Gratias tibi ago quod Nature.com invisisti. Versio navigatri quam uteris limitatam sustentationem pro CSS habet. Pro optima experientia, commendamus ut navigatro renovato utaris (aut modum compatibilitatis in Internet Explorer deactivare). Interea, ut continua sustentatio praestetur, situm sine stylis et JavaScript demonstrabimus.
Fabricatio additiva modum quo investigatores et industriales instrumenta chemica designant et fabricant mutat ut necessitatibus suis specificis satisfaciant. In hoc opere, primum exemplum reactoris fluxus formati per technicam laminationis laminae metallicae in statu solido Fabricationis Additivae Ultrasonicae (UAM) cum partibus catalyticis et elementis sensoriis directe integratis referimus. Non solum technologia UAM multas limitationes quae nunc cum fabricatione additiva reactorum chemicorum coniunguntur superat, sed etiam significanter auget facultates talium instrumentorum. Series compositorum 1,2,3-triazoli biologice magni momenti feliciter synthesizata et optimizata est per reactionem cycloadditionis 1,3-dipolaris Huisgen Cu-mediatam utens apparatu chemico UAM. Utiendo proprietatibus singularibus UAM et processus fluxus continui, instrumentum potest catalyzare reactiones continuas dum etiam praebet responsum in tempore reali ad monitorationem et optimizationem reactionis.
Ob insignes commoda prae chemia continua, chemia fluxus est campus magni momenti et crescens in ambitus academicis et industrialibus propter facultatem suam augendi selectivitatem et efficientiam synthesis chemicae. Hoc extenditur a simplici formatione molecularum organicarum1 ad composita pharmaceutica2,3 et producta naturalia4,5,6. Plus quam 50% reactionum in industriis chemicis subtilibus et pharmaceuticis ex usu processus fluxus continui7 utilitatem capere possunt.
Recentibus annis, crescit proportio coetuum qui apparatum vitreum traditionale vel chemiae fluxus cum "vasis reactionis" chemiae fabricationis additivae (AM) adaptabilibus substituere volunt8. Designatio iterativa, productio rapida, et facultates tridimensionales (3D) harum technicarum utiles sunt iis qui machinas suas ad certum reactionum, machinarum, vel condicionum seriem accommodare volunt. Adhuc, hoc opus fere exclusive in usu technicarum impressionis tridimensionalis polymeris fundatarum, ut stereolithographia (SL)9,10,11, modellatio depositionis fusae (FDM)8,12,13,14 et impressio atramenti 7,15,16, intendit. Defectus robustatis et facultatis talium machinarum ad perficiendam latam seriem reactionum/analyses chemicarum17,18,19,20 est factor limitans maior pro latiori implementatione AM in hoc campo17,18,19,20.
Ob crescentem usum chemiae fluxus et proprietates favorabiles cum fabricatione additiva (AM) consociatas, necesse est explorare artes provectiores quae usores sinant vasa reactionis fluxus cum facultatibus chemicis et analyticis auctis fabricare. Hae artes usores permittere debent ut e varietate materiarum robustarum vel functionalium eligant, quae amplam varietatem condicionum reactionis tractare possint, simulque varias formas exitus analytici ex instrumento facilitant, ut observatio et moderatio reactionis permittantur.
Unus processus fabricationis additivae qui potentiam habet ad reactores chemicos consuetudinarios evolvendos est Fabricatio Additiva Ultrasonica (UAM). Haec ars laminationis laminarum in statu solido oscillationes ultrasonicas ad tenues laminas metallicas applicat ut eas stratis stratis coniungat cum minima calefactione et alto gradu fluxus plastici 21, 22, 23. Dissimilis plerisque aliis technologiis AM, UAM directe integrari potest cum fabricatione subtractiva, quae processus fabricationis hybrida appellatur, in qua fresatura in situ periodica per computatrum numericum (CNC) vel machinatio laser formam reticulatam strati materiae coniunctae definit 24, 25. Hoc significat usorem non limitari problematibus coniunctis cum remotione materiae rudis residuae ex canalibus fluidis parvis, quod saepe fit cum systematibus AM pulveris et liquidis 26, 27, 28. Haec libertas designandi etiam ad electiones materiarum praesto extenditur - UAM combinationes materiarum thermaliter similes et dissimiles in uno gradu processus coniungere potest. Electio combinationum materiarum ultra processum fusionis significat postulata mechanica et chemica applicationum specificarum melius satisfieri posse. Praeter coniunctionem in statu solido, aliud phaenomenon occurrens per ultrasonum... Nexus est fluxus magnus materiarum plasticarum ad temperaturas relative humiles29,30,31,32,33. Haec proprietas singularis materiae plasticae unitae (UAM) insertionem elementorum mechanicorum/thermicorum inter strata metallica sine damno facilitare potest. Sensoria UAM inclusa traditionem informationis in tempore reali ab instrumento ad usorem per analytica integrata facilitare possunt.
Opera auctorum praeterita32 demonstraverunt facultatem processus UAM ad structuras microfluidicas metallicas tridimensionales cum facultatibus sensoriis integratis creandas. Hoc instrumentum tantum monitorium est. Haec dissertatio primum exemplum reactoris chemici microfluidici a UAM fabricati praebet; instrumentum activum quod non solum monitorat sed etiam synthesim chemicam per materias catalysantes structuraliter integratas inducit. Instrumentum plura commoda cum technologia UAM in fabricatione instrumentorum chemicorum tridimensionalium coniungit, ut: facultatem convertendi plena consilia tridimensionalia directe ex exemplaribus designationis computatro adiuvatae (CAD) in producta; fabricationem multi-materiae ad combinandas altas conductivitatem thermalem et materias catalyticas; et insertionem sensorum thermalium directe inter rivos reagentium ad accuratam monitorationem et moderationem temperaturae reactionis. Ad demonstrandam functionem reactoris, bibliotheca compositorum 1,2,3-triazoli pharmaceutice magni momenti 1,4-disubstitutorum synthesizata est per cycloadditionem Huisgen 1,3-dipolarem cupro-catalysatam. Hoc opus illustrat quomodo usus scientiae materialium et designationis computatro adiuvatae novas opportunitates et possibilitates chemiae per investigationem multidisciplinarem aperire possit.
Omnia solventia et reagentia a Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI, aut Fischer Scientific empta sunt et sine purificatione priori adhibita sunt. Spectra 1H et 13C NMR, ad 400 MHz et 100 MHz respective capta, obtenta sunt spectrometro JEOL ECS-400 400 MHz aut spectrometro Bruker Avance II 400 MHz et CDCl3 vel (CD3)2SO4 ut solvente. Omnes reactiones peractae sunt suggestu chemiae fluxus Uniqsis FlowSyn.
UAM ad omnia instrumenta in hoc studio fabricanda adhibita est. Technologia anno 1999 inventa est, et eius singularia technica, parametri operandi et progressus post inventionem per sequentes materias editas investigari possunt34,35,36,37. Instrumentum (Figura 1) per systema SonicLayer 4000® UAM altissimae potentiae, 9kW (Fabrisonic, OH, USA) implementatum est. Materiae ad fabricationem instrumenti fluxus electae fuerunt Cu-110 et Al 6061. Cu-110 magnum contentum cupri habet (minimum 99.9% cupri), quod id bonum candidatum ad reactiones cupro-catalysatas facit, et ideo ut "stratum activum intra microreactorem" adhibetur. Al 6061O ut materia "massa" adhibetur, etiam stratum inclusionis ad analysin adhibetur; inclusio componentium auxiliarium mixturae et conditio recocta cum strato Cu-110 coniuncta. Al 6061O est materia quae valde compatibilis cum processibus UAM demonstrata est38, 39. 40, 41 et probata et chemicae stabilis inventa est cum reagentibus in hoc opere adhibitis. Combinatio Al 6061 O cum Cu-110 etiam habetur combinatio materiae compatibilis pro UAM et ideo materia apta est huic studio. 38,42 Haec instrumenta in Tabula 1 infra enumerantur.
Gradus fabricationis reactoris (1) Substratum Al 6061 (2) Fabricatio canalis inferioris in lamina cuprea positi (3) Insertio thermoparium inter strata (4) Canalis superior (5) Introitus et exitus (6) Reactor monolithicus.
Philosophia designandi viae fluidi est ut via tortuosa adhibeatur ad spatium quod fluidum intra frustulum percurrit augendum, dum frustulum magnitudine tractabili manet. Haec distantiae augmentum desideratur ad tempus interactionis catalysatoris/reagentis augendum et ad optimam productionem producti praebendam. Frustula flexus 90° ad fines viae rectae utuntur ad mixtionem turbulentam intra instrumentum inducendam et tempus contactus fluidi cum superficie (catalysatore) augendum. Ad mixtionem quae fieri potest ulterius augendam, designatio reactoris duos introitus reagentis in iunctura Y-formae coniunctos habet antequam sectionem mixtionis serpentinae ingrediatur. Tertius introitus, qui flumen in medio cursu residentiae suae intersecat, in designatione futurarum synthesium reactionum multigradarum includitur.
Omnes canales formam quadratam habent (nullis angulis inclinationis), quae ex periodica fresatura CNC ad geometriam canalis creandam provenit. Dimensiones canalis eliguntur ut magnum volumen (pro microreactore) producatur, dum satis parvi sunt ut interactiones superficiales (catalysatores) pro plurimis fluidis contentis faciliores reddant. Magnitudo apta in experientia praeterita auctorum cum instrumentis metallo-fluidicis pro reactione fundatur. Dimensiones internae canalis finalis erant 750 µm x 750 µm et volumen totale reactoris erat 1 ml. Connector integratus (filo 1/4″—28 UNF) in consilio includitur ut facilem nexum instrumenti cum apparatu chemiae fluxus commerciali permittat. Magnitudo canalis crassitudine materiae laminae, proprietatibus mechanicis eius, et parametris nexus cum ultrasonis adhibitis limitatur. Ad latitudinem specificam pro data materia, materia "decidit" in canalem creatum. Nullum exemplar specificum pro hac computatione nunc est, ita maxima latitudo canalis pro data materia et consilio experimentaliter determinatur; in hoc casu, latitudo 750 μm flacciditatem non causabit.
Forma (quadrata) canalis per usum cultri quadrati determinatur. Forma et magnitudo canalium machinis CNC variis instrumentis secandis mutari possunt, ut variae celeritates fluxus et proprietates obtineantur. Exemplum creandi canalem formae curvae instrumento 125 μm in opere Monaghan45 inveniri potest. Cum stratum laminae metallicae plano modo deponitur, superpositio materiae laminae metallicae super canales superficiem planam (quadratam) habebit. In hoc opere, ut symmetria canalis servetur, linea quadrata adhibita est.
Intermissione praeprogrammata in fabricatione, sensoria temperaturae thermocouple (Typus K) directe intra instrumentum inter greges canalium superiores et inferiores inseritur (Figura 1 – Gradus 3). Haec thermocoupla mutationes temperaturae a −200 ad 1350°C monitorare possunt.
Processus depositionis metalli per cornu UAM perficitur, lamina metallica 25.4 mm lata et 150 micron crassa utens. Hae laminae in seriem fasciarum adiacentium connectuntur ut totam aream constructionis tegant; magnitudo materiae depositae maior est quam productum finale, cum processus subtractivus formam finalem reticulatam producit. Machinatio CNC adhibita est ad formam externam et internam instrumenti machinanda, quod efficit ut superficies instrumenti et canalum aequalis sit instrumenti selecti et parametri processus CNC (circiter 1.6 μm Ra in hoc exemplo). Cycli continui depositionis et machinationis materiae ultrasonicae per totum processum fabricationis instrumenti adhibentur ut accuratio dimensionalis servetur et pars perfecta gradus accuratiae fresationis CNC attingat. Latitudo canalis pro hoc instrumento adhibita satis parva est ut materia laminae non "decidat" in canalem fluidi, ita canalis sectionem transversalem quadratam servet. Hiatus possibiles in materia laminae et parametri processus UAM experimentaliter determinati sunt a socio fabricationis (Fabrisonic LLC, USA).
Studia demonstraverunt diffusionem elementorum parvam fieri ad interfaciem nexus UAM 46, 47 sine curatione thermica additionali, ergo in machinis huius operis, stratum Cu-110 distinctum manet a strato Al 6061 et subito mutatur.
Regulatorem pressionis posterioris (BPR) prae-calibratus 250 psi (1724 kPa) ad exitum reactoris instala et aquam per reactorem impulsa rate 0.1 ad 1 mL min-1. Pressio reactoris monitorata est utens sensore pressionis systematis FlowSyn incluso ad verificandum systema pressionem constantem stabilem conservare posse. Gradientes temperaturae potentiales trans reactorem fluxus probati sunt per identificationem quarumlibet differentiarum inter thermocoupla intra reactorem inclusa et ea quae intra laminam calefactionis fragmenti FlowSyn inclusa sunt. Hoc fit variando temperaturam laminae calefactionis programmabilem inter 100 et 150 °C in incrementis 25 °C et notando quaslibet differentias inter temperaturas programmatas et registratas. Hoc effectum est utens registratore datorum tc-08 (PicoTech, Cantabrigiae, UK) et programmate PicoLog concomitante.
Conditiones reactionis cycloadditionis phenylacetyleni et iodoethani optimizatae sunt (Schema 1 - Cycloadditio phenylacetyleni et iodoethani). Haec optimizatio per methodum plenae designationis factorialis experimentorum (DOE) peracta est, temperatura et tempore residentiae ut parametris variabilibus utendo, dum proportio alkyni:azidi ad 1:2 fixa est.
Solutiones separatae azidi natrii (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), iodoethani (0.25 M, DMF), et phenylacetyleni (0.125 M, DMF) paratae sunt. Aliquota 1.5 mL cuiusque solutionis mixta et per reactorem ad fluxum et temperaturam desideratas pumpata est. Responsum exemplaris ut proportio areae cacuminis producti triazoli ad materiam initialem phenylacetyleni captum est et per chromatographiam liquidam altae efficaciae (HPLC) determinatum est. Pro constantia analysis, omnes reactiones exempli gratia postquam mixtura reactionis reactorem reliquit collectae sunt. Intervalli parametrorum ad optimizationem selecti in Tabula 2 monstrantur.
Omnia exempla per systema Chromaster HPLC (VWR, PA, USA) analysata sunt, quod continebat antlia quaternaria, furnum columnae, detectorem UV longitudinis undae variabilis et autosampler. Columna erat Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA), magnitudinis 4.6 × 100 mm, magnitudinis particularum 5 µm, ad 40°C conservata. Solvens erat isocraticum 50:50 methanolum:aqua, fluxu 1.5 mL.min-1. Volumen injectionis erat 5 µL et longitudo undae detectoris erat 254 nm. Area percentualis apicis pro exemplo DOE calculata est solum ex areis apicis productorum alkyni et triazoli residuorum. Injectio materiae initialis permittit identificationem apicium pertinentium.
Coniunctio exitus analysis reactoris cum programmate MODDE DOE (Umetrics, Malmö, Suecia) permisit analysin accuratam tendentiarum eventuum et determinationem condicionum reactionis optimarum pro hac cycloadditione. Cursus optimatricis inclusi et selectio omnium terminorum exemplaris magni momenti producit seriem condicionum reactionis destinatam ad augendam aream apicis producti dum minuit aream apicis pro materia initiali acetyleni.
Oxidatio superficialis cupri intra cameram reactionis catalyticam effecta est utens solutione hydrogenii peroxidi (36%) per cameram reactionis fluenti (fluxus = 0.4 mL min-1, tempus residentiae = 2.5 min) ante synthesim cuiusque bibliothecae compositorum triazoli.
Postquam condiciones optimae inventae sunt, hae ad seriem derivatorum acetyleni et haloalkani applicatae sunt ut compilatio parvae bibliothecae syntheticae permitteretur, ita facultatem harum condicionum ad latiorem seriem reagentium potentialium applicandi constituentes (Figura 1).2).
Separa solutiones azidi natrii (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), haloalkanorum (0.25 M, DMF) et alkynorum (0.125 M, DMF) para. Portiones 3 mL cuiusque solutionis mixtae et per reactorem ad 75 µL.min-1 et 150°C pumpatae sunt. Volumen totum in ampullam collectum et cum 10 mL ethyl acetatis dilutum est. Solutio exemplaris cum 3 × 10 mL aquae abluta est. Strata aquosa combinata et cum 10 mL ethyl acetatis extracta sunt; strata organica deinde combinata, cum 3 × 10 mL salsamenti lavata, super MgSO4 siccata et filtrata, tum solvens in vacuo remotus est. Exempla per chromatographiam columnarem in gel silicae utens ethyl acetate purificata sunt ante analysin per combinationem HPLC, 1H NMR, 13C NMR et spectrometriam massae altae resolutionis (HR-MS).
Omnia spectra acquisita sunt utens spectrometro massae resolutionis Orbitrap praecisionis Thermofischer cum ESI ut fonte ionizationis. Omnia exempla praeparata sunt utens acetonitrilo ut solvente.
Analysis TLC in laminis siliceis aluminio suffultis peracta est. Laminae lumine ultraviolaceo (254 nm) vel tinctione vanillina et calefactione visualizatae sunt.
Omnia exempla per systema VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) instructum autosampler, antlia binaria furno columnae et detectore unius longitudinis undae analysata sunt. Columna adhibita fuit ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4.6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Scotia).
Injectiones (5 µL) directe ex mixtura reactionis cruda diluta (dilutio 1:10) factae et cum aqua:methanolo (50:50 vel 70:30) analysatae sunt, exceptis quibusdam exemplaribus systema solventis 70:30 (numero stellato denotato) cum fluxu 1.5 mL/min utentibus. Columna ad 40°C servata est. Longitudo undae detectoris est 254 nm.
Area apicis percentualis exempli calculata est ex area apicis alkyni residui, solo producto triazoli, et iniectio materiae initialis identificationem apicum pertinentium permisit.
Omnia exempla machina Thermo iCAP 6000 ICP-OES analysata sunt. Omnia normae calibrationis solutione normae Cu 1000 ppm in acido nitrico 2% (SPEX Certi Prep) paratae sunt. Omnia normae in solutione DMF 5% et HNO3 2% paratae sunt, et omnia exempla vicies in solutione DMF-HNO3 diluta sunt.
UAM (Uniform Air Air - Unified Metal Machinery) utitur ferrugine metallica ultrasonica ut technica coniunctionis pro materia laminae metallicae adhibita ad construendum coetum finale. Ferrugine metallica ultrasonica utitur instrumento metallico vibrante (cornu vel cornu ultrasonicum appellato) ad pressionem applicandam strato laminae/strato antea consolidato coniungendo dum materia vibratur. Ad operationem continuam, sonotrodum cylindricum est et super superficiem materiae volvitur, totam aream coniungens. Cum pressio et vibratio adhibentur, oxida in superficie materiae findere possunt. Pressio et vibratio continuae possunt asperitates materiae collabi facere 36. Contactus intimus cum calore et pressione localiter inductis deinde ad coniunctionem status solidi ad interfacies materiae ducit; etiam adhaesionem adiuvare potest per mutationes in energia superficiali 48. Natura mechanismi coniunctionis superat multa problemata coniuncta cum temperatura variabili liquefactionis et effectibus posterioribus altae temperaturae, quae in aliis technicis fabricationis additivae commemorantur. Hoc permittit coniunctionem directam (i.e., sine modificatione superficiali, impletionibus vel glutino) plurium stratorum materiarum diversarum in unam structuram consolidatam.
Alter factor favens materiae metallicae non metallicae (UAM) est gradus altus fluxus plastici observatus in materiis metallicis, etiam ad temperaturas humiles, id est multo infra punctum liquefactionis materiarum metallicarum. Combinatio oscillationis ultrasonicae et pressionis inducit gradus altos migrationis limitis granorum localis et recrystallizationis sine magno incremento temperaturae quod tradite cum materiis solidis coniungitur. Per constructionem coacervationis finalis, hoc phaenomenon adhiberi potest ad inserendas partes activas et passivas inter strata laminae metallicae, strato per stratum. Elementa ut fibrae opticae 49, robora 46, electronica 50, et thermocupla (hoc opus) omnia feliciter inserta sunt in structuras UAM ad creandas coacervationes compositas activas et passivas.
In hoc opere, et variae possibilitates nexus materialis et intercalationis UAM ad optimum microreactorem monitorationis temperaturae catalyticae creandum adhibitae sunt.
Comparata cum palladio (Pd) aliisque catalysatoribus metallicis vulgo adhibitis, catalysis Cu plura commoda habet: (i) Oeconomice, Cu minus pretiosum est quam multa alia metalla in catalysi adhibita et ideo optio attractiva est industriae chemicae processus. (ii) Series reactionum copulationis transversalis Cu-catalysatarum crescit et videtur quodammodo complementaria esse methodologiis Pd fundatis51,52,53. (iii) Reactiones Cu-catalysatae bene operantur absentibus aliis ligandis. Haec liganda saepe structuraliter simplicia et vilia sunt si desideratur, cum ea quae in chemia Pd adhibita sunt saepe complexa, cara et aeri sensibilia sint. (iv) Cu, praesertim notus propter facultatem suam alkynos in synthesi ligandi. Exempli gratia, copulatio Sonogashira bimetallico-catalysata et cycloadditio cum azidis (chemia click). (v) Cu etiam potest arylationem plurium nucleophilorum in reactionibus Ullmann-typi promovere.
Exempla heterogenizationis omnium harum reactionum nuper in praesentia Cu(0) demonstrata sunt. Hoc maxime debetur industriae pharmaceuticae et crescenti attentioni in recuperatione et reusu catalysatoris metallici55,56.
Reactio cycloadditionis 1,3-dipolaris inter acetylenum et azidum ad 1,2,3-triazolum, a Huisgen decennio 19657 excogitata, pro reactione demonstrationis synergistica habetur. Partes 1,2,3 triazoli inde ortae magni momenti sunt ut pharmacophori in campo inventionis medicamentorum propter applicationes biologicas et usum in variis agentibus therapeuticis58.
Haec reactio iterum in lucem venit cum Sharpless et alii notionem "chemiae cliccabilis"59 introduxerunt. Vocabulum "chemia cliccabilis" adhibetur ad describendum robustum, fidum et selectivum reactionum seriem ad celerem synthesim novorum compositorum et bibliothecarum combinatorialium per nexum heteroatomicorum (CXC)60. Appellatio synthetica harum reactionum oritur ex alto proventu associato, condicionibus reactionis simplicibus, resistentia oxygenii et aquae, et separatio productorum simplicitate61.
Cycloadditio classica Huisgen 1,3-dipoli non pertinet ad categoriam "chemiae cliccatoriae". Attamen, Medal et Sharpless demonstraverunt hunc eventum copulationis azidi-alkyni subire 10⁷ ad 10⁷ in praesentia Cu(I) comparatum cum cycloadditione 1,3-dipolari non catalysata 62,63 accelerationem celeritatis significantem. Hic mechanismus reactionis emendatus non requirit greges protectores aut condiciones reactionis asperas et conversionem et selectivitatem fere completam ad 1,2,3-triazola 1,4-disubstituta (anti-1,2,3-triazolum) in scala temporali producit (Figura 3).
Resultata isometrica cycloadditionum Huisgenianarum conventionalium et cupro-catalysatorum. Cycloadditiones Huisgenianae Cu(I)-catalysatae tantum 1,2,3-triazola 1,4-disubstituta producunt, dum cycloadditiones Huisgenianae thermaliter inductae typice 1,4- et 1,5-triazola mixturam 1:1 stereoisomerum azolium producunt.
Pleraque protocolla reductionem fontium stabilium Cu(II) includunt, ut reductionem CuSO4 vel co-combinationem specierum Cu(II)/Cu(0) cum salibus natrii. Comparatus cum aliis reactionibus metallis catalysatis, usus Cu(I) praecipua commoda habet quod vilis est et facilis ad tractandum.
Studia cinetica et isotopica designationis a Worrell et al. 65 facta demonstraverunt, in alkynis terminalibus, duo aequivalentia cupri implicari in activanda reactivitate cuiusque moleculae erga azidum. Mechanismus propositus procedit per anulum metallicum cupri sex membrorum, formatum coordinatione azidi cum acetylido cupri σ-ligato cum cupro π-ligato ut ligando donatore stabili. Derivata cupri triazolyl formantur contractione anuli, deinde decompositione protonum ad praebenda producta triazoli et claudendum cyclum catalyticum.
Quamquam utilitates instrumentorum chemiae fluxus bene documentatae sunt, desiderium exstitit instrumenta analytica in haec systemata integrandi ad monitorationem processuum in linea et in situ66,67. UAM methodus idonea probata est ad designandum et producendum reactores fluxus tridimensionales valde complexos, ex materiis catalytice activis et thermice conductivis factis, cum elementis sensoriis directe inclusis (Figura 4).
Reactor fluxus aluminii-cupri fabricatus per fabricationem additivam ultrasonicam (UAM) cum structura canalium interna complexa, thermocouples inclusi et camera reactionis catalytica. Ad vias fluidorum internas visualizandas, prototypum pellucidum per stereolithographiam fabricatum etiam ostenditur.
Ut reactores ad futuras reactiones organicas fabricentur, solventia tuto supra punctum ebullitionis calefieri debent; pressione et temperatura probantur. Examen pressionis demonstravit systema pressionem stabilem et constantem servare etiam cum pressione systematis aucta (1.7 MPa). Examen hydrostaticum temperatura ambiente peractum est, H₂O ut fluido utens.
Coniunctione thermocouple inclusum (Figura 1) cum registratore datorum temperaturae, apparuit thermocouple 6°C (± 1°C) frigidius esse quam temperatura programmata in systemate FlowSyn. Typice, augmentum temperaturae 10°C duplicationem celeritatis reactionis efficit, ita differentia temperaturae paucorum graduum celeritatem reactionis significanter mutare potest. Haec differentia ob iacturam temperaturae per totum corpus reactoris propter magnam diffusivitatem thermalem materiarum in processu fabricationis adhibitarum oritur. Haec fluctuatio thermalis constans est et ideo in apparatu configuratione considerari potest ut temperaturae accuratae per reactionem attingantur et metiantur. Ergo, hoc instrumentum monitorium interretiale moderationem accuratam temperaturae reactionis facilitat et optimizationem processus accuratiorem necnon evolutionem condicionum optimarum faciliorem reddit. Hi sensores etiam ad exothermas reactionis identificandas et reactiones effrenatas in systematibus magnis prohibendas adhiberi possunt.
Reactor in hoc opere praesentatus est primum exemplum applicationis technologiae UAM ad fabricationem reactorum chemicorum et complures limitationes maiores, quae nunc cum impressione AM/3D horum instrumentorum coniunguntur, tractat, ut: (i) superatio problematum relatorum ad processum mixturae cupri vel aluminii pertinentium; (ii) emendatio resolutionis canalis interni comparata cum technicis fusionis pulveris strati (PBF), ut fusio laseris selectiva (SLM)25,69; Fluxus materiae pauper et textura superficiei aspera26; (iii) Temperatura processus reducta, quae nexum directum sensorum facilitat, quod in technologia pulveris strati non fieri potest; (v) superat proprietates mechanicas pauperes et sensibilitatem componentium polymericorum ad varietatem solventium organicorum communium17,19.
Functionalitas reactoris demonstrata est per seriem reactionum cycloadditionis alkynoazidorum cupro-catalysatorum sub condicionibus fluxus continui (Fig. 2). Reactor cupreus ultrasonico-impressus, in Figura 4 descriptus, cum systemate fluxus commerciali integratus est et ad synthesizandum azida bibliothecae variorum 1,4-disubstitutorum 1,2,3-triazolorum per reactionem temperatura moderata acetyleni et halogenidorum gregum alkylicorum in praesentia natrii chloridi adhibitus est (Figura 3). Usus methodi fluxus continui sollicitudines salutis, quae in processibus discontinuis oriri possunt, mitigat, cum haec reactio intermedia azidarum valde reactiva et periculosa producit [317], [318]. Initio, reactio ad cycloadditionem phenylacetyleni et iodoethani optimizata est (Schema 1 – Cycloadditio phenylacetyleni et iodoethani) (vide Figuram 5).
(Summum sinistrum) Schema apparatus ad reactorem 3DP in systema fluxus (summum dextrum) incorporandum adhibiti, quod in schemate optimizato (imo) schematis cycloadditionis Huisgen 57 inter phenylacetylenum et iodoethanum ad optimizationem obtentum est, et parametros optimizatos ad celeritatem conversionis reactionis ostendens.
Tempus residentiae reagentium in parte catalytica reactoris moderando et temperaturam reactionis per sondam thermocouple directe integratam diligenter observando, condiciones reactionis celeriter et accurate optimizari possunt cum minimo tempore et consumptione materiae. Cito determinatum est conversiones maximas obtineri cum tempus residentiae 15 minutorum et temperatura reactionis 150°C adhibitae sunt. Ex graphica coefficientium programmatis MODDE, videri potest et tempus residentiae et temperaturam reactionis terminos magni momenti in exemplari haberi. Optimizator incorporatus his terminis selectis currendo seriem condicionum reactionis generat quae destinatae sunt ad areas apicis producti maximizandas dum areas apicis materiae initialis minuuntur. Haec optimizatio conversionem 53% producti triazoli produxit, quae praedictioni exemplaris 54% arcte congruens erat.
Innixi litteris quae demonstrant oxidum cupri(I) (Cu₂O) posse agere ut species catalytica efficax in superficiebus cupri zero-valentibus in his reactionibus, facultas prae-oxidandi superficiem reactoris antequam reactio in fluxu peragatur investigata est70,71. Reactio inter phenylacetylenum et iodoethanum deinde iterum sub condicionibus optimis peracta est et proventus comparati sunt. Observatum est hanc praeparationem augmentum significantem in conversione materiae initialis effecisse, quae aestimata est >99%. Attamen, monitorium per HPLC ostendit hanc conversionem tempus reactionis nimis prolongatum significanter reduxisse usque ad circiter 90 minuta, quo facto activitas visa est aequari et ad "statum stabilem" pervenire. Haec observatio suggerit fontem activitatis catalyticae obtineri ex superficie oxidi cupri potius quam ex substrato cupri zero-valenti. Metallum Cu facile oxidatur temperatura ambiente ad formandum CuO et Cu₂O quae non sunt strata auto-protegentia. Hoc necessitatem addendi fontem auxiliarem cupri(II) ad co-compositionem eliminat71.