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 біз сайтты стильдерсіз және JavaScriptсіз көрсетеміз.
Қоспа өндірісі зерттеушілер мен өнеркәсіпшілердің өздерінің нақты қажеттіліктерін қанағаттандыру үшін химиялық құрылғыларды жобалау және өндіру тәсілін өзгертуде. Бұл жұмыста біз тікелей интеграцияланған каталитикалық бөлшектер мен сенсорлық элементтері бар қатты денелі металл парақтарын ламинациялау әдісімен жасалған ағынды реактордың алғашқы мысалын ұсынамыз. UAM технологиясы қазіргі уақытта химиялық реакторларды аддитивті өндірумен байланысты көптеген шектеулерді жеңіп қана қоймай, сонымен қатар мұндай құрылғылардың мүмкіндіктерін айтарлықтай арттырады. Биологиялық маңызды 1,4-алмастырылған 1,2,3-триазол қосылыстарының сериясы сәтті синтезделді және UAM химиялық қондырғысын қолдана отырып, Cu-делдалдығымен жүзеге асырылатын Huisgen 1,3-диполярлық циклоактивті реакциясы арқылы оңтайландырылды. UAM және үздіксіз ағынды өңдеудің бірегей қасиеттерін пайдалану арқылы құрылғы реакцияларды катализдей алады, сонымен қатар реакцияны бақылау және оңтайландыру үшін нақты уақыт режимінде кері байланыс береді.
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 химиялық және фармацевтикалық салалардағы реакциялардың 50%-дан астамы үздіксіз ағынды өңдеуді пайдаланудан пайда көре алады7.
Соңғы жылдары дәстүрлі шыны ыдыстарды немесе ағынды химия жабдықтарын теңшелетін аддитивті өндіріс (АМ) химия «реакция ыдыстарымен» алмастыруға тырысатын топтардың өсіп келе жатқан үрдісі байқалды8. Бұл әдістердің итеративті дизайны, жылдам өндірісі және 3 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, 16 сияқты полимер негізіндегі 3D басып шығару әдістерін пайдалануға бағытталған. Мұндай құрылғылардың беріктігі мен химиялық реакциялардың/талдаулардың кең ауқымын орындау мүмкіндігінің болмауы17, 18, 19, 20 осы салада АМ-ды кеңінен енгізудің негізгі шектеуші факторы болып табылады17, 18, 19, 20.
Ағын химиясын қолданудың артуына және AM-мен байланысты қолайлы қасиеттерге байланысты пайдаланушыларға жақсартылған химиялық және аналитикалық мүмкіндіктері бар ағындық реакция ыдыстарын жасауға мүмкіндік беретін озық әдістерді зерттеу қажет. Бұл әдістер пайдаланушыларға реакция жағдайларының кең ауқымын өңдеуге қабілетті жоғары берік немесе функционалды материалдардың кең ауқымынан таңдауға мүмкіндік береді, сонымен қатар реакцияны бақылау мен басқаруға мүмкіндік беру үшін құрылғыдан әртүрлі аналитикалық нәтижелерді алуға мүмкіндік береді.
Арнайы химиялық реакторларды әзірлеу мүмкіндігі бар бір аддитивті өндіріс процесі - ультрадыбыстық аддитивті өндіріс (UAM). Бұл қатты денелі парақты ламинациялау әдісі жұқа металл фольгаларға ультрадыбыстық тербелістерді қолданады, оларды минималды көлемді қыздыру және жоғары дәрежелі пластикалық ағынмен қабат-қабат біріктіру үшін 21, 22, 23. Басқа AM технологияларынан айырмашылығы, UAM гибридті өндіріс процесі деп аталатын субтрактивті өндіріспен тікелей біріктірілуі мүмкін, онда in situ периодты компьютерлік сандық басқару (CNC) фрезерлеу немесе лазерлік өңдеу байланыстырылған материал қабатының таза пішінін анықтайды 24, 25. Бұл пайдаланушы ұнтақ және сұйық AM жүйелерінде жиі кездесетін қалдық шикізат құрылыс материалын ұсақ сұйықтық арналарынан алып тастаумен байланысты мәселелермен шектелмейтінін білдіреді 26, 27, 28. Бұл дизайн еркіндігі қолжетімді материал таңдауына да таралады - UAM термиялық жағынан ұқсас және әртүрлі материалдық комбинацияларды бір процесс сатысында байланыстыра алады. Балқу процесінен тыс материалдық комбинацияларды таңдау нақты қолданбалардың механикалық және химиялық талаптарын жақсырақ қанағаттандыруға болатынын білдіреді. Қатты денелі байланыстан басқа, осы кезеңде кездесетін тағы бір құбылыс... Ультрадыбыстық байланыс - бұл салыстырмалы түрде төмен температурада пластикалық материалдардың жоғары ағыны29,30,31,32,33. UAM-ның бұл бірегей ерекшелігі механикалық/жылулық элементтерді металл қабаттары арасына зақым келтірмей енгізуді жеңілдете алады. UAM ендірілген сенсорлары құрылғыдан пайдаланушыға интеграцияланған аналитика арқылы нақты уақыт режимінде ақпарат жеткізуді жеңілдете алады.
Авторлардың өткен жұмыстары32 UAM процесінің интеграцияланған сенсорлық мүмкіндіктері бар металл 3D микрофлюидтік құрылымдарды жасау мүмкіндігін көрсетті. Бұл тек бақылау құрылғысы. Бұл мақалада UAM жасаған микрофлюидтік химиялық реактордың алғашқы мысалы келтірілген; құрылымдық интеграцияланған катализатор материалдары арқылы химиялық синтезді бақылап қана қоймай, сонымен қатар индукциялайтын белсенді құрылғы. Құрылғы 3D химиялық құрылғылар өндірісіндегі UAM технологиясымен байланысты бірнеше артықшылықтарды біріктіреді, мысалы: толық 3D жобаларды компьютерлік көмекші жобалау (CAD) модельдерінен тікелей өнімдерге түрлендіру мүмкіндігі; жоғары жылу өткізгіштік пен каталитикалық материалдарды біріктіру үшін көп материалды өндіріс; және реакция температурасын дәл бақылау және басқару үшін реагент ағындары арасында тікелей жылу сенсорларын енгізу. Реактордың функционалдығын көрсету үшін фармацевтикалық маңызды 1,4-алмастырылған 1,2,3-триазол қосылыстарының кітапханасы мыс катализделген Huisgen 1,3-диполярлық циклоактивті қосылыс арқылы синтезделді. Бұл жұмыс материалтану мен компьютерлік дизайнды пайдалану көп салалы зерттеулер арқылы химия үшін жаңа мүмкіндіктер мен мүмкіндіктерді қалай 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 МГц және 100 МГц жиілікте жазылған 1H және 13C ЯМР спектрлері JEOL ECS-400 400 МГц спектрометрі немесе Bruker Avance II 400 МГц спектрометрі және еріткіш ретінде CDCl3 немесе (CD3)2SO көмегімен алынды. Барлық реакциялар Uniqsis FlowSyn ағындық химия платформасын пайдаланып жүргізілді.
Бұл зерттеудегі барлық құрылғыларды жасау үшін UAM қолданылды. Технология 1999 жылы ойлап табылды, ал оның техникалық мәліметтерін, жұмыс параметрлерін және оны ойлап тапқаннан бергі дамуын келесі жарияланған материалдар арқылы зерттеуге болады34,35,36,37. Құрылғы (1-сурет) өте жоғары қуатты, 9 кВт SonicLayer 4000® UAM жүйесін (Fabrisonic, OH, АҚШ) пайдалану арқылы жүзеге асырылды. Ағынды құрылғыны жасау 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, сонымен қатар талдау үшін ендіру қабаты қолданылады; қорытпаның көмекші компонентін ендіру және күйдіру күйі Cu-110 қабатымен біріктірілген. Al 6061O - UAM-мен өте үйлесімді екені дәлелденген материал. процестер38, 39, 40, 41 және сынақтан өткізіліп, осы жұмыста қолданылған реагенттермен химиялық тұрғыдан тұрақты екені анықталды. Al 6061O мен Cu-110 қоспасы да UAM үшін үйлесімді материал қоспасы болып саналады және сондықтан осы зерттеу үшін қолайлы материал болып табылады. 38,42 Бұл құрылғылар төмендегі 1-кестеде келтірілген.
Реакторды жасау кезеңдері (1) Al 6061 негізі (2) Мыс фольгасына орнатылған төменгі арнаны жасау (3) Қабаттар арасына термопараларды енгізу (4) Жоғарғы арна (5) Кіріс және шығыс (6) Монолитті реактор.
Сұйықтық жолының жобалау философиясы чиптің ішіндегі сұйықтықтың жүру қашықтығын арттыру үшін иілген жолды пайдалану болып табылады, сонымен бірге чипті басқарылатын өлшемде сақтайды. Қашықтықтың бұл ұлғаюы катализатор/реагент өзара әрекеттесу уақытын арттыру және өнімнің тамаша өнімділігін қамтамасыз ету үшін қажет. Чиптер құрылғының ішінде турбулентті араластыруды тудыру және сұйықтықтың бетімен (катализатормен) жанасу уақытын арттыру үшін түзу жолдың ұштарында 90° иілулерді пайдаланады. Қол жеткізуге болатын араластыруды одан әрі арттыру үшін реактордың дизайнында серпентинді араластыру бөліміне кірмес бұрын Y-тәрізді түйіспеде біріктірілген екі реагент кірісі бар. Ағынды өзінің орналасқан жерінің жартысында кесіп өтетін үшінші кіріс болашақ көп сатылы реакция синтездерін жобалауға енгізілген.
Барлық арналар шаршы профильге ие (желпе бұрыштары жоқ), бұл арна геометриясын жасау үшін пайдаланылған мерзімді CNC фрезерлеуінің нәтижесі. Арна өлшемдері жоғары (микрореактор үшін) көлемдік шығысты қамтамасыз ету үшін таңдалады, сонымен бірге құрамындағы сұйықтықтардың көпшілігі үшін беттік өзара әрекеттесуді (катализаторларды) жеңілдету үшін жеткілікті кішкентай болады. Тиісті өлшем авторлардың реакцияға арналған металл-сұйық құрылғылармен бұрынғы тәжірибесіне негізделген. Соңғы арнаның ішкі өлшемдері 750 мкм x 750 мкм, ал реактордың жалпы көлемі 1 мл болды. Құрылғыны коммерциялық ағын химиясы жабдықтарымен қарапайым байланыстыруға мүмкіндік беретін интеграцияланған қосқыш (1/4″—28 UNF бұрандасы) жобалауға енгізілген. 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 пайдалану арқылы анықталады. Арналардың пішіні мен өлшемін әртүрлі кесу құралдарын пайдаланып, әртүрлі ағын жылдамдығы мен сипаттамаларын алу үшін CNC станоктарымен өзгертуге болады. 125 мкм құралды пайдаланып қисық пішінді арна жасаудың мысалын Monaghan45 жұмысынан табуға болады. Фольга қабаты жазық түрде салынған кезде, арналардың үстіне фольга материалының қабаты жалпақ (шаршы) әрлеу болады. Бұл жұмыста арнаның симметриясын сақтау үшін шаршы контур қолданылды.
Өндірістегі алдын ала бағдарламаланған үзіліс кезінде термопара температуралық зондтары (K типті) құрылғының жоғарғы және төменгі арна топтарының арасына тікелей енгізіледі (1-сурет – 3-кезең). Бұл термопаралар температураның −200-ден 1350 °C-қа дейінгі өзгерістерін бақылай алады.
Металл тұндыру процесі ені 25,4 мм, қалыңдығы 150 микрон болатын металл фольганы пайдаланатын UAM мүйізі арқылы жүзеге асырылады. Бұл фольга қабаттары бүкіл құрылыс алаңын жабу үшін бірқатар көршілес жолақтарға жабыстырылады; тұндыру материалының өлшемі соңғы өнімнен үлкенірек, себебі субстративті процесс соңғы тор пішінін береді. Жабдықтың сыртқы және ішкі контурларын өңдеу үшін CNC өңдеуі қолданылады, нәтижесінде жабдық пен арналардың беткі өңдеуі таңдалған құрал мен CNC процесінің параметрлеріне тең болады (бұл мысалда шамамен 1,6 мкм Ra). Өлшемдік дәлдіктің сақталуын және дайын бөлшектің CNC өңдеу фрезерлеу дәлдігі деңгейлеріне сәйкес келуін қамтамасыз ету үшін құрылғыны өндіру процесінде үздіксіз, үздіксіз ультрадыбыстық материалды тұндыру және өңдеу циклдары қолданылады. Бұл құрылғы үшін қолданылатын арна ені фольга материалының сұйықтық каналына «салбырап» кетпеуін қамтамасыз ету үшін жеткілікті кішкентай, сондықтан арна шаршы көлденең қиманы сақтайды. Фольга материалындағы және UAM процесінің параметрлеріндегі мүмкін болатын саңылаулар өндіріс серіктесімен (Fabrisonic LLC, АҚШ) эксперименталды түрде анықталды.
Зерттеулер көрсеткендей, UAM байланыс интерфейсінде 46, 47 қосымша термиялық өңдеусіз элементтік диффузия аз жүреді, сондықтан осы жұмыстағы құрылғылар үшін Cu-110 қабаты Al 6061 қабатынан ерекше болып қалады және кенеттен өзгереді.
Реактордың шығысына алдын ала калибрленген 250 psi (1724 кПа) кері қысым реттегішін (BPR) орнатыңыз және суды реактор арқылы 0,1-ден 1 мл мин-1-ге дейін жылдамдықпен айдаңыз. Жүйенің тұрақты тұрақты қысымды сақтай алатынын тексеру үшін реактор қысымы FlowSyn кіріктірілген жүйелік қысым сенсорын пайдаланып бақыланды. Ағынды реактордағы ықтимал температура градиенттері реакторға енгізілген және FlowSyn чипінің қыздыру пластинасына енгізілген термопаралар арасындағы кез келген айырмашылықтарды анықтау арқылы тексерілді. Бұған бағдарламаланатын қыздыру пластинасының температурасын 25 °C қадаммен 100 және 150 °C аралығында өзгерту және бағдарламаланған және жазылған температуралар арасындағы кез келген айырмашылықтарды белгілеу 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 оңтайландырылды (1-схема - Фенилацетилен мен йодоэтанның циклоқосылу 1-схема - Фенилацетилен мен йодоэтанның циклоқосылу). Бұл оңтайландыру алкин:азид қатынасын 1:2 қатынасында бекіте отырып, температура мен тұру уақытын айнымалы параметрлер ретінде пайдалана отырып, эксперименттердің толық факторлық дизайны (DOE) тәсілімен жүзеге асырылды.
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. Модельдік жауап триазол өнімінің фенилацетилен бастапқы материалына шың ауданының қатынасы ретінде алынды және жоғары өнімді сұйықтық хроматографиясы (ЖӨХХ) арқылы анықталды. Талдаудың консистенциясы үшін барлық реакциялар реакция қоспасы реактордан шыққаннан кейін бірден сынама 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 сақталған, өлшемі 4,6 × 100 мм, бөлшектердің өлшемі 5 мкм болатын эквиваленттік 5 C18 (VWR, PA, АҚШ) болды. Еріткіш 1,5 мл.мин-1 ағын жылдамдығындағы изократиялық 50:50 метанол: су болды. Инъекция көлемі 5 мкл, ал детектордың толқын ұзындығы 254 нм болды. DOE үлгісі үшін шыңның пайыздық ауданы тек қалдық алкиндер мен триазол өнімдерінің шың аудандарынан есептелді. Бастапқы материалды инъекциялау тиісті шыңдарды анықтауға мүмкіндік береді.
Реактор талдауының нәтижесін MODDE DOE бағдарламалық жасақтамасына (Umetrics, Мальме, Швеция) қосу нәтиже үрдістерін мұқият талдауға және осы циклдық қосу үшін оңтайлы реакция жағдайларын анықтауға мүмкіндік берді. Кіріктірілген оңтайландырғышты іске қосу және барлық маңызды модель терминдерін таңдау ацетилен бастапқы материалы үшін шың аймағын азайта отырып, өнімнің шың аймағын барынша арттыруға арналған реакция жағдайлары жиынтығын береді.
Каталитикалық реакция камерасындағы беттік мыстың тотығуы әрбір триазол қосылыстары кітапханасын синтездеу алдында реакция камерасы арқылы ағып өтетін сутегі асқын тотығының (36%) ерітіндісін (ағын жылдамдығы = 0,4 мл мин-1, тұру уақыты = 2,5 мин) қолдану арқылы жүзеге асырылды.
Оңтайлы шарттар жиынтығы анықталғаннан кейін, олар ацетилен мен галоалкан туындыларының бірқатарына қолданылды, бұл шағын кітапхана синтезін құрастыруға мүмкіндік берді, осылайша бұл шарттарды әлеуетті реагенттердің кең ауқымына қолдану мүмкіндігін белгіледі (1-сурет).2).
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 аликвоталары араластырылып, реактор арқылы 75 мкл.мин-1 және 150 °C температурада айдалды. Жалпы көлем құтыға жиналып, 10 мл этилацетатпен сұйылтылды. Үлгі ерітіндісі 3 × 10 мл сумен жуылды. Сулы қабаттар біріктіріліп, 10 мл этилацетатпен экстракцияланды; содан кейін органикалық қабаттар біріктіріліп, 3 x 10 мл тұзды сумен 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 гелінде бағаналық хроматография арқылы тазартылды.
Барлық спектрлер иондану көзі ретінде ESI бар Thermofischer дәлдіктегі Orbitrap ажыратымдылықтағы масс-спектрометрін пайдаланып алынды. Барлық үлгілер еріткіш ретінде ацетонитрилді пайдаланып дайындалды.
TLC талдауы алюминий негізіндегі кремний диоксиді пластиналарында жүргізілді. Пластиналар ультракүлгін сәулемен (254 нм) немесе ванилинмен бояу және қыздыру арқылы көрінді.
Барлық үлгілер автоүлгілеуші, бағаналы пештің екілік сорғысы және бір толқын ұзындығын анықтайтын детектормен жабдықталған VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, Ұлыбритания) жүйесін пайдаланып талданды. Қолданылған баған ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4,6 мм, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Абердин, Шотландия) болды.
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 саны ретінде белгіленген) 1,5 мл/мин ағын жылдамдығымен қолданды. Баған 40 °C температурада ұсталды. Детектордың толқын ұзындығы 254 нм.
Үлгінің шың ауданының пайызы қалдық алкиннің шың ауданынан есептелді, тек триазол өнімі ғана пайдаланылды, ал бастапқы материалды енгізу тиісті шыңдарды анықтауға мүмкіндік берді.
Барлық үлгілер Thermo iCAP 6000 ICP-OES көмегімен талданды. Барлық калибрлеу стандарттары 2% азот қышқылындағы (SPEX Certi Prep) 1000 ppm Cu стандартты ерітіндісін пайдаланып дайындалды. Барлық стандарттар 5% DMF және 2% HNO3 ерітіндісінде дайындалды, ал барлық үлгілер DMF-HNO3 ерітіндісінде 20 есе сұйылтылды.
UAM соңғы құрастыруды жасау үшін қолданылатын металл фольга материалын байланыстыру әдісі ретінде ультрадыбыстық металл дәнекерлеуді пайдаланады. Ультрадыбыстық металл дәнекерлеу материалды дірілдету кезінде байланыстырылатын фольга қабатына/бұрын біріктірілген қабатқа қысым жасау үшін дірілдейтін металл құралды (мүйіз немесе ультрадыбыстық мүйіз деп аталады) пайдаланады. Үздіксіз жұмыс істеу үшін ультрадыбыстық құрылғы цилиндр тәрізді және материалдың бетіне домалап, бүкіл аймақты байланыстырады. Қысым мен діріл қолданылған кезде материалдың бетіндегі оксидтер жарылып кетуі мүмкін. Қысым мен дірілдің үздіксіз болуы материалдың ауытқуларына әкелуі мүмкін 36. Жергілікті индукцияланған жылу мен қысыммен тығыз байланыс материал интерфейстерінде қатты күйдегі байланыстыруға әкеледі; ол сонымен қатар беттік энергияның өзгеруі арқылы адгезияға көмектеседі48. Байланыстыру механизмінің табиғаты басқа қоспа өндіріс әдістерінде айтылған айнымалы балқу температурасымен және жоғары температураның әсерінен туындайтын көптеген мәселелерді жеңеді. Бұл әртүрлі материалдардың бірнеше қабаттарын бірыңғай біріктірілген құрылымға тікелей байланыстыруға (яғни, беттік модификациясыз, толтырғыштарсыз немесе желімсіз) мүмкіндік береді.
UAM үшін екінші қолайлы фактор - металл материалдарында, тіпті төмен температурада, яғни металл материалдардың балқу температурасынан әлдеқайда төмен температурада байқалатын пластикалық ағынның жоғары деңгейі. Ультрадыбыстық тербеліс пен қысымның үйлесімі дәстүрлі түрде көлемді материалдармен байланысты үлкен температураның жоғарылауынсыз жергілікті дән шекарасының миграциясы мен қайта кристалданудың жоғары деңгейін тудырады. Соңғы құрастырманы салу кезінде бұл құбылысты металл фольга қабаттарының арасына, қабат-қабат белсенді және пассивті компоненттерді енгізу үшін пайдалануға болады. Оптикалық талшықтар 49, арматуралар 46, электроника 50 және термопаралар (бұл жұмыс) сияқты элементтердің барлығы белсенді және пассивті композиттік құрастырмаларды жасау үшін UAM құрылымдарына сәтті енгізілді.
Бұл жұмыста каталитикалық температураны бақылаудың ең жақсы микрореакторын жасау үшін UAM-ның әртүрлі материалдық байланыс және интеркаляция мүмкіндіктері 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 химиялық өңдеу өнеркәсібі үшін тартымды нұсқа болып табылады (ii) Cu-катализденетін көлденең байланыс реакцияларының ауқымы артып келеді және Pd негізіндегі әдіснамаларды біршама толықтыратын сияқты51,52,53 (iii) Cu-катализденетін реакциялар басқа лигандтар болмаған кезде жақсы жұмыс істейді, Бұл лигандтар көбінесе құрылымдық жағынан қарапайым және қажет болған жағдайда арзан, ал Pd химиясында қолданылатындар көбінесе күрделі, қымбат және ауаға сезімтал (iv) Cu, әсіресе синтезде алкиндерді байланыстыру қабілетімен танымал, Мысалы, биметалл-катализденген Соногашира байланысы және азидтермен циклоқосылу (шерту химиясы) (v)Cu сонымен қатар Ульман типті реакцияларда бірнеше нуклеофилдердің арилденуін ынталандыра алады.
Жақында Cu(0) қатысуымен осы реакциялардың барлығының гетерогендену мысалдары көрсетілді. Бұл көбінесе фармацевтика өнеркәсібіне және металл катализаторларын қалпына келтіру мен қайта пайдалануға баса назар аударудың артуына байланысты55,56.
1960 жылдары Хюйсген бастаған57, ацетилен мен азидтің 1,2,3-триазолға дейінгі 1,3-диполярлық циклоактивті реакциясы синергетикалық демонстрациялық реакция болып саналады. Нәтижесінде пайда болған 1,2,3 триазол бөліктері биологиялық қолданылуына және әртүрлі терапиялық агенттерде қолданылуына байланысты дәрілік заттарды ашу саласында фармакофор ретінде ерекше қызығушылық тудырады58.
Шарплесс және басқалар «шерту химиясы» ұғымын енгізген кезде бұл реакция қайтадан назарға алынды59. «Шерту химиясы» термині гетероатомдық байланыс (CXC)60 арқылы жаңа қосылыстар мен комбинаторлық кітапханаларды жылдам синтездеуге арналған берік, сенімді және селективті реакциялар жиынтығын сипаттау үшін қолданылады. Бұл реакциялардың синтетикалық тартымдылығы олардың жоғары өнімділігіне, реакция жағдайларының қарапайымдығына, оттегі мен суға төзімділігіне және өнімді бөлудің қарапайымдығына байланысты61.
Классикалық Huisgen 1,3-дипольді циклоқосылу «шерту химиясы» санатына жатпайды. Дегенмен, Медаль мен Шарплесс бұл азид-алкинді байланыстыру оқиғасы Cu(I) қатысуымен 107-ден 108-ге дейін катализденбеген 1,3-диполярлы циклоқосылу 62,63 айтарлықтай жылдамдық үдеуімен салыстырғанда өтетінін көрсетті. Бұл жақсартылған реакция механизмі қорғау топтарын немесе қатал реакция жағдайларын қажет етпейді және уақыт шкаласында 1,4-дезинфекцияланған 1,2,3-триазолдарға (анти-1,2,3-триазол) толық конверсия мен селективтілікті береді (3-сурет).
Дәстүрлі 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 азолдардың стереоизомерлерінің 1:1 қоспасын 1,4- және 1,5-триазолдарды береді.
Көптеген хаттамалар тұрақты Cu(II) көздерін, мысалы, CuSO4 немесе Cu(II)/Cu(0) түрлерінің натрий тұздарымен бірлесіп әрекеттесуін қалпына келтіруді қамтиды. Басқа металл катализдейтін реакциялармен салыстырғанда, Cu(I) қолданудың арзан және өңдеуге оңай болуының негізгі артықшылықтары бар.
Воррелл және т.б. 65 жүргізген кинетикалық және изотоптық таңбалау зерттеулері терминалды алкиндер жағдайында әр молекуланың азидке 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. Триазолил мыс туындылары сақинаның кішіреюі, содан кейін триазол өнімдерін алу және каталитикалық циклді жабу үшін протонның ыдырауы арқылы түзіледі.
Ағынды химия құрылғыларының артықшылықтары жақсы құжатталғанымен, осы жүйелерге тікелей, орнында процесті бақылау үшін аналитикалық құралдарды біріктіруге деген ұмтылыс болды66,67. 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, ендірілген термопаралары және каталитикалық реакция камерасы бар ультрадыбыстық аддитивті өндіріс (UAM) әдісімен жасалған алюминий-мыс ағынды реакторы. Ішкі сұйықтық жолдарын визуализациялау үшін стереолитографияны қолдану арқылы жасалған мөлдір прототип те көрсетілген.
Реакторлардың болашақ органикалық реакцияларға дайындалуын қамтамасыз ету үшін еріткіштерді қайнау температурасынан жоғары қауіпсіз қыздыру қажет; олар қысым мен температурада тексеріледі. Қысым сынағы жүйенің жоғары қысыммен (1,7 МПа) тұрақты және тұрақты қысымды сақтайтынын көрсетті. Гидростатикалық сынақ бөлме температурасында сұйықтық ретінде H2O қолданылып жүргізілді.
Енгізілген (1-сурет) термопараны температура деректерін тіркеушіге қосу термопараның FlowSyn жүйесіндегі бағдарламаланған температурадан 6 °C (± 1 °C) төмен екенін көрсетті. Әдетте, температураның 10 °C жоғарылауы реакция жылдамдығының екі еселенуіне әкеледі, сондықтан температураның бірнеше градусқа айырмашылығы реакция жылдамдығын айтарлықтай өзгерте алады. Бұл айырмашылық өндіріс процесінде қолданылатын материалдардың жоғары жылу диффузиялықтығына байланысты реактор корпусындағы температураның жоғалуына байланысты. Бұл жылу дрейфі тұрақты және сондықтан реакция кезінде дәл температураға жету және өлшеу үшін жабдықты орнатуда ескерілуі мүмкін. Сондықтан, бұл онлайн бақылау құралы реакция температурасын қатаң бақылауды жеңілдетеді және процесті дәлірек оңтайландыруға және оңтайлы жағдайларды әзірлеуге ықпал етеді. Бұл сенсорларды реакция экзотермаларын анықтау және ірі жүйелердегі қашықтағы реакциялардың алдын алу үшін де пайдалануға болады.
Бұл жұмыста 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 өңдеуге қатысты 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) Ұнтақ қабаты технологиясында мүмкін емес сенсорлардың тікелей байланысын жеңілдететін өңдеу температурасының төмендеуі (v) полимер негізіндегі компоненттер компоненттерінің әртүрлі кең таралған органикалық еріткіштерге нашар механикалық қасиеттері мен сезімталдығын жеңеді17,19.
Реактордың функционалдығы үздіксіз ағын жағдайында мыс катализденген алкин азидінің циклоқосылу реакцияларының сериясымен көрсетілді (2-сурет). 4-суретте егжей-тегжейлі сипатталған ультрадыбыстық басып шығарылған мыс реакторы коммерциялық ағын жүйесімен біріктіріліп, натрий хлоридінің қатысуымен ацетилен мен алкил топтарының галогенидтерінің температурамен бақыланатын реакциясы арқылы әртүрлі 1,4-дисституцияланған 1,2,3-триазолдардың кітапханалық азидтерін синтездеу үшін пайдаланылды (3-сурет). Үздіксіз ағын тәсілін қолдану партиялық процестерде туындауы мүмкін қауіпсіздік мәселелерін азайтады, себебі бұл реакция жоғары реактивті және қауіпті азид аралық өнімдерін шығарады [317], [318]. Бастапқыда реакция фенилацетилен мен йодоэтанның циклоқосылуына оңтайландырылды (1-схема – фенилацетилен мен йодоэтанның циклоқосылу) (5-суретті қараңыз).
(Жоғарғы сол жақта) Фенилацетилен мен йодоэтан арасындағы оңтайландыру және оңтайландырылған параметрлердің реакция түрлендіру жылдамдығын көрсету үшін Huisgen циклоқосылымының 57 схемасының оңтайландырылған (төменгі) схемасында алынған 3DP реакторын ағын жүйесіне (жоғарғы оң жақта) қосу үшін пайдаланылған қондырғының схемасы.
Реактордың каталитикалық бөлігіндегі реагенттердің тұру уақытын бақылау және тікелей интеграцияланған термопара зондымен реакция температурасын мұқият бақылау арқылы реакция жағдайларын минималды уақыт пен материал шығынымен тез және дәл оңтайландыруға болады. Ең жоғары түрлендірулер 15 минут тұру уақыты және 150 °C реакция температурасы пайдаланылған кезде алынғаны тез анықталды. MODDE бағдарламалық жасақтамасының коэффициент графигінен тұру уақыты да, реакция температурасы да маңызды модельдік терминдер болып саналатынын көруге болады. Осы таңдалған терминдерді пайдаланып, кіріктірілген оңтайландырғышты іске қосу бастапқы материалдың шың аудандарын азайта отырып, өнімнің шың аудандарын барынша арттыруға арналған реакция жағдайлары жиынтығын жасайды. Бұл оңтайландыру триазол өнімінің 53% түрленуін берді, бұл 54% модельдік болжамға өте сәйкес келеді.
Мыс(I) оксидінің (Cu2O) осы реакцияларда нөлдік валентті мыс беттерінде тиімді каталитикалық түр ретінде әрекет ете алатынын көрсететін әдебиеттерге сүйене отырып, реакцияны ағынмен жүргізбес бұрын реактор бетін алдын ала тотықтыру мүмкіндігі зерттелді70,71. Содан кейін фенилацетилен мен йодоэтан арасындағы реакция оңтайлы жағдайларда қайтадан жүргізілді және өнімділік салыстырылды. Бұл препарат бастапқы материалдың конверсиясының айтарлықтай артуына әкелгені байқалды, ол >99% деп есептелді. Дегенмен, HPLC арқылы бақылау бұл конверсияның шамадан тыс ұзаққа созылған реакция уақытын шамамен 90 минутқа дейін айтарлықтай қысқартқанын, содан кейін белсенділік біркелкі болып, «тұрақты күйге» жеткенін көрсетті. Бұл бақылау каталитикалық белсенділік көзі нөлдік валентті мыс субстратынан емес, беткі мыс оксидінен алынатынын көрсетеді. Cu металлы бөлме температурасында өзін-өзі қорғайтын қабаттар емес CuO және Cu2O түзу үшін оңай тотығады. Бұл бірлескен құрам үшін көмекші мыс(II) көзін қосу қажеттілігін жояды71.