Terima kasih telah mengunjungi Alam.com.Versi browser yang Anda gunakan memiliki dukungan CSS yang terbatas.Untuk pengalaman terbaik, kami menyarankan Anda menggunakan browser yang diperbarui (atau nonaktifkan Mode Kompatibilitas di Internet Explorer).Sementara itu, untuk memastikan dukungan yang berkelanjutan, kami akan merender situs tanpa gaya dan JavaScript.
Korsel menampilkan tiga slide sekaligus.Gunakan tombol Sebelumnya dan Berikutnya untuk menelusuri tiga slide sekaligus, atau gunakan tombol penggeser di bagian akhir untuk menelusuri tiga slide sekaligus.
Manufaktur aditif mengubah cara para peneliti dan industrialis merancang dan memproduksi perangkat kimia untuk memenuhi kebutuhan khusus mereka.Dalam makalah ini, kami melaporkan contoh pertama dari reaktor aliran yang dibentuk oleh laminasi manufaktur aditif ultrasonik (UAM) dari lembaran logam padat dengan bagian katalitik dan elemen penginderaan yang terintegrasi langsung.Teknologi UAM tidak hanya mengatasi banyak keterbatasan yang saat ini terkait dengan pembuatan aditif reaktor kimia, tetapi juga sangat memperluas kemampuan perangkat tersebut.Sejumlah senyawa 1,2,3-triazol 1,4-disubstitusi yang penting secara biologis telah berhasil disintesis dan dioptimalkan dengan reaksi sikloadisi Huisgen 1,3-dipolar yang dimediasi Cu menggunakan fasilitas kimia UAM.Menggunakan sifat unik UAM dan pemrosesan aliran berkelanjutan, perangkat ini mampu mengkatalisasi reaksi yang sedang berlangsung serta memberikan umpan balik waktu nyata untuk memantau dan mengoptimalkan reaksi.
Karena keunggulannya yang signifikan dibandingkan bagian curahnya, kimia aliran merupakan bidang yang penting dan berkembang baik dalam lingkungan akademik maupun industri karena kemampuannya untuk meningkatkan selektivitas dan efisiensi sintesis kimia.Ini meluas dari pembentukan molekul organik sederhana1 hingga senyawa farmasi2,3 dan produk alami4,5,6.Lebih dari 50% reaksi dalam industri kimia dan farmasi murni dapat memanfaatkan aliran kontinu7.
Dalam beberapa tahun terakhir, ada kecenderungan kelompok yang berusaha mengganti peralatan gelas tradisional atau peralatan kimia aliran dengan “reaktor” kimia yang dapat disesuaikan8.Desain iteratif, manufaktur cepat, dan kemampuan tiga dimensi (3D) dari metode ini berguna bagi mereka yang ingin menyesuaikan perangkatnya untuk serangkaian reaksi, perangkat, atau kondisi tertentu.Sampai saat ini, pekerjaan ini telah berfokus hampir secara eksklusif pada penggunaan teknik pencetakan 3D berbasis polimer seperti stereolithography (SL)9,10,11, Fused Deposition Modeling (FDM)8,12,13,14 dan pencetakan inkjet7,15., 16. Kurangnya keandalan dan kemampuan perangkat tersebut untuk melakukan berbagai reaksi/analisis kimia17, 18, 19, 20 merupakan faktor pembatas utama untuk penerapan AM yang lebih luas di bidang ini17, 18, 19, 20.
Karena meningkatnya penggunaan kimia aliran dan sifat menguntungkan yang terkait dengan AM, teknik yang lebih baik perlu dieksplorasi yang akan memungkinkan pengguna membuat bejana reaksi aliran dengan kemampuan kimia dan analitik yang lebih baik.Metode ini harus memungkinkan pengguna untuk memilih dari berbagai kekuatan tinggi atau bahan fungsional yang mampu beroperasi di berbagai kondisi reaksi, serta memfasilitasi berbagai bentuk keluaran analitik dari perangkat untuk memungkinkan pemantauan dan pengendalian reaksi.
Salah satu proses manufaktur aditif yang dapat digunakan untuk mengembangkan reaktor kimia khusus adalah Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM).Metode laminasi lembaran solid-state menerapkan getaran ultrasonik pada foil logam tipis untuk mengikatnya lapis demi lapis dengan pemanasan volumetrik minimal dan tingkat aliran plastik yang tinggi 21, 22, 23. Tidak seperti kebanyakan teknologi AM lainnya, UAM dapat langsung diintegrasikan dengan produksi subtraktif, yang dikenal sebagai proses manufaktur hibrida, di mana milling atau pemrosesan laser in-situ numerical control (CNC) berkala menentukan bentuk bersih dari lapisan bahan yang direkatkan 24, 25. Ini berarti bahwa pengguna tidak terbatas pada masalah yang terkait dengan pembuangan sisa bahan bangunan asli dari saluran cairan kecil, yang sering terjadi pada sistem bubuk dan cairan AM26,27,28.Kebebasan desain ini juga meluas ke pilihan bahan yang tersedia – UAM dapat mengikat kombinasi bahan yang serupa dan berbeda secara termal dalam satu langkah proses.Pemilihan kombinasi material di luar proses peleburan berarti bahwa persyaratan mekanik dan kimia dari aplikasi tertentu dapat dipenuhi dengan lebih baik.Selain solid bonding, fenomena lain yang terjadi dengan ultrasonic bonding adalah fluiditas bahan plastik yang tinggi pada suhu yang relatif rendah29,30,31,32,33.Fitur unik UAM ini memungkinkan elemen mekanis/termal ditempatkan di antara lapisan logam tanpa kerusakan.Sensor UAM yang tertanam dapat memfasilitasi pengiriman informasi real-time dari perangkat ke pengguna melalui analitik terintegrasi.
Pekerjaan sebelumnya oleh penulis menunjukkan kemampuan proses UAM untuk membuat struktur mikrofluida 3D metalik dengan kemampuan penginderaan tertanam.Perangkat ini hanya untuk tujuan pemantauan.Artikel ini menyajikan contoh pertama reaktor kimia mikofluida yang diproduksi oleh UAM, perangkat aktif yang tidak hanya mengontrol tetapi juga menginduksi sintesis kimia dengan bahan katalitik yang terintegrasi secara struktural.Perangkat tersebut menggabungkan beberapa keunggulan yang terkait dengan teknologi UAM dalam pembuatan perangkat kimia 3D, seperti: kemampuan untuk mengubah desain 3D lengkap langsung dari model desain berbantuan komputer (CAD) menjadi produk;fabrikasi multi-bahan untuk kombinasi konduktivitas termal tinggi dan bahan katalitik, serta sensor termal yang disematkan langsung di antara aliran reaktan untuk kontrol dan pengelolaan suhu reaksi yang tepat.Untuk mendemonstrasikan fungsionalitas reaktor, perpustakaan senyawa 1,4-disubstitusi 1,2,3-triazol yang penting secara farmasi disintesis oleh sikloadisi Huisgen 1,3-dipolar yang dikatalisis tembaga.Karya ini menyoroti bagaimana penggunaan ilmu material dan desain berbantuan komputer dapat membuka kemungkinan dan peluang baru untuk kimia melalui penelitian interdisipliner.
Semua pelarut dan reagen dibeli dari Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI, atau Fischer Scientific dan digunakan tanpa pemurnian sebelumnya.Spektra 1H dan 13C NMR yang direkam masing-masing pada 400 dan 100 MHz, diperoleh pada spektrometer JEOL ECS-400 400 MHz atau spektrometer Bruker Avance II 400 MHz dengan pelarut CDCl3 atau (CD3)2SO.Semua reaksi dilakukan menggunakan platform kimia aliran Uniqsis FlowSyn.
UAM digunakan untuk membuat semua perangkat dalam penelitian ini.Teknologi ini ditemukan pada tahun 1999 dan detail teknisnya, parameter operasi, dan perkembangannya sejak penemuannya dapat dipelajari dengan menggunakan materi yang diterbitkan berikut ini34,35,36,37.Perangkat (Gbr. 1) diimplementasikan menggunakan sistem UAM SonicLayer 4000® 9 kW tugas berat (Fabrisonic, Ohio, AS).Bahan yang dipilih untuk perangkat aliran adalah Cu-110 dan Al 6061. Cu-110 memiliki kandungan tembaga yang tinggi (minimum 99,9% tembaga), menjadikannya kandidat yang baik untuk reaksi katalisasi tembaga dan oleh karena itu digunakan sebagai “lapisan aktif di dalam mikroreaktor.Al 6061 O digunakan sebagai bahan "bulk"., serta lapisan interkalasi yang digunakan untuk analisis;interkalasi komponen paduan tambahan dan keadaan anil dalam kombinasi dengan lapisan Cu-110.ditemukan stabil secara kimia dengan reagen yang digunakan dalam pekerjaan ini.Al 6061 O yang dikombinasikan dengan Cu-110 juga dianggap sebagai kombinasi material yang cocok untuk UAM dan karenanya merupakan material yang cocok untuk penelitian ini38,42.Perangkat ini tercantum dalam Tabel 1 di bawah ini.
Langkah-langkah pembuatan reaktor (1) Substrat paduan aluminium 6061 (2) Pembuatan saluran bawah dari foil tembaga (3) Penyisipan termokopel antar lapisan (4) Saluran atas (5) Saluran masuk dan keluar (6) Reaktor monolitik.
Filosofi desain saluran fluida adalah dengan menggunakan jalur berliku-liku untuk meningkatkan jarak yang ditempuh oleh fluida di dalam chip sambil mempertahankan ukuran chip yang dapat diatur.Peningkatan jarak ini diinginkan untuk meningkatkan waktu kontak katalis-reaktan dan memberikan hasil produk yang sangat baik.Chip menggunakan tikungan 90° di ujung jalur lurus untuk menginduksi pencampuran turbulen di dalam perangkat44 dan meningkatkan waktu kontak cairan dengan permukaan (katalis).Untuk lebih meningkatkan pencampuran yang dapat dicapai, desain reaktor mencakup dua saluran masuk reaktan yang digabungkan dalam sambungan-Y sebelum memasuki bagian koil pencampur.Pintu masuk ketiga, yang melintasi aliran di tengah residensinya, termasuk dalam rencana reaksi sintesis multi-tahap di masa depan.
Semua saluran memiliki profil persegi (tidak ada sudut lancip), yang merupakan hasil penggilingan CNC berkala yang digunakan untuk membuat geometri saluran.Dimensi saluran dipilih untuk memberikan hasil volumetrik yang tinggi (untuk mikroreaktor), namun cukup kecil untuk memfasilitasi interaksi dengan permukaan (katalis) untuk sebagian besar cairan yang dikandungnya.Ukuran yang sesuai didasarkan pada pengalaman masa lalu penulis dengan perangkat reaksi logam-cair.Dimensi internal saluran akhir adalah 750 µm x 750 µm dan total volume reaktor adalah 1 ml.Konektor built-in (1/4″-28 UNF thread) disertakan dalam desain untuk memudahkan antarmuka perangkat dengan peralatan kimia aliran komersial.Ukuran saluran dibatasi oleh ketebalan bahan foil, sifat mekaniknya, dan parameter ikatan yang digunakan dengan ultrasonik.Pada lebar tertentu untuk material tertentu, material akan “melorot” ke dalam saluran yang dibuat.Saat ini tidak ada model khusus untuk perhitungan ini, sehingga lebar saluran maksimum untuk bahan dan desain tertentu ditentukan secara eksperimental, di mana lebar 750 µm tidak akan menyebabkan kendur.
Bentuk (bujur sangkar) saluran ditentukan dengan menggunakan pemotong persegi.Bentuk dan ukuran saluran dapat diubah pada mesin CNC menggunakan alat pemotong yang berbeda untuk mendapatkan laju aliran dan karakteristik yang berbeda.Contoh membuat saluran melengkung dengan alat 125 µm dapat ditemukan di Monaghan45.Ketika lapisan foil diterapkan rata, penerapan bahan foil ke saluran akan memiliki permukaan yang rata (persegi).Dalam karya ini, kontur persegi digunakan untuk mempertahankan simetri saluran.
Selama jeda terprogram dalam produksi, sensor suhu termokopel (tipe K) dipasang langsung ke perangkat antara grup saluran atas dan bawah (Gbr. 1 – tahap 3).Termokopel ini dapat mengontrol perubahan suhu dari -200 hingga 1350 °C.
Proses pengendapan logam dilakukan oleh klakson UAM menggunakan metal foil dengan lebar 25,4 mm dan tebal 150 mikron.Lapisan-lapisan foil ini dihubungkan dalam serangkaian strip yang berdekatan untuk menutupi seluruh area bangunan;ukuran material yang diendapkan lebih besar dari produk akhir karena proses pengurangan menghasilkan bentuk akhir yang bersih.Pemesinan CNC digunakan untuk mengerjakan kontur eksternal dan internal peralatan, menghasilkan penyelesaian permukaan peralatan dan saluran yang sesuai dengan pahat yang dipilih dan parameter proses CNC (dalam contoh ini, sekitar 1,6 µm Ra).Penyemprotan bahan ultrasonik dan siklus pemesinan yang terus-menerus dan terus menerus digunakan selama proses pembuatan perangkat untuk memastikan akurasi dimensi dipertahankan dan bagian akhir memenuhi tingkat presisi penggilingan halus CNC.Lebar saluran yang digunakan untuk perangkat ini cukup kecil untuk memastikan bahan foil tidak "melorot" di dalam saluran fluida, sehingga saluran tersebut memiliki penampang persegi.Kesenjangan yang mungkin terjadi pada bahan foil dan parameter proses UAM ditentukan secara eksperimental oleh mitra manufaktur (Fabrisonic LLC, USA).
Studi telah menunjukkan bahwa pada antarmuka 46, 47 senyawa UAM ada sedikit difusi elemen tanpa perlakuan panas tambahan, sehingga untuk perangkat dalam pekerjaan ini lapisan Cu-110 tetap berbeda dari lapisan Al 6061 dan berubah secara dramatis.
Pasang pengatur tekanan balik (BPR) yang telah dikalibrasi sebelumnya pada 250 psi (1724 kPa) di bagian hilir reaktor dan pompa air melalui reaktor dengan kecepatan 0,1 hingga 1 ml min-1.Tekanan reaktor dipantau menggunakan transduser tekanan FlowSyn yang terpasang di dalam sistem untuk memastikan bahwa sistem dapat mempertahankan tekanan stabil yang konstan.Gradien suhu potensial dalam reaktor aliran diuji dengan mencari perbedaan antara termokopel yang terpasang di dalam reaktor dan termokopel yang terpasang di pelat pemanas chip FlowSyn.Hal ini dicapai dengan mengubah suhu hotplate terprogram antara 100 dan 150 °C dengan kenaikan 25 °C dan memantau setiap perbedaan antara suhu terprogram dan terekam.Ini dicapai dengan menggunakan data logger tc-08 (PicoTech, Cambridge, UK) dan perangkat lunak PicoLog yang menyertainya.
Kondisi untuk reaksi sikloadisi fenilasetena dan iodoetana dioptimalkan (Skema 1-Sikloadisi fenilasetena dan iodoetana, Skema 1-Sikloadisi fenilasetena dan iodoetana).Optimalisasi ini dilakukan dengan menggunakan pendekatan percobaan desain faktorial (DOE), menggunakan suhu dan waktu tinggal sebagai variabel sambil menetapkan rasio alkuna:azida pada 1:2.
Larutan terpisah dari natrium azida (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), iodoethane (0,25 M, DMF), dan phenylacetylene (0,125 M, DMF) disiapkan.1,5 ml alikuot dari setiap larutan dicampur dan dipompa melalui reaktor pada laju alir dan suhu yang diinginkan.Respons model diambil sebagai rasio luas puncak produk triazol terhadap bahan awal fenilasetilena dan ditentukan menggunakan kromatografi cair kinerja tinggi (HPLC).Untuk konsistensi analisis, semua reaksi diambil segera setelah campuran reaksi meninggalkan reaktor.Rentang parameter yang dipilih untuk pengoptimalan ditunjukkan pada Tabel 2.
Semua sampel dianalisis menggunakan sistem Chromaster HPLC (VWR, PA, USA) yang terdiri dari pompa kuaterner, oven kolom, detektor UV panjang gelombang variabel, dan autosampler.Kolom adalah Kesetaraan 5 C18 (VWR, PA, USA), 4,6 x 100 mm, ukuran partikel 5 µm, dipertahankan pada 40°C.Pelarutnya adalah metanol isokratis:air 50:50 dengan laju alir 1,5 ml·min-1.Volume injeksi adalah 5 μl dan panjang gelombang detektor adalah 254 nm.% luas puncak untuk sampel DOE dihitung dari luas puncak sisa produk alkuna dan triazol saja.Pengenalan bahan awal memungkinkan untuk mengidentifikasi puncak yang sesuai.
Menggabungkan hasil analisis reaktor dengan perangkat lunak MODDE DOE (Umetrics, Malmö, Swedia) memungkinkan analisis tren menyeluruh dari hasil dan penentuan kondisi reaksi optimal untuk sikloadisi ini.Menjalankan pengoptimal bawaan dan memilih semua istilah model penting menciptakan serangkaian kondisi reaksi yang dirancang untuk memaksimalkan area puncak produk sekaligus mengurangi area puncak untuk bahan baku asetilena.
Oksidasi permukaan tembaga dalam ruang reaksi katalitik dicapai dengan menggunakan larutan hidrogen peroksida (36%) yang mengalir melalui ruang reaksi (laju aliran = 0,4 ml min-1, waktu tinggal = 2,5 menit) sebelum sintesis setiap senyawa triazol.perpustakaan.
Setelah rangkaian kondisi optimal telah ditentukan, mereka diterapkan ke berbagai turunan asetilena dan haloalkana untuk memungkinkan kompilasi perpustakaan sintesis kecil, sehingga menetapkan kemungkinan penerapan kondisi ini ke rentang reagen potensial yang lebih luas (Gbr. 1).2).
Siapkan larutan terpisah dari natrium azida (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), haloalkana (0,25 M, DMF), dan alkuna (0,125 M, DMF).Aliquot sebanyak 3 ml dari masing-masing larutan dicampur dan dipompa melalui reaktor dengan kecepatan 75 µl/menit dan suhu 150°C.Seluruh volume dikumpulkan dalam vial dan diencerkan dengan 10 ml etil asetat.Larutan sampel dicuci dengan 3 x 10 ml air.Lapisan berair digabungkan dan diekstraksi dengan 10 ml etil asetat, kemudian lapisan organik digabungkan, dicuci dengan 3×10 ml air garam, dikeringkan di atas MgSO4 dan disaring, kemudian pelarut dihilangkan dalam vakum.Sampel dimurnikan dengan kromatografi kolom silika gel menggunakan etil asetat sebelum dianalisis dengan kombinasi HPLC, 1H NMR, 13C NMR dan spektrometri massa resolusi tinggi (HR-MS).
Semua spektrum diperoleh menggunakan spektrometer massa Thermofischer Precision Orbitrap dengan ESI sebagai sumber ionisasi.Semua sampel disiapkan menggunakan asetonitril sebagai pelarut.
Analisis KLT dilakukan pada pelat silika dengan substrat aluminium.Pelat divisualisasikan dengan sinar UV (254 nm) atau pewarnaan dan pemanasan vanilin.
Semua sampel dianalisis menggunakan sistem VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) yang dilengkapi dengan autosampler, pompa biner dengan oven kolom, dan detektor panjang gelombang tunggal.Kolom ACE Equivalence 5 C18 (150 x 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Scotland) digunakan.
Injeksi (5 µl) dibuat langsung dari campuran reaksi mentah yang diencerkan (pengenceran 1:10) dan dianalisis dengan air:metanol (50:50 atau 70:30), kecuali untuk beberapa sampel yang menggunakan sistem pelarut 70:30 (dilambangkan dengan nomor bintang ) pada laju alir 1,5 ml/menit.Kolom dijaga pada suhu 40°C.Panjang gelombang detektor adalah 254 nm.
% luas puncak sampel dihitung dari luas puncak sisa alkuna, produk triazol saja, dan pengenalan bahan awal memungkinkan untuk mengidentifikasi puncak yang sesuai.
Semua sampel dianalisis menggunakan Thermo iCAP 6000 ICP-OES.Semua standar kalibrasi dibuat menggunakan larutan standar Cu 1000 ppm dalam asam nitrat 2% (SPEX Certi Prep).Semua standar dibuat dalam larutan 5% DMF dan 2% HNO3, dan semua sampel diencerkan 20 kali dengan larutan sampel DMF-HNO3.
UAM menggunakan pengelasan logam ultrasonik sebagai metode penyambungan foil logam yang digunakan untuk membuat perakitan akhir.Pengelasan logam ultrasonik menggunakan alat logam bergetar (disebut tanduk atau tanduk ultrasonik) untuk memberikan tekanan pada foil / lapisan yang sebelumnya dikonsolidasikan untuk diikat / dikonsolidasikan sebelumnya dengan menggetarkan material.Untuk pengoperasian terus menerus, sonotrode berbentuk silinder dan berguling di atas permukaan material, merekatkan seluruh area.Ketika tekanan dan getaran diterapkan, oksida pada permukaan material dapat retak.Tekanan dan getaran yang konstan dapat menyebabkan rusaknya kekasaran material 36 .Kontak dekat dengan panas dan tekanan lokal kemudian mengarah ke ikatan fase padat pada antarmuka material;itu juga dapat meningkatkan kohesi dengan mengubah energi permukaan48.Sifat mekanisme pengikatan mengatasi banyak masalah yang terkait dengan suhu lelehan variabel dan efek suhu tinggi yang disebutkan dalam teknologi manufaktur aditif lainnya.Hal ini memungkinkan sambungan langsung (yaitu tanpa modifikasi permukaan, pengisi atau perekat) dari beberapa lapisan bahan yang berbeda ke dalam satu struktur yang terkonsolidasi.
Faktor menguntungkan kedua untuk CAM adalah tingkat aliran plastik yang tinggi yang diamati pada bahan logam bahkan pada suhu rendah, yaitu jauh di bawah titik leleh bahan logam.Kombinasi getaran ultrasonik dan tekanan menyebabkan migrasi batas butir lokal tingkat tinggi dan rekristalisasi tanpa peningkatan suhu yang signifikan yang secara tradisional dikaitkan dengan bahan curah.Selama pembuatan rakitan akhir, fenomena ini dapat digunakan untuk menyematkan komponen aktif dan pasif di antara lapisan foil logam, lapis demi lapis.Elemen seperti serat optik 49, penguat 46, elektronik 50 dan termokopel (pekerjaan ini) telah berhasil diintegrasikan ke dalam struktur UAM untuk membuat rakitan komposit aktif dan pasif.
Dalam karya ini, kemampuan pengikatan material yang berbeda dan kemampuan interkalasi UAM digunakan untuk membuat mikroreaktor yang ideal untuk kontrol suhu katalitik.
Dibandingkan dengan paladium (Pd) dan katalis logam lain yang umum digunakan, katalisis Cu memiliki beberapa keunggulan: (i) Secara ekonomi, Cu lebih murah daripada banyak logam lain yang digunakan dalam katalisis dan oleh karena itu merupakan pilihan yang menarik untuk industri kimia (ii) kisaran reaksi penggandengan silang yang dikatalisis Cu meluas dan tampaknya agak melengkapi metodologi berbasis Pd51, 52, 53 (iii) Reaksi yang dikatalisis Cu bekerja dengan baik tanpa adanya ligan lain.Ligan ini seringkali secara struktural sederhana dan tidak mahal.jika diinginkan, sedangkan yang digunakan dalam kimia Pd seringkali kompleks, mahal, dan peka udara (iv) Cu, terutama dikenal karena kemampuannya untuk mengikat alkuna dalam sintesis, seperti kopling katalis bimetalik Sonogashira dan sikloadisi dengan azida (kimia klik) (v) Cu juga dapat mempromosikan arilasi beberapa nukleofil dalam reaksi tipe-Ullmann.
Baru-baru ini, contoh heterogenisasi dari semua reaksi ini dengan adanya Cu(0) telah diperlihatkan.Hal ini sebagian besar disebabkan oleh industri farmasi dan meningkatnya fokus pada pemulihan dan penggunaan kembali katalis logam55,56.
Reaksi sikloadisi 1,3-dipolar antara asetilena dan azida menjadi 1,2,3-triazol, pertama kali diusulkan oleh Huisgen pada tahun 1960-an57, dianggap sebagai reaksi demonstrasi sinergis.Fragmen 1,2,3 triazol yang dihasilkan sangat menarik sebagai farmakofor dalam penemuan obat karena aplikasi biologisnya dan penggunaannya dalam berbagai agen terapeutik 58 .
Reaksi ini mendapat perhatian baru ketika Sharpless dan yang lainnya memperkenalkan konsep “kimia klik”59.Istilah "kimia klik" digunakan untuk menggambarkan serangkaian reaksi yang kuat dan selektif untuk sintesis cepat senyawa baru dan pustaka kombinatorial menggunakan ikatan heteroatomik (CXC)60.Daya tarik sintetik dari reaksi ini adalah karena tingginya hasil yang terkait dengannya.kondisinya sederhana, ketahanan terhadap oksigen dan air, dan pemisahan produk sederhana61.
Sikloadisi Huisgen 1,3-dipol klasik tidak termasuk dalam kategori "kimia klik".Namun, Medali dan Sharpless menunjukkan bahwa peristiwa kopling azida-alkuna ini mengalami 107–108 dengan adanya Cu(I) dibandingkan dengan percepatan yang signifikan dalam laju sikloadisi 1,3-dipolar non-katalitik 62,63.Mekanisme reaksi lanjutan ini tidak memerlukan gugus pelindung atau kondisi reaksi yang keras dan memberikan konversi dan selektivitas yang hampir lengkap menjadi 1,4-disubstitusi 1,2,3-triazol (anti-1,2,3-triazol) dari waktu ke waktu (Gbr. 3 ).
Hasil isometrik dari sikloadisi Huisgen konvensional dan yang dikatalisis tembaga.Cu(I)-catalyzed Huisgen cycloadditions hanya menghasilkan 1,4-disubstitusi 1,2,3-triazoles, sementara sikloadisi Huisgen yang diinduksi secara termal biasanya menghasilkan 1,4- dan 1,5-triazoles campuran stereoisomer azole 1:1.
Sebagian besar protokol melibatkan reduksi sumber Cu(II) yang stabil, seperti reduksi CuSO4 atau senyawa Cu(II)/Cu(0) yang dikombinasikan dengan garam natrium.Dibandingkan dengan reaksi yang dikatalisis logam lainnya, penggunaan Cu(I) memiliki keuntungan utama yaitu tidak mahal dan mudah ditangani.
Studi kinetik dan isotop oleh Worrell et al.65 telah menunjukkan bahwa dalam kasus alkin terminal, dua ekuivalen tembaga terlibat dalam mengaktifkan reaktivitas setiap molekul sehubungan dengan azida.Mekanisme yang diusulkan berlangsung melalui cincin logam tembaga beranggota enam yang dibentuk oleh koordinasi azida menjadi asetilida tembaga berikatan σ dengan tembaga berikatan π sebagai ligan donor yang stabil.Turunan triazolil tembaga terbentuk akibat kontraksi cincin yang diikuti dekomposisi proton membentuk produk triazol dan menutup siklus katalitik.
Sementara manfaat dari perangkat kimia aliran didokumentasikan dengan baik, ada keinginan untuk mengintegrasikan alat analitik ke dalam sistem ini untuk pemantauan proses secara real-time in situ66,67.UAM telah terbukti menjadi metode yang cocok untuk merancang dan membuat reaktor aliran 3D yang sangat kompleks dari bahan konduktif termal yang aktif secara katalitik dengan elemen penginderaan yang tertanam langsung (Gbr. 4).
Reaktor aliran aluminium-tembaga diproduksi oleh manufaktur aditif ultrasonik (UAM) dengan struktur saluran internal yang kompleks, termokopel bawaan, dan ruang reaksi katalitik.Untuk memvisualisasikan jalur cairan internal, prototipe transparan yang dibuat menggunakan stereolitografi juga diperlihatkan.
Untuk memastikan bahwa reaktor dibuat untuk reaksi organik di masa mendatang, pelarut harus dipanaskan dengan aman di atas titik didihnya;mereka diuji tekanan dan suhu.Pengujian tekanan menunjukkan bahwa sistem mempertahankan tekanan yang stabil dan konstan bahkan pada tekanan tinggi dalam sistem (1,7 MPa).Uji hidrostatik dilakukan pada suhu kamar menggunakan H2O sebagai cairan.
Menghubungkan termokopel bawaan (Gambar 1) ke pencatat data suhu menunjukkan bahwa suhu termokopel adalah 6 °C (± 1 °C) di bawah suhu terprogram dalam sistem FlowSyn.Biasanya, kenaikan suhu 10°C menggandakan laju reaksi, sehingga perbedaan suhu beberapa derajat saja dapat mengubah laju reaksi secara signifikan.Perbedaan ini disebabkan oleh hilangnya suhu di seluruh RPV karena difusivitas termal yang tinggi dari bahan yang digunakan dalam proses pembuatan.Penyimpangan termal ini konstan dan oleh karena itu dapat diperhitungkan saat menyiapkan peralatan untuk memastikan tercapainya suhu yang akurat dan diukur selama reaksi.Dengan demikian, alat pemantauan online ini memfasilitasi kontrol suhu reaksi yang ketat dan berkontribusi pada optimalisasi proses yang lebih tepat dan pengembangan kondisi optimal.Sensor ini juga dapat digunakan untuk mendeteksi reaksi eksotermik dan mencegah reaksi tak terkendali dalam sistem berskala besar.
Reaktor yang disajikan dalam makalah ini adalah contoh pertama dari penerapan teknologi UAM untuk pembuatan reaktor kimia dan mengatasi beberapa keterbatasan utama yang saat ini terkait dengan pencetakan AM/3D dari perangkat ini, seperti: (i) Mengatasi masalah yang dicatat terkait dengan pemrosesan paduan tembaga atau aluminium (ii) resolusi saluran internal yang lebih baik dibandingkan dengan metode peleburan bedak bubuk (PBF) seperti peleburan laser selektif (SLM)25,69 Aliran material yang buruk dan tekstur permukaan yang kasar26 (iii) suhu pemrosesan yang lebih rendah, yang memfasilitasi sensor penghubung langsung, yang tidak mungkin dalam teknologi bedak bubuk, (v) mengatasi sifat mekanik yang buruk dan sensitivitas komponen berbasis polimer terhadap berbagai pelarut organik umum17,19.
Fungsionalitas reaktor ditunjukkan oleh serangkaian reaksi sikloadisi alkinazida yang dikatalisis tembaga dalam kondisi aliran kontinu (Gbr. 2).Reaktor tembaga cetak ultrasonik ditunjukkan pada gambar.4 diintegrasikan dengan sistem aliran komersial dan digunakan untuk mensintesis perpustakaan azida dari berbagai 1,4-disubstitusi 1,2,3-triazol menggunakan reaksi asetilena dan gugus alkil halida yang dikontrol suhu dengan adanya natrium klorida (Gbr. 3).Penggunaan pendekatan aliran kontinu mengurangi masalah keamanan yang dapat muncul dalam proses batch, karena reaksi ini menghasilkan intermediet azida yang sangat reaktif dan berbahaya [317], [318].Awalnya, reaksi dioptimalkan untuk sikloadisi fenilasetilena dan iodoetana (Skema 1 – Sikladisi fenilasetena dan iodoetana) (lihat Gambar 5).
(Kiri atas) Skema pengaturan yang digunakan untuk menggabungkan reaktor 3DP ke dalam sistem aliran (kanan atas) yang diperoleh dari skema optimal (bawah) skema sikloadisi Huisgen 57 antara fenilasetena dan iodoetana untuk pengoptimalan dan menunjukkan parameter laju konversi yang dioptimalkan dari reaksi.
Dengan mengontrol waktu tinggal reaktan di bagian katalitik reaktor dan memantau suhu reaksi secara hati-hati dengan sensor termokopel yang terintegrasi langsung, kondisi reaksi dapat dioptimalkan dengan cepat dan akurat dengan waktu dan bahan minimum.Dengan cepat ditemukan bahwa konversi tertinggi dicapai dengan menggunakan waktu tinggal 15 menit dan suhu reaksi 150°C.Dapat dilihat dari plot koefisien perangkat lunak MODDE bahwa waktu tinggal dan suhu reaksi dianggap sebagai kondisi penting dari model.Menjalankan pengoptimal bawaan menggunakan kondisi yang dipilih ini menciptakan serangkaian kondisi reaksi yang dirancang untuk memaksimalkan area puncak produk sekaligus mengurangi area puncak material awal.Pengoptimalan ini menghasilkan konversi produk triazol sebesar 53%, yang sama persis dengan prediksi model sebesar 54%.