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 dianyari (utawa mateni mode kompatibilitas ing Internet Explorer). Kangge, kanggo njamin dhukungan sing terus-terusan, kita bakal nampilake situs tanpa gaya lan JavaScript.
Manufaktur aditif ngowahi cara para peneliti lan industrialis ngrancang lan nggawe piranti kimia kanggo nyukupi kabutuhan khusus. Ing karya iki, kita nglaporake conto pisanan saka reaktor aliran sing dibentuk dening teknik laminasi lembaran logam solid-state Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM) 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 nambah kemampuan piranti kasebut kanthi signifikan. Serangkaian senyawa 1,2,3-triazol 1,4-disubstitusi sing penting sacara biologis kasil disintesis lan dioptimalake dening reaksi sikloadisi Huisgen 1,3-dipolar sing dimediasi Cu nggunakake persiyapan kimia UAM. Kanthi nggunakake sifat unik UAM lan pangolahan aliran terus-terusan, piranti kasebut bisa ngatalisis reaksi sing terus-terusan nalika uga menehi umpan balik wektu nyata kanggo pemantauan lan optimalisasi reaksi.
Amarga kaluwihane sing signifikan tinimbang kimia massal, kimia aliran minangka bidang sing penting lan berkembang ing setelan akademik lan industri amarga kemampuane kanggo nambah selektivitas lan efisiensi sintesis kimia. Iki wiwit saka pembentukan molekul organik prasaja1 nganti senyawa farmasi2,3 lan produk alami4,5,6. Luwih saka 50% reaksi ing industri kimia lan farmasi sing apik bisa entuk manfaat saka panggunaan proses aliran terus7.
Ing taun-taun pungkasan, ana tren sing saya tambah akeh saka klompok sing pengin ngganti peralatan gelas utawa kimia aliran tradisional karo "wadhah reaksi" kimia manufaktur aditif (AM) sing bisa disesuaikan. Desain iteratif, produksi cepet, lan kemampuan 3 dimensi (3D) saka teknik kasebut migunani kanggo wong-wong sing pengin ngatur piranti kasebut menyang 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, pemodelan deposisi leburan (FDM)8,12,13,14 lan pencetakan inkjet7, 15, 16. Kurange kekuwatan lan kemampuan piranti kasebut kanggo nindakake macem-macem reaksi/analisis kimia17, 18, 19, 20 minangka faktor pembatas utama kanggo implementasi AM sing luwih jembar ing lapangan iki17, 18, 19, 20.
Amarga panggunaan kimia aliran sing saya tambah lan sifat-sifat sing disenengi sing ana gandhengane karo AM, ana kebutuhan kanggo njelajah teknik sing luwih maju sing ngidini pangguna nggawe wadhah reaksi aliran kanthi kemampuan kimia lan analitis sing ditingkatake. Teknik-teknik kasebut kudu ngidini pangguna milih saka macem-macem bahan sing kuat utawa fungsional sing bisa nangani macem-macem kahanan reaksi, nalika uga nggampangake macem-macem bentuk output analitis saka piranti kasebut kanggo ngidini pemantauan lan kontrol reaksi.
Salah sawijining proses manufaktur aditif sing nduweni potensi kanggo ngembangake reaktor kimia khusus yaiku Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM). Teknik laminasi lembaran solid-state iki ngetrapake osilasi ultrasonik menyang foil logam tipis supaya bisa nggabungake lapisan demi lapisan kanthi pemanasan massal minimal lan tingkat aliran plastik sing dhuwur 21, 22, 23. Ora kaya umume teknologi AM liyane, UAM bisa diintegrasi langsung karo manufaktur subtraktif, sing dikenal minangka proses manufaktur hibrida, ing ngendi panggilingan kontrol numerik komputer periodik (CNC) in-situ utawa mesin laser nemtokake bentuk bersih lapisan bahan sing diikat 24, 25. Iki tegese pangguna ora diwatesi dening masalah sing ana gandhengane karo mbusak bahan bangunan mentah residual saka saluran cairan cilik, sing asring kedadeyan karo sistem AM bubuk lan cair 26,27,28. 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 leleh tegese panjaluk mekanik lan kimia saka aplikasi tartamtu bisa luwih dipenuhi. Saliyane ikatan solid state, fenomena liyane Kedadeyan sing ditemoni sajrone ikatan ultrasonik yaiku aliran bahan plastik sing dhuwur ing suhu sing relatif endhek29,30,31,32,33. Fitur unik UAM iki bisa nggampangake penyisipan elemen mekanik/termal antarane lapisan logam tanpa kerusakan. Sensor sing dipasang ing UAM bisa nggampangake pangiriman informasi wektu nyata saka piranti menyang pangguna liwat analitik terintegrasi.
Karya penulis sadurunge32 nduduhake kemampuan proses UAM kanggo nggawe struktur mikrofluida 3D logam kanthi kemampuan penginderaan terintegrasi. Iki minangka piranti mung kanggo pemantauan. Makalah iki nampilake conto pertama reaktor kimia mikrofluida sing digawe dening UAM; piranti aktif sing ora mung ngawasi nanging uga ngindhuksi sintesis kimia liwat bahan katalis sing terintegrasi sacara struktural. Piranti kasebut nggabungake sawetara kaluwihan sing ana gandhengane karo teknologi UAM ing manufaktur piranti kimia 3D, kayata: kemampuan kanggo ngowahi desain 3D lengkap langsung saka model desain sing dibantu komputer (CAD) dadi produk; fabrikasi multi-bahan kanggo nggabungake konduktivitas termal sing dhuwur lan bahan katalitik; lan nyematkan sensor termal langsung antarane aliran reagen kanggo pemantauan lan kontrol suhu reaksi sing tepat. Kanggo nduduhake fungsi reaktor, perpustakaan senyawa 1,2,3-triazol 1,4-disubstitusi sing penting sacara farmasi disintesis dening sikloadisi Huisgen 1,3-dipolar sing dikatalisis tembaga. Karya iki nyoroti kepiye panggunaan ilmu material lan desain sing dibantu komputer bisa mbukak kesempatan lan kemungkinan anyar kanggo kimia liwat riset multidisiplin.
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 MHz lan 100 MHz, masing-masing, dipikolehi nggunakake spektrometer JEOL ECS-400 400 MHz utawa spektrometer Bruker Avance II 400 MHz lan 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 penemuane bisa disinaoni liwat materi sing diterbitake ing ngisor iki34,35,36,37. Piranti kasebut (Gambar 1) diimplementasikake nggunakake sistem UAM SonicLayer 4000® 9kW kanthi daya ultra-dhuwur (Fabrisonic, OH, USA). Bahan sing dipilih kanggo fabrikasi piranti aliran yaiku Cu-110 lan Al 6061. Cu-110 nduweni kandungan tembaga sing dhuwur (minimal 99,9% tembaga), dadi kandidat sing apik kanggo reaksi sing dikatalisis tembaga, lan mulane digunakake minangka "lapisan aktif ing mikroreaktor. Al 6061 O digunakake minangka bahan "massal", uga lapisan Embedding digunakake kanggo analisis; paduan komponen bantu embedding lan kondisi annealed digabungake karo lapisan Cu-110. Al 6061 O minangka bahan sing wis dituduhake kompatibel banget karo proses UAM38, 39, 40, 41 lan wis diuji lan ditemokake stabil sacara kimia karo reagen sing digunakake ing karya iki. Kombinasi Al 6061 O 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.
Tahap fabrikasi reaktor (1) Substrat Al 6061 (2) Fabrikasi saluran ngisor sing dipasang ing foil tembaga (3) Pemasangan termokopel antarane lapisan (4) Saluran ndhuwur (5) Inlet lan outlet (6) Reaktor monolitik.
Filosofi desain jalur fluida yaiku nggunakake jalur sing ruwet kanggo nambah jarak perjalanan fluida ing njero chip, nalika njaga chip tetep ukuran sing bisa diatur. Peningkatan jarak iki dikarepake kanggo nambah wektu interaksi katalis/reagen 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 nambah pencampuran sing bisa digayuh, desain reaktor nduweni rong saluran masuk reagen sing digabungake ing persimpangan-Y sadurunge mlebu ing bagean pencampuran serpentine. Saluran masuk katelu, sing nyebrang aliran ing tengah-tengah residensi, kalebu ing desain sintesis reaksi multilangkah ing mangsa ngarep.
Kabeh saluran duwe profil kothak (ora ana sudut draf), asil saka panggilingan CNC periodik sing digunakake kanggo nggawe geometri saluran. Dimensi saluran dipilih kanggo njamin output volume sing dhuwur (kanggo mikroreaktor), nalika cukup cilik kanggo nggampangake interaksi permukaan (katalis) kanggo sebagian besar cairan sing ana. Ukuran sing cocog adhedhasar pengalaman penulis sadurunge karo piranti logam-fluida kanggo reaksi kasebut. Dimensi internal saluran pungkasan yaiku 750 µm x 750 µm lan volume reaktor total yaiku 1 ml. Konektor terintegrasi (1/4″—28 benang UNF) kalebu ing desain kanggo ngidini antarmuka piranti sing prasaja 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 tartamtu, bahan kasebut bakal "melorot" menyang saluran sing digawe. Saiki ora ana model tartamtu kanggo pitungan iki, mula jembar saluran maksimum kanggo bahan lan desain tartamtu ditemtokake kanthi eksperimen; ing kasus iki, jembaré 750 μm ora bakal nyebabaké kendur.
Wangun (persegi) saluran ditemtokake kanthi nggunakake pemotong persegi. Wangun lan ukuran saluran bisa diowahi dening mesin CNC nggunakake alat pemotong sing beda kanggo entuk tingkat aliran lan karakteristik sing beda. Conto nggawe saluran bentuk mlengkung nggunakake alat 125 μm bisa ditemokake ing karya Monaghan45. Nalika lapisan foil diendapkan kanthi cara planar, lapisan bahan foil ing ndhuwur saluran bakal duwe lapisan sing rata (persegi). Ing karya iki, kanggo njaga simetri saluran, garis luar persegi digunakake.
Sajrone jeda sing wis diprogram sadurunge ing pabrikasi, probe suhu termokopel (Tipe K) dipasang langsung ing piranti antarane klompok saluran ndhuwur lan ngisor (Gambar 1 - Tahap 3). Termokopel iki bisa ngawasi owah-owahan suhu saka −200 nganti 1350 °C.
Proses deposisi logam ditindakake nganggo sungu UAM nggunakake foil logam kanthi jembar 25,4 mm lan kandel 150 mikron. Lapisan foil iki diiket dadi serangkaian strip sing jejer kanggo nutupi kabeh area bangunan; ukuran bahan sing didepositake luwih gedhe tinimbang produk pungkasan amarga proses subtraktif ngasilake bentuk jaring pungkasan. Mesin CNC digunakake kanggo ngolah kontur eksternal lan internal peralatan, sing ngasilake permukaan peralatan lan saluran sing padha karo alat sing dipilih lan parameter proses CNC (kurang luwih 1,6 μm Ra ing conto iki). Siklus deposisi 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 bakal memenuhi tingkat akurasi penggilingan CNC. Jembar saluran sing digunakake kanggo piranti iki cukup cilik kanggo njamin manawa bahan foil ora "melorot" menyang saluran cairan, saengga saluran njaga 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 difusi unsur sithik banget kedadeyan ing antarmuka ikatan UAM 46, 47 tanpa perawatan termal tambahan, mula kanggo piranti ing karya iki, lapisan Cu-110 tetep beda karo lapisan Al 6061 lan owah kanthi dadakan.
Pasang regulator tekanan balik (BPR) 250 psi (1724 kPa) sing wis dikalibrasi sadurunge menyang outlet reaktor lan pompa banyu liwat reaktor kanthi kecepatan 0,1 nganti 1 mL min-1. Tekanan reaktor dipantau nggunakake sensor tekanan sistem bawaan FlowSyn kanggo verifikasi manawa sistem kasebut bisa njaga tekanan sing tetep. Gradien suhu potensial ing reaktor aliran diuji kanthi ngenali bedane antarane termokopel sing dipasang ing reaktor lan sing dipasang ing pelat pemanas chip FlowSyn. Iki ditindakake kanthi ngowahi suhu hotplate sing bisa diprogram antarane 100 lan 150 °C kanthi kenaikan 25 °C lan nyathet 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 reaksi sikloadisi fenilasetilena lan iodoetana dioptimalake (Skema 1- Sikloadisi fenilasetilena lan iodoetana Skema 1- Sikloadisi fenilasetilena lan iodoetana). Optimasi iki ditindakake kanthi pendekatan desain eksperimen faktorial lengkap (DOE), nggunakake suhu lan wektu tinggal minangka parameter 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 kanthi kromatografi cair kinerja dhuwur (HPLC). Kanggo konsistensi analisis, kabeh reaksi disampel 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 minangka Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA), ukuran 4,6 × 100 mm, ukuran partikel 5 µm, dijaga ing suhu 40 °C. Pelarut kasebut yaiku metanol:banyu 50:50 isokratik 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. Injeksi bahan wiwitan ngidini identifikasi puncak sing relevan.
Nggandhengake output analisis reaktor karo piranti lunak MODDE DOE (Umetrics, Malmö, Swedia) ngidini analisis lengkap babagan tren asil lan nemtokake kahanan reaksi optimal kanggo sikloadisi iki. Nglakokake optimizer bawaan lan milih kabeh istilah model penting ngasilake sakumpulan kahanan reaksi sing dirancang kanggo ngoptimalake area puncak produk nalika nyuda area puncak kanggo bahan awal asetilena.
Oksidasi tembaga permukaan ing njero 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 perpustakaan senyawa triazol.
Sawise sakumpulan kondisi optimal diidentifikasi, kondisi kasebut diterapake ing sawetara turunan asetilena lan haloalkana kanggo ngidini kompilasi sintesis perpustakaan cilik, saengga netepake kemampuan kanggo ngetrapake kondisi 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. 3 mL alikuot saben larutan dicampur lan dipompa liwat reaktor ing 75 µL.min-1 lan 150 °C. Volume total dikumpulake menyang vial lan diencerake karo 10 mL etil asetat. Larutan sampel dikumbah nganggo 3 × 10 mL banyu. Lapisan banyu digabungake lan diekstrak karo 10 mL etil asetat; lapisan organik banjur digabungake, dikumbah nganggo 3 x 10 mL brine, dikeringake nganggo MgSO4 lan disaring, banjur pelarut dicopot ing vakum. Sampel dimurnèkaké nganggo kromatografi kolom ing 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 resolusi Orbitrap presisi Thermofischer kanthi ESI minangka sumber ionisasi. Kabeh sampel disiapake nggunakake asetonitril minangka pelarut.
Analisis TLC ditindakake ing piring silika sing didhukung aluminium. Piring 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 oven kolom, lan detektor dawa gelombang tunggal. Kolom sing digunakake yaiku ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Skotlandia).
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 injeksi bahan awal ngidini identifikasi puncak sing relevan.
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 DMF 5% lan HNO3 2%, lan kabeh sampel diencerake 20 kali lipat ing larutan DMF-HNO3 sampel.
UAM nggunakake pengelasan logam ultrasonik minangka teknik ikatan kanggo bahan foil logam sing digunakake kanggo mbangun perakitan pungkasan. Pengelasan logam ultrasonik nggunakake alat logam sing geter (disebut sungu utawa sungu ultrasonik) kanggo menehi tekanan menyang lapisan foil / lapisan sing wis dikonsolidasi sadurunge kanggo diikat nalika nggeterake materi kasebut. Kanggo operasi terus-terusan, sonotrode bentuke silinder lan muter ing permukaan materi, ngiket kabeh area. Nalika tekanan lan getaran ditrapake, oksida ing permukaan materi bisa retak. Tekanan lan getaran sing terus-terusan bisa nyebabake asperitas materi ambruk 36. Kontak intim karo panas lan tekanan sing diinduksi sacara lokal banjur nyebabake ikatan solid-state ing antarmuka materi; uga bisa mbantu adhesi liwat owah-owahan energi permukaan 48. Sifat mekanisme ikatan ngatasi akeh masalah sing ana gandhengane karo suhu leleh variabel lan efek samping suhu dhuwur sing kasebut ing teknik manufaktur aditif liyane. Iki ngidini ikatan langsung (yaiku, tanpa modifikasi permukaan, pengisi utawa perekat) saka pirang-pirang lapisan bahan sing beda dadi struktur konsolidasi tunggal.
Faktor kapindho sing nguntungake kanggo UAM yaiku tingkat aliran plastik sing dhuwur sing diamati ing bahan logam, sanajan ing suhu sing endhek, yaiku ing ngisor titik leleh bahan logam. Kombinasi osilasi ultrasonik lan tekanan nyebabake tingkat migrasi wates butir lokal lan rekristalisasi sing dhuwur tanpa kenaikan suhu gedhe sing biasane ana gandhengane karo bahan massal. Sajrone konstruksi perakitan pungkasan, fenomena iki bisa dimanfaatake kanggo nyematkan komponen aktif lan pasif antarane lapisan foil logam, lapisan demi lapisan. Unsur kayata serat optik 49, tulangan 46, elektronik 50, lan termokopel (karya iki) kabeh wis kasil disematkan menyang struktur UAM kanggo nggawe rakitan komposit aktif lan pasif.
Ing karya iki, kemungkinan ikatan materi lan interkalasi UAM sing beda-beda wis digunakake kanggo nggawe mikroreaktor pemantauan suhu katalitik sing paling apik.
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 pangolahan kimia (ii) Rentang reaksi cross-coupling sing dikatalisis Cu saya tambah lan katon rada komplementer karo metodologi berbasis 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, Contone, kopling Sonogashira sing dikatalisis bimetalik lan sikloadisi karo azida (kimia klik) (v)Cu uga bisa ningkatake arilasi sawetara nukleofil ing reaksi tipe Ullmann.
Conto heterogenisasi saka kabeh reaksi iki bubar wis dituduhake ing ngarsane Cu(0). Iki sebagian besar amarga industri farmasi lan fokus sing saya tambah ing pemulihan lan panggunaan maneh katalis logam55,56.
Dipelopori dening Huisgen ing taun 1960-an57, reaksi sikloadisi 1,3-dipolar antarane asetilena lan azida dadi 1,2,3-triazol dianggep minangka reaksi demonstrasi sinergis. Gugus 1,2,3 triazol sing diasilake nduweni minat khusus minangka farmakofor ing bidang panemuan obat amarga aplikasi biologis lan panggunaan ing macem-macem agen terapeutik58.
Reaksi iki dadi fokus maneh nalika Sharpless lan liya-liyane ngenalake konsep "kimia klik"59. Istilah "kimia klik" digunakake kanggo njlèntrèhaké sakumpulan reaksi sing kuat, dipercaya, lan selektif kanggo sintesis senyawa anyar lan perpustakaan kombinatorial kanthi cepet liwat heteroatom linkage (CXC)60. Daya tarik sintetik saka reaksi kasebut asale saka asil sing dhuwur, kondisi reaksi sing prasaja, tahan oksigen lan banyu, lan pamisahan produk sing prasaja61.
Sikloaddisi 1,3-dipol Huisgen klasik ora kalebu kategori "kimia klik". Nanging, Medal lan Sharpless nduduhake manawa kedadeyan kopling azida-alkuna iki ngalami 107 nganti 108 ing ngarsane Cu(I) dibandhingake karo akselerasi tingkat signifikan sikloaddisi 1,3-dipolar 62,63 sing ora dikatalisis. Mekanisme reaksi sing luwih apik iki ora mbutuhake klompok perlindungan utawa kahanan reaksi sing atos lan ngasilake konversi lan selektivitas sing meh lengkap menyang 1,2,3-triazol sing ora tersubstitusi (anti-1,2,3-triazol) ing skala 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 1,4- lan 1,5-triazol 1:1 saka stereoisomer azol.
Umume protokol nglibatake reduksi sumber Cu(II) sing stabil, kayata reduksi CuSO4 utawa spesies Cu(II)/Cu(0) kanthi kombinasi karo uyah natrium. Dibandhingake karo reaksi sing dikatalisis logam liyane, panggunaan Cu(I) nduweni kaluwihan utama yaiku murah lan gampang ditangani.
Panliten pelabelan kinetik lan isotop dening Worrell et al. 65 nuduhake yen, ing kasus alkuna terminal, rong padanan tembaga melu ngaktifake reaktivitas saben molekul marang 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 tembaga triazolil dibentuk dening penyusutan cincin, diikuti dening dekomposisi proton kanggo nyedhiyakake 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 in-line, in-situ,66,67. UAM kabukten dadi metode sing cocog kanggo ngrancang lan ngasilake reaktor aliran 3D sing kompleks banget sing digawe saka bahan konduktif termal aktif katalitik kanthi elemen sensor sing dipasang langsung (Gambar 4).
Reaktor aliran aluminium-tembaga digawe nganggo manufaktur aditif ultrasonik (UAM) kanthi struktur saluran internal sing kompleks, termokopel sing dipasang, 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. Tes tekanan nuduhake yen sistem njaga tekanan sing stabil lan konstan sanajan tekanan sistem tambah (1,7 MPa). Tes hidrostatik ditindakake ing suhu kamar nggunakake H2O minangka cairan.
Nyambungake termokopel sing dipasang (Gambar 1) menyang pencatat data suhu nuduhake yen termokopel kasebut 6 °C (± 1 °C) luwih adhem tinimbang suhu sing diprogram ing sistem FlowSyn. Biasane, kenaikan suhu 10 °C nyebabake laju reaksi dadi dobel, mula bedane suhu mung sawetara derajat bisa ngowahi laju reaksi kanthi signifikan. Bedane iki amarga ilang suhu ing saindenging awak reaktor amarga difusivitas termal sing dhuwur saka bahan sing digunakake ing proses manufaktur. Hanyutan termal iki konsisten lan mulane bisa diitung ing persiyapan peralatan kanggo mesthekake suhu sing akurat wis tekan lan diukur sajrone reaksi. Mulane, alat pemantauan online iki nggampangake kontrol suhu reaksi sing ketat lan nggampangake optimasi proses sing luwih akurat lan pangembangan kahanan optimal. Sensor iki uga bisa digunakake kanggo ngenali eksotermal reaksi lan nyegah reaksi sing ora bisa dilalekake ing sistem skala gedhe.
Reaktor sing ditampilake ing karya 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 dilaporake ana gandhengane karo pangolahan tembaga utawa paduan aluminium (ii) resolusi saluran internal sing luwih apik dibandhingake karo teknik fusi bubuk amben (PBF) kayata peleburan laser selektif (SLM)25,69 Aliran materi sing kurang apik lan tekstur permukaan kasar26 (iii) Suhu pangolahan sing suda, sing nggampangake ikatan langsung sensor, sing ora bisa ditindakake ing teknologi bubuk amben, (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 alkuna azida sing dikatalisis tembaga ing kondisi aliran terus-terusan (Gambar 2). Reaktor tembaga sing dicetak ultrasonik sing dirinci ing Gambar 4 diintegrasikan karo sistem aliran komersial lan digunakake kanggo nyintesis azida perpustakaan saka macem-macem 1,4-disubstitusi 1,2,3-triazol liwat reaksi asetilena lan gugus alkil halida sing dikontrol suhu kanthi anané 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 ing skema optimalisasi (ngisor) saka skema sikloadisi Huisgen 57 antarane fenilasetilena lan iodoetana kanggo optimalisasi lan nuduhake laju konversi reaksi parameter sing dioptimalake.
Kanthi ngontrol wektu panggonan reagen ing bagean katalitik reaktor lan ngawasi suhu reaksi kanthi rapet nganggo probe termokopel sing terintegrasi langsung, kondisi reaksi bisa dioptimalake kanthi cepet lan akurat kanthi wektu lan konsumsi bahan minimal. Cepet ditemtokake manawa konversi paling dhuwur dipikolehi nalika wektu panggonan 15 menit lan suhu reaksi 150 °C digunakake. Saka plot koefisien piranti lunak MODDE, bisa dideleng manawa wektu panggonan lan suhu reaksi dianggep minangka istilah model sing penting. Nglakokake optimizer bawaan nggunakake istilah sing dipilih iki ngasilake 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%.
Adhedhasar literatur sing nuduhake yen tembaga(I) oksida (Cu2O) bisa tumindak minangka spesies katalitik sing efektif ing permukaan tembaga nol-valen ing reaksi kasebut, kemampuan kanggo ngoksidasi permukaan reaktor sadurunge nindakake reaksi ing aliran wis diselidiki70,71. Reaksi antarane fenilasetilena lan iodoetana banjur ditindakake maneh ing kahanan optimal lan asil dibandhingake. Diamati yen persiapan iki nyebabake peningkatan sing signifikan ing konversi bahan wiwitan, sing diitung dadi >99%. Nanging, pemantauan dening HPLC nuduhake yen konversi iki kanthi signifikan nyuda wektu reaksi sing suwe banget nganti kira-kira 90 menit, ing ngendi aktivitas kasebut katon rata lan tekan "kondisi ajeg". Pengamatan iki nuduhake yen sumber aktivitas katalitik dipikolehi saka oksida tembaga permukaan tinimbang substrat tembaga nol-valen. Logam Cu gampang dioksidasi ing suhu kamar kanggo mbentuk CuO lan Cu2O sing dudu lapisan pelindung diri. Iki ngilangi kebutuhan kanggo nambah sumber tembaga(II) tambahan kanggo komposisi bebarengan71.