատեսված են արտադրանքի գագաթնակետային մակերեսը մեծացնելու և ացետիլենային սկզբնական նյութի գագաթնակետային մակերեսը նվազեցնելու համար:
Կատալիտիկ ռեակցիայի խցիկում մակերեսային պղնձի օքսիդացումը իրականացվել է յուրաքանչյուր տրիազոլային միացությունների գրադարանի սինթեզից առաջ ռեակցիայի խցիկով հոսող ջրածնի պերօքսիդի (36%) լուծույթի միջոցով (հոսքի արագություն = 0.4 մլ րոպե-1, նստեցման ժամանակ = 2.5 րոպե):
Երբ որոշվեց պայմանների օպտիմալ հավաքածու, դրանք կիրառվեցին ացետիլենի և հալոգենալկանի ածանցյալների մի շարքի վրա՝ թույլ տալով կազմել փոքր գրադարանի սինթեզ, այդպիսով հաստատելով այս պայմանները կիրառելի ռեակտիվների ավելի լայն շրջանակի վրա (Նկար 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 խառնվեցին և մղվեցին ռեակտորի միջով 75 մկլ/րոպե ջերմաստիճանում և 150°C ջերմաստիճանում: Ընդհանուր ծավալը հավաքվեց սրվակի մեջ և նոսրացվեց 10 մլ էթիլացետատով: Նմուշի լուծույթը լվացվեց 3 × 10 մլ ջրով: Ջրային շերտերը միացվեցին և արդյունահանվեցին 10 մլ էթիլացետատով. օրգանական շերտերը այնուհետև միացվեցին, լվացվեցին 3 x 10 մլ աղաջրով, չորացվեցին MgSO4-ի վրա և զտվեցին, ապա լուծիչը հեռացվեց վակուումում: Նմուշները մաքրվեցին սյունակային քրոմատոգրաֆիայի միջոցով սիլիցիումային գելի վրա՝ օգտագործելով էթիլացետատ, նախքան վերլուծությունը կատարելը՝ HPLC, 1H NMR, 13C NMR և բարձր լուծաչափի զանգվածային սպեկտրոմետրիայի (HR-MS) համադրությամբ:
Բոլոր սպեկտրները ստացվել են Thermofisher ճշգրտության Orbitrap լուծաչափի զանգվածային սպեկտրոմետրի միջոցով՝ ESI-ով որպես իոնացման աղբյուր։ Բոլոր նմուշները պատրաստվել են ացետոնիտրիլը որպես լուծիչ օգտագործելով։
TLC վերլուծությունը կատարվել է ալյումինե հիմքով սիլիկատային թիթեղների վրա: Թիթեղները տեսանելի են դարձել ուլտրամանուշակագույն լույսի (254 նմ) կամ վանիլինի ներկման և տաքացման միջոցով:
Բոլոր նմուշները վերլուծվել են VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) համակարգով, որը հագեցած է ավտոնմուշառիչով, սյունակային վառարանի երկուական պոմպով և մեկ ալիքի երկարության դետեկտորով: Օգտագործված սյունը ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4.6 մմ, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Աբերդին, Շոտլանդիա) էր:
Ներարկումները (5 մկլ) կատարվել են անմիջապես նոսրացված հում ռեակցիայի խառնուրդից (1:10 նոսրացում) և վերլուծվել են ջրով:մեթանոլով (50:50 կամ 70:30), բացառությամբ որոշ նմուշների, որոնք օգտագործել են 70:30 լուծիչի համակարգը (նշանակվում է աստղային համարով) 1.5 մլ/րոպե հոսքի արագությամբ: Սյունը պահվել է 40°C ջերմաստիճանում: Դետեկտորի ալիքի երկարությունը 254 նմ է:
Նմուշի գագաթնակետային մակերեսի տոկոսը հաշվարկվել է մնացորդային ալկինի գագաթնակետային մակերեսից, միայն տրիազոլային արգասիքը, և մեկնարկային նյութի ներարկումը թույլ է տվել նույնականացնել համապատասխան գագաթները։
Բոլոր նմուշները վերլուծվել են Thermo iCAP 6000 ICP-OES սարքի 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 լուծույթներում, և բոլոր նմուշները նոսրացվել են 20 անգամ DMF-HNO3 նմուշի լուծույթում։
UAM-ը օգտագործում է ուլտրաձայնային մետաղական եռակցում որպես վերջնական հավաքման համար օգտագործվող մետաղական փայլաթիթեղի նյութի կապման տեխնիկա: Ուլտրաձայնային մետաղական եռակցումը օգտագործում է թրթռացող մետաղական գործիք (կոչվում է եղջյուր կամ ուլտրաձայնային եղջյուր)՝ ճնշում գործադրելու փայլաթիթեղի շերտի/նախկինում խտացված շերտի վրա, մինչդեռ նյութը թրթռում է: Շարունակական աշխատանքի համար սոնոտրոդը գլանաձև է և գլորվում է նյութի մակերեսով՝ կապելով ամբողջ տարածքը: Երբ ճնշում և թրթռում են կիրառվում, նյութի մակերեսին գտնվող օքսիդները կարող են ճաքել: Շարունակական ճնշումը և թրթռումը կարող են նյութի անհարթությունների փլուզման պատճառ դառնալ 36: Տեղայնորեն առաջացած ջերմության և ճնշման հետ մտերիմ շփումը հանգեցնում է պինդ վիճակի կապման նյութական միջերեսներում. այն կարող է նաև նպաստել կպչունությանը մակերեսային էներգիայի փոփոխությունների միջոցով 48: Կապման մեխանիզմի բնույթը հաղթահարում է հալման փոփոխական ջերմաստիճանի և բարձր ջերմաստիճանի հետևանքների հետ կապված բազմաթիվ խնդիրներ, որոնք նշված են այլ հավելանյութերի արտադրության տեխնիկաներում: Սա թույլ է տալիս տարբեր նյութերի բազմաթիվ շերտերի ուղղակի կապում (այսինքն՝ առանց մակերեսի փոփոխության, լցոնիչների կամ սոսինձների) մեկ խտացված կառուցվածքի մեջ:
Երկրորդ բարենպաստ գործոնը 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 մակարդակներ՝ առանց մեծածավալ նյութերի հետ ավանդաբար կապված ջերմաստիճանի մեծ բարձրացման: Վերջնական հավաքման կառուցման ընթացքում այս երևույթը կարող է օգտագործվել մետաղական փայլաթիթեղի շերտերի միջև շերտ առ շերտ ակտիվ և պասիվ բաղադրիչներ ներդնելու համար: Օպտիկական մանրաթելերի 49, ամրացումների 46, էլեկտրոնիկայի 50 և ջերմազույգերի (այս աշխատանքը) նման տարրերը հաջողությամբ ներդնվել են մետաղական նյութերում ակտիվ և պասիվ կոմպոզիտային հավաքույթներ ստեղծելու համար:
Այս աշխատանքում UAM-ի ինչպես տարբեր նյութերի կապման, այնպես էլ ինտերկալացիայի հնարավորությունները օգտագործվել են՝ կատալիտիկ ջերմաստիճանի մոնիտորինգի 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 վերամշակման արդյունաբերության համար, (ii) Cu-ի կատալիզացված խաչաձև միացման ռեակցիաների շրջանակը մեծանում է և, կարծես, որոշ չափով լրացնում է Pd-ի վրա հիմնված մեթոդաբանությունները,51,52,53, (iii) Cu-ի կատալիզացված ռեակցիաները լավ են աշխատում այլ լիգանդների բացակայության դեպքում, Այս լիգանդները հաճախ կառուցվածքային առումով պարզ են և էժան, եթե ցանկալի է, մինչդեռ Pd քիմիայում օգտագործվողները հաճախ բարդ, թանկ և օդի նկատմամբ զգայուն են, (iv) Cu-ն, հատկապես հայտնի է սինթեզում ալկինները կապելու իր ունակությամբ, օրինակ՝ երկմետաղական կատալիզացված Sonogashira միացումը և ցիկլոավելացումը ազիդների հետ (click քիմիա), (v) Cu-ն նաև կարող է խթանել մի քանի նուկլեոֆիլների արիլացումը Ուլմանի տիպի ռեակցիաներում։
Վերջերս այս բոլոր ռեակցիաների հետերոգենացման օրինակներ են ցուցադրվել Cu(0)-ի առկայությամբ: Սա մեծապես պայմանավորված է դեղագործական արդյունաբերությամբ և մետաղական կատալիզատորների վերականգնման ու վերօգտագործման վրա աճող ուշադրության կենտրոնացմամբ55,56:
Հյուիսգենի կողմից 1960-ականներին57 նախաձեռնած 1,3-դիպոլային ցիկլոադդիցիայի ռեակցիան ացետիլենի և ազիդի միջև մինչև 1,2,3-տրիազոլ համարվում է սիներգետիկ ցուցադրական ռեակցիա։ Արդյունքում ստացված 1,2,3 տրիազոլի մասնիկները հատկապես հետաքրքրություն են ներկայացնում որպես ֆարմակոֆոր դեղերի հայտնաբերման ոլորտում՝ իրենց կենսաբանական կիրառությունների և տարբեր թերապևտիկ միջոցներում օգտագործման շնորհիվ58։
Այս ռեակցիան կրկին ուշադրության կենտրոնում հայտնվեց, երբ Շարփլեսը և ուրիշները ներկայացրին «սեղմման քիմիա» հասկացությունը59: «Սեղմման քիմիա» տերմինն օգտագործվում է հետերոատոմային կապի (CXC) միջոցով նոր միացությունների և կոմբինատոր գրադարանների արագ սինթեզի համար նախատեսված կայուն, հուսալի և ընտրողական ռեակցիաների ամբողջություն նկարագրելու համար60: Այս ռեակցիաների սինթետիկ գրավչությունը բխում է դրանց հետ կապված բարձր ելքերից, ռեակցիայի պայմանների պարզությունից, թթվածնի և ջրի դիմադրողականությունից, և արտադրանքի բաժանման պարզությունից61:
Դասական Հյուսգենի 1,3-դիպոլային ցիկլոհավելումը չի պատկանում «սեղմող քիմիայի» կատեգորիային։ Այնուամենայնիվ, Մեդալը և Շարփլեսը ցույց տվեցին, որ այս ազիդ-ալկինային միացման իրադարձությունը Cu(I)-ի առկայության դեպքում ենթարկվում է 107-ից 108-ի՝ համեմատած չկատալիզացված 1,3-դիպոլային ցիկլոհավելման 62,63 զգալի արագացման հետ։ Այս բարելավված ռեակցիայի մեխանիզմը չի պահանջում պաշտպանիչ խմբեր կամ կոշտ ռեակցիայի պայմաններ և ժամանակային մասշտաբով ապահովում է գրեթե լիակատար փոխակերպում և ընտրողականություն 1,4-դիսբիստուցված 1,2,3-տրիազոլների (հակա-1,2,3-տրիազոլ) համար (Նկար 3):
Ավանդական և պղնձով կատալիզացված Հյուիսգենի ցիկլոավելացումների իզոմետրիկ արդյունքները։ Cu(I)-կատալիզացված Հյուիսգենի ցիկլոավելացումները տալիս են միայն 1,4-դիսբուստացված 1,2,3-տրիազոլներ, մինչդեռ ջերմային ինդուկցված Հյուիսգենի ցիկլոավելացումները սովորաբար տալիս են 1,4- և 1,5-տրիազոլներ՝ ազոլների ստերեոիզոմերների 1:1 խառնուրդ։
Արձանագրությունների մեծ մասը ներառում է կայուն Cu(II) աղբյուրների վերականգնում, ինչպիսիք են CuSO4-ի վերականգնումը կամ Cu(II)/Cu(0) տեսակների համատեղ համադրությունը նատրիումի աղերի հետ։ Մետաղով կատալիզացված այլ ռեակցիաների համեմատ, Cu(I)-ի օգտագործումն ունի հիմնական առավելությունները՝ լինելով էժան և հեշտ կառավարելի։
Ուորելի և այլոց 65 կողմից անցկացված կինետիկ և իզոտոպային պիտակավորման ուսումնասիրությունները ցույց տվեցին, որ տերմինալ ալկինների դեպքում պղնձի երկու համարժեքներ ներգրավված են յուրաքանչյուր մոլեկուլի ազիդի նկատմամբ ռեակտիվության ակտիվացման մեջ: Առաջարկվող մեխանիզմը ընթանում է վեցանդամ պղնձե մետաղական օղակի միջոցով, որը ձևավորվում է ազիդի և σ-կապված պղնձի ացետիլիդի կոորդինացմամբ՝ π-կապված պղնձի հետ որպես կայուն դոնոր լիգանդ: Տրիազոլիլ պղնձի ածանցյալները ձևավորվում են օղակի կծկման միջոցով, որին հաջորդում է պրոտոնների քայքայումը՝ տրիազոլային արտադրանքներ ստանալու և կատալիտիկ ցիկլը փակելու համար:
Չնայած հոսքաքիմիայի սարքերի առավելությունները լավ փաստաթղթավորված են, ցանկություն է առաջացել ինտեգրել վերլուծական գործիքներ այս համակարգերում՝ տեղում, գծային գործընթացի մոնիթորինգի համար66,67: UAM-ը ապացուցեց, որ հարմար մեթոդ է կատալիտիկ ակտիվ, ջերմահաղորդիչ նյութերից պատրաստված բարձր բարդության եռաչափ հոսքային ռեակտորներ նախագծելու և արտադրելու համար՝ անմիջապես ներդրված զգայուն տարրերով (Նկար 4):
Ալյումին-պղնձե հոսքային ռեակտոր, որը պատրաստված է ուլտրաձայնային հավելանյութերի արտադրության (UAM) միջոցով՝ բարդ ներքին ալիքային կառուցվածքով, ներդրված ջերմազույգերով և կատալիտիկ ռեակցիայի խցիկով: Ներքին հեղուկային ուղիները պատկերացնելու համար ցուցադրվում է նաև ստերեոլիտոգրաֆիայի միջոցով պատրաստված թափանցիկ նախատիպ:
Ապագա օրգանական ռեակցիաների համար ռեակտորները պատրաստված լինելու համար լուծիչները պետք է անվտանգ կերպով տաքացվեն եռման կետից բարձր։ Դրանք ենթարկվում են ճնշման և ջերմաստիճանի ստուգման։ Ճնշման փորձարկումը ցույց տվեց, որ համակարգը պահպանում է կայուն և հաստատուն ճնշում նույնիսկ համակարգի ճնշման բարձրացման դեպքում (1.7 ՄՊա)։ Հիդրոստատիկ փորձարկումը կատարվել է սենյակային ջերմաստիճանում՝ H2O-ն որպես հեղուկ օգտագործելով։
Ներկառուցված (Նկար 1) ջերմազույգը ջերմաստիճանի տվյալների գրանցիչին միացնելը ցույց տվեց, որ ջերմազույգը 6 °C (± 1 °C) ավելի ցածր էր, քան FlowSyn համակարգի ծրագրավորված ջերմաստիճանը։ Սովորաբար, ջերմաստիճանի 10 °C-ով բարձրացումը հանգեցնում է ռեակցիայի արագության կրկնապատկման, ուստի ընդամենը մի քանի աստիճան ջերմաստիճանի տարբերությունը կարող է զգալիորեն փոխել ռեակցիայի արագությունը։ Այս տարբերությունը պայմանավորված է ռեակտորի ամբողջ մարմնում ջերմաստիճանի կորստով՝ արտադրական գործընթացում օգտագործվող նյութերի բարձր ջերմային դիֆուզիվության պատճառով։ Այս ջերմային շեղումը կայուն է և, հետևաբար, կարող է հաշվի առնվել սարքավորումների կարգավորման մեջ՝ ռեակցիայի ընթացքում ճշգրիտ ջերմաստիճանների հասնելու և չափման ապահովման համար։ Հետևաբար, 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 ռեակցիայի էկզոթերմները նույնականացնելու և մեծածավալ համակարգերում անկանոն ռեակցիաները կանխելու համար։
Այս աշխատանքում ներկայացված ռեակտորը UAM տեխնոլոգիայի կիրառման առաջին օրինակն է քիմիական ռեակտորների արտադրության մեջ և լուծում է այս սարքերի AM/3D տպագրության հետ կապված մի քանի հիմնական սահմանափակումներ, ինչպիսիք են՝ (i) պղնձի կամ ալյումինի համաձուլվածքների մշակման հետ կապված հաղորդված խնդիրների հաղթահարումը, (ii) ներքին ալիքի լուծաչափի բարելավումը՝ համեմատած փոշե շերտային միաձուլման (PBF) տեխնիկայի հետ, ինչպիսին է ընտրողական լազերային հալումը (SLM)25,69, նյութի վատ հոսք և կոպիտ մակերեսային հյուսվածք26, (iii) մշակման ջերմաստիճանի նվազում, որը հեշտացնում է սենսորների անմիջական կապումը, ինչը հնարավոր չէ փոշե շերտային տեխնոլոգիայում, (v) պոլիմերային հիմքով բաղադրիչների վատ մեխանիկական հատկությունների և զգայունության հաղթահարումը տարբեր տարածված օրգանական լուծիչների նկատմամբ17,19:
Ռեակտորի ֆունկցիոնալությունը ցուցադրվել է պղնձով կատալիզացված ալկին ազիդի ցիկլոավելացման ռեակցիաների շարքով՝ անընդհատ հոսքի պայմաններում (Նկար 2): Նկար 4-ում մանրամասն նկարագրված ուլտրաձայնային տպագրությամբ պղնձե ռեակտորը ինտեգրվել է առևտրային հոսքային համակարգի հետ և օգտագործվել է տարբեր 1,4-դիսուբստիտուցված 1,2,3-տրիազոլների գրադարանային ազիդներ սինթեզելու համար՝ ացետիլենի և ալկիլ խմբերի հալոգենիդների ջերմաստիճանային կարգավորմամբ ռեակցիայի միջոցով՝ նատրիումի քլորիդի առկայությամբ (Նկար 3): Անընդհատ հոսքի մոտեցման կիրառումը մեղմացնում է խմբաքանակային գործընթացներում առաջացող անվտանգության հետ կապված մտահոգությունները, քանի որ այս ռեակցիան առաջացնում է բարձր ռեակտիվ և վտանգավոր ազիդային միջանկյալներ [317], [318]: Սկզբնապես 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 կարգավորման սխեման (վերևի աջ անկյունում), որը ստացվել է Հյուիսգենի ցիկլոավելացման 57 սխեմայի օպտիմիզացված (ներքևի) սխեմայում՝ ֆենիլացետիլենի և յոդոէթանի միջև՝ օպտիմալացման համար և ցույց է տալիս ռեակցիայի փոխակերպման արագության օպտիմիզացված պարամետրերը։
Ռեակտորի կատալիտիկ մասում ռեակտիվների մնալու ժամանակը վերահսկելով և ռեակցիայի ջերմաստիճանը անմիջապես ինտեգրված ջերմազույգի զոնդով ուշադիր հետևելով՝ ռեակցիայի պայմանները կարող են արագ և ճշգրիտ օպտիմալացվել՝ նվազագույն ժամանակի և նյութի սպառմամբ։ Արագ որոշվեց, որ ամենաբարձր փոխակերպումները ստացվել են, երբ օգտագործվել է 15 րոպե մնալու ժամանակ և 150 °C ռեակցիայի ջերմաստիճան։ MODDE ծրագրաշարի գործակիցների գրաֆիկից կարելի է տեսնել, որ և՛ մնալու ժամանակը, և՛ ռեակցիայի ջերմաստիճանը համարվում են կարևոր մոդելային տերմիններ։ Ներկառուցված օպտիմիզատորը այս ընտրված տերմիններով 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 մոտիկից համապատասխանում էր մոդելի 54% կանխատեսմանը։
Գրականության հիման վրա, որը ցույց է տալիս, որ պղնձի (I) օքսիդը (Cu2O) կարող է գործել որպես արդյունավետ կատալիտիկ տեսակ զրոյական վալենտային պղնձի մակերեսների վրա այս ռեակցիաներում, ուսումնասիրվել է ռեակտորի մակերեսը նախապես օքսիդացնելու ունակությունը նախքան ռեակցիան հոսքային ռեժիմով իրականացնելը70,71: Այնուհետև ֆենիլացետիլենի և յոդոէթանի միջև ռեակցիան կրկին իրականացվել է օպտիմալ պայմաններում, և համեմատվել են արդյունքները: Նկատվել է, որ այս պատրաստումը հանգեցրել է սկզբնական նյութի փոխակերպման զգալի աճի, որը հաշվարկվել է >99%: Այնուամենայնիվ, HPLC-ի մոնիթորինգը ցույց է տվել, որ այս փոխակերպումը զգալիորեն կրճատել է չափազանց երկարատև ռեակցիայի ժամանակը մինչև մոտավորապես 90 րոպե, որից հետո ակտիվությունը, կարծես, հավասարվել է և հասել «կայուն վիճակի»: Այս դիտարկումը ենթադրում է, որ կատալիտիկ ակտիվության աղբյուրը ստացվում է մակերեսային պղնձի օքսիդից, այլ ոչ թե զրոյական վալենտային պղնձի հիմքից: Cu մետաղը հեշտությամբ օքսիդանում է սենյակային ջերմաստիճանում՝ առաջացնելով CuO և Cu2O, որոնք ինքնապաշտպանական շերտեր չեն: Սա վերացնում է համատեղ կազմի համար օժանդակ պղնձի (II) աղբյուր ավելացնելու անհրաժեշտությունը71: