გმადლობთ Nature.com-ის მონახულებისთვის.ბრაუზერის ვერსიას, რომელსაც იყენებთ, აქვს შეზღუდული CSS მხარდაჭერა.საუკეთესო გამოცდილებისთვის, გირჩევთ გამოიყენოთ განახლებული ბრაუზერი (ან გამორთოთ თავსებადობის რეჟიმი Internet Explorer-ში).იმავდროულად, მუდმივი მხარდაჭერის უზრუნველსაყოფად, ჩვენ გამოვიყვანთ საიტს სტილის და JavaScript-ის გარეშე.
კარუსელი, რომელიც აჩვენებს სამ სლაიდს ერთდროულად.გამოიყენეთ წინა და შემდეგი ღილაკები ერთდროულად სამ სლაიდში გადასაადგილებლად, ან გამოიყენეთ სლაიდერის ღილაკები ბოლოს, რომ გადაადგილდეთ სამ სლაიდზე ერთდროულად.
დანამატების წარმოება ცვლის იმ გზას, თუ როგორ ქმნიან და აწარმოებენ მკვლევარები და მრეწველები ქიმიურ მოწყობილობებს მათი სპეციფიკური საჭიროებების დასაკმაყოფილებლად.ამ ნაშრომში, ჩვენ ვახსენებთ ნაკადის რეაქტორის პირველ მაგალითს, რომელიც წარმოიქმნება მყარი ლითონის ფურცლის ულტრაბგერითი დანამატის წარმოებით (UAM) ლამინირებით, უშუალოდ ინტეგრირებული კატალიზური ნაწილებით და სენსორული ელემენტებით.UAM ტექნოლოგია არა მხოლოდ გადალახავს ბევრ შეზღუდვას, რომელიც ამჟამად დაკავშირებულია ქიმიური რეაქტორების დანამატის წარმოებასთან, არამედ მნიშვნელოვნად აფართოებს ასეთი მოწყობილობების შესაძლებლობებს.მთელი რიგი ბიოლოგიურად მნიშვნელოვანი 1,4-ჩანაცვლებული 1,2,3-ტრიაზოლის ნაერთები წარმატებით იქნა სინთეზირებული და ოპტიმიზირებული Cu- შუამავალი 1,3-დიპოლარული Huisgen-ის ციკლოდამატების რეაქციით, UAM ქიმიის ობიექტის გამოყენებით.UAM-ისა და უწყვეტი ნაკადის დამუშავების უნიკალური თვისებების გამოყენებით, მოწყობილობას შეუძლია მიმდინარე რეაქციების კატალიზება, ასევე რეალურ დროში უკუკავშირის მიწოდება რეაქციების მონიტორინგისა და ოპტიმიზაციისთვის.
მისი მნიშვნელოვანი უპირატესობების გამო, ნაკადის ქიმია მნიშვნელოვანი და მზარდი სფეროა როგორც აკადემიურ, ასევე სამრეწველო პირობებში, ქიმიური სინთეზის სელექციურობისა და ეფექტურობის გაზრდის უნარის გამო.ეს ვრცელდება მარტივი ორგანული მოლეკულების1 წარმოქმნიდან ფარმაცევტულ ნაერთებამდე2,3 და ბუნებრივ პროდუქტებამდე4,5,6.მშვენიერი ქიმიური და ფარმაცევტული ინდუსტრიის რეაქციების 50%-ზე მეტს შეუძლია ისარგებლოს უწყვეტი ნაკადით7.
ბოლო წლებში შეიმჩნევა ჯგუფების მზარდი ტენდენცია, რომლებიც ცდილობენ შეცვალონ ტრადიციული მინის ჭურჭელი ან ნაკადის ქიმიური აღჭურვილობა ადაპტირებადი ქიმიური „რეაქტორებით“8.ამ მეთოდების განმეორებითი დიზაინი, სწრაფი წარმოება და სამგანზომილებიანი (3D) შესაძლებლობები სასარგებლოა მათთვის, ვისაც სურს საკუთარი მოწყობილობების მორგება რეაქციების, მოწყობილობების ან პირობების კონკრეტული ნაკრებისთვის.დღემდე, ეს ნამუშევარი თითქმის ექსკლუზიურად იყო ორიენტირებული პოლიმერზე დაფუძნებული 3D ბეჭდვის ტექნიკის გამოყენებაზე, როგორიცაა სტერეოლითოგრაფია (SL) 9,10,11, შერწყმული დეპოზიციის მოდელირება (FDM)8,12,13,14 და ჭავლური ბეჭდვა7,15., 16. ასეთი მოწყობილობების საიმედოობისა და უნარის ნაკლებობა ქიმიური რეაქციების/ანალიზების ფართო სპექტრის შესასრულებლად17, 18, 19, 20 არის ძირითადი შემზღუდველი ფაქტორი ამ სფეროში AM-ის ფართო გამოყენებისათვის17, 18, 19, 20.
ნაკადის ქიმიის მზარდი გამოყენებისა და AM-თან დაკავშირებული ხელსაყრელი თვისებების გამო, საჭიროა უკეთესი ტექნიკის შესწავლა, რომელიც მომხმარებლებს საშუალებას მისცემს შექმნან ნაკადის რეაქციის ჭურჭელი გაუმჯობესებული ქიმიით და ანალიტიკური შესაძლებლობებით.ამ მეთოდებმა მომხმარებლებს უნდა მისცენ საშუალება აირჩიონ მაღალი სიმტკიცის ან ფუნქციონალური მასალების სპექტრი, რომელსაც შეუძლია იმუშაოს რეაქციის ფართო სპექტრის პირობებში, ასევე ხელი შეუწყოს მოწყობილობიდან ანალიტიკური გამომუშავების სხვადასხვა ფორმებს, რათა მოხდეს რეაქციის მონიტორინგი და კონტროლი.
დანამატის წარმოების ერთი პროცესი, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას მორგებული ქიმიური რეაქტორების შესაქმნელად, არის ულტრაბგერითი დანამატის წარმოება (UAM).ეს მყარი მდგომარეობის ფურცლის ლამინირების მეთოდი იყენებს ულტრაბგერითი ვიბრაციების თხელ ლითონის ფოლგას, რათა დააკავშიროს ისინი ფენა-ფენად მინიმალური მოცულობითი გათბობით და პლასტიკური ნაკადის მაღალი ხარისხით 21, 22, 23. სხვა AM ტექნოლოგიებისგან განსხვავებით, UAM შეიძლება პირდაპირ იყოს ინტეგრირებული სუბტრაქტიულ წარმოებასთან, რომელიც ცნობილია როგორც ჰიბრიდული, NC, რომელიც პერიოდულ წარმოებაში კონტროლირებადი პროცესია. შეკრული მასალის ფენის წმინდა ფორმა 24, 25. ეს ნიშნავს, რომ მომხმარებელი არ შემოიფარგლება მხოლოდ მცირე სითხის არხებიდან ნარჩენი ორიგინალური სამშენებლო მასალის ამოღებასთან დაკავშირებული პრობლემებით, რაც ხშირად ხდება ფხვნილისა და თხევადი სისტემების AM26,27,28.დიზაინის ეს თავისუფლება ასევე ვრცელდება ხელმისაწვდომი მასალების არჩევანზე - UAM-ს შეუძლია დააკავშიროს თერმულად მსგავსი და განსხვავებული მასალების კომბინაციები ერთი პროცესის ეტაპზე.დნობის პროცესის მიღმა მასალების კომბინაციების არჩევანი ნიშნავს, რომ კონკრეტული აპლიკაციების მექანიკური და ქიმიური მოთხოვნები შეიძლება უკეთ დაკმაყოფილდეს.მყარი შეკავშირების გარდა, კიდევ ერთი ფენომენი, რომელიც ხდება ულტრაბგერითი კავშირის დროს, არის პლასტიკური მასალების მაღალი სითხე შედარებით დაბალ ტემპერატურაზე29,30,31,32,33.UAM-ის ეს უნიკალური თვისება იძლევა მექანიკური/თერმული ელემენტების მოთავსებას ლითონის ფენებს შორის დაზიანების გარეშე.ჩაშენებულ UAM სენსორებს შეუძლიათ ხელი შეუწყონ მოწყობილობიდან მომხმარებლისთვის რეალურ დროში ინფორმაციის მიწოდებას ინტეგრირებული ანალიტიკის საშუალებით.
ავტორების წინა ნაშრომმა32 აჩვენა UAM პროცესის უნარი შექმნას მეტალის 3D მიკროსთხევადი სტრუქტურები ჩაშენებული სენსორული შესაძლებლობებით.ეს მოწყობილობა მხოლოდ მონიტორინგის მიზნებისთვისაა.ამ სტატიაში წარმოდგენილია UAM-ის მიერ წარმოებული მიკროსთხევადი ქიმიური რეაქტორის პირველი მაგალითი, აქტიური მოწყობილობა, რომელიც არა მხოლოდ აკონტროლებს, არამედ იწვევს ქიმიურ სინთეზს სტრუქტურულად ინტეგრირებული კატალიზური მასალებით.მოწყობილობა აერთიანებს UAM ტექნოლოგიასთან დაკავშირებულ რამდენიმე უპირატესობას 3D ქიმიური მოწყობილობების წარმოებაში, როგორიცაა: სრული 3D დიზაინის პირდაპირ კომპიუტერის დამხმარე დიზაინის (CAD) მოდელის პროდუქტად გადაქცევის შესაძლებლობა;მრავალმასალას დამზადება მაღალი თბოგამტარობისა და კატალიზური მასალების კომბინაციისთვის, აგრეთვე თერმული სენსორების, რომლებიც ჩაშენებულია უშუალოდ რეაგენტის ნაკადებს შორის რეაქციის ტემპერატურის ზუსტი კონტროლისა და მართვისთვის.რეაქტორის ფუნქციონირების საჩვენებლად, ფარმაცევტულად მნიშვნელოვანი 1,4-ჩანაცვლებული 1,2,3-ტრიაზოლის ნაერთების ბიბლიოთეკა სინთეზირებული იყო სპილენძით კატალიზირებული 1,3-დიპოლარული Huisgen-ის ციკლოდანათიით.ეს ნაშრომი ხაზს უსვამს იმას, თუ როგორ შეუძლია მასალების მეცნიერების გამოყენებამ და კომპიუტერით დამხმარე დიზაინმა გახსნას ახალი შესაძლებლობები და შესაძლებლობები ქიმიისთვის ინტერდისციპლინური კვლევის მეშვეობით.
ყველა გამხსნელი და რეაგენტი შეძენილი იყო Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI ან Fischer Scientific-ისგან და გამოყენებული იყო წინასწარი გაწმენდის გარეშე.1H და 13C NMR სპექტრები ჩაწერილი 400 და 100 MHz, შესაბამისად, მიღებული იყო JEOL ECS-400 400 MHz სპექტრომეტრზე ან Bruker Avance II 400 MHz სპექტრომეტრზე CDCl3 ან (CD3)2SO გამხსნელის სახით.ყველა რეაქცია განხორციელდა Uniqsis FlowSyn ნაკადის ქიმიური პლატფორმის გამოყენებით.
ამ კვლევაში ყველა მოწყობილობის დასამზადებლად გამოიყენეს UAM.ტექნოლოგია გამოიგონეს 1999 წელს და მისი ტექნიკური დეტალები, ოპერაციული პარამეტრები და განვითარებები მისი გამოგონების შემდეგ შეიძლება შეისწავლოს შემდეგი გამოქვეყნებული მასალების გამოყენებით34,35,36,37.მოწყობილობა (ნახ. 1) განხორციელდა მძიმე 9 კვტ სიმძლავრის SonicLayer 4000® UAM სისტემის გამოყენებით (Fabrisonic, ოჰაიო, აშშ).ნაკადის მოწყობილობისთვის არჩეული მასალები იყო Cu-110 და Al 6061. Cu-110-ს აქვს მაღალი სპილენძის შემცველობა (მინიმუმ 99,9% სპილენძი), რაც მას კარგ კანდიდატს ხდის სპილენძის კატალიზირებული რეაქციებისთვის და ამიტომ გამოიყენება როგორც „აქტიური ფენა მიკრორეაქტორის შიგნით.Al 6061 O გამოიყენება როგორც "ნაყარი" მასალა., ასევე ანალიზისთვის გამოყენებული ინტერკალაციის ფენა;დამხმარე შენადნობის კომპონენტების შერწყმა და ანელებული მდგომარეობა Cu-110 ფენასთან ერთად.აღმოჩნდა, რომ ქიმიურად სტაბილურია ამ სამუშაოში გამოყენებული რეაგენტებით.Al 6061 O Cu-110-თან ერთად ასევე განიხილება, როგორც თავსებადი მასალის კომბინაცია UAM-ისთვის და ამიტომ არის შესაფერისი მასალა ამ კვლევისთვის38,42.ეს მოწყობილობები ჩამოთვლილია ცხრილში 1 ქვემოთ.
რეაქტორის დამზადების საფეხურები (1) 6061 ალუმინის შენადნობის სუბსტრატი (2) ქვედა არხის დამზადება სპილენძის ფოლგიდან (3) თერმოწყვილების ჩასმა ფენებს შორის (4) ზედა არხი (5) შესასვლელი და გამოსასვლელი (6) მონოლითური რეაქტორი.
სითხის არხის დიზაინის ფილოსოფია მდგომარეობს იმაში, რომ გამოიყენოს დახრილი გზა ჩიპის შიგნით სითხის მიერ გავლილი მანძილის გასაზრდელად, ჩიპის კონტროლირებადი ზომის შენარჩუნებისას.მანძილის ეს ზრდა სასურველია კატალიზატორ-რეაქტიული კონტაქტის დროის გასაზრდელად და პროდუქტის შესანიშნავი მოსავლიანობის უზრუნველსაყოფად.ჩიპები იყენებენ 90° მოსახვევებს სწორი ბილიკის ბოლოებზე, რათა გამოიწვიონ ტურბულენტური შერევა მოწყობილობაში44 და გაზარდონ სითხის კონტაქტის დრო ზედაპირთან (კატალიზატორი).მიღწეული შერევის შემდგომი გასაუმჯობესებლად, რეაქტორის დიზაინი მოიცავს ორ რეაგენტის შესასვლელს, რომლებიც გაერთიანებულია Y- კავშირში, შერევის კოჭის განყოფილებაში შესვლამდე.მესამე შესასვლელი, რომელიც კვეთს ნაკადს მისი რეზიდენციის ნახევრად, ჩართულია მომავალი მრავალსაფეხურიანი სინთეზური რეაქციების გეგმაში.
ყველა არხს აქვს კვადრატული პროფილი (კუთხის გარეშე), რაც არის არხის გეომეტრიის შესაქმნელად გამოყენებული პერიოდული CNC დაფქვის შედეგი.არხის ზომები არჩეულია იმისთვის, რომ უზრუნველყოს მაღალი (მიკრორეაქტორისთვის) მოცულობითი გამოსავალი, მაგრამ საკმარისად მცირე, რათა ხელი შეუწყოს ზედაპირთან (კატალიზატორები) ურთიერთქმედებას მასში შემავალი სითხეების უმეტესობისთვის.შესაბამისი ზომა ეფუძნება ავტორების წარსულ გამოცდილებას მეტალ-თხევადი რეაქციის მოწყობილობებთან დაკავშირებით.საბოლოო არხის შიდა ზომები იყო 750 μm x 750 μm და რეაქტორის მთლიანი მოცულობა იყო 1 მლ.ჩაშენებული კონექტორი (1/4″-28 UNF ძაფი) ჩართულია დიზაინში, რათა მოხდეს მოწყობილობის მარტივი ინტერფეისი კომერციული ნაკადის ქიმიურ მოწყობილობასთან.არხის ზომა შემოიფარგლება ფოლგის მასალის სისქით, მისი მექანიკური თვისებებით და ულტრაბგერით გამოყენებული შემაკავშირებელი პარამეტრებით.მოცემული მასალის გარკვეულ სიგანეზე, მასალა "ჩამოვარდება" შექმნილ არხში.ამჟამად არ არსებობს კონკრეტული მოდელი ამ გაანგარიშებისთვის, ამიტომ არხის მაქსიმალური სიგანე მოცემული მასალისა და დიზაინისთვის განისაზღვრება ექსპერიმენტულად, ამ შემთხვევაში 750 მკმ სიგანე არ გამოიწვევს დაქვეითებას.
არხის ფორმა (კვადრატი) განისაზღვრება კვადრატული საჭრელის გამოყენებით.არხების ფორმა და ზომა შეიძლება შეიცვალოს CNC მანქანებზე სხვადასხვა საჭრელი ხელსაწყოების გამოყენებით, სხვადასხვა ნაკადის სიჩქარისა და მახასიათებლების მისაღებად.მოსახვევი არხის შექმნის მაგალითი 125 μm ხელსაწყოთი შეგიძლიათ ნახოთ Monaghan45-ში.როდესაც ფოლგის ფენა გამოიყენება ბრტყლად, ფოლგის მასალის დადება არხებზე ექნება ბრტყელი (კვადრატული) ზედაპირი.ამ ნამუშევარში გამოყენებული იყო კვადრატული კონტური არხის სიმეტრიის შესანარჩუნებლად.
წარმოების დაპროგრამებული პაუზის დროს, თერმოწყვილების ტემპერატურის სენსორები (ტიპი K) ჩაშენებულია პირდაპირ მოწყობილობაში ზედა და ქვედა არხის ჯგუფებს შორის (ნახ. 1 – ეტაპი 3).ამ თერმოწყვილებს შეუძლიათ აკონტროლონ ტემპერატურის ცვლილებები -200-დან 1350 °C-მდე.
ლითონის დეპონირების პროცესი ხორციელდება UAM რქის მიერ ლითონის ფოლგის გამოყენებით 25,4 მმ სიგანე და 150 მიკრონი სისქით.ფოლგის ეს ფენები დაკავშირებულია მიმდებარე ზოლების სერიით, რათა დაფაროს შენობის მთელი ტერიტორია;დეპონირებული მასალის ზომა უფრო დიდია ვიდრე საბოლოო პროდუქტი, რადგან გამოკლების პროცესი ქმნის საბოლოო სუფთა ფორმას.CNC დამუშავება გამოიყენება აღჭურვილობის გარე და შიდა კონტურების დასამუშავებლად, რის შედეგადაც აღჭურვილობისა და არხების ზედაპირის დასრულება ხდება შერჩეული ხელსაწყოსა და CNC პროცესის პარამეტრებთან (ამ მაგალითში, დაახლოებით 1,6 μm Ra).უწყვეტი, უწყვეტი ულტრაბგერითი მასალის შესხურებისა და დამუშავების ციკლები გამოიყენება მოწყობილობის წარმოების პროცესში, რათა უზრუნველყოფილ იქნას განზომილებიანი სიზუსტე და დასრულებული ნაწილი აკმაყოფილებს CNC წვრილი ფრეზის სიზუსტის დონეებს.ამ მოწყობილობისთვის გამოყენებული არხის სიგანე საკმარისად მცირეა იმისთვის, რომ ფოლგის მასალა არ "ჩამოვარდნილი" სითხის არხში, ამიტომ არხს აქვს კვადრატული ჯვარი განყოფილება.ფოლგის მასალაში შესაძლო ხარვეზები და UAM პროცესის პარამეტრები ექსპერიმენტულად განისაზღვრა მწარმოებელი პარტნიორის მიერ (შპს Fabrisonic, აშშ).
კვლევებმა აჩვენა, რომ UAM ნაერთის 46, 47 ინტერფეისზე არის ელემენტების მცირე დიფუზია დამატებითი თერმული დამუშავების გარეშე, ამიტომ ამ სამუშაოს მოწყობილობებისთვის Cu-110 ფენა რჩება განსხვავებული Al 6061 ფენისგან და მკვეთრად იცვლება.
დააინსტალირეთ წინასწარ კალიბრირებული უკანა წნევის რეგულატორი (BPR) 250 psi (1724 kPa) რეაქტორის ქვემოთ და გადატუმბეთ წყალი რეაქტორში 0,1-დან 1 მლ წთ-1 სიჩქარით.რეაქტორზე წნევის მონიტორინგი ხდებოდა სისტემაში ჩაშენებული FlowSyn წნევის გადამყვანის გამოყენებით, რათა სისტემამ შეინარჩუნოს მუდმივი სტაბილური წნევა.ნაკადის რეაქტორში პოტენციური ტემპერატურული გრადიენტები შემოწმდა რეაქტორში ჩაშენებულ თერმოწყვილებსა და FlowSyn ჩიპის გამათბობელ ფირფიტაში ჩაშენებულ თერმოწყვილებს შორის რაიმე განსხვავების ძიებით.ეს მიიღწევა დაპროგრამებული გათბობის ფირფიტის ტემპერატურის შეცვლით 100-დან 150 °C-მდე 25 °C-იანი მატებით და დაპროგრამებულ და დაფიქსირებულ ტემპერატურას შორის არსებული განსხვავების მონიტორინგით.ეს მიღწეული იქნა tc-08 მონაცემთა ლოგერის (PicoTech, კემბრიჯი, დიდი ბრიტანეთი) და თანმხლები PicoLog პროგრამული უზრუნველყოფის გამოყენებით.
ოპტიმიზებულია ფენილაცეტილენისა და იოდოეთანის ციკლოდამატების რეაქციის პირობები (სქემა 1-ფენილაცეტილენისა და იოდოეთანის ციკლოდამატება, სქემა 1-ფენილაცეტილენისა და იოდოეთანის ციკლოდამატება).ეს ოპტიმიზაცია განხორციელდა ექსპერიმენტების სრული ფაქტორული დიზაინის (DOE) მიდგომის გამოყენებით, ტემპერატურისა და ბინადრობის დროის ცვლადებად გამოყენებით, ხოლო ალკინი:აზიდის თანაფარდობის დაფიქსირება 1:2-ზე.
მომზადდა ნატრიუმის აზიდის (0,25 M, 4:1 DMF: H2O), იოდოეთანის (0,25 M, DMF) და ფენილაცეტილენის (0,125 M, DMF) ცალკეული ხსნარები.თითოეული ხსნარის 1,5 მლ ალიკვოტი შერეული იყო და რეაქტორში გადატუმბული იყო სასურველი ნაკადის სიჩქარეზე და ტემპერატურაზე.მოდელის პასუხი აღებული იქნა, როგორც ტრიაზოლის პროდუქტის პიკური ფართობის თანაფარდობა ფენილაცეტილენის საწყის მასალასთან და განისაზღვრა მაღალი ხარისხის თხევადი ქრომატოგრაფიის (HPLC) გამოყენებით.ანალიზის თანმიმდევრულობისთვის, ყველა რეაქცია მიღებულ იქნა დაუყოვნებლივ მას შემდეგ, რაც სარეაქციო ნარევი დატოვა რეაქტორი.ოპტიმიზაციისთვის შერჩეული პარამეტრების დიაპაზონი ნაჩვენებია ცხრილში 2.
ყველა ნიმუში გაანალიზდა Chromaster HPLC სისტემის გამოყენებით (VWR, PA, USA), რომელიც შედგება მეოთხეული ტუმბოს, სვეტის ღუმელისგან, ცვლადი ტალღის სიგრძის UV დეტექტორისა და ავტოსამპლერისგან.სვეტი იყო Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA), 4.6 x 100 მმ, 5 μm ნაწილაკების ზომა, შენარჩუნებული 40°C-ზე.გამხსნელი იყო იზოკრატული მეთანოლი:წყალი 50:50 ნაკადის სიჩქარით 1,5 მლ·წთ-1.ინექციის მოცულობა იყო 5 μl და დეტექტორის ტალღის სიგრძე იყო 254 ნმ.DOE ნიმუშის % პიკის ფართობი გამოითვლებოდა მხოლოდ ნარჩენი ალკინისა და ტრიაზოლის პროდუქტების პიკის არეებიდან.საწყისი მასალის დანერგვა შესაძლებელს ხდის შესაბამისი მწვერვალების იდენტიფიცირებას.
რეაქტორის ანალიზის შედეგების კომბინირებამ MODDE DOE პროგრამულ უზრუნველყოფასთან (Umetrics, Malmö, შვედეთი) დაუშვა შედეგების საფუძვლიანი ტენდენციის ანალიზი და ოპტიმალური რეაქციის პირობების განსაზღვრა ამ ციკლოდანამატისთვის.ჩაშენებული ოპტიმიზატორის გაშვება და მოდელის ყველა მნიშვნელოვანი ტერმინის არჩევა ქმნის რეაქციის პირობების ერთობლიობას, რომელიც შექმნილია პროდუქტის პიკის ფართობის მაქსიმალურად გაზრდის მიზნით, ხოლო აცეტილენის საკვების პიკის ფართობის შემცირებისას.
კატალიზური რეაქციის პალატაში სპილენძის ზედაპირის დაჟანგვა მიღწეული იქნა წყალბადის ზეჟანგის ხსნარის (36%) გამოყენებით, რომელიც მიედინება რეაქციის კამერაში (ნაკადის სიჩქარე = 0.4 მლ წთ-1, დაბინავების დრო = 2.5 წთ) თითოეული ტრიაზოლის ნაერთის სინთეზამდე.ბიბლიოთეკა.
პირობების ოპტიმალური ნაკრების დადგენის შემდეგ, ისინი გამოიყენეს აცეტილენისა და ჰალოალკანის წარმოებულების დიაპაზონში, რათა მოხდეს მცირე სინთეზის ბიბლიოთეკის შედგენა, რითაც შეიქმნა ამ პირობების გამოყენების შესაძლებლობა პოტენციური რეაგენტების უფრო ფართო სპექტრზე (ნახ. 1).2).
მოამზადეთ ნატრიუმის აზიდის (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), ჰალოალკანების (0,25 M, DMF) და ალკინების (0,125 M, DMF) ცალკეული ხსნარები.თითოეული ხსნარის 3 მლ ნაწილაკები იყო შერეული და გადატუმბული რეაქტორში 75 μl/წთ სიჩქარით და 150°C ტემპერატურაზე.მთელი მოცულობა შეგროვდა ფლაკონში და განზავებულია 10 მლ ეთილის აცეტატით.ნიმუშის ხსნარი გარეცხილია 3 x 10 მლ წყლით.წყლიანი ფენები გაერთიანდა და ამოიღეს 10 მლ ეთილის აცეტატით, შემდეგ ორგანული ფენები გაერთიანდა, გარეცხეს 3×10 მლ მარილწყალში, გააშრეს MgSO 4-ზე და გაფილტრეს, შემდეგ გამხსნელი ამოიღეს ვაკუოში.ნიმუშები გაიწმინდა სილიკა გელის სვეტის ქრომატოგრაფიით ეთილის აცეტატის გამოყენებით ანალიზამდე HPLC, 1H NMR, 13C NMR და მაღალი გარჩევადობის მასის სპექტრომეტრიის (HR-MS) კომბინაციით.
ყველა სპექტრი მიღებულ იქნა Thermofischer Precision Orbitrap-ის მასის სპექტრომეტრის გამოყენებით ESI იონიზაციის წყაროდ.ყველა ნიმუში მომზადდა აცეტონიტრილის გამოყენებით, როგორც გამხსნელი.
TLC ანალიზი ჩატარდა სილიციუმის ფირფიტებზე ალუმინის სუბსტრატით.ფირფიტების ვიზუალიზაცია მოხდა ულტრაიისფერი შუქით (254 ნმ) ან ვანილინის შეღებვით და გაცხელებით.
ყველა ნიმუში გაანალიზებულია VWR Chromaster სისტემის გამოყენებით (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, დიდი ბრიტანეთი), რომელიც აღჭურვილია ავტოსამპლერით, ორობითი ტუმბოთი სვეტის ღუმელით და ერთი ტალღის სიგრძის დეტექტორით.გამოყენებული იქნა ACE Equivalence 5 C18 სვეტი (150 x 4.6 მმ, Advanced Chromatography Technologies Ltd., აბერდინი, შოტლანდია).
ინექციები (5 μl) გაკეთდა უშუალოდ განზავებული ნედლი რეაქციის ნარევიდან (1:10 განზავება) და გაანალიზდა წყლით:მეთანოლით (50:50 ან 70:30), გარდა ზოგიერთი ნიმუშისა 70:30 გამხსნელი სისტემის გამოყენებით (აღნიშნავს ვარსკვლავის რიცხვს) ნაკადის სიჩქარით 1,5 მლ/წთ.სვეტი ინახება 40°C ტემპერატურაზე.დეტექტორის ტალღის სიგრძეა 254 ნმ.
ნიმუშის პიკის % ფართობი გამოითვალა ნარჩენი ალკინის, მხოლოდ ტრიაზოლის პროდუქტის პიკის ფართობიდან და საწყისი მასალის შეყვანამ შესაძლებელი გახადა შესაბამისი მწვერვალების იდენტიფიცირება.
ყველა ნიმუში გაანალიზდა Thermo iCAP 6000 ICP-OES-ის გამოყენებით.ყველა კალიბრაციის სტანდარტი მომზადდა 1000 ppm Cu სტანდარტული ხსნარის გამოყენებით 2% აზოტის მჟავაში (SPEX Certi Prep).ყველა სტანდარტი მომზადდა 5% DMF და 2% HNO3 ხსნარში და ყველა ნიმუში განზავებული იყო 20-ჯერ DMF-HNO3-ის ნიმუშის ხსნარით.
UAM იყენებს ულტრაბგერითი ლითონის შედუღებას, როგორც ლითონის ფოლგის შეერთების მეთოდს, რომელიც გამოიყენება საბოლოო შეკრების შესაქმნელად.ლითონის ულტრაბგერითი შედუღება იყენებს ვიბრაციულ მეტალის ხელსაწყოს (ე.წ. რქა ან ულტრაბგერითი საყვირი), რათა მოახდინოს წნევა ფოლგაზე/ადრე კონსოლიდირებულ ფენაზე, რომელიც უნდა იყოს შეკრული/ადრე კონსოლიდირებული მასალის ვიბრაციით.უწყვეტი მუშაობისთვის, სონოტროდს აქვს ცილინდრული ფორმა და ტრიალებს მასალის ზედაპირზე, აწებება მთელ ტერიტორიას.როდესაც ზეწოლა და ვიბრაცია გამოიყენება, ოქსიდები მასალის ზედაპირზე შეიძლება გაიბზაროს.მუდმივმა წნევამ და ვიბრაციამ შეიძლება გამოიწვიოს მასალის უხეშობის განადგურება 36 .მჭიდრო კონტაქტი ლოკალიზებულ სითბოსთან და წნევასთან, შემდეგ იწვევს მყარი ფაზის კავშირს მასალის ინტერფეისებზე;მას ასევე შეუძლია ხელი შეუწყოს ერთიანობას ზედაპირის ენერგიის შეცვლით48.შემაკავშირებელი მექანიზმის ბუნება გადალახავს ბევრ პრობლემას, რომელიც დაკავშირებულია დნობის ცვლადი ტემპერატურასთან და მაღალი ტემპერატურის ეფექტებთან, რომლებიც ნახსენებია დანამატების წარმოების სხვა ტექნოლოგიებში.ეს საშუალებას იძლევა პირდაპირი შეერთება (ანუ ზედაპირის მოდიფიკაციის, შემავსებლების ან ადჰეზივების გარეშე) სხვადასხვა მასალის რამდენიმე ფენის ერთ კონსოლიდირებულ სტრუქტურაში.
მეორე ხელსაყრელი ფაქტორი CAM-ისთვის არის პლასტმასის ნაკადის მაღალი ხარისხი, რომელიც შეინიშნება მეტალის მასალებში დაბალ ტემპერატურაზეც კი, ანუ მეტალის მასალების დნობის წერტილიდან საკმაოდ დაბლა.ულტრაბგერითი ვიბრაციებისა და წნევის ერთობლიობა იწვევს ადგილობრივი მარცვლეულის საზღვრის მიგრაციის და რეკრისტალიზაციის მაღალ დონეს ტემპერატურის მნიშვნელოვანი ზრდის გარეშე, რომელიც ტრადიციულად ასოცირდება ნაყარ მასალებთან.საბოლოო ასამბლეის შექმნისას, ეს ფენომენი შეიძლება გამოყენებულ იქნას აქტიური და პასიური კომპონენტების ჩასართავად ლითონის ფოლგის ფენებს შორის, ფენა-ფენა.ელემენტები, როგორიცაა ოპტიკური ბოჭკოვანი 49, გამაგრება 46, ელექტრონიკა 50 და თერმოწყვილები (ეს ნამუშევარი) წარმატებით იქნა ინტეგრირებული UAM სტრუქტურებში აქტიური და პასიური კომპოზიციური შეკრებების შესაქმნელად.
ამ ნამუშევარში გამოყენებული იქნა როგორც მასალების დამაკავშირებელი სხვადასხვა შესაძლებლობები, ასევე UAM-ის ინტერკალაციის შესაძლებლობები, რათა შეიქმნას იდეალური მიკრორეაქტორი კატალიზური ტემპერატურის კონტროლისთვის.
პალადიუმთან (Pd) და სხვა ხშირად გამოყენებულ მეტალის კატალიზატორებთან შედარებით, Cu კატალიზს რამდენიმე უპირატესობა აქვს: (i) ეკონომიკურად, Cu უფრო იაფია, ვიდრე კატალიზში გამოყენებული მრავალი სხვა ლითონი და, შესაბამისად, მიმზიდველი ვარიანტია ქიმიური მრეწველობისთვის (ii) Cu-კატალიზებული ჯვარედინი დაწყვილების რეაქციების დიაპაზონი ფართოვდება და, როგორც ჩანს, გარკვეულწილად არის 5,5,55, 1,5-1, 5.5, 1. ) Cu-კატალიზირებული რეაქციები კარგად მუშაობს სხვა ლიგანდების არარსებობის შემთხვევაში.ეს ლიგანდები ხშირად სტრუქტურულად მარტივი და იაფია.თუ სასურველია, მაშინ როცა Pd ქიმიაში გამოყენებული ისინი ხშირად რთული, ძვირადღირებული და ჰაერზე მგრძნობიარეა (iv) Cu, განსაკუთრებით ცნობილია ალკინების სინთეზში შეკავშირების უნარით, როგორიცაა სონოგაშირას ბიმეტალური კატალიზებული შეერთება და ციკლოდამატება აზიდებთან (დააწკაპუნეთ ქიმიაზე) (v) Cu ასევე შეუძლია ხელი შეუწყოს ბირთვული ტიპის რეაქციას.
ბოლო დროს ნაჩვენები იქნა ყველა ამ რეაქციის ჰეტეროგენიზაციის მაგალითები Cu(0) თანდასწრებით.ეს დიდწილად განპირობებულია ფარმაცევტული ინდუსტრიით და მეტალის კატალიზატორების აღდგენასა და ხელახლა გამოყენებაზე მზარდი აქცენტით55,56.
1,3-დიპოლარული ციკლოდამატების რეაქცია აცეტილენსა და აზიდს შორის 1,2,3-ტრიაზოლამდე, რომელიც პირველად იქნა შემოთავაზებული ჰაისგენის მიერ 1960-იან წლებში57, ითვლება სინერგიულ საჩვენებელ რეაქციად.შედეგად მიღებული 1,2,3 ტრიაზოლის ფრაგმენტები განსაკუთრებით საინტერესოა, როგორც ფარმაკოფორი წამლის აღმოჩენაში მათი ბიოლოგიური გამოყენებისა და სხვადასხვა თერაპიულ აგენტებში გამოყენების გამო 58 .
ამ რეაქციამ განახლებული ყურადღება მიიპყრო, როდესაც შარპლესმა და სხვებმა შემოიტანეს „დაწკაპუნების ქიმიის“ კონცეფცია59.ტერმინი „დაწკაპუნების ქიმია“ გამოიყენება რეაქციის მძლავრი და შერჩევითი ნაკრების აღსაწერად ახალი ნაერთების და კომბინატორიული ბიბლიოთეკების სწრაფი სინთეზისთვის ჰეტეროატომური კავშირის (CXC) გამოყენებით60.ამ რეაქციების სინთეზური მიმზიდველობა განპირობებულია მათთან დაკავშირებული მაღალი მოსავლიანობით.პირობები მარტივია, ჟანგბადისა და წყლისადმი მდგრადია და პროდუქტის გამოყოფა მარტივია61.
კლასიკური 1,3-დიპოლური ჰაისგენის ციკლოდამატება არ მიეკუთვნება „დაწკაპუნების ქიმიის“ კატეგორიას.თუმცა, მედალმა და შარპლესმა აჩვენეს, რომ ეს აზიდი-ალკინის დაწყვილების მოვლენა გადის 107-108 Cu(I) თანდასწრებით არაკატალიზური 1,3-დიპოლარული ციკლომატების სიჩქარის მნიშვნელოვან აჩქარებასთან შედარებით 62,63.რეაქციის ეს მოწინავე მექანიზმი არ საჭიროებს დამცავ ჯგუფებს ან მკაცრ რეაქციის პირობებს და უზრუნველყოფს თითქმის სრულ გარდაქმნას და სელექციურობას 1,4-ჩანაცვლებულ 1,2,3-ტრიაზოლებზე (ანტი-1,2,3-ტრიაზოლები) დროთა განმავლობაში (ნახ. 3).
ჩვეულებრივი და სპილენძით კატალიზებული ჰაისგენის ციკლოდანამატების იზომეტრიული შედეგები.Cu(I)-ის კატალიზირებული ჰაისგენის ციკლოდანამატები იძლევა მხოლოდ 1,4-ჩანაცვლებულ 1,2,3-ტრიაზოლებს, ხოლო თერმულად ინდუცირებული ჰაისგენის ციკლოდანამატები ჩვეულებრივ იძლევა 1,4- და 1,5-ტრიაზოლებს აზოლის სტერეოიზომერების ნარევს 1:1.
პროტოკოლების უმეტესობა მოიცავს Cu(II) სტაბილური წყაროების შემცირებას, როგორიცაა CuSO4 ან Cu(II)/Cu(0) ნაერთის შემცირება ნატრიუმის მარილებთან ერთად.სხვა მეტალის კატალიზებულ რეაქციებთან შედარებით, Cu(I)-ის გამოყენებას აქვს მთავარი უპირატესობა, რომ არის იაფი და მარტივი.
კინეტიკური და იზოტოპური კვლევები Worrell et al.65 აჩვენა, რომ ტერმინალური ალკინების შემთხვევაში, სპილენძის ორი ეკვივალენტი მონაწილეობს თითოეული მოლეკულის რეაქტიულობის გააქტიურებაში აზიდთან მიმართებაში.შემოთავაზებული მექანიზმი მიმდინარეობს ექვსწევრიანი სპილენძის ლითონის რგოლში, რომელიც წარმოიქმნება აზიდის σ-დაკავშირებულ სპილენძის აცეტილიდის კოორდინაციით π-შეკრული სპილენძით, როგორც სტაბილური დონორი ლიგანდი.სპილენძის ტრიაზოლილის წარმოებულები წარმოიქმნება რგოლის შეკუმშვის შედეგად, რასაც მოჰყვება პროტონის დაშლა ტრიაზოლის პროდუქტების წარმოქმნით და კატალიზური ციკლის დახურვით.
მიუხედავად იმისა, რომ ნაკადის ქიმიური მოწყობილობების სარგებელი კარგად არის დოკუმენტირებული, გაჩნდა სურვილი ამ სისტემებში ინტეგრირებული იყოს ანალიტიკური ინსტრუმენტები პროცესების რეალურ დროში მონიტორინგისთვის in situ66,67.UAM დადასტურდა, რომ არის შესაფერისი მეთოდი ძალიან რთული 3D ნაკადის რეაქტორების დიზაინისა და წარმოებისთვის კატალიზურად აქტიური, თერმულად გამტარი მასალებისგან, უშუალოდ ჩაშენებული სენსორული ელემენტებით (ნახ. 4).
ალუმინის-სპილენძის ნაკადის რეაქტორი დამზადებულია ულტრაბგერითი დანამატის წარმოებით (UAM) რთული შიდა არხის სტრუქტურით, ჩაშენებული თერმოწყვილებით და კატალიზური რეაქციის კამერით.სითხის შიდა გზების ვიზუალიზაციისთვის ნაჩვენებია აგრეთვე სტერეოლითოგრაფიის გამოყენებით დამზადებული გამჭვირვალე პროტოტიპი.
იმის უზრუნველსაყოფად, რომ რეაქტორები მზადდება მომავალი ორგანული რეაქციებისთვის, გამხსნელები უსაფრთხოდ უნდა გაცხელდეს მათი დუღილის წერტილიდან ზემოთ;ისინი შემოწმებულია წნევასა და ტემპერატურაზე.წნევის ტესტირებამ აჩვენა, რომ სისტემა ინარჩუნებს სტაბილურ და მუდმივ წნევას სისტემაში ამაღლებულ წნევაზეც კი (1.7 მპა).ჰიდროსტატიკური ტესტები ჩატარდა ოთახის ტემპერატურაზე H2O სითხის გამოყენებით.
ჩაშენებული (სურათი 1) თერმოწყვილის ტემპერატურულ მონაცემთა ლოგერთან დაკავშირებამ აჩვენა, რომ თერმოწყვილის ტემპერატურა 6 °C (± 1 °C) დაბალი იყო FlowSyn სისტემაში დაპროგრამებულ ტემპერატურაზე.როგორც წესი, ტემპერატურის 10°C-ით მატება აორმაგებს რეაქციის სიჩქარეს, ამიტომ ტემპერატურულ განსხვავებას სულ რაღაც რამდენიმე გრადუსი შეუძლია მნიშვნელოვნად შეცვალოს რეაქციის სიჩქარე.ეს განსხვავება გამოწვეულია ტემპერატურის დაკარგვით მთელს RPV-ში, წარმოების პროცესში გამოყენებული მასალების მაღალი თერმული დიფუზიურობის გამო.ეს თერმული დრიფტი მუდმივია და, შესაბამისად, შეიძლება მხედველობაში იქნას მიღებული აღჭურვილობის დაყენებისას, რათა უზრუნველყოს ზუსტი ტემპერატურის მიღწევა და გაზომვა რეაქციის დროს.ამრიგად, ეს ონლაინ მონიტორინგის ინსტრუმენტი ხელს უწყობს რეაქციის ტემპერატურის მჭიდრო კონტროლს და ხელს უწყობს პროცესის უფრო ზუსტ ოპტიმიზაციას და ოპტიმალური პირობების განვითარებას.ეს სენსორები ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას ეგზოთერმული რეაქციების გამოსავლენად და დიდი მასშტაბის სისტემებში გაურკვეველი რეაქციების თავიდან ასაცილებლად.
ამ ნაშრომში წარმოდგენილი რეაქტორი არის UAM ტექნოლოგიის გამოყენების პირველი მაგალითი ქიმიური რეაქტორების წარმოებაში და განიხილავს რამდენიმე ძირითად შეზღუდვას, რომელიც ამჟამად დაკავშირებულია ამ მოწყობილობების AM/3D ბეჭდვასთან, როგორიცაა: (i) სპილენძის ან ალუმინის შენადნობის დამუშავებასთან დაკავშირებული აღნიშნული პრობლემების გადალახვა (ii) გაუმჯობესებული შიდა არხის გარჩევადობა, როგორიცაა ფხვნილის საწოლის დნობის მეთოდები (PBSLF). და უხეში ზედაპირის ტექსტურა26 (iii) დამუშავების დაბალი ტემპერატურა, რაც ხელს უწყობს სენსორების პირდაპირ დაკავშირებას, რაც შეუძლებელია ფხვნილის ფენის ტექნოლოგიაში, (v) პოლიმერზე დაფუძნებული კომპონენტების ცუდი მექანიკური თვისებების და მგრძნობელობის გადალახვა სხვადასხვა საერთო ორგანული გამხსნელების მიმართ17,19.
რეაქტორის ფუნქციონირება აჩვენა სპილენძით კატალიზებული ალკინაზიდის ციკლოდამატების რეაქციების სერიით უწყვეტი ნაკადის პირობებში (ნახ. 2).ულტრაბგერითი დაბეჭდილი სპილენძის რეაქტორი ნაჩვენებია ნახ.4 ინტეგრირებული იყო კომერციულ ნაკადის სისტემასთან და გამოიყენებოდა სხვადასხვა 1,4-ჩანაცვლებული 1,2,3-ტრიაზოლების აზიდური ბიბლიოთეკის სინთეზირებისთვის აცეტილენისა და ალკილის ჯგუფის ჰალოიდების ტემპერატურის კონტროლირებადი რეაქციის გამოყენებით ნატრიუმის ქლორიდის თანდასწრებით (ნახ. 3).უწყვეტი ნაკადის მიდგომის გამოყენება ამცირებს უსაფრთხოების საკითხებს, რომლებიც შეიძლება წარმოიშვას სერიის პროცესებში, რადგან ეს რეაქცია წარმოქმნის უაღრესად რეაქტიულ და საშიშ აზიდურ შუალედებს [317], [318].თავდაპირველად, რეაქცია ოპტიმიზირებული იყო ფენილაცეტილენისა და იოდოეთანის ციკლოდამატებისთვის (სქემა 1 – ფენილაცეტილენისა და იოდოეთანის ციკლოდამატება) (იხ. სურ. 5).
(ზედა მარცხნივ) დაყენების სქემა, რომელიც გამოიყენება 3DP რეაქტორის ნაკადის სისტემაში ჩართვისთვის (ზედა მარჯვენა), მიღებული Huisgen 57 ციკლოდანამატის სქემის ოპტიმიზებული (ქვედა) სქემიდან ფენილაცეტილენსა და იოდოეთანს შორის ოპტიმიზაციისთვის და რეაქციის ოპტიმიზებული კონვერტაციის სიჩქარის პარამეტრების ჩვენებისთვის.
რეაქტორის კატალიზურ განყოფილებაში რეაქტორების დაბინავების დროის კონტროლით და რეაქციის ტემპერატურის უშუალოდ ინტეგრირებული თერმოწყვილის სენსორის ყურადღებით მონიტორინგით, რეაქციის პირობები შეიძლება სწრაფად და ზუსტად იყოს ოპტიმიზირებული მინიმალური დროით და მასალებით.სწრაფად გაირკვა, რომ უმაღლესი კონვერტაცია მიღწეული იქნა 15 წუთის და რეაქციის ტემპერატურის გამოყენებით 150°C.MODDE პროგრამული უზრუნველყოფის კოეფიციენტების ნახაზიდან ჩანს, რომ როგორც ყოფნის დრო, ასევე რეაქციის ტემპერატურა მოდელის მნიშვნელოვან პირობებად ითვლება.ჩაშენებული ოპტიმიზატორის გაშვება ამ შერჩეული პირობების გამოყენებით ქმნის რეაქციის პირობების ერთობლიობას, რომელიც შექმნილია პროდუქტის პიკის არეების მაქსიმალურად გაზრდის მიზნით, ხოლო საწყისი მასალის პიკის არეების შემცირებისას.ამ ოპტიმიზაციამ გამოიღო ტრიაზოლის პროდუქტის 53% კონვერტაცია, რაც ზუსტად ემთხვეოდა მოდელის პროგნოზს 54%.