Nature.com сайтына кіргеніңіз үшін рақмет. Сіз пайдаланып отырған браузер нұсқасында CSS қолдауы шектеулі. Ең жақсы тәжірибе алу үшін жаңартылған браузерді пайдалануды ұсынамыз (немесе Internet Explorer бағдарламасында үйлесімділік режимін өшіріңіз). Сонымен қатар, үздіксіз қолдауды қамтамасыз ету үшін сайтты стильдер мен JavaScriptсіз көрсетеміз.
Бір уақытта үш слайдты көрсететін карусель. Бір уақытта үш слайд арқылы жылжу үшін «Алдыңғы» және «Келесі» түймелерін пайдаланыңыз немесе бір уақытта үш слайд арқылы жылжу үшін соңындағы сырғытпа түймелерін пайдаланыңыз.
Аддитивті өндіріс зерттеушілер мен өнеркәсіпшілердің химиялық құрылғыларды өздерінің нақты қажеттіліктерін қанағаттандыру үшін жобалау және өндіру тәсілін өзгертуде. Бұл мақалада біз тікелей интеграцияланған каталитикалық бөлшектері мен сенсорлық элементтері бар қатты металл парақты ультрадыбыстық аддитивті өндіріс (УАМ) арқылы ламинациялау арқылы жасалған ағынды реактордың алғашқы мысалын ұсынамыз. УАМ технологиясы қазіргі уақытта химиялық реакторларды аддитивті өндіріспен байланысты көптеген шектеулерді жеңіп қана қоймай, сонымен қатар мұндай құрылғылардың мүмкіндіктерін айтарлықтай кеңейтеді. Биологиялық тұрғыдан маңызды 1,4-алмастырылған 1,2,3-триазол қосылыстарының бірқатары УАМ химия қондырғысын пайдаланып, Cu-делдалдығымен 1,3-диполярлық Хьюсген циклоқосылу реакциясы арқылы сәтті синтезделді және оңтайландырылды. УАМ мен үздіксіз ағынды өңдеудің бірегей қасиеттерін пайдалана отырып, құрылғы үздіксіз реакцияларды катализдей алады, сондай-ақ реакцияларды бақылау және оңтайландыру үшін нақты уақыт режимінде кері байланыс бере алады.
Көлемдік аналогымен салыстырғанда айтарлықтай артықшылықтарына байланысты ағынды химия химиялық синтездің селективтілігі мен тиімділігін арттыру қабілетіне байланысты академиялық және өнеркәсіптік ортада маңызды және дамып келе жатқан сала болып табылады. Бұл қарапайым органикалық молекулалардың түзілуінен1 фармацевтикалық қосылыстарға2,3 және табиғи өнімдерге4,5,6 дейін созылады. Ұсақ химия және фармацевтикалық салалардағы реакциялардың 50%-дан астамы үздіксіз ағыннан7 пайда көре алады.
Соңғы жылдары дәстүрлі шыны ыдыстарды немесе ағынды химия жабдықтарын бейімделгіш химиялық «реакторлармен» алмастыруға тырысатын топтардың өсу үрдісі байқалды8. Бұл әдістердің қайталанатын дизайны, жылдам өндірісі және үш өлшемді (3D) мүмкіндіктері құрылғыларын белгілі бір реакциялар жиынтығына, құрылғыларға немесе жағдайларға бейімдегісі келетіндер үшін пайдалы. Бүгінгі күнге дейін бұл жұмыс тек стереолитография (SL)9,10,11, балқытылған тұндыру модельдеуі (FDM)8,12,13,14 және сия бүріккіш басып шығару7,15 сияқты полимер негізіндегі 3D басып шығару әдістерін пайдалануға бағытталған. , 16. Мұндай құрылғылардың сенімділігі мен химиялық реакциялардың/талдаулардың кең ауқымын орындау мүмкіндігінің болмауы17, 18, 19, 20 осы салада AM-ді кеңінен қолданудың негізгі шектеуші факторы болып табылады17, 18, 19, 20.
Ағын химиясының қолданылуының артуына және АМ-мен байланысты қолайлы қасиеттерге байланысты пайдаланушыларға жақсартылған химия және аналитикалық мүмкіндіктері бар ағындық реакция ыдыстарын жасауға мүмкіндік беретін жақсы әдістерді зерттеу қажет. Бұл әдістер пайдаланушыларға реакцияның кең ауқымында жұмыс істей алатын жоғары беріктікке ие немесе функционалды материалдардың кең ауқымынан таңдауға, сондай-ақ реакцияны бақылауға және басқаруға мүмкіндік беретін құрылғыдан әртүрлі аналитикалық нәтижелерді алуға мүмкіндік беруі керек.
Арнайы химиялық реакторларды әзірлеу үшін пайдаланылуы мүмкін бір аддитивті өндіріс процесі - ультрадыбыстық аддитивті өндіріс (UAM). Бұл қатты денелі парақты ламинациялау әдісі жұқа металл фольгаларға ультрадыбыстық тербелістерді қолданады, оларды минималды көлемдік қыздыру және жоғары дәрежелі пластикалық ағынмен қабат-қабат байланыстырады 21, 22, 23. Басқа AM технологияларынан айырмашылығы, UAM гибридті өндіріс процесі деп аталатын субтрактивті өндіріспен тікелей біріктірілуі мүмкін, онда мерзімді in-situ сандық басқару (CNC) фрезерлеу немесе лазерлік өңдеу байланыстырылған материал қабатының таза пішінін анықтайды 24, 25. Бұл пайдаланушының ұнтақ және сұйық жүйелерде жиі кездесетін кіші сұйық арналардан қалдық бастапқы құрылыс материалын алып тастаумен байланысты мәселелермен шектелмейтінін білдіреді 26, 27, 28. Бұл дизайн еркіндігі қолжетімді материалдарды таңдауға да таралады - UAM термиялық жағынан ұқсас және әртүрлі материалдардың комбинацияларын бір процесс сатысында байланыстыра алады. Балқу процесінен тыс материал комбинацияларын таңдау нақты қолданбалардың механикалық және химиялық талаптарын жақсырақ қанағаттандыруға болатынын білдіреді. Қатты байланыстан басқа, ультрадыбыстық байланыспен бірге жүретін тағы бір құбылыс - салыстырмалы түрде төмен температурада пластикалық материалдардың жоғары сұйықтығы29,30,31,32,33. UAM-ның бұл бірегей ерекшелігі механикалық/жылулық элементтерді металл қабаттарының арасына зақым келтірмей орналастыруға мүмкіндік береді. Кіріктірілген UAM сенсорлары құрылғыдан пайдаланушыға интеграцияланған аналитика арқылы нақты уақыт режимінде ақпарат жеткізуді жеңілдете алады.
Авторлардың алдыңғы жұмыстары32 UAM процесінің ендірілген сенсорлық мүмкіндіктері бар металл 3D микрофлюидтік құрылымдарды жасау мүмкіндігін көрсетті. Бұл құрылғы тек бақылау мақсаттары үшін арналған. Бұл мақалада UAM шығарған микрофлюидтік химиялық реактордың алғашқы мысалы келтірілген, бұл құрылымдық интеграцияланған каталитикалық материалдармен химиялық синтезді басқарып қана қоймай, сонымен қатар индукциялайтын белсенді құрылғы. Құрылғы 3D химиялық құрылғыларды өндіруде UAM технологиясымен байланысты бірнеше артықшылықтарды біріктіреді, мысалы: толық 3D дизайнды компьютерлік көмекші жобалау (CAD) моделінен тікелей өнімге айналдыру мүмкіндігі; жоғары жылу өткізгіштік пен каталитикалық материалдардың үйлесімі үшін көп материалды өндіріс, сондай-ақ реакция температурасын дәл бақылау және басқару үшін реагент ағындары арасында тікелей ендірілген жылу сенсорлары. Реактордың функционалдығын көрсету үшін фармацевтикалық маңызды 1,4-алмастырылған 1,2,3-триазол қосылыстарының кітапханасы мыс катализделген 1,3-диполярлық Хьюсген циклоқосылуымен синтезделді. Бұл жұмыс материалтану мен компьютерлік дизайнды қолдану химия үшін пәнаралық зерттеулер арқылы жаңа мүмкіндіктер мен мүмкіндіктер аша алатынын көрсетеді.
Барлық еріткіштер мен реагенттер Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI немесе Fischer Scientific компанияларынан сатып алынды және алдын ала тазартусыз пайдаланылды. Сәйкесінше 400 және 100 МГц жиілікте жазылған 1H және 13C ЯМР спектрлері JEOL ECS-400 400 МГц спектрометрінде немесе еріткіш ретінде CDCl3 немесе (CD3)2SO қолданылған Bruker Avance II 400 МГц спектрометрінде алынды. Барлық реакциялар Uniqsis FlowSyn ағын химиясы платформасын пайдаланып жүргізілді.
Бұл зерттеудегі барлық құрылғыларды жасау үшін UAM қолданылды. Технология 1999 жылы ойлап табылды және оның техникалық мәліметтерін, жұмыс параметрлерін және оны ойлап тапқаннан бергі жетістіктерін келесі жарияланған материалдарды пайдаланып зерттеуге болады34,35,36,37. Құрылғы (1-сурет) қуаттылығы 9 кВт болатын SonicLayer 4000® UAM жүйесін (Fabrisonic, Огайо, АҚШ) пайдаланып жүзеге асырылды. Ағынды құрылғы үшін таңдалған материалдар Cu-110 және Al 6061 болды. Cu-110 құрамында мыс мөлшері жоғары (кемінде 99,9% мыс), бұл оны мыс катализденетін реакциялар үшін жақсы кандидат етеді және сондықтан микрореактор ішіндегі «белсенді қабат» ретінде қолданылады. Al 6061O «көлемдік» материал ретінде қолданылады. , сондай-ақ талдау үшін қолданылатын интеркаляция қабаты; көмекші қорытпа компоненттерінің интеркаляциясы және Cu-110 қабатымен бірге күйдірілген күй. Бұл жұмыста қолданылған реагенттермен химиялық тұрғыдан тұрақты екені анықталды. Cu-110-мен бірге қолданылған Al 6061O да UAM үшін үйлесімді материалдық комбинация болып саналады және сондықтан осы зерттеу үшін қолайлы материал болып табылады38,42. Бұл құрылғылар төмендегі 1-кестеде келтірілген.
Реакторды жасау кезеңдері (1) 6061 алюминий қорытпасынан жасалған негіз (2) Мыс фольгасынан төменгі арнаны жасау (3) Қабаттар арасына термопараларды енгізу (4) Жоғарғы арна (5) Кіріс және шығыс (6) Монолитті реактор.
Сұйықтық арнасын жобалау философиясы - чиптің ішіндегі сұйықтық жүретін қашықтықты ұлғайту үшін бұрылыс жолды пайдалану, сонымен бірге чиптің басқарылатын өлшемін сақтау. Қашықтықтың бұл ұлғаюы катализатор-реагент байланыс уақытын арттыру және өнімнің тамаша өнімділігін қамтамасыз ету үшін қажет. Чиптер құрылғы ішінде турбулентті араластыруды тудыру үшін түзу жолдың ұштарында 90° иілуді пайдаланады44 және сұйықтықтың бетімен (катализатормен) байланыс уақытын арттырады. Қол жеткізуге болатын араластыруды одан әрі жақсарту үшін реактордың конструкциясында араластыру катушкасының бөліміне кірмес бұрын Y-тәрізді қосылыста біріктірілген екі реактивті кіріс бар. Ағынды өзінің орналасқан жерінің жартысында кесіп өтетін үшінші кіреберіс болашақ көп сатылы синтез реакцияларының жоспарына енгізілген.
Барлық арналардың шаршы профилі бар (конус бұрыштары жоқ), бұл арна геометриясын жасау үшін қолданылатын мерзімді CNC фрезерлеуінің нәтижесі. Арна өлшемдері жоғары (микрореактор үшін) көлемдік өнімділікті қамтамасыз ету үшін таңдалған, бірақ құрамындағы сұйықтықтардың көпшілігі үшін бетпен (катализаторлармен) әрекеттесуді жеңілдету үшін жеткілікті кішкентай. Тиісті өлшем авторлардың металл-сұйықтық реакция құрылғыларымен бұрынғы тәжірибесіне негізделген. Соңғы арнаның ішкі өлшемдері 750 мкм x 750 мкм, ал реактордың жалпы көлемі 1 мл болды. Құрылғыны коммерциялық ағын химиясы жабдықтарымен оңай байланыстыру үшін дизайнға кіріктірілген қосқыш (1/4″-28 UNF бұрандасы) кіреді. Арна өлшемі фольга материалының қалыңдығымен, оның механикалық қасиеттерімен және ультрадыбыспен қолданылатын байланыс параметрлерімен шектеледі. Берілген материал үшін белгілі бір енде материал жасалған арнаға «салбырайды». Қазіргі уақытта бұл есептеу үшін нақты модель жоқ, сондықтан берілген материал мен дизайн үшін арнаның максималды ені эксперименталды түрде анықталады, бұл жағдайда 750 мкм ені майысуды тудырмайды.
Арнаның пішіні (шаршы) шаршы кескішті пайдаланып анықталады. Арналардың пішіні мен өлшемін әртүрлі кесу құралдарын пайдаланып CNC станоктарында өзгертуге болады, бұл әртүрлі ағын жылдамдығы мен сипаттамаларын алуға мүмкіндік береді. 125 мкм құралмен қисық арна жасаудың мысалын Monaghan45-тен табуға болады. Фольга қабаты тегіс жағылған кезде, фольга материалын арналарға жағу тегіс (шаршы) бетке ие болады. Бұл жұмыста арна симметриясын сақтау үшін шаршы контур қолданылды.
Өндірістегі бағдарламаланған үзіліс кезінде термопара температура датчиктері (K типті) құрылғыға жоғарғы және төменгі арна топтары арасына тікелей орнатылады (1-сурет – 3-кезең). Бұл термопаралар температураның -200-ден 1350 °C-қа дейінгі өзгерістерін басқара алады.
Металл тұндыру процесі UAM мүйізі арқылы ені 25,4 мм және қалыңдығы 150 микрон болатын металл фольганы пайдаланып жүзеге асырылады. Фольганың бұл қабаттары бүкіл құрылыс алаңын жабу үшін бірқатар көршілес жолақтарға жалғанған; тұндыру материалының өлшемі соңғы өнімнен үлкенірек, себебі азайту процесі соңғы таза пішінді жасайды. CNC өңдеу жабдықтың сыртқы және ішкі контурларын өңдеу үшін қолданылады, нәтижесінде таңдалған құрал мен CNC процесінің параметрлеріне сәйкес келетін жабдық пен арналардың беткі өңдеуі пайда болады (бұл мысалда шамамен 1,6 мкм Ra). Өлшемдік дәлдіктің сақталуын және дайын бөлшектің CNC ұсақ фрезерлеу дәлдік деңгейлеріне сәйкес келуін қамтамасыз ету үшін құрылғының өндіріс процесінде үздіксіз, үздіксіз ультрадыбыстық материалды бүрку және өңдеу циклдары қолданылады. Бұл құрылғы үшін қолданылатын арнаның ені фольга материалының сұйықтық арнасында «салбырап» кетпеуін қамтамасыз ету үшін жеткілікті кішкентай, сондықтан арнаның көлденең қимасы шаршы. Фольга материалындағы мүмкін болатын саңылаулар және UAM процесінің параметрлері өндіріс серіктесі (Fabrisonic LLC, АҚШ) эксперименталды түрде анықталды.
Зерттеулер көрсеткендей, UAM қосылысының 46, 47 интерфейсінде қосымша термиялық өңдеусіз элементтердің диффузиясы аз болады, сондықтан бұл жұмыстағы құрылғылар үшін Cu-110 қабаты Al 6061 қабатынан өзгеше болып қалады және күрт өзгереді.
Реактордың төменгі ағысында 250 psi (1724 кПа) қысыммен алдын ала калибрленген кері қысым реттегішін (BPR) орнатыңыз және суды реактор арқылы 0,1-ден 1 мл мин-1-ге дейінгі жылдамдықпен айдаңыз. Реактордың қысымы жүйенің тұрақты тұрақты қысымды ұстап тұруын қамтамасыз ету үшін жүйеге орнатылған FlowSyn қысым түрлендіргішін пайдаланып бақыланды. Ағынды реактордағы потенциалды температура градиенттері реакторға орнатылған термопаралар мен FlowSyn чипінің қыздыру пластинасына орнатылған термопаралар арасындағы кез келген айырмашылықтарды іздеу арқылы тексерілді. Бұған бағдарламаланған қыздыру пластинасының температурасын 25 °C қадаммен 100 және 150 °C аралығында өзгерту және бағдарламаланған және жазылған температуралар арасындағы кез келген айырмашылықтарды бақылау арқылы қол жеткізілді. Бұған tc-08 деректер тіркеушісі (PicoTech, Кембридж, Ұлыбритания) және оған қоса берілген PicoLog бағдарламалық жасақтамасы арқылы қол жеткізілді.
Фенилацетилен мен йодоэтанның циклоқосылу реакциясының шарттары оңтайландырылған (1-схема - Фенилацетилен мен йодоэтанның циклоқосылу, 1-схема - Фенилацетилен мен йодоэтанның циклоқосылу). Бұл оңтайландыру эксперименттердің толық факторлық дизайны (DOE) тәсілін қолдану арқылы жүргізілді, алкин:азид қатынасын 1:2 қатынасында бекіте отырып, температура мен тұру уақытын айнымалылар ретінде қолданды.
Натрий азидінің (0,25 М, 4:1 DMF:H2O), йодоэтанның (0,25 М, DMF) және фенилацетиленнің (0,125 М, DMF) жеке ерітінділері дайындалды. Әрбір ерітіндінің 1,5 мл аликвотасы араластырылып, реактор арқылы қажетті ағын жылдамдығы мен температурада айдалды. Модельдің реакциясы триазол өнімінің шың ауданының фенилацетиленнің бастапқы материалына қатынасы ретінде алынды және жоғары өнімді сұйықтық хроматографиясы (ЖӨХХ) көмегімен анықталды. Талдау консистенциясы үшін барлық реакциялар реакция қоспасы реактордан шыққаннан кейін бірден алынды. Оңтайландыру үшін таңдалған параметрлер диапазондары 2-кестеде көрсетілген.
Барлық үлгілер төрттік сорғыдан, бағаналы пештен, айнымалы толқын ұзындығындағы УК детекторынан және автосамплерден тұратын Chromaster HPLC жүйесін (VWR, PA, АҚШ) пайдаланып талданды. Баған 40°C температурада сақталатын 4,6 x 100 мм, 5 мкм бөлшектер өлшемі бар эквиваленттік 5 C18 (VWR, PA, АҚШ) болды. Еріткіш 1,5 мл·мин-1 ағын жылдамдығымен 50:50 изократиялық метанол: су болды. Инъекция көлемі 5 мкл, ал детектордың толқын ұзындығы 254 нм болды. DOE үлгісі үшін шың ауданының пайызы тек қалдық алкин және триазол өнімдерінің шың аудандарынан есептелді. Бастапқы материалды енгізу сәйкес шыңдарды анықтауға мүмкіндік береді.
Реактор талдауының нәтижелерін MODDE DOE бағдарламалық жасақтамасымен (Umetrics, Мальме, Швеция) біріктіру нәтижелердің мұқият трендтік талдауын жүргізуге және осы циклоқосылудың оңтайлы реакция жағдайларын анықтауға мүмкіндік берді. Кіріктірілген оңтайландырғышты іске қосу және барлық маңызды модель терминдерін таңдау ацетилен шикізаты үшін шың аймағын азайта отырып, өнімнің шың аймағын барынша арттыруға арналған реакция жағдайлары жиынтығын жасайды.
Каталитикалық реакция камерасындағы мыс бетінің тотығуы әрбір триазол қосылысын синтездеу алдында реакция камерасы арқылы ағып өтетін сутегі асқын тотығы ерітіндісін (36%) (ағын жылдамдығы = 0,4 мл мин-1, тұру уақыты = 2,5 мин) қолдану арқылы жүзеге асырылды. кітапханасы.
Оңтайлы шарттар жиынтығы анықталғаннан кейін, олар ацетилен мен галоалкан туындыларының бірқатарына қолданылды, бұл шағын синтез кітапханасын құруға мүмкіндік берді, осылайша бұл шарттарды әлеуетті реагенттердің кең ауқымына қолдану мүмкіндігін белгіледі (1-сурет).
Натрий азидінің (0,25 М, 4:1 ДМФ:H2O), галоалкандардың (0,25 М, ДМФ) және алкиндердің (0,125 М, ДМФ) бөлек ерітінділерін дайындаңыз. Әр ерітіндінің 3 мл аликвоттары араластырылып, реактор арқылы 75 мкл/мин жылдамдықпен және 150°C температурада айдалды. Барлық көлем құтыға жиналып, 10 мл этилацетатпен сұйылтылды. Үлгі ерітіндісі 3 x 10 мл сумен жуылды. Сулы қабаттар біріктіріліп, 10 мл этилацетатпен экстракцияланды, содан кейін органикалық қабаттар біріктіріліп, 3 × 10 мл тұзды ерітіндімен жуылып, MgSO4 үстінде кептіріліп, сүзілді, содан кейін еріткіш вакуумда алынып тасталды. Үлгілер HPLC, 1H ЯМР, 13C ЯМР және жоғары ажыратымдылықтағы масс-спектрометрия (HR-MS) комбинациясы арқылы талдау алдында этилацетатты пайдаланып кремний гель бағанының хроматографиясы арқылы тазартылды.
Барлық спектрлер иондану көзі ретінде ESI қолданылған Thermofischer Precision Orbitrap масс-спектрометрін пайдаланып алынды. Барлық үлгілер еріткіш ретінде ацетонитрилді пайдаланып дайындалды.
TLC талдауы алюминий негізі бар кремний диоксиді пластиналарында жүргізілді. Пластиналар ультракүлгін сәулемен (254 нм) немесе ванилинмен бояу және қыздыру арқылы көрінді.
Барлық үлгілер автоүлгілеуші, бағаналы пеші бар екілік сорғы және бір толқын ұзындығын анықтағышпен жабдықталған VWR Chromaster жүйесі (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, Ұлыбритания) арқылы талданды. ACE Equivalence 5 C18 бағанасы (150 x 4,6 мм, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Абердин, Шотландия) пайдаланылды.
Инъекциялар (5 мкл) сұйылтылған шикі реакция қоспасынан тікелей жасалды (1:10 сұйылту) және сумен:метанолмен (50:50 немесе 70:30) талданды, кейбір үлгілер 70:30 еріткіш жүйесін (жұлдызша санымен белгіленген) 1,5 мл/мин ағын жылдамдығымен қолданды. Баған 40°C температурада ұсталды. Детектордың толқын ұзындығы 254 нм.
Үлгінің шың ауданының пайызы тек триазол өнімі болып табылатын қалдық алкиннің шың ауданынан есептелді, ал бастапқы материалды енгізу сәйкес шыңдарды анықтауға мүмкіндік берді.
Барлық үлгілер Thermo iCAP 6000 ICP-OES көмегімен талданды. Барлық калибрлеу эталондары 2% азот қышқылындағы (SPEX Certi Prep) 1000 ppm Cu стандартты ерітіндісін пайдаланып дайындалды. Барлық эталондар 5% DMF және 2% HNO3 ерітіндісінде дайындалды, ал барлық үлгілер DMF-HNO3 үлгі ерітіндісімен 20 рет сұйылтылды.
UAM соңғы құрастыруды жасау үшін қолданылатын металл фольганы біріктіру әдісі ретінде ультрадыбыстық металл дәнекерлеуді қолданады. Ультрадыбыстық металл дәнекерлеу материалды дірілдеу арқылы байланыстырылатын/бұрын бекітілетін фольгаға/бұрын бекітілген қабатқа қысым жасау үшін дірілдейтін металл құралды (мүйіз немесе ультрадыбыстық мүйіз деп аталады) пайдаланады. Үздіксіз жұмыс істеу үшін ультрадыбыстық құрылғы цилиндрлік пішінге ие және материалдың бетіне домалап, бүкіл аймақты желімдейді. Қысым мен діріл қолданылған кезде материалдың бетіндегі оксидтер жарылып кетуі мүмкін. Тұрақты қысым мен діріл материалдың кедір-бұдырлығының бұзылуына әкелуі мүмкін 36. Жергілікті жылу мен қысыммен тығыз байланыс материалдың шекараларында қатты фазалық байланысқа әкеледі; ол сонымен қатар беттік энергияны өзгерту арқылы бірігуді күшейте алады48. Байланыстыру механизмінің табиғаты басқа қоспа өндіріс технологияларында айтылған айнымалы балқу температурасы мен жоғары температура әсерлерімен байланысты көптеген мәселелерді жеңеді. Бұл әртүрлі материалдардың бірнеше қабаттарын бірыңғай біріктірілген құрылымға тікелей қосуға (яғни бетті өзгертусіз, толтырғыштарсыз немесе желімсіз) мүмкіндік береді.
CAM үшін екінші қолайлы фактор - металл материалдарында тіпті төмен температурада, яғни металл материалдардың балқу температурасынан әлдеқайда төмен температурада байқалатын пластикалық ағынның жоғары деңгейі. Ультрадыбыстық тербелістер мен қысымның үйлесімі дәстүрлі түрде көлемді материалдармен байланысты температураның айтарлықтай жоғарылауынсыз жергілікті дән шекарасының миграциясы мен қайта кристалданудың жоғары деңгейін тудырады. Соңғы құрастырманы жасау кезінде бұл құбылысты металл фольга қабаттарының арасына, қабат-қабат белсенді және пассивті компоненттерді енгізу үшін пайдалануға болады. Оптикалық талшық 49, арматура 46, электроника 50 және термопаралар (бұл жұмыс) сияқты элементтер белсенді және пассивті композиттік құрастырмаларды жасау үшін UAM құрылымдарына сәтті интеграцияланған.
Бұл жұмыста каталитикалық температураны бақылау үшін идеалды микрореактор жасау мақсатында әртүрлі материалдарды байланыстыру мүмкіндіктері де, UAM интеркаляция мүмкіндіктері де пайдаланылды.
Палладий (Pd) және басқа да кең таралған металл катализаторларымен салыстырғанда, Cu катализінің бірнеше артықшылықтары бар: (i) Экономикалық тұрғыдан алғанда, Cu катализде қолданылатын көптеген басқа металдарға қарағанда арзанырақ және сондықтан химия өнеркәсібі үшін тартымды нұсқа болып табылады (ii) Cu-катализденетін көлденең байланыс реакцияларының ауқымы кеңейіп келеді және Pd51, 52, 53 негізіндегі әдіснамаларды біршама толықтыратын сияқты (iii) Cu-катализденетін реакциялар басқа лигандтар болмаған кезде жақсы жұмыс істейді. Бұл лигандтар көбінесе құрылымдық жағынан қарапайым және арзан. Қажет болса, ал Pd химиясында қолданылатындар көбінесе күрделі, қымбат және ауаға сезімтал. (iv) Cu, әсіресе синтез кезінде алкиндерді байланыстыру қабілетімен танымал, мысалы, Соногашираның биметаллдық катализденетін байланысы және азидтермен циклоқосылу (шерту химиясы) (v) Cu сонымен қатар Ульман типті реакцияларда кейбір нуклеофилдердің арилденуін ынталандыра алады.
Жақында Cu(0) қатысуымен осы реакциялардың барлығының гетерогенденуінің мысалдары көрсетілді. Бұл көбінесе фармацевтика өнеркәсібіне және металл катализаторларын қалпына келтіруге және қайта пайдалануға бағытталған назардың артуына байланысты55,56.
1960 жылдары Хюсген алғаш рет ұсынған ацетилен мен азидтің 1,2,3-триазолға 1,3-диполярлық циклоактивті реакциясы57 синергетикалық демонстрациялық реакция болып саналады. Нәтижесінде пайда болған 1,2,3 триазол фрагменттері биологиялық қолданылуына және әртүрлі терапиялық агенттерде қолданылуына байланысты дәрілік заттарды ашуда фармакофор ретінде ерекше қызығушылық тудырады58.
Шарплесс және басқалар «шерту химиясы» ұғымын енгізген кезде бұл реакцияға қайта назар аударылды59. «Шерту химиясы» термині гетероатомдық байланысты (CXC)60 қолдана отырып, жаңа қосылыстар мен комбинаторлық кітапханаларды жылдам синтездеуге арналған сенімді және селективті реакциялар жиынтығын сипаттау үшін қолданылады. Бұл реакциялардың синтетикалық тартымдылығы олармен байланысты жоғары өнімділікке байланысты. жағдайлар қарапайым, оттегі мен суға төзімді және өнімді бөлу оңай61.
Классикалық 1,3-диполярлық Хьюсген циклоқосылу «шерту химиясы» санатына жатпайды. Дегенмен, Медаль мен Шарплесс бұл азид-алкин байланыс оқиғасы Cu(I) қатысуымен 107–108-ге ұшырайтынын, ал каталитикалық емес 1,3-диполярлық циклоқосылу жылдамдығының айтарлықтай үдеуімен салыстырғанда 62,63 екенін көрсетті. Бұл дамыған реакция механизмі қорғау топтарын немесе қатал реакция жағдайларын қажет етпейді және уақыт өте келе 1,4-алмастырылған 1,2,3-триазолдарға (анти-1,2,3-триазолдар) толық дерлік түрлендіруді және селективтілікті қамтамасыз етеді (3-сурет).
Кәдімгі және мыс катализделген Хьюсген циклоқосылымдарының изометриялық нәтижелері. Cu(I)-катализделген Хьюсген циклоқосылымдары тек 1,4-алмастырылған 1,2,3-триазолдарды береді, ал термиялық индукцияланған Хьюсген циклоқосылымдары әдетте 1,4- және 1,5-триазолдарды азол стереоизомерлерінің 1:1 қоспасымен береді.
Көптеген хаттамалар Cu(II) тұрақты көздерін тотықсыздандыруды қамтиды, мысалы, CuSO4 немесе Cu(II)/Cu(0) қосылысын натрий тұздарымен бірге тотықсыздандыру. Басқа металл катализдейтін реакциялармен салыстырғанда, Cu(I) қолданудың негізгі артықшылықтары арзан және өңдеуге оңай.
Воррелл және т.б. 65 жүргізген кинетикалық және изотоптық зерттеулер терминалды алкиндер жағдайында әр молекуланың азидке қатысты реактивтілігін белсендіруге екі эквивалентті мыс қатысатынын көрсетті. Ұсынылған механизм азидтің σ-байланысқан мыс ацетилидімен тұрақты донорлық лиганд ретінде π-байланысқан мыспен координациясы арқылы пайда болған алты мүшелі мыс металл сақинасы арқылы жүреді. Мыс триазолил туындылары сақинаның жиырылуы, содан кейін протонның ыдырауы нәтижесінде пайда болады, бұл триазол өнімдерін түзеді және каталитикалық циклді жабады.
Ағынды химия құрылғыларының артықшылықтары жақсы құжатталғанымен, нақты уақыт режимінде процесті бақылау үшін осы жүйелерге аналитикалық құралдарды біріктіруге деген ұмтылыс байқалды66,67. UAM тікелей енгізілген сенсорлық элементтері бар каталитикалық белсенді, жылу өткізгіш материалдардан жасалған өте күрделі 3D ағынды реакторларды жобалау және өндіру үшін қолайлы әдіс болып шықты (4-сурет).
Күрделі ішкі арна құрылымы, кіріктірілген термопаралары және каталитикалық реакция камерасы бар ультрадыбыстық аддитивті өндіріс (УАМ) әдісімен жасалған алюминий-мыс ағынды реакторы. Ішкі сұйықтық жолдарын визуализациялау үшін стереолитографияны қолдану арқылы жасалған мөлдір прототип те көрсетілген.
Реакторлардың болашақ органикалық реакцияларға арналғанына көз жеткізу үшін еріткіштерді қайнау температурасынан жоғары қауіпсіз қыздыру керек; олар қысым мен температурада тексеріледі. Қысымды сынау жүйенің жүйедегі жоғары қысымда да (1,7 МПа) тұрақты және тұрақты қысымды сақтайтынын көрсетті. Гидростатикалық сынақтар бөлме температурасында сұйықтық ретінде H2O қолданылып жүргізілді.
Кіріктірілген (1-сурет) термопараны температура деректерін тіркеушіге қосу термопара температурасының FlowSyn жүйесіндегі бағдарламаланған температурадан 6 °C (± 1 °C) төмен екенін көрсетті. Әдетте, температураның 10 °C жоғарылауы реакция жылдамдығын екі есеге арттырады, сондықтан температураның бірнеше градусқа айырмашылығы реакция жылдамдығын айтарлықтай өзгерте алады. Бұл айырмашылық өндіріс процесінде қолданылатын материалдардың жоғары жылу диффузиялықтығына байланысты RPV бойындағы температураның жоғалуына байланысты. Бұл жылу дрейфі тұрақты және сондықтан реакция кезінде дәл температураға жету және өлшеу үшін жабдықты орнату кезінде ескерілуі мүмкін. Осылайша, бұл онлайн бақылау құралы реакция температурасын қатаң бақылауды жеңілдетеді және процесті дәлірек оңтайландыруға және оңтайлы жағдайларды жасауға ықпал етеді. Бұл сенсорларды экзотермиялық реакцияларды анықтау және ірі жүйелердегі қашықтағы реакциялардың алдын алу үшін де пайдалануға болады.
Бұл мақалада ұсынылған реактор химиялық реакторларды жасауға UAM технологиясын қолданудың алғашқы мысалы болып табылады және қазіргі уақытта осы құрылғыларды AM/3D басып шығарумен байланысты бірнеше негізгі шектеулерді шешеді, мысалы: (i) Мыс немесе алюминий қорытпасын өңдеумен байланысты белгіленген мәселелерді шешу (ii) селективті лазерлік балқыту (SLM) сияқты ұнтақ қабатын балқыту (PBF) әдістерімен салыстырғанда ішкі арна ажыратымдылығының жақсаруы25,69 Материалдың нашар ағыны және кедір-бұдыр бетінің құрылымы26 (iii) сенсорларды тікелей қосуға мүмкіндік беретін төмен өңдеу температурасы, бұл ұнтақ қабаты технологиясында мүмкін емес, (v) полимер негізіндегі компоненттердің әртүрлі кең таралған органикалық еріткіштерге нашар механикалық қасиеттері мен сезімталдығын жеңу17,19.
Реактордың функционалдығы үздіксіз ағын жағдайында мыс катализденген алкиназидті циклоқосылу реакцияларының сериясымен көрсетілді (2-сурет). 4-суретте көрсетілген ультрадыбыстық басылған мыс реакторы коммерциялық ағын жүйесімен біріктіріліп, натрий хлоридінің қатысуымен ацетилен мен алкил тобының галогенидтерінің температуралық бақыланатын реакциясын қолдана отырып, әртүрлі 1,4-дисститутталған 1,2,3-триазолдардың азид кітапханасын синтездеу үшін пайдаланылды (3-сурет). Үздіксіз ағын тәсілін қолдану сериялық процестерде туындауы мүмкін қауіпсіздік мәселелерін азайтады, себебі бұл реакция жоғары реактивті және қауіпті азид аралық өнімдерін шығарады [317], [318]. Бастапқыда реакция фенилацетилен мен йодоэтанды циклоқосылу үшін оңтайландырылды (1-схема – фенилацетилен мен йодоэтанды циклоқосылу) (5-суретті қараңыз).
(Жоғарғы сол жақта) Фенилацетилен мен йодоэтан арасындағы Huisgen 57 циклоқосылу схемасының оңтайландырылған (төменгі) схемасынан алынған ағын жүйесіне (жоғарғы оң жақта) 3DP реакторын қосу үшін пайдаланылған қондырғының схемасы оңтайландыру және реакцияның оңтайландырылған түрлендіру жылдамдығы параметрлерін көрсету үшін.
Реактордың каталитикалық бөлімінде реагенттердің болу уақытын бақылау және тікелей интеграцияланған термопара сенсорымен реакция температурасын мұқият бақылау арқылы реакция жағдайларын уақыт пен материалдарды минималды шығынмен тез және дәл оңтайландыруға болады. Ең жоғары түрлендіруге 15 минут болу уақыты мен 150°C реакция температурасын пайдалану арқылы қол жеткізілгені тез анықталды. MODDE бағдарламалық жасақтамасының коэффициент графигінен болу уақыты да, реакция температурасы да модельдің маңызды шарттары болып саналатынын көруге болады. Осы таңдалған жағдайларды пайдаланып, кіріктірілген оңтайландырғышты іске қосу бастапқы материалдың шың аудандарын азайта отырып, өнім шыңдарының аудандарын барынша арттыруға арналған реакция жағдайлары жиынтығын жасайды. Бұл оңтайландыру триазол өнімінің 53% түрленуін берді, бұл модельдің 54% болжамына дәл сәйкес келді.