Matur nuwun sampun ngunjungi Nature.com. Versi browser sing sampeyan gunakake nduweni dhukungan CSS sing winates. Kanggo pengalaman sing paling apik, disaranake sampeyan nggunakake browser sing wis dianyari (utawa mateni Mode Kompatibilitas ing Internet Explorer). Kangge, kanggo njamin dhukungan sing terus-terusan, kita bakal nampilake situs tanpa gaya lan JavaScript.
Korsel sing nampilake telung slide bebarengan. Gunakake tombol Sadurunge lan Sabanjure kanggo pindhah ing telung slide sekaligus, utawa gunakake tombol slider ing pungkasan kanggo pindhah ing telung slide sekaligus.
Manufaktur aditif ngowahi cara para peneliti lan industrialis ngrancang lan nggawe piranti kimia kanggo nyukupi kabutuhan khusus. Ing makalah iki, kita nglaporake conto pisanan saka reaktor aliran sing dibentuk dening laminasi manufaktur aditif ultrasonik (UAM) saka lembaran logam padat kanthi bagean katalitik lan elemen sensor sing terintegrasi langsung. Teknologi UAM ora mung ngatasi akeh watesan sing saiki ana gandhengane karo manufaktur aditif reaktor kimia, nanging uga ngembangake kemampuan piranti kasebut. Sawetara senyawa 1,2,3-triazol 1,4-disubstitusi sing penting sacara biologis wis kasil disintesis lan dioptimalake dening reaksi sikloadisi Huisgen 1,3-dipolar sing dimediasi Cu nggunakake fasilitas kimia UAM. Nggunakake sifat unik UAM lan pangolahan aliran terus-terusan, piranti kasebut bisa ngatalisis reaksi sing terus-terusan uga menehi umpan balik wektu nyata kanggo ngawasi lan ngoptimalake reaksi.
Amarga kaluwihane sing signifikan tinimbang kimia massal, kimia aliran minangka bidang sing penting lan berkembang ing lingkungan akademik lan industri amarga kemampuane kanggo nambah selektivitas lan efisiensi sintesis kimia. Iki wiwit saka pembentukan molekul organik sederhana1 nganti senyawa farmasi2,3 lan produk alami4,5,6. Luwih saka 50% reaksi ing industri kimia lan farmasi sing apik bisa entuk manfaat saka aliran terus7.
Ing taun-taun pungkasan, ana tren sing saya tambah akeh saka klompok sing pengin ngganti peralatan gelas utawa kimia aliran tradisional karo "reaktor" kimia sing bisa adaptasi8. Desain iteratif, manufaktur sing cepet, lan kemampuan telung dimensi (3D) saka metode kasebut migunani kanggo wong-wong sing pengin ngatur piranti kanggo sakumpulan reaksi, piranti, utawa kahanan tartamtu. Nganti saiki, karya iki meh fokus sacara eksklusif ing panggunaan teknik pencetakan 3D berbasis polimer kayata stereolitografi (SL)9,10,11, Fused Deposition Modeling (FDM)8,12,13,14 lan pencetakan inkjet7,15., 16. Kurange linuwih lan kemampuan piranti kasebut kanggo nindakake macem-macem reaksi/analisis kimia17, 18, 19, 20 minangka faktor pembatas utama kanggo aplikasi AM sing luwih akeh ing lapangan iki17, 18, 19, 20.
Amarga panggunaan kimia aliran sing saya tambah lan sifat-sifat sing disenengi sing ana gandhengane karo AM, teknik sing luwih apik kudu dieksplorasi sing bakal ngidini pangguna nggawe wadhah reaksi aliran kanthi kemampuan kimia lan analitis sing luwih apik. Metode kasebut kudu ngidini pangguna milih saka macem-macem bahan kekuatan dhuwur utawa fungsional sing bisa dioperasikake ing macem-macem kahanan reaksi, uga nggampangake macem-macem bentuk output analitis saka piranti kasebut kanggo ngaktifake pemantauan lan kontrol reaksi.
Salah sawijining proses manufaktur aditif sing bisa digunakake kanggo ngembangake reaktor kimia khusus yaiku Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM). Metode laminasi lembaran solid-state iki ngetrapake getaran ultrasonik menyang foil logam tipis kanggo ngiket lapisan demi lapisan kanthi pemanasan volumetrik minimal lan tingkat aliran plastik sing dhuwur 21, 22, 23. Ora kaya umume teknologi AM liyane, UAM bisa diintegrasi langsung karo produksi subtraktif, sing dikenal minangka proses manufaktur hibrida, ing ngendi panggilingan kontrol numerik in-situ (CNC) periodik utawa pangolahan laser nemtokake bentuk bersih lapisan bahan sing diiket 24, 25. Iki tegese pangguna ora diwatesi mung masalah sing ana gandhengane karo mbusak bahan bangunan asli sisa saka saluran cairan cilik, sing asring kedadeyan ing sistem bubuk lan cairan AM26,27,28. Kebebasan desain iki uga ngluwihi pilihan bahan sing kasedhiya - UAM bisa ngiket kombinasi bahan sing padha lan ora padha sacara termal ing siji langkah proses. Pilihan kombinasi bahan ngluwihi proses peleburan tegese syarat mekanik lan kimia saka aplikasi tartamtu bisa luwih dipenuhi. Saliyané ikatan padat, fenomena liyané sing kedadeyan karo ikatan ultrasonik yaiku fluiditas bahan plastik sing dhuwur ing suhu sing relatif rendah29,30,31,32,33. Fitur unik UAM iki ngidini elemen mekanik/termal diselehake ing antarane lapisan logam tanpa kerusakan. Sensor UAM sing disemat bisa nggampangake pangiriman informasi wektu nyata saka piranti menyang pangguna liwat analitik terintegrasi.
Karya sadurungé déning para penulis32 nduduhaké kemampuan proses UAM kanggo nggawé struktur mikrofluida 3D logam kanthi kemampuan penginderaan sing dipasang. Piranti iki mung kanggo tujuan pemantauan. Artikel iki nampilake conto pisanan saka reaktor kimia mikrofluida sing diprodhuksi déning UAM, piranti aktif sing ora mung ngontrol nanging uga ngindhuksi sintesis kimia kanthi bahan katalitik sing terintegrasi sacara struktural. Piranti iki nggabungake sawetara kaluwihan sing ana gandhèngané karo teknologi UAM ing pabrikasi piranti kimia 3D, kayata: kemampuan kanggo ngowahi desain 3D lengkap langsung saka model desain sing dibantu komputer (CAD) dadi produk; fabrikasi multi-bahan kanggo kombinasi konduktivitas termal sing dhuwur lan bahan katalitik, uga sensor termal sing dipasang langsung ing antarane aliran reaktan kanggo kontrol lan manajemen suhu reaksi sing tepat. Kanggo nduduhaké fungsi reaktor, perpustakaan senyawa 1,2,3-triazol 1,4-disubstitusi sing penting sacara farmasi disintesis déning sikloadisi Huisgen 1,3-dipolar sing dikatalisis tembaga. Karya iki nyoroti kepiye panggunaan ilmu material lan desain sing dibantu komputer bisa mbukak kemungkinan lan kesempatan anyar kanggo kimia liwat riset interdisipliner.
Kabeh pelarut lan reagen dituku saka Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI, utawa Fischer Scientific lan digunakake tanpa pemurnian sadurunge. Spektrum 1H lan 13C NMR sing direkam ing 400 lan 100 MHz, masing-masing, dipikolehi ing spektrometer JEOL ECS-400 400 MHz utawa spektrometer Bruker Avance II 400 MHz kanthi CDCl3 utawa (CD3)2SO4 minangka pelarut. Kabeh reaksi ditindakake nggunakake platform kimia aliran Uniqsis FlowSyn.
UAM digunakake kanggo nggawe kabeh piranti ing panliten iki. Teknologi iki ditemokake ing taun 1999 lan rincian teknis, parameter operasi, lan pangembangan wiwit penemuan kasebut bisa disinaoni nggunakake materi sing diterbitake ing ngisor iki34,35,36,37. Piranti kasebut (Gambar 1) diimplementasikake nggunakake sistem UAM SonicLayer 4000® 9 kW tugas berat (Fabrisonic, Ohio, USA). Bahan sing dipilih kanggo piranti aliran yaiku Cu-110 lan Al 6061. Cu-110 nduweni kandungan tembaga sing dhuwur (minimal 99,9% tembaga), saengga dadi kandidat sing apik kanggo reaksi sing dikatalisis tembaga lan mulane digunakake minangka "lapisan aktif ing njero mikroreaktor. Al 6061 O digunakake minangka bahan "curah". , uga lapisan interkalasi sing digunakake kanggo analisis; interkalasi komponen paduan bantu lan kahanan anil sing digabungake karo lapisan Cu-110. ditemokake stabil sacara kimia karo reagen sing digunakake ing karya iki. Al 6061 O digabungake karo Cu-110 uga dianggep minangka kombinasi bahan sing kompatibel kanggo UAM lan mulane minangka bahan sing cocog kanggo panliten iki 38,42. Piranti kasebut kadhaptar ing Tabel 1 ing ngisor iki.
Langkah-langkah fabrikasi reaktor (1) Substrat paduan aluminium 6061 (2) Fabrikasi saluran ngisor saka foil tembaga (3) Pemasangan termokopel antarane lapisan (4) Saluran ndhuwur (5) Saluran mlebu lan metu (6) Reaktor monolitik.
Filosofi desain saluran cairan yaiku nggunakake jalur sing berliku-liku kanggo nambah jarak sing ditempuh cairan ing njero chip nalika njaga ukuran chip sing bisa diatur. Peningkatan jarak iki dikarepake kanggo nambah wektu kontak katalis-reaktan lan nyedhiyakake asil produk sing apik banget. Chip kasebut nggunakake lengkungan 90° ing ujung jalur lurus kanggo nyebabake pencampuran turbulen ing piranti44 lan nambah wektu kontak cairan karo permukaan (katalis). Kanggo luwih ningkatake pencampuran sing bisa digayuh, desain reaktor kalebu rong saluran masuk reaktan sing digabungake ing sambungan-Y sadurunge mlebu ing bagean koil pencampuran. Pintu mlebu katelu, sing nyebrang aliran ing tengah-tengah residensi, kalebu ing rencana kanggo reaksi sintesis multi-tahap ing mangsa ngarep.
Kabeh saluran duwe profil kothak (ora ana sudut lancip), sing minangka asil saka panggilingan CNC periodik sing digunakake kanggo nggawe geometri saluran. Dimensi saluran dipilih kanggo nyedhiyakake asil volumetrik sing dhuwur (kanggo mikroreaktor), nanging cukup cilik kanggo nggampangake interaksi karo permukaan (katalis) kanggo sebagian besar cairan sing ana ing njero. Ukuran sing cocog adhedhasar pengalaman penulis sadurunge karo piranti reaksi logam-cair. Dimensi internal saluran pungkasan yaiku 750 µm x 750 µm lan volume total reaktor yaiku 1 ml. Konektor internal (benang UNF 1/4″-28) kalebu ing desain kanggo nggampangake antarmuka piranti karo peralatan kimia aliran komersial. Ukuran saluran diwatesi dening kekandelan bahan foil, sifat mekanik, lan parameter ikatan sing digunakake karo ultrasonik. Ing jembar tartamtu kanggo bahan sing diwenehake, bahan kasebut bakal "melorot" menyang saluran sing digawe. Saiki durung ana model khusus kanggo pitungan iki, mula jembar saluran maksimum kanggo bahan lan desain tartamtu ditemtokake kanthi eksperimen, ing ngendi jembar 750 µm ora bakal nyebabake kendur.
Wangun (persegi) saluran ditemtokake nggunakake pemotong persegi. Wangun lan ukuran saluran bisa diganti ing mesin CNC nggunakake alat pemotong sing beda kanggo entuk tingkat aliran lan karakteristik sing beda. Conto nggawe saluran mlengkung nganggo alat 125 µm bisa ditemokake ing Monaghan45. Nalika lapisan foil ditrapake rata, aplikasi bahan foil menyang saluran bakal duwe permukaan sing rata (persegi). Ing karya iki, kontur persegi digunakake kanggo njaga simetri saluran.
Sajrone jeda produksi sing diprogram, sensor suhu termokopel (tipe K) dipasang langsung ing piranti antarane klompok saluran ndhuwur lan ngisor (Gambar 1 - tahap 3). Termokopel iki bisa ngontrol owah-owahan suhu saka -200 nganti 1350 °C.
Proses pengendapan logam ditindakake dening tanduk UAM nggunakake foil logam kanthi jembar 25,4 mm lan kandel 150 mikron. Lapisan foil iki disambungake ing seri strip sing jejer kanggo nutupi kabeh area bangunan; ukuran bahan sing diendapkan luwih gedhe tinimbang produk pungkasan amarga proses pengurangan nggawe bentuk pungkasan sing resik. Mesin CNC digunakake kanggo mesin kontur eksternal lan internal peralatan, sing ngasilake permukaan peralatan lan saluran sing cocog karo alat sing dipilih lan parameter proses CNC (ing conto iki, udakara 1,6 µm Ra). Siklus penyemprotan lan mesin ultrasonik sing terus-terusan lan terus-terusan digunakake ing saindenging proses manufaktur piranti kanggo njamin akurasi dimensi tetep dijaga lan bagean sing wis rampung memenuhi tingkat presisi panggilingan halus CNC. Jembar saluran sing digunakake kanggo piranti iki cukup cilik kanggo njamin manawa bahan foil ora "melorot" ing saluran cairan, saengga saluran kasebut duwe penampang persegi. Celah sing bisa kedadeyan ing bahan foil lan parameter proses UAM ditemtokake kanthi eksperimen dening mitra manufaktur (Fabrisonic LLC, USA).
Panliten nuduhake yen ing antarmuka 46, 47 senyawa UAM ana difusi unsur sing sithik tanpa perawatan panas tambahan, mula kanggo piranti ing karya iki lapisan Cu-110 tetep beda karo lapisan Al 6061 lan owah kanthi dramatis.
Pasang regulator tekanan balik (BPR) sing wis dikalibrasi sadurunge ing 250 psi (1724 kPa) ing sisih hilir reaktor lan pompa banyu liwat reaktor kanthi kecepatan 0,1 nganti 1 ml min-1. Tekanan reaktor dipantau nggunakake transduser tekanan FlowSyn sing dibangun ing sistem kanggo mesthekake yen sistem bisa njaga tekanan sing tetep. Gradien suhu potensial ing reaktor aliran diuji kanthi nggoleki bedane antarane termokopel sing dibangun ing reaktor lan termokopel sing dibangun ing pelat pemanas chip FlowSyn. Iki ditindakake kanthi ngganti suhu hotplate sing diprogram antarane 100 lan 150 °C kanthi kenaikan 25 °C lan ngawasi bedane antarane suhu sing diprogram lan sing direkam. Iki ditindakake nggunakake data logger tc-08 (PicoTech, Cambridge, UK) lan piranti lunak PicoLog sing diiringi.
Kondisi kanggo reaksi sikloadisi fenilasetilena lan iodoetana dioptimalake (Skema 1-Sikloadisi fenilasetilena lan iodoetana, Skema 1-Sikloadisi fenilasetilena lan iodoetana). Optimasi iki ditindakake nggunakake pendekatan desain eksperimen faktorial lengkap (DOE), nggunakake suhu lan wektu tinggal minangka variabel nalika ndandani rasio alkuna:azida ing 1:2.
Larutan natrium azida (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), iodoetana (0,25 M, DMF), lan feniletasetilena (0,125 M, DMF) sing kapisah disiapake. Alikuot 1,5 ml saben larutan dicampur lan dipompa liwat reaktor kanthi laju aliran lan suhu sing dikarepake. Respon model dijupuk minangka rasio area puncak produk triazol karo bahan awal feniletasetilena lan ditemtokake nggunakake kromatografi cair kinerja dhuwur (HPLC). Kanggo konsistensi analisis, kabeh reaksi dijupuk langsung sawise campuran reaksi metu saka reaktor. Rentang parameter sing dipilih kanggo optimasi dituduhake ing Tabel 2.
Kabeh sampel dianalisis nggunakake sistem Chromaster HPLC (VWR, PA, USA) sing kasusun saka pompa kuaterner, oven kolom, detektor UV dawa gelombang variabel lan autosampler. Kolom kasebut yaiku Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA), 4,6 x 100 mm, ukuran partikel 5 µm, dijaga ing suhu 40°C. Pelarute yaiku metanol isokratik:banyu 50:50 kanthi laju aliran 1,5 ml·min-1. Volume injeksi yaiku 5 μl lan dawa gelombang detektor yaiku 254 nm. % area puncak kanggo sampel DOE diitung saka area puncak produk alkuna lan triazol residual wae. Pengenalan bahan awal ngidini kanggo ngenali puncak sing cocog.
Nggabungake asil analisis reaktor karo piranti lunak MODDE DOE (Umetrics, Malmö, Swedia) ngidini analisis tren sing tliti babagan asil lan nemtokake kahanan reaksi optimal kanggo sikloadisi iki. Nglakokake pengoptimal bawaan lan milih kabeh istilah model penting nggawe sakumpulan kahanan reaksi sing dirancang kanggo ngoptimalake area puncak produk nalika nyuda area puncak kanggo bahan baku asetilena.
Oksidasi permukaan tembaga ing ruang reaksi katalitik ditindakake nggunakake larutan hidrogen peroksida (36%) sing mili liwat ruang reaksi (laju aliran = 0,4 ml min-1, wektu tinggal = 2,5 menit) sadurunge sintesis saben senyawa triazol.
Sawise kahanan optimal ditemtokake, kahanan kasebut diterapake ing sawetara turunan asetilena lan haloalkana kanggo ngidini kompilasi perpustakaan sintesis cilik, saengga netepake kemungkinan kanggo ngetrapake kahanan kasebut menyang macem-macem reagen potensial (Gambar 1). 2).
Siapke larutan natrium azida (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), haloalkana (0,25 M, DMF), lan alkuna (0,125 M, DMF) sing kapisah. Alikuot 3 ml saben larutan dicampur lan dipompa liwat reaktor kanthi kecepatan 75 µl/menit lan suhu 150°C. Kabeh volume dikumpulake ing vial lan diencerake karo 10 ml etil asetat. Larutan sampel dikumbah nganggo 3 x 10 ml banyu. Lapisan banyu digabungake lan diekstrak karo 10 ml etil asetat, banjur lapisan organik digabungake, dikumbah nganggo 3 × 10 ml brine, dikeringake nganggo MgSO4 lan disaring, banjur pelarut dicopot ing vakum. Sampel dimurnèkaké nganggo kromatografi kolom gel silika nggunakake etil asetat sadurunge dianalisis kanthi kombinasi HPLC, 1H NMR, 13C NMR lan spektrometri massa resolusi dhuwur (HR-MS).
Kabeh spektrum dipikolehi nggunakake spektrometer massa Thermofischer Precision Orbitrap kanthi ESI minangka sumber ionisasi. Kabeh sampel disiapake nggunakake asetonitril minangka pelarut.
Analisis TLC ditindakake ing piring silika nganggo substrat aluminium. Piring-piring kasebut divisualisasikake nganggo cahya UV (254 nm) utawa pewarnaan vanilin lan dipanasake.
Kabeh sampel dianalisis nggunakake sistem VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) sing dilengkapi autosampler, pompa biner nganggo oven kolom, lan detektor dawa gelombang tunggal. Kolom ACE Equivalence 5 C18 (150 x 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Skotlandia) digunakake.
Injeksi (5 µl) digawe langsung saka campuran reaksi mentah sing diencerake (pengenceran 1:10) lan dianalisis nganggo banyu: metanol (50:50 utawa 70:30), kajaba sawetara sampel sing nggunakake sistem pelarut 70:30 (dilambangake minangka nomer lintang) kanthi laju aliran 1,5 ml/menit. Kolom dijaga ing suhu 40°C. Dawane gelombang detektor yaiku 254 nm.
Area puncak % sampel diitung saka area puncak alkuna residual, mung produk triazol, lan introduksi bahan awal nggampangake identifikasi puncak sing cocog.
Kabeh sampel dianalisis nggunakake Thermo iCAP 6000 ICP-OES. Kabeh standar kalibrasi disiapake nggunakake larutan standar Cu 1000 ppm ing asam nitrat 2% (SPEX Certi Prep). Kabeh standar disiapake ing larutan 5% DMF lan 2% HNO3, lan kabeh sampel diencerake kaping 20 nganggo larutan sampel DMF-HNO3.
UAM nggunakake pengelasan logam ultrasonik minangka cara kanggo nggabungake foil logam sing digunakake kanggo nggawe perakitan pungkasan. Pengelasan logam ultrasonik nggunakake alat logam sing geter (disebut sungu utawa sungu ultrasonik) kanggo menehi tekanan menyang foil/lapisan sing wis dikonsolidasi sadurunge supaya bisa diikat/dikonsolidasi sadurunge kanthi nggeterake materi kasebut. Kanggo operasi terus-terusan, sonotrode nduweni bentuk silinder lan muter ing permukaan materi, nglem kabeh area. Nalika tekanan lan getaran ditrapake, oksida ing permukaan materi bisa retak. Tekanan lan getaran sing tetep bisa nyebabake karusakan kekasaran materi 36. Kontak sing cedhak karo panas lan tekanan lokal banjur nyebabake ikatan fase padat ing antarmuka materi; uga bisa ningkatake kohesi kanthi ngganti energi permukaan 48. Sifat mekanisme ikatan ngatasi akeh masalah sing ana gandhengane karo suhu leleh variabel lan efek suhu dhuwur sing kasebut ing teknologi manufaktur aditif liyane. Iki ngidini sambungan langsung (yaiku tanpa modifikasi permukaan, pengisi utawa perekat) saka sawetara lapisan bahan sing beda dadi struktur konsolidasi tunggal.
Faktor kapindho sing nguntungake kanggo CAM yaiku tingkat aliran plastik sing dhuwur sing diamati ing bahan logam sanajan ing suhu sing endhek, yaiku ing ngisor titik leleh bahan logam. Kombinasi getaran ultrasonik lan tekanan nyebabake tingkat migrasi wates butir lokal lan rekristalisasi sing dhuwur tanpa kenaikan suhu sing signifikan sing biasane ana gandhengane karo bahan curah. Sajrone nggawe perakitan pungkasan, fenomena iki bisa digunakake kanggo nyemat komponen aktif lan pasif ing antarane lapisan foil logam, lapisan demi lapisan. Unsur kayata serat optik 49, tulangan 46, elektronik 50 lan termokopel (karya iki) wis kasil diintegrasi menyang struktur UAM kanggo nggawe rakitan komposit aktif lan pasif.
Ing karya iki, kemampuan pengikatan materi sing beda lan kemampuan interkalasi UAM digunakake kanggo nggawe mikroreaktor sing ideal kanggo kontrol suhu katalitik.
Dibandhingake karo paladium (Pd) lan katalis logam liyane sing umum digunakake, katalisis Cu nduweni sawetara kaluwihan: (i) Sacara ekonomi, Cu luwih murah tinimbang akeh logam liyane sing digunakake ing katalisis lan mulane dadi pilihan sing menarik kanggo industri kimia (ii) macem-macem reaksi cross-coupling sing dikatalisis Cu saya tambah akeh lan katon rada komplementer karo metodologi adhedhasar Pd51, 52, 53 (iii) Reaksi sing dikatalisis Cu bisa digunakake kanthi apik tanpa ligan liyane. Ligan iki asring prasaja sacara struktural lan murah. yen dikarepake, dene sing digunakake ing kimia Pd asring kompleks, larang, lan sensitif marang udara (iv) Cu, utamane dikenal amarga kemampuane kanggo ngiket alkuna ing sintesis, kayata kopling sing dikatalisis bimetalik Sonogashira lan sikloadisi karo azida (kimia klik) (v) Cu uga bisa ningkatake arilasi sawetara nukleofil ing reaksi tipe Ullmann.
Bubar iki, conto heterogenisasi kabeh reaksi iki ing ngarsane Cu(0) wis dituduhake. Iki sebagian besar amarga industri farmasi lan fokus sing saya tambah kanggo mbalekake lan nggunakake maneh katalis logam55,56.
Reaksi sikloadisi 1,3-dipolar antarane asetilena lan azida dadi 1,2,3-triazol, sing pisanan diusulake dening Huisgen ing taun 1960-an57, dianggep minangka reaksi demonstrasi sinergis. Fragmen 1,2,3 triazol sing diasilake nduweni minat khusus minangka farmakofor ing panemuan obat amarga aplikasi biologis lan panggunaan ing macem-macem agen terapeutik 58.
Reaksi iki entuk perhatian anyar nalika Sharpless lan liya-liyane ngenalake konsep "kimia klik"59. Istilah "kimia klik" digunakake kanggo njlèntrèhaké sakumpulan reaksi sing kuat lan selektif kanggo sintesis senyawa anyar lan perpustakaan kombinatorial kanthi cepet nggunakake ikatan heteroatomik (CXC)60. Daya tarik sintetik saka reaksi kasebut amarga asil sing dhuwur sing ana gandhengane karo reaksi kasebut. kahanane prasaja, tahan marang oksigen lan banyu, lan pamisahan produke prasaja61.
Sikloaddisi Huisgen 1,3-dipol klasik ora kalebu kategori "kimia klik". Nanging, Medal lan Sharpless nduduhake manawa kedadeyan kopling azida-alkuna iki ngalami 107-108 ing ngarsane Cu(I) dibandhingake karo akselerasi sing signifikan ing tingkat sikloaddisi 1,3-dipolar non-katalitik 62,63. Mekanisme reaksi canggih iki ora mbutuhake klompok perlindungan utawa kahanan reaksi sing atos lan nyedhiyakake konversi lan selektivitas sing meh lengkap menyang 1,2,3-triazol sing ora tersubstitusi (anti-1,2,3-triazol) sajrone wektu (Gambar 3).
Asil isometrik saka sikloadisi Huisgen konvensional lan sing dikatalisis tembaga. Sikloadisi Huisgen sing dikatalisis Cu(I) mung ngasilake 1,4-dissubstitusi 1,2,3-triazol, dene sikloadisi Huisgen sing diinduksi termal biasane ngasilake campuran stereoisomer azol 1:1 kanggo 1,4- lan 1,5-triazol.
Umume protokol nglibatake reduksi sumber Cu(II) sing stabil, kayata reduksi CuSO4 utawa senyawa Cu(II)/Cu(0) sing digabungake karo uyah natrium. Dibandhingake karo reaksi katalis logam liyane, panggunaan Cu(I) nduweni kaluwihan utama yaiku murah lan gampang ditangani.
Panliten kinetik lan isotop dening Worrell et al. 65 nuduhake yen ing kasus alkuna terminal, rong padanan tembaga melu ngaktifake reaktivitas saben molekul gegayutan karo azida. Mekanisme sing diusulake nerusake liwat cincin logam tembaga enem anggota sing dibentuk dening koordinasi azida karo asetilida tembaga sing ikatan σ karo tembaga sing ikatan π minangka ligan donor sing stabil. Turunan triazolil tembaga dibentuk minangka asil saka kontraksi cincin diikuti dening dekomposisi proton kanggo mbentuk produk triazol lan nutup siklus katalitik.
Sanajan mupangat saka piranti kimia aliran wis didokumentasikake kanthi apik, ana kepinginan kanggo nggabungake piranti analitis menyang sistem kasebut kanggo pemantauan proses wektu nyata ing situ66,67. UAM wis kabukten dadi metode sing cocog kanggo ngrancang lan nggawe reaktor aliran 3D sing kompleks banget saka bahan konduktif termal aktif katalitik kanthi elemen penginderaan sing dipasang langsung (Gambar 4).
Reaktor aliran aluminium-tembaga sing diprodhuksi nganggo manufaktur aditif ultrasonik (UAM) kanthi struktur saluran internal sing kompleks, termokopel internal, lan ruang reaksi katalitik. Kanggo nggambarake jalur cairan internal, prototipe transparan sing digawe nganggo stereolitografi uga ditampilake.
Kanggo mesthekake yen reaktor digawe kanggo reaksi organik ing mangsa ngarep, pelarut kudu dipanasake kanthi aman ing ndhuwur titik didih; tekanan lan suhu kasebut diuji. Pengujian tekanan nuduhake yen sistem njaga tekanan sing stabil lan konstan sanajan ing tekanan sing dhuwur ing sistem (1,7 MPa). Tes hidrostatik ditindakake ing suhu kamar nggunakake H2O minangka cairan.
Nyambungake termokopel bawaan (Gambar 1) menyang pencatat data suhu nuduhake yen suhu termokopel ana 6 °C (± 1 °C) ing ngisor suhu sing diprogram ing sistem FlowSyn. Biasane, kenaikan suhu 10 °C nggandake laju reaksi, mula bedane suhu mung sawetara derajat bisa ngganti laju reaksi kanthi signifikan. Bedane iki amarga mundhut suhu ing saindenging RPV amarga difusivitas termal sing dhuwur saka bahan sing digunakake ing proses manufaktur. Hanyutan termal iki tetep lan mulane bisa digatekake nalika nyetel peralatan kanggo mesthekake suhu sing akurat wis tekan lan diukur sajrone reaksi. Kanthi mangkono, alat pemantauan online iki nggampangake kontrol suhu reaksi sing ketat lan nyumbang kanggo optimalisasi proses sing luwih tepat lan pangembangan kahanan optimal. Sensor iki uga bisa digunakake kanggo ndeteksi reaksi eksotermik lan nyegah reaksi sing ora bisa dilalekake ing sistem skala gedhe.
Reaktor sing diwenehake ing makalah iki minangka conto pertama aplikasi teknologi UAM kanggo fabrikasi reaktor kimia lan ngatasi sawetara watesan utama sing saiki ana gandhengane karo pencetakan AM/3D piranti kasebut, kayata: (i) Ngatasi masalah sing kacathet sing ana gandhengane karo pangolahan tembaga utawa paduan aluminium (ii) resolusi saluran internal sing luwih apik dibandhingake karo metode peleburan bubuk (PBF) kayata peleburan laser selektif (SLM)25,69 Aliran materi sing kurang apik lan tekstur permukaan sing kasar26 (iii) suhu pangolahan sing luwih murah, sing nggampangake sensor sambungan langsung, sing ora bisa ditindakake ing teknologi peleburan bubuk, (v) ngatasi sifat mekanik sing kurang apik lan sensitivitas komponen berbasis polimer kanggo macem-macem pelarut organik umum17,19.
Fungsi reaktor iki dituduhake dening serangkaian reaksi sikloadisi alkinazida sing dikatalisis tembaga ing kahanan aliran terus-terusan (Gambar 2). Reaktor tembaga sing dicithak ultrasonik sing dituduhake ing gambar 4 diintegrasikan karo sistem aliran komersial lan digunakake kanggo nyintesis perpustakaan azida saka macem-macem 1,4-disubstitusi 1,2,3-triazol nggunakake reaksi asetilena lan gugus alkil halida sing dikontrol suhu ing ngarsane natrium klorida (Gambar 3). Panggunaan pendekatan aliran terus-terusan nyuda masalah keamanan sing bisa muncul ing proses batch, amarga reaksi iki ngasilake intermediet azida sing reaktif banget lan mbebayani [317], [318]. Kaping pisanan, reaksi kasebut dioptimalake kanggo sikloadisi feniletilena lan iodoetana (Skema 1 - Sikloadisi feniletilena lan iodoetana) (waca Gambar 5).
(Kiwa ndhuwur) Skema persiyapan sing digunakake kanggo nggabungake reaktor 3DP menyang sistem aliran (tengen ndhuwur) sing dipikolehi saka skema optimalisasi (ngisor) saka skema sikloadisi Huisgen 57 antarane feniletilena lan iodoetana kanggo optimalisasi lan nuduhake parameter laju konversi sing dioptimalake saka reaksi kasebut.
Kanthi ngontrol wektu tinggal reaktan ing bagean katalitik reaktor lan ngawasi suhu reaksi kanthi ati-ati nganggo sensor termokopel sing terintegrasi langsung, kondisi reaksi bisa dioptimalake kanthi cepet lan akurat kanthi wektu lan bahan minimal. Cepet ditemokake yen konversi paling dhuwur digayuh nggunakake wektu tinggal 15 menit lan suhu reaksi 150°C. Bisa dideleng saka plot koefisien piranti lunak MODDE yen wektu tinggal lan suhu reaksi dianggep minangka kondisi penting model. Nglakokake optimizer bawaan nggunakake kondisi sing dipilih iki nggawe sakumpulan kondisi reaksi sing dirancang kanggo ngoptimalake area puncak produk nalika nyuda area puncak bahan awal. Optimalisasi iki ngasilake konversi 53% saka produk triazol, sing cocog karo prediksi model 54%.