Nature.com сайтына киргениңиз үчүн рахмат. Сиз колдонуп жаткан браузердин версиясында CSS колдоосу чектелүү. Эң жакшы тажрыйба алуу үчүн, жаңыртылган браузерди колдонууну сунуштайбыз (же Internet Explorerде шайкештик режимин өчүрүңүз). Ошол эле учурда, үзгүлтүксүз колдоону камсыз кылуу үчүн, биз сайтты стилдерсиз жана JavaScriptсиз көрсөтөбүз.
Бир эле учурда үч слайдды көрсөткөн карусель. Бир убакта үч слайддын арасынан жылуу үчүн "Мурунку" жана "Кийинки" баскычтарын колдонуңуз же бир убакта үч слайддын арасынан жылуу үчүн аягындагы жылдыргыч баскычтарын колдонуңуз.
Кошумча өндүрүш изилдөөчүлөрдүн жана өнөр жайчылардын өздөрүнүн өзгөчө муктаждыктарын канааттандыруу үчүн химиялык түзүлүштөрдү долбоорлоо жана өндүрүү ыкмасын өзгөртүп жатат. Бул макалада биз каталитикалык бөлүктөрү жана сезгич элементтери менен түздөн-түз интеграцияланган катуу металл барактын ультраүн кошулма өндүрүшү (УАМ) менен ламинацияланышы аркылуу түзүлгөн агым реакторунун биринчи мисалы келтирилген. УАМ технологиясы химиялык реакторлорду кошумча өндүрүш менен байланышкан көптөгөн чектөөлөрдү жеңип гана тим болбостон, мындай түзүлүштөрдүн мүмкүнчүлүктөрүн бир топ кеңейтет. Биологиялык жактан маанилүү 1,4-алмаштырылбаган 1,2,3-триазол кошулмаларынын бир катарлары УАМ химиялык түзүлүшүн колдонуу менен Cu менен ортомчулук кылынган 1,3-диполярдык Хьюсген циклокошулма реакциясы аркылуу ийгиликтүү синтезделип, оптималдаштырылган. УАМдын жана үзгүлтүксүз агымдык иштетүүнүн уникалдуу касиеттерин колдонуп, түзмөк уланып жаткан реакцияларды катализдей алат, ошондой эле реакцияларды көзөмөлдөө жана оптималдаштыруу үчүн реалдуу убакыт режиминде пикир калтыра алат.
Көп көлөмдүү аналогуна салыштырмалуу олуттуу артыкчылыктарынан улам, агым химиясы химиялык синтездин селективдүүлүгүн жана натыйжалуулугун жогорулатуу мүмкүнчүлүгүнөн улам академиялык жана өнөр жайлык чөйрөдө маанилүү жана өсүп жаткан тармак болуп саналат. Бул жөнөкөй органикалык молекулалардын пайда болушунан1 фармацевтикалык кошулмаларга2,3 жана табигый продуктыларга4,5,6 чейин созулат. Майда химиялык жана фармацевтикалык өнөр жайлардагы реакциялардын 50% дан ашыгы үзгүлтүксүз агымдан7 пайда ала алат.
Акыркы жылдары салттуу айнек идиштерди же агым химиялык жабдууларды адаптациялануучу химиялык "реакторлор" менен алмаштырууну көздөгөн топтордун көбөйүү тенденциясы байкалууда8. Бул ыкмалардын кайталануучу дизайны, тез өндүрүшү жана үч өлчөмдүү (3D) мүмкүнчүлүктөрү түзмөктөрүн белгилүү бир реакциялар, түзмөктөр же шарттар үчүн ыңгайлаштыргысы келгендер үчүн пайдалуу. Бүгүнкү күнгө чейин бул иш дээрлик толугу менен стереолитография (SL)9,10,11, эритилген чөкмө моделдөө (FDM)8,12,13,14 жана сыя агымы менен басып чыгаруу7,15 сыяктуу полимерге негизделген 3D басып чыгаруу ыкмаларын колдонууга багытталган. , 16. Мындай түзмөктөрдүн кеңири спектрдеги химиялык реакцияларды/анализдерди жүргүзүүгө ишенимдүүлүгүнүн жана мүмкүнчүлүгүнүн жоктугу17, 18, 19, 20 бул тармакта AMди кеңири колдонуунун негизги чектөөчү фактору болуп саналат17, 18, 19, 20.
Агым химиясынын колдонулушунун көбөйүшүнө жана АМ менен байланышкан жагымдуу касиеттерге байланыштуу, колдонуучуларга химиялык жана аналитикалык мүмкүнчүлүктөрү жакшыртылган агым реакция идиштерин жасоого мүмкүндүк берген жакшыраак ыкмаларды изилдөө керек. Бул ыкмалар колдонуучуларга ар кандай реакция шарттарында иштей ала турган жогорку бекемдиктеги же функционалдык материалдардын арасынан тандоого, ошондой эле реакцияны көзөмөлдөөгө жана башкарууга мүмкүндүк берүү үчүн түзмөктөн ар кандай аналитикалык чыгарууларды жүргүзүүгө мүмкүндүк бериши керек.
Жекече химиялык реакторлорду иштеп чыгуу үчүн колдонула турган бир кошумча өндүрүш процесси - бул ультраүндүү кошумча өндүрүш (УАМ). Бул катуу абалдагы барактарды ламинациялоо ыкмасы жука металл фольгаларга ультраүндүү термелүүлөрдү колдонуп, аларды минималдуу көлөмдүк ысытуу жана жогорку деңгээлдеги пластикалык агым менен катмар-катмар бириктирет 21, 22, 23. Башка АМ технологияларынан айырмаланып, УАМды субтрактивдүү өндүрүш менен түздөн-түз интеграциялоого болот, бул гибриддик өндүрүш процесси деп аталат, анда мезгилдүү in-situ сандык башкаруу (CNC) фрезерлөө же лазердик иштетүү бириктирилген материалдын катмарынын таза формасын аныктайт 24, 25. Бул колдонуучу кичинекей суюк каналдардан калдык баштапкы курулуш материалын алып салуу менен байланышкан көйгөйлөр менен гана чектелбейт дегенди билдирет, бул көбүнчө порошок жана суюк системаларда болот AM26,27,28. Бул дизайн эркиндиги жеткиликтүү материалдарды тандоого да жайылтылат - УАМ жылуулук жагынан окшош жана окшош эмес материалдардын айкалыштарын бир процесстик кадамда бириктире алат. Эритүү процессинен тышкары материалдык айкалыштарды тандоо белгилүү бир колдонмолордун механикалык жана химиялык талаптарын жакшыраак канааттандырууга болот дегенди билдирет. Катуу байланыштан тышкары, ультраүн байланышы менен пайда болгон дагы бир кубулуш - бул салыштырмалуу төмөн температурада пластикалык материалдардын жогорку суюктугу29,30,31,32,33. UAMдын бул уникалдуу өзгөчөлүгү механикалык/термикалык элементтерди металл катмарларынын ортосуна зыян келтирбестен жайгаштырууга мүмкүндүк берет. Кыналган UAM сенсорлору интеграцияланган аналитика аркылуу түзмөктөн колдонуучуга реалдуу убакыт режиминде маалыматты жеткирүүнү жеңилдетет.
Авторлордун мурунку эмгектери32 UAM процессинин камтылган сезүү мүмкүнчүлүктөрү бар металл 3D микрофлюиддик структураларды түзүү мүмкүнчүлүгүн көрсөттү. Бул түзмөк мониторинг жүргүзүү максатында гана колдонулат. Бул макалада UAM тарабынан чыгарылган микрофлюиддик химиялык реактордун биринчи мисалы келтирилген, ал структуралык жактан интеграцияланган каталитикалык материалдар менен химиялык синтезди башкаруу менен гана чектелбестен, ошондой эле индукциялоочу активдүү түзмөк. Түзмөк 3D химиялык түзүлүштөрдү өндүрүүдө UAM технологиясы менен байланышкан бир нече артыкчылыктарды айкалыштырат, мисалы: толук 3D дизайнды компьютердик жардам менен долбоорлоо (CAD) моделинен түздөн-түз продуктка айландыруу мүмкүнчүлүгү; жогорку жылуулук өткөрүмдүүлүгүн жана каталитикалык материалдардын айкалышы үчүн көп материалдуу өндүрүш, ошондой эле реакция температурасын так башкаруу жана башкаруу үчүн реагент агымдарынын ортосуна түздөн-түз орнотулган жылуулук сенсорлору. Реактордун функционалдуулугун көрсөтүү үчүн, фармацевтикалык жактан маанилүү 1,4-алмаштырылган 1,2,3-триазол кошулмаларынын китепканасы жез-катализаторлуу 1,3-диполярдык Хьюсген циклокошулмасы менен синтезделген. Бул эмгек материал таанууну жана компьютердик долбоорлоону колдонуу химия үчүн дисциплиналар аралык изилдөөлөр аркылуу жаңы мүмкүнчүлүктөрдү жана мүмкүнчүлүктөрдү кантип ача аларын баса белгилейт.
Бардык эриткичтер жана реагенттер Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI же Fischer Scientific компанияларынан сатылып алынып, алдын ала тазалоосуз колдонулган. Тиешелүүлүгүнө жараша 400 жана 100 МГц жыштыкта ​​жазылган 1H жана 13C ЯМР спектрлери JEOL ECS-400 400 МГц спектрометринде же эриткич катары CDCl3 же (CD3)2SO колдонулган Bruker Avance II 400 МГц спектрометринде алынган. Бардык реакциялар Uniqsis FlowSyn агым химия платформасын колдонуу менен жүргүзүлдү.
Бул изилдөөдөгү бардык түзмөктөрдү жасоо үчүн UAM колдонулган. Технология 1999-жылы ойлоп табылган жана анын техникалык деталдарын, иштөө параметрлерин жана ойлоп табылгандан берки өнүгүүлөрүн төмөнкү жарыяланган материалдарды колдонуу менен изилдөөгө болот34,35,36,37. Түзмөк (1-сүрөт) 9 кВт кубаттуулуктагы SonicLayer 4000® UAM системасын (Fabrisonic, Огайо, АКШ) колдонуу менен ишке ашырылган. Агым түзмөгү үчүн тандалган материалдар Cu-110 жана Al 6061 болгон. Cu-110 курамында жездин курамы жогору (минимум 99,9% жез), бул аны жез катализделген реакциялар үчүн жакшы талапкер кылат жана ошондуктан микрореактордун ичиндеги "активдүү катмар" катары колдонулат. Al 6061O "көптүк" материал катары колдонулат. , ошондой эле анализ үчүн колдонулган интеркаляциялык катмар; жардамчы эритме компоненттеринин интеркаляциясы жана Cu-110 катмары менен айкалыштырылган күйдүрүлгөн абал. бул иште колдонулган реагенттер менен химиялык жактан туруктуу экени аныкталган. Cu-110 менен айкалыштырылган Al 6061O да UAM үчүн шайкеш келген материалдык айкалыш деп эсептелет жана ошондуктан бул изилдөө үчүн ылайыктуу материал болуп саналат38,42. Бул түзүлүштөр төмөндөгү 1-таблицада келтирилген.
Реакторду жасоо этаптары (1) 6061 алюминий эритмесинин негизи (2) Жез фольгадан төмөнкү каналды жасоо (3) Катмарлардын ортосуна термопараларды киргизүү (4) Жогорку канал (5) Кирүүчү жана чыгуучу жер (6) Монолиттик реактор.
Суюктук каналдарын долбоорлоо философиясы чиптин ичиндеги суюктуктун басып өткөн аралыгын көбөйтүү үчүн ийри жолду колдонуу менен бирге чиптин өлчөмүн башкарууга болот. Аралыкты мындай көбөйтүү катализатор менен реактивдин байланыш убактысын көбөйтүү жана эң сонун продуктунун чыгышын камсыз кылуу үчүн зарыл. Чиптер түз жолдун учтарында 90° ийилүүнү колдонуп, түзмөктүн ичинде турбуленттүү аралашууну44 пайда кылат жана суюктуктун бет (катализатор) менен байланыш убактысын көбөйтөт. Аралаштырууну андан ары жакшыртуу үчүн реактордун конструкциясында аралаштыруучу катушка бөлүмүнө кирерден мурун Y-туташуусунда бириктирилген эки реактивдин кириши камтылган. Агымды өзүнүн жайгашкан жеринин жарымында кесип өткөн үчүнчү кире бериш келечектеги көп баскычтуу синтез реакцияларынын планына киргизилген.
Бардык каналдар төрт бурчтуу профилге ээ (конус бурчтары жок), бул каналдын геометриясын түзүү үчүн колдонулган мезгилдүү CNC фрезерлөөнүн натыйжасы. Каналдын өлчөмдөрү жогорку (микрореактор үчүн) көлөмдүк түшүмдүүлүктү камсыз кылуу үчүн тандалган, бирок анын курамындагы суюктуктардын көпчүлүгү үчүн бет (катализаторлор) менен өз ара аракеттенүүнү жеңилдетүү үчүн жетиштүү кичинекей. Тийиштүү өлчөм авторлордун металл-суюктук реакция түзмөктөрү менен болгон мурунку тажрыйбасына негизделген. Акыркы каналдын ички өлчөмдөрү 750 мкм x 750 мкм жана реактордун жалпы көлөмү 1 мл болгон. Түзмөктү коммерциялык агым химиясы жабдуулары менен оңой байланыштырууга мүмкүндүк берүү үчүн конструкцияга орнотулган туташтыргыч (1/4″-28 UNF жип) киргизилген. Каналдын өлчөмү фольга материалынын калыңдыгы, анын механикалык касиеттери жана ультраүн менен колдонулган байланыш параметрлери менен чектелет. Берилген материал үчүн белгилүү бир туурасында материал түзүлгөн каналга "чайкалат". Учурда бул эсептөө үчүн атайын модель жок, андыктан берилген материал жана дизайн үчүн каналдын максималдуу туурасы эксперименталдык жол менен аныкталат, бул учурда 750 мкм туурасы майышууга алып келбейт.
Каналдын формасы (квадрат) төрт бурчтуу кескичтин жардамы менен аныкталат. Каналдардын формасын жана өлчөмүн ар кандай кесүүчү шаймандарды колдонуп, CNC станокторунда өзгөртүүгө болот, бул ар кандай агым ылдамдыктарын жана мүнөздөмөлөрүн алууга мүмкүндүк берет. 125 мкм шайман менен ийри каналды түзүүнүн мисалы Monaghan45тен табылышы мүмкүн. Фольга катмары жалпак колдонулганда, фольга материалын каналдарга колдонуу жалпак (квадраттуу) бетке ээ болот. Бул иште каналдын симметриясын сактоо үчүн төрт бурчтуу контур колдонулган.
Өндүрүштө программаланган тыныгуу учурунда, термопаралардын температура сенсорлору (K түрү) түзмөгүнө жогорку жана төмөнкү канал топторунун ортосуна орнотулат (1-сүрөт – 3-этап). Бул термопаралар температуранын -200дөн 1350 °Cге чейинки өзгөрүүлөрүн башкара алат.
Металл чөктүрүү процесси UAM мүйүзү аркылуу туурасы 25,4 мм жана калыңдыгы 150 микрон болгон металл фольганы колдонуу менен жүргүзүлөт. Фольганын бул катмарлары бүтүндөй курулуш аянтын жабуу үчүн бир катар жанаша тилкелерге туташтырылган; чөктүрүлгөн материалдын өлчөмү акыркы продукттан чоңураак, анткени кемитүү процесси акыркы таза форманы түзөт. CNC иштетүү жабдуулардын тышкы жана ички контурларын иштетүү үчүн колдонулат, натыйжада жабдуулардын жана каналдардын бети тандалган куралга жана CNC процессинин параметрлерине туура келет (бул мисалда, болжол менен 1,6 мкм Ra). Өлчөмдүү тактыктын сакталышын жана даяр бөлүктүн CNC майда фрезерлөө тактык деңгээлдерине жооп беришин камсыз кылуу үчүн түзмөктүн өндүрүш процессинде үзгүлтүксүз, үзгүлтүксүз ультраүндүү материалды чачуу жана иштетүү циклдери колдонулат. Бул түзмөк үчүн колдонулган каналдын туурасы фольга материалынын суюктук каналында "салбырап" калбашы үчүн жетиштүү кичинекей, ошондуктан каналдын кесилиши төрт бурчтуу. Фольга материалындагы мүмкүн болгон боштуктар жана UAM процессинин параметрлери өндүрүш өнөктөшү (Fabrisonic LLC, АКШ) тарабынан эксперименталдык түрдө аныкталган.
Изилдөөлөр көрсөткөндөй, UAM кошулмасынын 46, 47 интерфейсинде кошумча жылуулук менен иштетүүсүз элементтердин диффузиясы аз болот, ошондуктан бул иштеги түзүлүштөр үчүн Cu-110 катмары Al 6061 катмарынан айырмаланып, кескин өзгөрөт.
Реактордун агымынын ылдый жагында 250 psi (1724 кПа) басымда алдын ала калибрленген артка басымды жөнгө салуучуну (BPR) орнотуп, сууну реактор аркылуу 0,1ден 1 мл мин-1ге чейинки ылдамдыкта сордуруңуз. Реактордун басымы системанын туруктуу басымды кармап тураарын камсыз кылуу үчүн системага орнотулган FlowSyn басым өзгөрткүчүн колдонуу менен көзөмөлдөнгөн. Агым реакторундагы потенциалдуу температура градиенттери реакторго орнотулган термопаралар менен FlowSyn чипинин жылытуу пластинасына орнотулган термопаралардын ортосундагы айырмачылыктарды издөө аркылуу текшерилген. Бул программаланган ысык плитанын температурасын 25 °C кадамдар менен 100 жана 150 °C ортосунда өзгөртүү жана программаланган жана жазылган температуралардын ортосундагы айырмачылыктарды көзөмөлдөө аркылуу ишке ашырылат. Бул tc-08 маалыматтарды каттоочу (PicoTech, Кембридж, Улуу Британия) жана ага тиркелген PicoLog программасы аркылуу ишке ашырылган.
Фенилацетилен менен йодоэтандын циклокошулма реакциясынын шарттары оптималдаштырылган (1-схема - Фенилацетилен менен йодоэтандын циклокошулмасы, 1-схема - Фенилацетилен менен йодоэтандын циклокошулмасы). Бул оптималдаштыруу эксперименттердин толук фактордук дизайны (DOE) ыкмасын колдонуу менен жүргүзүлдү, ал температураны жана жашоо убактысын өзгөрмөлөр катары колдонуп, алкин:азид катышын 1:2де бекитти.
Натрий азидинин (0,25 М, 4:1 DMF:H2O), йодоэтандын (0,25 М, DMF) жана фенилацетилендин (0,125 М, DMF) өзүнчө эритмелери даярдалган. Ар бир эритменин 1,5 мл аликвотасы аралаштырылып, реактор аркылуу каалаган агым ылдамдыгында жана температурада сордурулган. Моделдин реакциясы триазол продуктунун чоку аянтынын фенилацетилендин баштапкы материалына болгон катышы катары алынган жана жогорку натыйжалуу суюктук хроматографиясы (HPLC) колдонулуп аныкталган. Анализдин консистенциясы үчүн, бардык реакциялар реакция аралашмасы реактордон чыккандан кийин дароо алынган. Оптималдаштыруу үчүн тандалган параметрлердин диапазондору 2-таблицада көрсөтүлгөн.
Бардык үлгүлөр төртүнчү насостон, колонкалуу мештен, өзгөрүлмө толкун узундугундагы ультрафиолет детекторунан жана автосамплерден турган Chromaster HPLC системасын (VWR, PA, АКШ) колдонуу менен талданды. Колонна 40°C температурада кармалып турган 4,6 x 100 мм, 5 мкм бөлүкчө өлчөмүндөгү эквиваленттүү 5 C18 (VWR, PA, АКШ) болгон. Эриткич 1,5 мл·мин-1 агым ылдамдыгында 50:50 изократиялык метанол: суу болгон. Инъекциянын көлөмү 5 мкл жана детектордун толкун узундугу 254 нм болгон. DOE үлгүсү үчүн чокунун пайыздык аянты калдык алкин жана триазол продуктуларынын чоку аянттарынан гана эсептелген. Баштапкы материалды киргизүү тиешелүү чокуларды аныктоого мүмкүндүк берет.
Реактордук анализдин жыйынтыктарын MODDE DOE программалык камсыздоосу (Umetrics, Мальме, Швеция) менен айкалыштыруу жыйынтыктардын кылдат тренддик анализин жүргүзүүгө жана бул циклокошулма үчүн оптималдуу реакция шарттарын аныктоого мүмкүндүк берди. Орнотулган оптималдаштыргычты иштетүү жана бардык маанилүү моделдик терминдерди тандоо ацетилен чийки заты үчүн чоку аянтын азайтуу менен продуктунун чоку аянтын максималдаштырууга багытталган реакция шарттарынын жыйындысын түзөт.
Каталитикалык реакция камерасында жездин бетинин кычкылдануусу ар бир триазол кошулмасынын синтезине чейин реакция камерасы аркылуу агып өткөн суутек перекисинин эритмесин (36%) колдонуу менен ишке ашырылган (агым ылдамдыгы = 0,4 мл мин-1, жашоо убактысы = 2,5 мүнөт). китепканасы.
Оптималдуу шарттар аныкталгандан кийин, алар ацетилен жана галоалкан туундуларынын бир катар түрлөрүнө колдонулуп, кичинекей синтез китепканасын түзүүгө мүмкүндүк берди, ошону менен бул шарттарды потенциалдуу реагенттердин кеңири чөйрөсүнө колдонуу мүмкүнчүлүгү түзүлдү (1-сүрөт). 2).
Натрий азидинин (0,25 М, 4:1 DMF:H2O), галоалкандардын (0,25 М, DMF) жана алкиндердин (0,125 М, DMF) өзүнчө эритмелерин даярдаңыз. Ар бир эритменин 3 мл аликвоталары аралаштырылып, реактор аркылуу 75 мкл/мин ылдамдыкта жана 150°C температурада айдалып турду. Бардык көлөм флаконго чогултулуп, 10 мл этилацетат менен суюлтулду. Үлгү эритмеси 3 x 10 мл суу менен жуулду. Суу катмарлары бириктирилип, 10 мл этилацетат менен экстракцияланды, андан кийин органикалык катмарлар бириктирилип, 3 × 10 мл туздуу суу менен жуулуп, MgSO4 үстүндө кургатылып, чыпкаланды, андан кийин эриткич вакуумда алынып салынды. Үлгүлөр HPLC, 1H ЯМР, 13C ЯМР жана жогорку чечилиштеги массалык спектрометриянын (HR-MS) айкалышы аркылуу анализ жүргүзүүдөн мурун этилацетат колдонуп, кремний гелинин колонка хроматографиясы менен тазаланды.
Бардык спектрлер иондоштуруу булагы катары ESI колдонулган Thermofischer Precision Orbitrap массалык спектрометринин жардамы менен алынган. Бардык үлгүлөр эриткич катары ацетонитрилди колдонуу менен даярдалган.
TLC анализи алюминий субстраты бар кремний диоксиди плиталарында жүргүзүлдү. Пластиналар ультрафиолет нуру (254 нм) же ванилин менен боёо жана ысытуу менен көрсөтүлдү.
Бардык үлгүлөр автосамплер, колонкалуу меш жана бир толкун узундугундагы детектор менен жабдылган VWR Chromaster системасы (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, Улуу Британия) аркылуу талданды. ACE Equivalence 5 C18 колонкасы (150 x 4,6 мм, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Абердин, Шотландия) колдонулду.
Инъекциялар (5 мкл) түздөн-түз суюлтулган чийки реакция аралашмасынан (1:10 суюлтуу) жасалып, суу:метанол (50:50 же 70:30) менен талданган, айрым үлгүлөрдөн тышкары, 70:30 эриткич системасын (жылдыз саны катары белгиленген) 1,5 мл/мин агым ылдамдыгында колдонгон. Колонна 40°C температурада кармалган. Детектордун толкун узундугу 254 нм.
Үлгүдөгү чоку аянтынын пайызы калдык алкиндин чоку аянтынан, триазол продуктусунан гана эсептелген жана баштапкы материалды киргизүү тиешелүү чокуларды аныктоого мүмкүндүк берген.
Бардык үлгүлөр Thermo iCAP 6000 ICP-OES колдонуу менен талданды. Бардык калибрлөө стандарттары 2% азот кислотасындагы 1000 ppm Cu стандарттык эритмесин (SPEX Certi Prep) колдонуу менен даярдалган. Бардык стандарттар 5% DMF жана 2% HNO3 эритмесинде даярдалган жана бардык үлгүлөр DMF-HNO3 үлгү эритмеси менен 20 жолу суюлтулган.
UAM акыркы чогултууну түзүү үчүн колдонулган металл фольгасын бириктирүү ыкмасы катары ультраүндүү металл ширетүүнү колдонот. УЗИ металл ширетүү фольгага/мурда консолидацияланган катмарга материалды титиретүү менен бириктирүү/мурда консолидацияланган катмарга басым жасоо үчүн титиреген металл куралын (мүйүз же ультраүндүү мүйүз деп аталат) колдонот. Үзгүлтүксүз иштөө үчүн, ультраүндүү аппарат цилиндр формасында болот жана материалдын бетине тоголонуп, бүт аймакты чаптайт. Басым жана титирөө колдонулганда, материалдын бетиндеги оксиддер жарылып кетиши мүмкүн. Туруктуу басым жана титирөө материалдын оройлугунун бузулушуна алып келиши мүмкүн 36. Жергиликтүү жылуулук жана басым менен тыгыз байланыш материалдын интерфейстеринде катуу фазалык байланышка алып келет; ал ошондой эле беттик энергияны өзгөртүү менен биригүүнү күчөтө алат48. Байланыш механизминин мүнөзү башка кошумча өндүрүш технологияларында айтылган өзгөрүлмө эрүү температурасы жана жогорку температуранын таасири менен байланышкан көптөгөн көйгөйлөрдү жеңет. Бул ар кандай материалдардын бир нече катмарларын бирдиктүү консолидацияланган түзүлүшкө түз туташтырууга (б.а. бетти өзгөртүүсүз, толтургучтарсыз же желимсиз) мүмкүндүк берет.
CAM үчүн экинчи жагымдуу фактор - бул металл материалдарында төмөнкү температураларда, башкача айтканда, металл материалдардын эрүү температурасынан бир топ төмөн температурада да байкалган пластикалык агымдын жогорку даражасы. УЗИ термелүүсүнүн жана басымдын айкалышы салттуу түрдө көлөмдүү материалдар менен байланышкан температуранын олуттуу жогорулашы жок жергиликтүү дан чек араларынын миграциясынын жана кайра кристаллдашуусунун жогорку деңгээлин шарттайт. Акыркы чогултууну түзүү учурунда бул кубулушту металл фольга катмарларынын ортосуна катмар-катмар активдүү жана пассивдүү компоненттерди жайгаштыруу үчүн колдонсо болот. Оптикалык була 49, арматура 46, электроника 50 жана термопаралар (бул иш) сыяктуу элементтер активдүү жана пассивдүү композиттик чогултууларды түзүү үчүн UAM структураларына ийгиликтүү интеграцияланган.
Бул иште каталитикалык температураны көзөмөлдөө үчүн идеалдуу микрореакторду түзүү максатында ар кандай материалдарды байланыштыруу мүмкүнчүлүктөрү жана UAM интеркаляциялоо мүмкүнчүлүктөрү колдонулган.
Палладий (Pd) жана башка кеңири колдонулган металл катализаторлору менен салыштырганда, Cu катализинин бир нече артыкчылыктары бар: (i) Экономикалык жактан алганда, Cu катализде колдонулган башка көптөгөн металлдарга караганда арзаныраак жана ошондуктан химия өнөр жайы үчүн жагымдуу вариант болуп саналат (ii) Cu-катализделген кайчылаш байланыш реакцияларынын диапазону кеңейип жатат жана Pd51, 52, 53 негизиндеги методологияларды бир аз толуктап турат окшойт (iii) Cu-катализделген реакциялар башка лиганддар жок болгон учурда жакшы иштейт. Бул лиганддар көбүнчө структуралык жактан жөнөкөй жана арзан. Кааласаңыз, ал эми Pd химиясында колдонулгандар көбүнчө татаал, кымбат жана абага сезгич (iv) Cu, айрыкча, синтезде алкиндерди байланыштыруу жөндөмү менен белгилүү, мисалы, Соногаширанын биметаллдык катализделген байланышы жана азиддер менен циклокошулушу (чыкылдатуу химиясы) (v) Cu ошондой эле Ульман тибиндеги реакцияларда кээ бир нуклеофилдердин арилдешине өбөлгө түзө алат.
Жакында эле, Cu(0) катышуусунда ушул реакциялардын бардыгынын гетерогендешүүсүнүн мисалдары көрсөтүлдү. Бул көбүнчө фармацевтика өнөр жайы жана металл катализаторлорун калыбына келтирүүгө жана кайра колдонууга көңүл буруунун күчөшү менен байланыштуу55,56.
Ацетилен менен азиддин 1,2,3-триазолго чейинки 1,3-диполярдык циклокошулма реакциясы, алгач 1960-жылдары Хюйсген тарабынан сунушталган57, синергетикалык демонстрациялык реакция деп эсептелет. Натыйжада пайда болгон 1,2,3 триазол фрагменттери биологиялык колдонулушу жана ар кандай терапиялык агенттерде колдонулушуна байланыштуу дары-дармектерди ачууда фармакофор катары өзгөчө кызыгууну жаратат58.
Шарплесс жана башкалар "чыкылдатуу химиясы" түшүнүгүн киргизгенде, бул реакцияга кайрадан көңүл бурулган59. "Чыкылдатуу химиясы" термини гетероатомдук байланышты (CXC)60 колдонуу менен жаңы кошулмаларды жана комбинатордук китепканаларды тез синтездөө үчүн күчтүү жана тандалма реакциялар жыйындысын сүрөттөө үчүн колдонулат. Бул реакциялардын синтетикалык жагымдуулугу алар менен байланышкан жогорку түшүмдүүлүккө байланыштуу. шарттары жөнөкөй, кычкылтекке жана сууга туруктуулук жана продуктуну бөлүү жөнөкөй61.
Классикалык 1,3-диполдук Хьюсген циклокошулмасы "чыкылдатуу химиясы" категориясына кирбейт. Бирок, Медаль жана Шарплесс бул азид-алкин байланыш окуясы Cu(I) катышуусунда 107–108ге дуушар болорун, каталитикалык эмес 1,3-диполярдык циклокошулманын 62,63 ылдамдыгынын олуттуу ылдамдануусуна салыштырмалуу экенин көрсөтүштү. Бул өнүккөн реакция механизми коргоочу топторду же катаал реакция шарттарын талап кылбайт жана убакыттын өтүшү менен 1,4-алмаштырылбаган 1,2,3-триазолдорго (анти-1,2,3-триазолдорго) дээрлик толук конверсияны жана селективдүүлүктү камсыз кылат (3-сүрөт).
Кадимки жана жез катализделген Хьюсген циклокошулмаларынын изометриялык жыйынтыктары. Cu(I)-катализделген Хьюсген циклокошулмалары 1,4-алмаштырылбаган 1,2,3-триазолдорду гана берет, ал эми термикалык индукцияланган Хьюсген циклокошулмалары адатта 1,4- жана 1,5-триазолдорду азол стереоизомерлеринин 1:1 аралашмасын берет.
Көпчүлүк протоколдор Cu(II) туруктуу булактарын калыбына келтирүүнү камтыйт, мисалы, CuSO4 же Cu(II)/Cu(0) кошулмасын натрий туздары менен айкалыштыруу. Башка металл катализделген реакцияларга салыштырмалуу, Cu(I) колдонуунун негизги артыкчылыктары арзан жана иштетүүгө оңой.
Воррелл жана башкалар тарабынан жүргүзүлгөн кинетикалык жана изотоптук изилдөөлөр терминалдык алкиндер учурунда ар бир молекуланын азидге карата реактивдүүлүгүн активдештирүүгө эки эквиваленттүү жез катышаарын көрсөттү. Сунушталган механизм азидди σ-байланышкан жез ацетилидине туруктуу донор лиганд катары π-байланышкан жез менен координациялоо жолу менен пайда болгон алты мүчөлүү жез металл шакекчеси аркылуу өтөт. Жез триазолил туундулары шакекченин жыйрылуусунун, андан кийин протондун ажыроосунун натыйжасында пайда болот, андан кийин триазол продуктуларын пайда кылат жана каталитикалык циклди жабат.
Агым химиясынын түзүлүштөрүнүн артыкчылыктары жакшы документтештирилгени менен, реалдуу убакыт режиминде процесстерди көзөмөлдөө үчүн бул системаларга аналитикалык куралдарды интеграциялоо каалоосу пайда болду66,67. UAM түздөн-түз орнотулган сезгич элементтери бар каталитикалык активдүү, жылуулук өткөргүч материалдардан жасалган өтө татаал 3D агым реакторлорун долбоорлоо жана өндүрүү үчүн ылайыктуу ыкма болуп чыкты (4-сүрөт).
Алюминий-жез агым реактору, татаал ички канал түзүлүшүнө, орнотулган термопараларга жана каталитикалык реакция камерасына ээ, ультраүн кошулмаларын өндүрүү (УАМ) ыкмасы менен жасалган. Ички суюктук жолдорун визуалдаштыруу үчүн стереолитографияны колдонуу менен жасалган тунук прототип да көрсөтүлгөн.
Реакторлордун келечектеги органикалык реакциялар үчүн жасалышын камсыз кылуу үчүн, эриткичтерди кайноо температурасынан жогору коопсуз түрдө ысытуу керек; алар басым жана температура менен текшерилет. Басымды сыноо системанын системадагы жогорку басымда да (1,7 МПа) туруктуу жана туруктуу басымды сактап тураарын көрсөттү. Гидростатикалык сыноолор бөлмө температурасында суюктук катары H2O колдонулуп жүргүзүлдү.
Орнотулган (1-сүрөт) термопараны температура маалыматтарын каттоочуга туташтыруу термопаранын температурасы FlowSyn системасындагы программаланган температурадан 6 °C (± 1 °C) төмөн экенин көрсөттү. Адатта, температуранын 10 °C жогорулашы реакция ылдамдыгын эки эсеге көбөйтөт, андыктан температуранын бир нече градуска гана айырмасы реакция ылдамдыгын бир кыйла өзгөртө алат. Бул айырма өндүрүш процессинде колдонулган материалдардын жогорку жылуулук диффузиялыктыгынан улам RPV боюнча температуранын жоголушуна байланыштуу. Бул жылуулук дрейфи туруктуу жана ошондуктан реакция учурунда так температурага жетүү жана өлчөө үчүн жабдууларды орнотууда эске алынышы мүмкүн. Ошентип, бул онлайн мониторинг куралы реакция температурасын катуу көзөмөлдөөгө көмөктөшөт жана процессти так оптималдаштырууга жана оптималдуу шарттарды иштеп чыгууга салым кошот. Бул сенсорлорду экзотермикалык реакцияларды аныктоо жана ири масштабдуу системаларда качып кетүүчү реакциялардын алдын алуу үчүн да колдонсо болот.
Бул макалада сунушталган реактор химиялык реакторлорду жасоодо UAM технологиясын колдонуунун биринчи мисалы болуп саналат жана учурда бул түзүлүштөрдү AM/3D басып чыгаруу менен байланышкан бир нече негизги чектөөлөрдү чечет, мисалы: (i) Жез же алюминий эритмесин иштетүү менен байланышкан белгиленген көйгөйлөрдү чечүү (ii) порошок катмарын эритүү (PBF) ыкмаларына, мисалы, селективдүү лазердик эритүү (SLM) менен салыштырганда ички каналдын чечилишинин жакшырышы25,69 Материалдын начар агымы жана орой беттик текстура26 (iii) сенсорлорду түз туташтырууга мүмкүндүк берген төмөнкү иштетүү температурасы, бул порошок катмарынын технологиясында мүмкүн эмес, (v) полимер негизиндеги компоненттердин ар кандай кеңири таралган органикалык эриткичтерге начар механикалык касиеттерин жана сезгичтигин жоюу17,19.
Реактордун функционалдуулугу үзгүлтүксүз агым шарттарында жез менен катализделген алкиназид циклокошулуучу реакциялардын сериясы менен көрсөтүлгөн (2-сүрөт). 4-сүрөттө көрсөтүлгөн ультраүндүү басылган жез реактору коммерциялык агым системасы менен интеграцияланган жана натрий хлоридинин катышуусунда ацетилен менен алкил тобунун галогениддеринин температуралык көзөмөлдөнгөн реакциясын колдонуу менен ар кандай 1,4-алмаштырылган 1,2,3-триазолдордун азид китепканасын синтездөө үчүн колдонулган (3-сүрөт). Үзгүлтүксүз агым ыкмасын колдонуу партиялык процесстерде пайда болушу мүмкүн болгон коопсуздук маселелерин азайтат, анткени бул реакция жогорку реактивдүү жана кооптуу азид аралыктарын пайда кылат [317], [318]. Башында реакция фенилацетилен менен йодоэтандын циклокошулушу үчүн оптималдаштырылган (1-схема – Фенилацетилен менен йодоэтандын циклокошулушу) (5-сүрөттү караңыз).
(Жогорку сол жакта) Фенилацетилен менен йодоэтандын ортосундагы Huisgen 57 циклокошулма схемасынын оптималдаштырылган (төмөнкү) схемасынан алынган агым системасына (жогорку оң жакта) 3DP реакторду кошуу үчүн колдонулган түзүлүштүн схемасы, оптималдаштыруу жана реакциянын оптималдаштырылган конверсия ылдамдыгынын параметрлерин көрсөтүү.
Реактордун каталитикалык бөлүгүндө реагенттердин жашоо убактысын көзөмөлдөө жана түздөн-түз интеграцияланган термопара сенсору менен реакциянын температурасын кылдат көзөмөлдөө менен реакция шарттарын минималдуу убакыт жана материалдар менен тез жана так оптималдаштырууга болот. Эң жогорку конверсия 15 мүнөт жашоо убактысы жана 150°C реакция температурасын колдонуу менен жетишилгени бат эле аныкталды. MODDE программасынын коэффициенттик графигинен жашоо убактысы да, реакция температурасы да моделдин маанилүү шарттары деп эсептелерин көрүүгө болот. Бул тандалган шарттарды колдонуп, орнотулган оптималдаштыргычты иштетүү баштапкы материалдын чоку аянттарын азайтуу менен продуктунун чоку аянттарын максималдаштырууга багытталган реакция шарттарынын жыйындысын түзөт. Бул оптималдаштыруу триазол продуктунун 53% конверсиясын берди, бул моделдин 54% божомолуна дал келди.