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 өчүрүү). Ошол эле учурда, үзгүлтүксүз колдоону камсыз кылуу үчүн, биз сайтты стилдерсиз жана JavaScriptсиз көрсөтөбүз.
Кошумча өндүрүш изилдөөчүлөрдүн жана өнөр жайчылардын өздөрүнүн өзгөчө муктаждыктарын канааттандыруу үчүн химиялык түзүлүштөрдү долбоорлоо жана өндүрүү ыкмасын өзгөртүп жатат. Бул иште биз катуу абалдагы металл барактарын ламинациялоо ыкмасы менен түз интеграцияланган каталитикалык бөлүктөр жана сезгич элементтер менен түзүлгөн агым реакторунун биринчи мисалы келтирилген. UAM технологиясы химиялык реакторлорду кошумча өндүрүш менен байланышкан көптөгөн чектөөлөрдү жеңип гана тим болбостон, мындай түзүлүштөрдүн мүмкүнчүлүктөрүн да бир топ жогорулатат. Биологиялык жактан маанилүү 1,4-алмаштырылбаган 1,2,3-триазол кошулмаларынын сериясы ийгиликтүү синтезделип, UAM химиялык түзүлүшүн колдонуу менен Cu менен ортомчулук кылынган Huisgen 1,3-диполярдык циклокошулма реакциясы менен оптималдаштырылган. UAMдын жана үзгүлтүксүз агымдык иштетүүнүн уникалдуу касиеттерин колдонуу менен, түзмөк уланып жаткан реакцияларды катализдей алат, ошол эле учурда реакцияны көзөмөлдөө жана оптималдаштыруу үчүн реалдуу убакыт режиминде пикир калтырууну камсыз кылат.
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 агымдык иштетүүнү колдонуудан пайда көрө алат7.
Акыркы жылдары салттуу айнек идиштерди же агым химиялык жабдууларды ыңгайлаштырылуучу кошумча өндүрүш (АМ) химиялык "реакция идиштери" менен алмаштырууну көздөгөн топтордун көбөйүү тенденциясы байкалууда8. Бул ыкмалардын кайталануучу дизайны, тез өндүрүшү жана 3 өлчөмдүү (3D) мүмкүнчүлүктөрү түзмөктөрүн белгилүү бир реакциялардын, түзмөктөрдүн же шарттардын жыйындысына ыңгайлаштырууну каалагандар 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 чыгаруу 7, 15, 16 сыяктуу полимерге негизделген 3D басып чыгаруу ыкмаларын колдонууга багытталган. Мындай түзмөктөрдүн кеңири спектрдеги химиялык реакцияларды/анализдерди жүргүзүүгө туруктуулугунун жана жөндөмдүүлүгүнүн жоктугу17, 18, 19, 20 бул тармакта АМды кеңири ишке ашыруу үчүн негизги чектөөчү фактор болуп саналат17, 18, 19, 20.
Агым химиясынын колдонулушунун көбөйүшүнө жана АМ менен байланышкан жагымдуу касиеттерге байланыштуу, колдонуучуларга химиялык жана аналитикалык мүмкүнчүлүктөрү жогору агым реакция идиштерин жасоого мүмкүндүк берген өркүндөтүлгөн ыкмаларды изилдөө зарыл. Бул ыкмалар колдонуучуларга реакциянын кеңири шарттарын иштете алган өтө бекем же функционалдык материалдардын арасынан тандоого мүмкүндүк берет, ошол эле учурда реакцияны көзөмөлдөө жана башкаруу үчүн түзмөктөн ар кандай аналитикалык чыгарууларды жеңилдетет.
Жекече химиялык реакторлорду иштеп чыгуу мүмкүнчүлүгүнө ээ болгон кошумча өндүрүш процесстеринин бири - бул УЗИ кошумча өндүрүшү (УАМ). Бул катуу абалдагы барактарды ламинациялоо ыкмасы жука металл фольгаларга ультраүн термелүүлөрүн колдонуп, аларды минималдуу көлөмдөгү 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 in-situ мезгилдүү компьютердик сандык башкаруу (CNC) фрезерлөө же лазердик иштетүү бириктирилген материалдын катмарынын таза формасын аныктайт 24, 25. Бул колдонуучу калдык чийки курулуш материалын кичинекей суюктук каналдарынан алып салуу менен байланышкан көйгөйлөр менен чектелбейт дегенди билдирет, бул көбүнчө порошок жана суюк АМ системаларында болот 26, 27, 28. Бул дизайн эркиндиги ошондой эле жеткиликтүү материалдык тандоолорго да жайылтылат - УАМ жылуулук жагынан окшош жана ар кандай материалдык айкалыштарды бир процесстик кадамда байланыштыра алат. Эритүү процессинен тышкары материалдык айкалыштарды тандоо белгилүү бир колдонмолордун механикалык жана химиялык талаптарын жакшыраак канааттандырууга болорун билдирет. Катуу абалдагы байланыштан тышкары, кездешкен дагы бир көрүнүш УЗИ байланышы - бул салыштырмалуу төмөн температурада пластикалык материалдардын жогорку агымы29,30,31,32,33. UAMдын бул уникалдуу өзгөчөлүгү механикалык/жылуулук элементтерин металл катмарларынын ортосуна зыян келтирбестен киргизүүгө мүмкүндүк берет. UAM орнотулган сенсорлору интеграцияланган аналитика аркылуу түзмөктөн колдонуучуга реалдуу убакыт режиминде маалымат жеткирүүнү жеңилдетет.
Авторлордун мурунку эмгектери32 UAM процессинин интеграцияланган сезүү мүмкүнчүлүктөрү бар металл 3D микрофлюиддик структураларды түзүү мүмкүнчүлүгүн көрсөттү. Бул жөн гана мониторинг жүргүзүүчү түзүлүш. Бул макалада UAM тарабынан жасалган микрофлюиддик химиялык реактордун биринчи мисалы келтирилген; ал жөн гана көзөмөлдөбөстөн, структуралык жактан интеграцияланган катализатор материалдары аркылуу химиялык синтезди да индукциялаган активдүү түзүлүш. Түзмөк 3D химиялык түзүлүштөрдү өндүрүүдө UAM технологиясы менен байланышкан бир нече артыкчылыктарды айкалыштырат, мисалы: толук 3D долбоорлорду компьютердик жардам менен долбоорлоо (CAD) моделдеринен түздөн-түз продукцияга айландыруу мүмкүнчүлүгү; жогорку жылуулук өткөрүмдүүлүгүн жана каталитикалык материалдарды айкалыштыруу үчүн көп материалдуу өндүрүш; жана реакциянын температурасын так көзөмөлдөө жана башкаруу үчүн реагент агымдарынын ортосуна түз жылуулук сенсорлорун орнотуу. Реактордун функционалдуулугун көрсөтүү үчүн, фармацевтикалык жактан маанилүү 1,4-алмаштырылган 1,2,3-триазол кошулмаларынын китепканасы жез катализделген Huisgen 1,3-диполярдык циклокошуу жолу менен синтезделген. Бул эмгек материал таанууну жана компьютердик долбоорлоону колдонуу көп тармактуу изилдөөлөр аркылуу химия үчүн жаңы мүмкүнчүлүктөрдү жана мүмкүнчүлүктөрдү кантип ача аларын баса белгилейт.
Бардык эриткичтер жана реагенттер Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI же Fischer Scientific компанияларынан сатылып алынган жана алдын ала тазалоосуз колдонулган. Тиешелүүлүгүнө жараша 400 МГц жана 100 МГц жыштыкта ​​жазылган 1H жана 13C ЯМР спектрлери JEOL ECS-400 400 МГц спектрометри же Bruker Avance II 400 МГц спектрометри жана эриткич катары CDCl3 же (CD3)2SO колдонулуп 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 деталдары, иштөө параметрлери жана ойлоп табылгандан берки өнүгүүлөрү төмөнкү жарыяланган материалдар аркылуу изилдениши мүмкүн34,35,36,37. Түзмөк (1-сүрөт) өтө жогорку кубаттуулуктагы, 9 кВт SonicLayer 4000® UAM системасын (Fabrisonic, OH, АКШ) колдонуу менен ишке ашырылган. Агым түзмөгүн жасоо 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 "көп көлөмдүү" материал катары колдонулат, ошондой эле анализ үчүн киргизүү катмары колдонулат; Cu-110 катмары менен айкалышкан эритменин жардамчы компонентин киргизүү жана күйгүзүү шарты. Al 6061O - UAM менен абдан шайкеш келери көрсөтүлгөн материал. процесстер38, 39, 40, 41 жана сыналган жана бул иште колдонулган реагенттер менен химиялык жактан туруктуу экени аныкталган. Al 6061O менен Cu-110 айкалышы да UAM үчүн шайкеш келген материалдык айкалыш деп эсептелет жана ошондуктан бул изилдөө үчүн ылайыктуу материал болуп саналат. 38,42 Бул түзүлүштөр төмөндөгү 1-таблицада келтирилген.
Реакторду жасоо этаптары (1) Al 6061 негизи (2) Жез фольгага орнотулган астыңкы каналды жасоо (3) Катмарлардын ортосуна термопараларды орнотуу (4) Үстүнкү канал (5) Кирүүчү жана чыгуучу жер (6) Монолиттик реактор.
Суюктук жолунун дизайн философиясы чиптин ичинде суюктуктун жүрүү аралыгын көбөйтүү үчүн ийри жолду колдонуу болуп саналат, ошол эле учурда чипти башкарууга мүмкүн болгон өлчөмдө кармап туруу керек. Аралыкты мындай көбөйтүү катализатор/реагент өз ара аракеттенүү 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 байланышуу убактысын көбөйтөт. Жетишүүгө мүмкүн болгон аралаштырууну андан ары көбөйтүү үчүн реактордун конструкциясында серпентин аралаштыруу бөлүмүнө кирерден мурун Y-түйүнүндө бириктирилген эки реагенттин кириши бар. Агымды өзүнүн жайгашкан жеринин жарымында кесилишүүчү үчүнчү кириш келечектеги көп баскычтуу реакция синтездеринин дизайнына киргизилген.
Бардык каналдар төрт бурчтуу профилге ээ (тартуу бурчтары жок), бул каналдын геометриясын түзүү үчүн колдонулган мезгилдүү CNC фрезерлөөнүн натыйжасы. Каналдын өлчөмдөрү жогорку көлөмдөгү (микрореактор үчүн) чыгышын камсыз кылуу үчүн тандалган, ошол эле учурда камтылган суюктуктардын көпчүлүгү үчүн беттик өз ара аракеттенүүлөрдү (катализаторлорду) жеңилдетүү үчүн жетиштүү кичинекей. Тийиштүү өлчөм авторлордун реакция үчүн металл-суюктук түзүлүштөрү 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 жөнөкөй байланыштырууга мүмкүндүк берүү үчүн долбоорго интеграцияланган туташтыргыч (1/4″—28 UNF жип) киргизилген. Каналдын өлчөмү фольга материалынын калыңдыгы, анын механикалык касиеттери жана ультраүн менен колдонулган байланыш параметрлери менен чектелген. Берилген материал үчүн белгилүү бир туурасында материал түзүлгөн каналга "ийилет". 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 станоктору менен өзгөртүүгө болот, бул ар кандай агым ылдамдыктарын жана мүнөздөмөлөрүн алууга мүмкүндүк берет. 125 мкм шайманды колдонуп, ийри формадагы каналды түзүүнүн мисалы Monaghan45тин эмгегинде кездешет. Фольга катмары тегиздикте төшөлгөндө, каналдардын үстүнө фольга материалынын катмары жалпак (квадраттуу) каптоого ээ болот. Бул иште каналдын симметриясын сактоо үчүн төрт бурчтуу контур колдонулган.
Өндүрүштө алдын ала программаланган тыныгуу учурунда, термопаралардын температуралык зонддору (K түрү) түзмөгүнүн ичинде жогорку жана төмөнкү канал топторунун ортосуна орнотулат (1-сүрөт – 3-этап). Бул термопаралар температуранын −200дөн 1350 °Cге чейинки өзгөрүүлөрүн көзөмөлдөй алат.
Металл чөктүрүү процесси UAM мүйүзү менен 25,4 мм туурасы, 150 микрон калыңдыктагы металл фольганы колдонуу менен жүргүзүлөт. Бул фольга катмарлары бүтүндөй курулуш аянтын жабуу үчүн бир катар жанаша тилкелерге бириктирилет; чөктүрүлгөн материалдын өлчөмү акыркы продукттан чоңураак, анткени субтективдик процесс акыркы таза форманы түзөт. Жабдуунун тышкы жана ички контурларын иштетүү үчүн CNC иштетүү колдонулат, натыйжада жабдуулардын жана каналдардын бетинин жасалгасы тандалган куралга жана CNC процессинин параметрлерине барабар болот (бул мисалда болжол менен 1,6 мкм Ra). Өлчөмдүү тактыктын сакталышын жана даяр бөлүктүн CNC фрезерлөө тактык деңгээлдерине жооп берерин камсыз кылуу үчүн түзмөктү өндүрүү процессинде үзгүлтүксүз, үзгүлтүксүз ультраүндүү материалды чөктүрүү жана иштетүү циклдери колдонулат. Бул түзмөк үчүн колдонулган каналдын туурасы фольга материалынын суюктук каналына "чайкалып" кетпешин камсыз кылуу үчүн жетиштүү кичинекей, ошондуктан канал төрт бурчтуу кесилишти сактайт. Фольга материалындагы жана UAM процессинин параметрлериндеги мүмкүн болгон боштуктар өндүрүш өнөктөшү (Fabrisonic LLC, АКШ) тарабынан эксперименталдык түрдө аныкталган.
Изилдөөлөр көрсөткөндөй, кошумча жылуулук иштетүүсүз UAM байланыш интерфейсинде 46, 47 элементтик диффузия аз болот, ошондуктан бул иштеги түзүлүштөр үчүн Cu-110 катмары Al 6061 катмарынан айырмаланып турат жана кескин өзгөрөт.
Реактордун чыгуучу жерине алдын ала калибрленген 250 psi (1724 кПа) арткы басымды жөнгө салуучуну (BPR) орнотуп, сууну реактор аркылуу 0,1ден 1 мл мин-1ге чейинки ылдамдыкта сордуруңуз. Реактордун басымы системанын туруктуу басымды сактай алаарын текшерүү үчүн FlowSyn орнотулган системанын басым сенсорун колдонуу менен көзөмөлдөндү. Агым реакторундагы потенциалдуу температура градиенттери реактордун ичине орнотулган термопаралар менен FlowSyn чип жылытуу пластинасынын ичине орнотулган термопаралардын ортосундагы айырмачылыктарды аныктоо менен текшерилди. Буга программалануучу ысытуучу плитанын температурасын 25 °C кадамдар менен 100 жана 150 °C ортосунда өзгөртүү жана программаланган жана жазылган температуралардын ортосундагы айырмачылыктарды белгилөө аркылуу жетишилет. Буга tc-08 маалыматтарды каттоочу (PicoTech, Кембридж, Улуу Британия) жана ага тиркелген PicoLog программасы колдонулуп жетишилди.
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) ыкмасы менен жүргүзүлдү, ал температураны жана жашоо убактысын өзгөрүлмө параметрлер 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 жообу триазол продуктусунун фенилацетилен баштапкы материалына болгон чоку аянтынын катышы катары алынган жана жогорку натыйжалуу суюктук хроматографиясы (HPLC) менен аныкталган. Анализдин ырааттуулугу үчүн, бардык реакциялар реакция аралашмасы реактордон чыккандан кийин дароо үлгү алынган. Оптималдаштыруу үчүн тандалган параметрлердин диапазондору 2-таблицада көрсөтүлгөн.
Бардык үлгүлөр төртүнчү насостон, колонка мешинен, өзгөрүлмө толкун узундугундагы ультрафиолет детекторунан жана автосамплерден турган Chromaster HPLC системасын (VWR, PA, АКШ) колдонуу менен талданды. Колонна 40 °C температурада кармалып турган, өлчөмү 4,6 × 100 мм, бөлүкчөлөрдүн өлчөмү 5 мкм болгон эквиваленттүү 5 C18 (VWR, PA, АКШ) болгон. Эриткич 1,5 мл.мин-1 агым ылдамдыгындагы изократиялык 50:50 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 инъекциялоо тиешелүү чокуларды аныктоого мүмкүндүк берет.
Реактордун анализинин жыйынтыгын MODDE DOE программалык камсыздоосуна (Umetrics, Мальме, Швеция) туташтыруу натыйжалардын тенденцияларын кылдат талдоо жана бул циклокошулма үчүн оптималдуу реакция шарттарын аныктоого мүмкүндүк берди. Орнотулган оптималдаштыргычты иштетүү жана бардык маанилүү моделдик терминдерди тандоо ацетилендин баштапкы материалы үчүн чоку аянтын азайтуу менен продуктунун чоку аянтын максималдаштыруу үчүн иштелип чыккан реакция шарттарынын жыйындысын берет.
Каталитикалык реакция камерасынын ичиндеги беттик жездин кычкылдануусу ар бир триазол кошулмаларынын китепканасын синтездөөдөн мурун реакция камерасы аркылуу агып өткөн суутек перекисинин (36%) эритмесин колдонуу менен ишке ашырылган (агым ылдамдыгы = 0,4 мл мин-1, жашоо убактысы = 2,5 мүнөт).
Оптималдуу шарттар топтому аныкталгандан кийин, алар ацетилен жана галоалкан туундуларынын бир катар түрлөрүнө колдонулуп, кичинекей китепкана синтезин 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-1 жана 150 °C температурада айдалып турду. Жалпы көлөм флаконго чогултулуп, 10 мл этилацетат менен суюлтулду. Үлгү эритмеси 3 × 10 мл суу менен жуулду. Суу катмарлары бириктирилип, 10 мл этилацетат менен экстракцияланды; андан кийин органикалык катмарлар бириктирилип, 3 x 10 мл туздуу суу менен жуулуп, MgSO4 үстүндө кургатылып, чыпкаланып, 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 гелинде колонка хроматографиясы менен тазаланды.
Бардык спектрлер иондоштуруу булагы катары ESI колдонулган Thermofischer тактыктагы Orbitrap чечилишиндеги массалык-спектрометрди колдонуу менен алынган. Бардык үлгүлөр эриткич катары ацетонитрилди колдонуу менен даярдалган.
TLC анализи алюминий менен капталган кремний пластиналарында жүргүзүлдү. Пластиналар ультрафиолет нуру (254 нм) же ванилин менен боёо жана ысытуу аркылуу көрсөтүлдү.
Бардык үлгүлөр авто-үлгү алуучу, колонкалык мештин экилик насосу жана бир толкун узундугундагы детектор менен жабдылган VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, Улуу Британия) системасы аркылуу талданды. Колдонулган колонка ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4,6 мм, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Абердин, Шотландия) болгон.
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 эсептелген, триазол продуктусу гана алынган, ал эми баштапкы материалды сайып 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 эритмесинде 20 эсе суюлтулган.
UAM акыркы чогултууну куруу үчүн колдонулган металл фольга материалын байланыштыруу ыкмасы катары ультраүндүү металл ширетүүнү колдонот. Ультратүндүү металл ширетүү материалды титиретип жатканда байланыштырыла турган фольга катмарына/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 байланыштырат. Басым жана титирөө колдонулганда, материалдын бетиндеги оксиддер жарылып кетиши мүмкүн. Басымдын жана титирөөнүн уланышы материалдын деформацияларынын кулашына алып келиши мүмкүн 36. Жергиликтүү индукцияланган жылуулук жана басым менен жакын байланыш материалдын интерфейстеринде катуу абалдагы байланышка алып келет; ал ошондой эле беттик энергиянын өзгөрүшү аркылуу адгезияга жардам бере алат48. Байланыш механизминин мүнөзү башка кошумча өндүрүш ыкмаларында айтылган өзгөрүлмө эрүү температурасы жана жогорку температуранын кесепеттери менен байланышкан көптөгөн көйгөйлөрдү жеңет. Бул ар кандай материалдардын бир нече катмарларын бир консолидацияланган түзүлүшкө түз байланыштырууга (б.а., бетти өзгөртүүсүз, толтургучтарсыз же желимсиз) мүмкүндүк берет.
UAM үчүн экинчи жагымдуу фактор - бул металл материалдарында, ал тургай төмөнкү температураларда, башкача айтканда, металл материалдардын эрүү температурасынан бир топ төмөн болгондо да байкалган пластикалык агымдын жогорку даражасы. УЗИ термелүүсүнүн жана басымдын айкалышы салттуу түрдө көлөмдүү материалдар менен байланышкан чоң температуранын жогорулашысыз жергиликтүү дан чек араларынын миграциясынын жана кайра кристаллдашуусунун жогорку деңгээлин шарттайт. Акыркы чогултууну куруу учурунда бул кубулушту металл фольга катмарларынын ортосуна, катмар-катмар активдүү жана пассивдүү компоненттерди жайгаштыруу үчүн колдонсо болот. Оптикалык булалар 49, арматуралар 46, электроника 50 жана термопаралар (бул иш) сыяктуу элементтердин баары активдүү жана пассивдүү композиттик чогултууларды түзүү үчүн UAM структураларына ийгиликтүү киргизилген.
Бул иште UAMдын ар кандай материалдык байланыш жана интеркаляция мүмкүнчүлүктөрү каталитикалык температураны көзөмөлдөөчү эң сонун микрореакторду түзүү үчүн 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 химиялык кайра иштетүү өнөр жайы үчүн жагымдуу вариант болуп саналат (ii) Cu менен катализделген кайчылаш байланыш реакцияларынын диапазону көбөйүүдө жана Pd негизиндеги методологияларды бир аз толуктап турат окшойт51,52,53 (iii) Cu менен катализделген реакциялар башка лиганддар жок болгон учурда жакшы иштейт, Бул лиганддар көбүнчө структуралык жактан жөнөкөй жана кааласаңыз арзан, ал эми Pd химиясында колдонулгандар көбүнчө татаал, кымбат жана абага сезгич (iv) Cu, айрыкча синтезде алкиндерди байланыштыруу жөндөмү менен белгилүү, Мисалы, биметалл-катализделген Соногашира байланышы жана азиддер менен циклокошулушу (чыкылдатуу химиясы) (v)Cu ошондой эле Ульман тибиндеги реакцияларда бир нече нуклеофилдердин арилдешине өбөлгө түзө алат.
Жакында эле Cu(0) катышуусунда ушул реакциялардын бардыгынын гетерогендешүүсүнүн мисалдары көрсөтүлдү. Бул көбүнчө фармацевтика өнөр жайы жана металл катализаторун калыбына келтирүүгө жана кайра колдонууга көңүл буруунун өсүшү менен байланыштуу55,56.
1960-жылдары Хюйсген тарабынан алгачкылардан болуп ачылган57, ацетилен менен азиддин 1,2,3-триазолго чейинки 1,3-диполярдык циклокошулма реакциясы синергетикалык демонстрациялык реакция деп эсептелет. Натыйжада пайда болгон 1,2,3 триазол бөлүктөрү биологиялык колдонулушу жана ар кандай терапиялык агенттерде колдонулушу менен дары-дармектерди ачуу жаатында фармакофор катары өзгөчө кызыгууну жаратат58.
Бул реакция Шарплесс жана башкалар "чыкылдатуу химиясы" түшүнүгүн киргизгенде кайрадан көңүл чордонуна чыкты59. "Чыкылдатуу химиясы" термини гетероатомдук байланыш (CXC)60 аркылуу жаңы кошулмаларды жана комбинатордук китепканаларды тез синтездөө үчүн күчтүү, ишенимдүү жана тандалма реакциялар жыйындысын сүрөттөө үчүн колдонулат. Бул реакциялардын синтетикалык жагымдуулугу алардын жогорку түшүмдүүлүгүнөн, реакция шарттарынын жөнөкөйлүгүнөн, кычкылтек менен сууга туруктуулугунан жана продуктуну бөлүүнүн жөнөкөйлүгүнөн келип чыгат61.
Классикалык Huisgen 1,3-диполдук циклокошулмасы "чыкылдатуу химиясы" категориясына кирбейт. Бирок, Медаль жана Шарплесс бул азид-алкин байланыш окуясы Cu(I) катышуусунда катализделбеген 1,3-диполдук циклокошулма 62,63 олуттуу ылдамдыктагы ылдамданууга салыштырмалуу 107ден 108ге чейин өтөөрүн көрсөтүштү. Бул жакшыртылган реакция механизми коргоочу топторду же катаал реакция шарттарын талап кылбайт жана убакыт шкаласында 1,4-алмаштырылган 1,2,3-триазолдорго (анти-1,2,3-триазол) дээрлик толук конверсияны жана селективдүүлүктү берет (3-сүрөт).
Кадимки жана жез катализделген Хьюсген циклокошумдарынын изометриялык жыйынтыктары. Cu(I)-катализделген Хьюсген циклокошумдары 1,4-алмаштырылбаган 1,2,3-триазолдорду гана берет, ал эми термикалык индукцияланган Хьюсген циклокошумдары адатта азолдордун стереоизомерлеринин 1:1 аралашмасын 1,4- жана 1,5-триазолдорду берет.
Көпчүлүк протоколдор туруктуу Cu(II) булактарын калыбына келтирүүнү камтыйт, мисалы, CuSO4 же Cu(II)/Cu(0) түрлөрүнүн натрий туздары менен бирге айкалышын калыбына келтирүү. Башка металл катализделген реакциялар менен салыштырганда, Cu(I) колдонуунун негизги артыкчылыктары арзан жана иштетүүгө оңой болуу болуп саналат.
Воррелл ж.б. тарабынан жүргүзүлгөн кинетикалык жана изотоптук белгилөө изилдөөлөрү 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. Триазолил жез туундулары шакекче кичирейүү, андан кийин протондун ажыроосу менен пайда болот, бул триазол продуктуларын берет жана каталитикалык циклди жабат.
Агым химиясынын түзүлүштөрүнүн пайдасы жакшы документтештирилгени менен, процессти үзгүлтүксүз, жер-жерлерде 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).
Татаал ички канал түзүлүшүнө, камтылган термопараларга жана каталитикалык реакция камерасына ээ болгон, ультраүн кошулмаларын өндүрүү (УАМ) жолу менен жасалган алюминий-жез агым реактору. 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. Басым сыноосу системанын басымы жогорулаганда да (1,7 МПа) туруктуу жана туруктуу басымды сактап тураарын көрсөттү. Гидростатикалык сыноо бөлмө температурасында суюктук катары H2O колдонулуп жүргүзүлдү.
Орнотулган (1-сүрөт) термопараны температура маалыматтарын каттоочуга туташтыруу термопаранын FlowSyn системасындагы программаланган температурадан 6 °C (± 1 °C) төмөн экенин көрсөттү. Адатта, температуранын 10 °C жогорулашы реакция ылдамдыгынын эки эсеге көбөйүшүнө алып келет, андыктан бир нече градус температура айырмасы реакция ылдамдыгын олуттуу өзгөртүшү мүмкүн. Бул айырма өндүрүш процессинде колдонулган материалдардын жогорку жылуулук диффузиялыктыгынан улам реактордун корпусу боюнча температуранын жоголушуна байланыштуу. Бул жылуулук дрейфи ырааттуу жана ошондуктан реакция учурунда так температурага жетүү жана өлчөө үчүн жабдууларды орнотууда эске алынышы мүмкүн. Ошондуктан, бул онлайн мониторинг куралы реакция температурасын катуу көзөмөлдөөгө көмөктөшөт жана процессти так оптималдаштырууга жана оптималдуу шарттарды иштеп чыгууга көмөктөшөт. Бул сенсорлорду реакциянын экзотермаларын аныктоо жана ири масштабдуу системаларда качып кетүүчү реакциялардын алдын алуу үчүн да колдонсо болот.
Бул иште көрсөтүлгөн 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 иштетүүгө байланыштуу билдирилген 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) Порошок катмарынын технологиясында мүмкүн болбогон сенсорлордун түз байланышын жеңилдетүүчү иштетүү температурасынын төмөндөшү (v) полимер негизиндеги компоненттердин компоненттеринин ар кандай кеңири таралган органикалык эриткичтерге начар механикалык касиеттерин жана сезгичтигин жеңет17,19.
Реактордун функционалдуулугу үзгүлтүксүз агым шарттарында жез менен катализделген алкин азидинин циклокошулуш реакцияларынын сериясы менен көрсөтүлгөн (2-сүрөт). 4-сүрөттө кеңири баяндалган ультраүн менен басылган жез реактору коммерциялык агым системасы менен интеграцияланган жана натрий хлоридинин катышуусунда ацетилен жана алкил топторунун галогениддеринин температурасы көзөмөлдөнгөн реакциясы аркылуу ар кандай 1,4-алмаштырылган 1,2,3-триазолдордун китепкана азиддерин 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 циклокошулмасы 57 схемасынын оптималдаштырылган (төмөнкү) схемасында оптималдаштыруу жана реакциянын оптималдаштырылган параметрлерин конверсиялоо ылдамдыгын көрсөтүү үчүн алынган агым системасына (жогорку оң жакта) 3DP реакторду кошуу үчүн колдонулган орнотуунун схемасы.
Реактордун каталитикалык бөлүгүндөгү реагенттердин жашоо убактысын көзөмөлдөө жана түздөн-түз интеграцияланган термопара зонд менен реакция температурасын кылдат көзөмөлдөө менен реакция шарттарын тез жана так оптималдаштырууга болот, бул минималдуу убакыт жана материалдык сарптоо менен болот. Эң жогорку конверсиялар 15 мүнөт жашоо убактысы жана 150 °C реакция температурасы колдонулганда алынганы тез аныкталды. MODDE программасынын коэффициент графигинен жашоо убактысы да, реакция температурасы да маанилүү моделдик терминдер деп эсептелерин көрүүгө болот. Бул тандалган терминдерди 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 54% моделдик божомолго дал келди.
Жез (I) кычкылы (Cu2O) бул реакцияларда нөлдүк валенттүү жез беттеринде натыйжалуу каталитикалык түр катары иштей аларын көрсөткөн адабияттарга таянып, реакцияны агымда жүргүзүүдөн мурун реактордун бетин алдын ала кычкылдандыруу мүмкүнчүлүгү изилденген70,71. Андан кийин фенилацетилен менен йодоэтандын ортосундагы реакция оптималдуу шарттарда кайрадан жүргүзүлүп, түшүмдүүлүк салыштырылган. Бул даярдоо баштапкы материалдын конверсиясынын олуттуу жогорулашына алып келгени байкалган, ал >99% деп эсептелген. Бирок, HPLC аркылуу мониторинг көрсөткөндөй, бул конверсия ашыкча узакка созулган реакция убактысын болжол менен 90 мүнөткө чейин бир топ кыскарткан, андан кийин активдүүлүк тең салмактуу болуп, "туруктуу абалга" жеткен. Бул байкоо каталитикалык активдүүлүктүн булагы нөлдүк валенттүү жез субстратынан эмес, үстүнкү жез кычкылынан алынарын көрсөтүп турат. Cu металлы бөлмө температурасында өзүн-өзү коргоочу катмарлар болбогон CuO жана Cu2O пайда кылуу үчүн оңой кычкылданат. Бул биргелешип курам үчүн кошумча жез (II) булагын кошуу зарылдыгын жокко чыгарат71.