Merci fir besicht Nature.com.D'Browser Versioun déi Dir benotzt huet limitéiert CSS Ënnerstëtzung.Fir déi bescht Erfahrung empfeelen mir Iech en aktualiséierte Browser ze benotzen (oder de Kompatibilitéitsmodus am Internet Explorer auszeschalten).An der Tëschenzäit, fir weider Ënnerstëtzung ze garantéieren, wäerte mir de Site ouni Stiler a JavaScript maachen.
Eng Karussell déi dräi Rutschen zur selwechter Zäit weist.Benotzt d'Previous an Next Knäppercher fir duerch dräi Rutschen gläichzäiteg ze réckelen, oder benotzt d'Slider Knäppercher um Enn fir duerch dräi Rutschen gläichzäiteg ze réckelen.
Additiv Fabrikatioun ännert d'Art a Weis wéi d'Fuerscher an d'Industrie chemesch Geräter designen a fabrizéieren fir hir spezifesch Bedierfnesser ze treffen.An dësem Pabeier mellen mir dat éischt Beispill vun engem Flowreaktor geformt duerch Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM) Laminatioun vun engem festen Metallplack mat direkt integréierten katalytesche Deeler a Sensing Elementer.D'UAM Technologie iwwerwannt net nëmme vill vun den Aschränkungen, déi aktuell mat der additiv Fabrikatioun vu chemesche Reaktoren verbonne sinn, awer erweidert och d'Fäegkeete vun esou Geräter staark.Eng Zuel vu biologesch wichtegen 1,4-disubstituéierten 1,2,3-Triazolverbindunge goufen erfollegräich synthetiséiert an optimiséiert duerch eng Cu-mediéiert 1,3-dipolare Huisgen Cycloadditiounsreaktioun mat der UAM Chimieanlag.Mat Hëllef vun den eenzegaartegen Eegeschafte vun UAM a kontinuéierlecher Flowveraarbechtung ass den Apparat fäeg lafend Reaktiounen ze katalyséieren an Echtzäit Feedback ze bidden fir Reaktiounen ze iwwerwaachen an ze optimiséieren.
Wéinst senge bedeitende Virdeeler iwwer säi bulk Géigespiller, ass Flowchemie e wichtegt a wuessend Feld a béid akademeschen an industriellen Astellungen wéinst senger Fäegkeet fir d'Selektivitéit an d'Effizienz vun der chemescher Synthese ze erhéijen.Dëst erstreckt sech vun der Bildung vun einfachen organesche Molekülle1 bis pharmazeutesch Verbindungen2,3 an natierlech Produkter4,5,6.Iwwer 50% vun de Reaktiounen an der feinchemescher a pharmazeutescher Industrie kënne vu kontinuéierleche Flux profitéieren7.
An de leschte Jore gouf et e wuessenden Trend vu Gruppen, déi traditionell Glaswaren oder Flowchemieausrüstung duerch adaptéierbar chemesch "Reaktoren" ersetzen8.Den iterativen Design, d'rapid Fabrikatioun, an d'dreidimensional (3D) Fäegkeeten vun dëse Methoden sinn nëtzlech fir déi, déi hir Apparater fir e bestëmmte Set vu Reaktiounen, Apparater oder Konditioune personaliséiere wëllen.Bis haut huet dës Aarbecht bal ausschliesslech op d'Benotzung vu Polymer-baséiert 3D-Drocktechnike konzentréiert wéi Stereolithographie (SL) 9,10,11, Fused Deposition Modeling (FDM) 8,12,13,14 an Inkjet-Dréckerei7,15., 16. De Mangel u Zouverlässegkeet an d'Fäegkeet vun esou Apparater fir eng breet Palette vu chemesche Reaktiounen / Analysen ze maachen17, 18, 19, 20 ass e wesentleche limitéierende Faktor fir déi méi breet Uwendung vun AM an dësem Feld17, 18, 19, 20.
Wéinst der Erhéijung vun der Flowchemie an de favorabele Properties verbonne mat AM, musse besser Techniken exploréiert ginn, déi d'Benotzer erlaben Flowreaktiounsfäegkeeten mat verbesserte Chimie an analytesche Fäegkeeten ze fabrizéieren.Dës Methode sollen d'Benotzer erlaben aus enger Rei vu héichstäerkten oder funktionnelle Materialien ze wielen, déi fäeg sinn ënner enger breet Palette vu Reaktiounsbedéngungen ze bedreiwen, wéi och verschidde Forme vun analyteschen Output vum Apparat erliichteren fir d'Iwwerwaachung a Kontroll vun der Reaktioun z'erméiglechen.
Een additiv Fabrikatiounsprozess dee ka benotzt ginn fir personaliséiert chemesch Reaktoren z'entwéckelen ass Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM).Dës Solid-State Blat Laminéierungsmethod applizéiert Ultraschallvibrationen op dënn Metallfolien fir se Schicht fir Schicht mat minimaler volumetrescher Heizung an engem héije Grad vu Plastiksflëss ze verbannen 21, 22, 23. Am Géigesaz zu de meescht aner AM Technologien kann UAM direkt mat subtraktive Produktioun integréiert ginn, bekannt als Hybrid Fabrikatiounsprozess, an deem periodesch in-situ-Kontroll-Laser-Prozess-Material de Milli-Situ-Laser-Verbindungs- oder Netzverbindungsmaterial bestëmmen. 24, 25. Dëst bedeit datt de Benotzer net limitéiert ass op d'Problemer verbonne mat der Ewechhuele vu reschtleche urspréngleche Baumaterial vu klenge Flëssegkanälen, wat oft an Puder- a Flësssystemer AM26,27,28 de Fall ass.Dës Designfräiheet erstreckt sech och op d'Wiel vun verfügbare Materialien - UAM kann Kombinatioune vun thermesch ähnlechen an ënnerschiddleche Materialien an engem eenzege Prozessschrëtt verbannen.D'Wiel vu Materialkombinatiounen iwwer de Schmelzprozess bedeit datt d'mechanesch a chemesch Ufuerderunge vu spezifesche Applikatioune besser erfëllt kënne ginn.Zousätzlech zu feste Bindung ass en anert Phänomen dat mat Ultraschallbindung geschitt ass déi héich Flëssegkeet vu Plastiksmaterialien bei relativ nidderegen Temperaturen29,30,31,32,33.Dës eenzegaarteg Feature vun UAM erlaabt mechanesch / thermesch Elementer tëscht Metallschichten ouni Schued ze setzen.Embedded UAM Sensoren kënnen d'Liwwerung vun Echtzäitinformatioun vum Apparat un de Benotzer duerch integréiert Analyse erliichteren.
Virdrun Aarbecht vun den Autoren32 huet d'Fäegkeet vum UAM-Prozess bewisen fir metallesch 3D-mikrofluidic Strukturen mat embedded Sensing-Fäegkeeten ze kreéieren.Dësen Apparat ass nëmme fir Iwwerwaachungszwecker.Dësen Artikel stellt dat éischt Beispill vun engem mikrofluidesche chemesche Reaktor hiergestallt vun UAM, en aktiven Apparat deen net nëmmen kontrolléiert, awer och chemesch Synthese mat strukturell integréierte katalytesche Materialien induzéiert.Den Apparat kombinéiert verschidde Virdeeler verbonne mat der UAM Technologie bei der Fabrikatioun vun 3D chemeschen Apparater, wéi: d'Fäegkeet fir e komplette 3D Design direkt vun engem Computer-aided Design (CAD) Modell an e Produkt ze konvertéieren;Multi-Material Fabrikatioun fir eng Kombinatioun vun héijer thermescher Konduktivitéit a katalytesche Materialien, souwéi thermesch Sensoren, déi direkt tëscht de Reaktantstroum agebonne sinn fir präzis Kontroll a Gestioun vun der Reaktiounstemperatur.Fir d'Funktionalitéit vum Reakter ze demonstréieren, gouf eng Bibliothéik vun pharmazeutesch wichtegen 1,4-disubstituéierten 1,2,3-Triazolverbindungen duerch Kupferkatalyséiert 1,3-dipolare Huisgen Cycloaddition synthetiséiert.Dëst Wierk beliicht wéi d'Benotzung vu Materialwëssenschaft a Computer-assistéierten Design nei Méiglechkeeten a Méiglechkeete fir Chimie duerch interdisziplinär Fuerschung opmaache kann.
All Léisungsmëttelen a Reagenzë goufe vu Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI oder Fischer Scientific kaaft an ouni Virausreinung benotzt.1H an 13C NMR Spektrum op 400 an 100 MHz opgeholl, respektiv, goufen op engem JEOL ECS-400 400 MHz Spektrometer oder engem Bruker Avance II 400 MHz Spektrometer mat CDCl3 oder (CD3) 2SO als Léisungsmëttel kritt.All Reaktioune goufen mat der Uniqsis FlowSyn Flow Chemie Plattform gemaach.
UAM gouf benotzt fir all Apparater an dëser Etude ze fabrizéieren.D'Technologie gouf am Joer 1999 erfonnt a seng technesch Detailer, Operatiounsparameter an Entwécklungen zënter senger Erfindung kënne mat de folgende publizéierten Materialien34,35,36,37 studéiert ginn.Den Apparat (Fig. 1) gouf mat engem schwéieren 9 kW SonicLayer 4000® UAM System (Fabrisonic, Ohio, USA) implementéiert.D'Materialien fir de Flux Apparat gewielt goufen Cu-110 an Al 6061. Cu-110 huet eng héich Koffer Inhalt (Minimum 99,9% Koffer), mécht et e gudde Kandidat fir Koffer katalyséiert Reaktioune a gëtt also als "aktiv Layer bannent der microreactor benotzt.Al 6061 O gëtt als "Mass" Material benotzt., wéi och d'Interkalatiounsschicht fir Analyse benotzt;intercalation vun Hilfslegierung Komponente an annealed Staat a Kombinatioun mat Cu-110 Layer.fonnt chemesch stabil mat de reagents an dëser Aarbecht benotzt.Al 6061 O a Kombinatioun mat Cu-110 gëtt och als kompatibel Materialkombinatioun fir UAM ugesinn an ass dofir e gëeegent Material fir dës Studie38,42.Dës Apparater sinn an der Tabell 1 hei ënnen opgezielt.
Reaktorfabrikatiounsschrëtt (1) 6061 Aluminiumlegierungssubstrat (2) Fabrikatioun vum ënneschte Kanal aus Kupferfolie (3) Aféierung vun Thermoelementer tëscht Schichten (4) Ieweschte Kanal (5) Inlet an Outlet (6) Monolithesche Reaktor.
D'Flëssegkeetskanal Designphilosophie ass e kräftege Wee ze benotzen fir d'Distanz ze vergréisseren, déi d'Flëssegkeet am Chip gereest ass, wärend eng handhabbar Chipgréisst behalen.Dës Erhéijung vun der Distanz ass wënschenswäert fir Katalysator-Reaktant-Kontaktzäit ze erhéijen an exzellent Produktausgaben ze bidden.D'Chips benotzen 90 ° Béi um Enn vun engem riichte Wee fir turbulent Mëschung am Apparat44 ze induzéieren an d'Kontaktzäit vun der Flëssegkeet mat der Uewerfläch (Katalysator) ze erhéijen.Fir d'Mëschung weider ze verbesseren, déi erreecht ka ginn, enthält den Design vum Reaktor zwee Reaktant-Inlets kombinéiert an enger Y-Verbindung, ier Dir an d'Mëschspiralsektioun eragitt.Déi drëtt Entrée, déi de Flux hallef duerch seng Residenz duerchkreest, ass am Plang fir zukünfteg Multi-Etapp Synthesereaktiounen abegraff.
All Channels hunn e quadrateschen Profil (keng Kegelwénkel), wat d'Resultat vun der periodesch CNC-Fräsen ass fir d'Kanalgeometrie ze kreéieren.D'Kanaldimensioune gi gewielt fir en héije (fir e Mikroreaktor) volumetresche Rendement ze bidden, awer kleng genuch fir d'Interaktioun mat der Uewerfläch (Katalysatoren) fir déi meescht Flëssegkeeten ze erliichteren déi et enthält.Déi entspriechend Gréisst baséiert op der Vergaangenheet vun den Auteuren mat Metallflëssegkeetsreaktiounsapparater.Déi intern Dimensiounen vum Finale Kanal waren 750 µm x 750 µm an de Gesamtreaktervolumen war 1 ml.En agebaute Stecker (1/4 ″-28 UNF Fuedem) ass am Design abegraff fir einfach Interface vum Apparat mat kommerziellen Flowchemieausrüstung z'erméiglechen.Kanalgréisst ass limitéiert duerch d'Dicke vum Foliematerial, seng mechanesch Eegeschaften an d'Bindungsparameter déi mat Ultraschall benotzt ginn.Bei enger gewësser Breet fir bestëmmt Material wäert d'Material "Sag" an de geschafe Kanal.Et gëtt momentan kee spezifesche Modell fir dës Berechnung, sou datt d'maximal Kanalbreet fir e bestëmmt Material an Design experimentell bestëmmt gëtt, an deem Fall eng Breet vu 750 µm net d'Sag verursaacht.
D'Form (Quadrat) vum Kanal gëtt mat engem Quadratschneider bestëmmt.D'Form an d'Gréisst vun de Kanäl kënnen op CNC-Maschinnen geännert ginn mat verschiddene Schneidinstrumenter fir verschidde Flowraten a Charakteristiken ze kréien.E Beispill fir e kromme Kanal mat engem 125 µm Tool ze kreéieren kann am Monaghan45 fonnt ginn.Wann d'Folieschicht flaach applizéiert gëtt, wäert d'Applikatioun vum Foliematerial op d'Kanäl eng flaach (quadratesch) Uewerfläch hunn.An dësem Wierk gouf eng quadratesch Kontur benotzt fir d'Kanalsymmetrie ze erhaalen.
Wärend enger programméierter Paus an der Produktioun sinn Thermoelement-Temperatursensoren (Typ K) direkt an den Apparat tëscht den ieweschte an den ënneschten Kanalgruppen gebaut (Fig. 1 - Etapp 3).Dës Thermoelementer kënnen d'Temperaturännerunge vun -200 bis 1350 °C kontrolléieren.
De Metalldepositiounsprozess gëtt vum UAM Horn mat Metallfolie 25,4 mm breet an 150 Mikron déck duerchgefouert.Dës Schichten vun der Folie sinn an enger Serie vu Nopeschstreifen verbonne fir de ganze Baufläch ze decken;d'Gréisst vum deposéierte Material ass méi grouss wéi d'Endprodukt well den Subtraktiounsprozess déi lescht propper Form erstellt.CNC-Maschinn gëtt benotzt fir déi extern an intern Konturen vun der Ausrüstung ze bearbeen, wat zu enger Uewerflächefinanzéierung vun der Ausrüstung a Kanäl entsprécht dem ausgewielten Tool an CNC-Prozessparameter (an dësem Beispill ongeféier 1,6 µm Ra).Kontinuéierlech, kontinuéierlech Ultraschallmaterial Spray- a Bearbeitungszyklen ginn am ganzen Fabrikatiounsprozess vum Apparat benotzt fir d'Dimensiounsgenauegkeet ze garantéieren an de fäerdegen Deel entsprécht CNC-Feinfräspräzisiounsniveauen.D'Breet vum Kanal, deen fir dësen Apparat benotzt gëtt, ass kleng genuch fir sécherzestellen datt d'Foliematerial net am Flëssegkanal "sackt", sou datt de Kanal e quadrateschen Querschnitt huet.Méiglech Lücken am Foliematerial an d'Parameter vum UAM-Prozess goufen experimentell vum Fabrikatiounspartner (Fabrisonic LLC, USA) bestëmmt.
Studien hu gewisen datt op der Interface 46, 47 vun der UAM Verbindung et wéineg Diffusioun vun Elementer ouni zousätzlech Wärmebehandlung ass, also fir d'Apparater an dëser Aarbecht bleift d'Cu-110 Schicht anescht wéi d'Al 6061 Schicht a ännert sech dramatesch.
Installéiert e pre-kalibréierten Réckdruckregulator (BPR) bei 250 psi (1724 kPa) downstream vum Reakter a pompelt Waasser duerch de Reakter mat enger Rate vun 0,1 bis 1 ml min-1.De Reakterdrock gouf iwwerwaacht mat dem FlowSyn-Drocktransducer, deen an de System gebaut gouf, fir sécherzestellen datt de System e konstante stännegen Drock behalen konnt.Potenziell Temperaturgradienten am Flowreaktor goufen getest andeems Dir no Differenzen tëscht den Thermoelementer, déi an de Reaktor agebaut sinn, an den Thermoelementer, déi an d'Heizplack vum FlowSyn Chip gebaut goufen, getest goufen.Dëst gëtt erreecht andeems d'programméiert Kachplacktemperatur tëscht 100 an 150 °C an 25 °C Inkremente geännert gëtt an all Differenzen tëscht de programméierten an opgehollen Temperaturen iwwerwaacht.Dëst gouf erreecht mat der tc-08 Datelogger (PicoTech, Cambridge, UK) an déi begleedend PicoLog Software.
D'Konditioune fir d'Cycloadditiounsreaktioun vu Phenylacetylen a Jodoethan sinn optimiséiert (Schema 1-Cycloadditioun vu Phenylacetylen a Jodoethan, Schema 1-Cycloadditioun vu Phenylacetylen a Jodoethan).Dës Optimiséierung gouf mat engem vollen Faktorial Design vun Experimenter (DOE) Approche gemaach, d'Temperatur an d'Residenzzäit als Variablen benotzt, während d'Alkyne:Azid Verhältnis bei 1:2 fixéiert gouf.
Separat Léisunge vu Natriumazid (0,25 M, 4:1 DMF: H2O), Iodethan (0,25 M, DMF) a Phenylacetylen (0,125 M, DMF) goufen virbereet.En 1,5 ml aliquot vun all Léisung gouf gemëscht an duerch de Reakter bei der gewënschter Flowrate an der Temperatur gepompelt.D'Äntwert vum Modell gouf als Verhältnis vum Peakfläche vum Triazolprodukt zum Startmaterial vu Phenylacetylen geholl a gouf mat High-Performance Liquid Chromatography (HPLC) bestëmmt.Fir d'Analysekonsistenz goufen all Reaktiounen direkt geholl nodeems d'Reaktiounsmëschung de Reakter verlooss huet.D'Parameterberäicher, déi fir d'Optimiséierung ausgewielt goufen, ginn an der Tabell 2 gewisen.
All Echantillon goufen analyséiert mat engem Chromaster HPLC System (VWR, PA, USA) besteet aus engem quaternary Pompel, Kolonn Uewen, variabelen Wellelängt UV Detektor an autosampler.D'Kolonn war eng Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA), 4,6 x 100 mm, 5 µm Partikelgréisst, bei 40 ° C gehal.D'Léisungsmëttel war isokratesch Methanol:Waasser 50:50 bei enger Flowrate vun 1,5 ml·min-1.D'Injektiounsvolumen war 5 μl an d'Detektorwellelängt war 254 nm.D'% Biergspëtzten Beräich fir d'DOE Echantillon war aus dem Biergspëtzten Beräicher vun der Reschtoffall Alkyne an triazole Produiten berechent nëmmen.D'Aféierung vum Startmaterial mécht et méiglech déi entspriechend Peaks z'identifizéieren.
D'Kombinatioun vun de Resultater vun der Reaktoranalyse mat der MODDE DOE Software (Umetrics, Malmö, Schweden) erlaabt eng grëndlech Trendanalyse vun de Resultater an Bestëmmung vun den optimalen Reaktiounsbedéngungen fir dës Cycloaddition.Den agebauten Optimizer auszeféieren an all wichteg Modellbegrëffer auswielen erstellt eng Rei vu Reaktiounsbedéngungen entworf fir de Peakberäich vum Produkt ze maximéieren, während d'Peakberäich fir den Acetylen-Fuerderung reduzéiert gëtt.
D'Oxidatioun vun der Kupferfläch an der katalytescher Reaktiounskammer gouf mat enger Waasserstoffperoxid-Léisung (36%) erreecht, déi duerch d'Reaktiounskammer fléisst (Flowrate = 0,4 ml min-1, Residenzzäit = 2,5 min) virun der Synthese vun all Triazolverbindung.Bibliothéik.
Wann d'optimale Set vu Konditioune festgeluegt gouf, goufen se op eng Rei vun Acetylen- a Haloalkan-Derivate applizéiert fir d'Kompilatioun vun enger klenger Synthesebibliothéik z'erméiglechen, an doduerch d'Méiglechkeet fir dës Konditiounen op eng méi breet Palette vu potenziellen Reagenz z'applizéieren (Fig. 1).2).
Bereet separat Léisunge vu Natriumazid (0,25 M, 4:1 DMF: H2O), Haloalkanen (0,25 M, DMF) an Alkynen (0,125 M, DMF).Aliquots vun 3 ml vun all Léisung goufen gemëscht an duerch de Reakter mat enger Rate vu 75 μl / min an enger Temperatur vu 150 ° C gepompelt.De ganze Volumen gouf an enger Fläsch gesammelt a mat 10 ml Ethylacetat verdünnt.D'Probe Léisung gouf mat 3 x 10 ml Waasser gewascht.D'wässerlech Schichten goufen kombinéiert an extrahéiert mat 10 ml Ethylacetat, duerno goufen d'organesch Schichten kombinéiert, mat 3 × 10 ml Salzlake gewascht, iwwer MgSO 4 gedréchent a gefiltert, duerno gouf de Léisungsmëttel a Vakuo geläscht.Echantillon goufen duerch Silikagel Kolonnchromatographie mat Ethylacetat gereinegt virun der Analyse duerch eng Kombinatioun vun HPLC, 1H NMR, 13C NMR an Héichopléisende Massespektrometrie (HR-MS).
All Spektre goufen mat engem Thermofischer Precision Orbitrap Massespektrometer mat ESI als Ioniséierungsquell kritt.All Proben goufen mat Acetonitril als Léisungsmëttel virbereet.
TLC Analyse gouf op Silica Placke mat engem Aluminiumsubstrat duerchgefouert.D'Placke goufen visualiséiert mat UV-Liicht (254 nm) oder Vanillin-Faarwen an Heizung.
All Echantillon goufen analyséiert mat engem VWR Chromaster System (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) equipéiert mat engem Autosampler, eng binär Pompel mat engem Kolonn Uewen an engem eenzege Wellelängt Detektor.Eng ACE Equivalence 5 C18 Kolonn (150 x 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Schottland) gouf benotzt.
Injektiounen (5 μl) goufen direkt aus der verdënnter rauer Reaktiounsmëschung (1:10 Verdünnung) gemaach an analyséiert mat Waasser: Methanol (50:50 oder 70:30), ausser e puer Proben mat engem 70:30 Léisungsmëttelsystem (bezeechent als Stärennummer) bei enger Flowrate vun 1,5 ml / min.D'Kolonn gouf bei 40 ° C gehal.D'Wellelängt vum Detektor ass 254 nm.
D'% Peakfläch vun der Probe gouf berechent aus dem Peakberäich vum Reschtalkyn, nëmmen dem Triazolprodukt, an d'Aféierung vum Startmaterial huet et méiglech gemaach déi entspriechend Peaks z'identifizéieren.
All Echantillon goufen Thermo iCAP 6000 ICP-OES analyséiert.All Kalibrierungsnormen goufen mat enger 1000 ppm Cu Standardléisung an 2% Salpetersäure (SPEX Certi Prep) virbereet.All Standarde goufen an enger Léisung vu 5% DMF an 2% HNO3 virbereet, an all Proben goufen 20 Mol mat enger Probe Léisung vun DMF-HNO3 verdünnt.
UAM benotzt Ultraschall Metallschweißen als Method fir d'Metallfolie ze verbannen, déi benotzt gëtt fir d'Finale Versammlung ze kreéieren.Ultrasonic Metal Schweess benotzt e vibréierend Metal Tool (genannt Horn oder Ultrasonic Horn) fir Drock op d'Folie / virdru konsolidéiert Schicht auszeféieren fir ze verbannen / virdru konsolidéiert andeems d'Material vibréiert.Fir kontinuéierlech Operatioun huet d'Sonotrode eng zylindresch Form a rullt iwwer d'Uewerfläch vum Material, d'ganz Gebitt ze pechen.Wann Drock a Schwéngung applizéiert ginn, kënnen d'Oxiden op der Uewerfläch vum Material knacken.Konstant Drock a Schwéngung kann zu der Zerstéierung vun der Rauheet vum Material 36 féieren.Enke Kontakt mat lokaliséierter Hëtzt an Drock féiert dann zu enger fester Phaseverbindung op de Materialschnëttplazen;et kann och d'Kohäsioun förderen andeems d'Uewerflächenergie verännert48.D'Natur vum Bindungsmechanismus iwwerwannt vill vun de Probleemer verbonne mat der verännerlecher Schmelztemperatur an héijer Temperatureffekter, déi an anere Additiv Fabrikatiounstechnologien ernimmt ginn.Dëst erlaabt eng direkt Verbindung (dh ouni Uewerflächemodifikatioun, Fëller oder Klebstoff) vu verschiddene Schichten vu verschiddene Materialien an eng eenzeg konsolidéiert Struktur.
Den zweete favorabele Faktor fir CAM ass den héije Grad vu Plastiksfloss, deen a metallesche Materialien och bei niddregen Temperaturen observéiert gëtt, also wäit ënner dem Schmelzpunkt vu metallesche Materialien.D'Kombinatioun vun Ultraschallvibrationen an Drock verursaacht en héije Niveau vun der lokaler Getreidegrenzmigratioun a Rekristalliséierung ouni déi bedeitend Temperaturerhéijung, déi traditionell mat Bulkmaterialien ass.Wärend der Schafung vun der Finale Assemblée kann dëst Phänomen benotzt ginn fir aktiv a passiv Komponenten tëscht Schichten vun der Metallfolie, Schicht fir Schicht, z'integréieren.Elementer wéi optesch Faser 49, Verstäerkung 46, Elektronik 50 an Thermoelementer (dës Aarbecht) goufen erfollegräich an UAM Strukturen integréiert fir aktiv a passiv Kompositversammlungen ze kreéieren.
An dëser Aarbecht goufen souwuel verschidde Materialbindungsfäegkeeten wéi och UAM Interkalatiounsfäegkeeten benotzt fir en ideale Mikroreaktor fir katalytesch Temperaturkontroll ze kreéieren.
Am Verglach mat Palladium (Pd) an aner allgemeng benotzt Metallkatalysatoren, huet d'Cu-Katalyse verschidde Virdeeler: (i) wirtschaftlech ass Cu méi bëlleg wéi vill aner Metaller, déi an der Katalyse benotzt ginn an ass dofir eng attraktiv Optioun fir d'chemesch Industrie (ii) d'Gamme vu Cu-katalyséierte Kräizkupplungsreaktiounen erweidert a schéngt e bëssen komplementär ze sinn Cu-515, iii Methodologien. katalyséiert Reaktiounen funktionnéieren gutt an der Verontreiung vun anere Liganden.Dës Liganden sinn dacks strukturell einfach a preiswert.wann gewënschte, Wärend déi an Pd Chimie benotzt sinn oft komplex, deier, a Loft sensibel (iv) Cu, virun allem bekannt fir seng Fähegkeet Alkynes zu Synthes ze Bindung, wéi Sonogashira d'bimetallic katalyséiert Kopplung an cycloaddition mat azides (klickt Chimie) (v) Cu kann och der nuclemannophilation Reaktioun vun e puer Uklo-arylation förderen.
Viru kuerzem sinn Beispiller vun der Heterogeniséierung vun all dëse Reaktiounen an der Präsenz vu Cu (0) bewisen.Dëst ass haaptsächlech wéinst der pharmazeutescher Industrie an dem wuessende Fokus op d'Erhuelung an d'Wiederverwendung vun Metallkatalysatoren55,56.
D'1,3-dipolare Cycloadditiounsreaktioun tëscht Acetylen an Azid op 1,2,3-Triazol, fir d'éischt vum Huisgen an den 1960er57 proposéiert, gëtt als synergistesch Demonstratiounsreaktioun ugesinn.Déi doraus resultéierend 1,2,3 Triazole Fragmenter sinn besonnesch Interessi als pharmacophore zu Drogenofhängeger Entdeckung wéinst hirer biologescher Uwendungen a Gebrauch an verschiddenen therapeutesch Agenten 58.
Dës Reaktioun krut erneit Opmierksamkeet wann Sharpless an anerer d'Konzept vun der "Klickchemie"59 agefouert hunn.De Begrëff "Klickchemie" gëtt benotzt fir e robusten a selektive Set vu Reaktiounen fir déi séier Synthese vun neie Verbindungen a kombinatoresche Bibliothéike mat heteroatomesche Bindung (CXC)60 ze beschreiwen.De syntheteschen Appel vun dëse Reaktiounen ass wéinst den héije Rendementer, déi mat hinnen verbonne sinn.Konditioune sinn einfach, Resistenz zu Sauerstoff a Waasser, a Produit Trennung ass einfach61.
Déi klassesch 1,3-Dipol Huisgen Cycloaddition fällt net an d'Kategorie "Klickchemie".Wéi och ëmmer, Medaille a Sharpless hunn bewisen datt dëst Azid-Alkyn Kopplungsevenement 107-108 an der Präsenz vu Cu (I) erlieft am Verglach zu enger bedeitender Beschleunegung an der Rate vun net-katalytescher 1,3-dipolare Cycloadditioun 62,63.Dëse fortgeschratt Reaktiounsmechanismus erfuerdert keng Schutzgruppen oder haart Reaktiounsbedéngungen a bitt bal komplett Konversioun a Selektivitéit op 1,4-disubstituéiert 1,2,3-Triazolen (Anti-1,2,3-Triazolen) iwwer Zäit (Fig. 3).
Isometresch Resultater vun konventionell a Koffer-katalyséiert Huisgen cycloadditions.Cu (I) -katalyséiert Huisgen Cycloadditions ginn nëmmen 1,4-disubstituéiert 1,2,3-Triazolen, während thermesch induzéiert Huisgen Cycloadditions typesch 1,4- an 1,5-Triazolen eng 1: 1 Mëschung vun Azolstereoisomeren ginn.
Déi meescht Protokoller beinhalt d'Reduktioun vu stabile Quelle vu Cu(II), sou wéi d'Reduktioun vu CuSO4 oder d'Cu(II)/Cu(0) Verbindung a Kombinatioun mat Natriumsalze.Am Verglach mat anere Metallkatalyséierte Reaktiounen huet d'Benotzung vu Cu(I) d'Haaptvirdeeler datt se bëlleg an einfach ze handhaben.
Kinetesch an isotopesch Studien vum Worrell et al.65 hu gewisen datt am Fall vun terminalen Alkynen zwee Äquivalente vu Kupfer involvéiert sinn fir d'Reaktivitéit vun all Molekül mat Bezuch op Azid ze aktivéieren.De proposéierte Mechanismus geet weider duerch e sechs-membered Kupfermetallring geformt duerch d'Koordinatioun vun Azid zu σ-gebonnenen Kupferacetylid mat π-gebonne Kupfer als stabile Spenderligand.Kupfer Triazolyl Derivate ginn geformt als Resultat vu Ringkontraktioun gefollegt vu Proton Zersetzung fir Triazolprodukter ze bilden an de katalytesche Zyklus zou ze maachen.
Wärend d'Virdeeler vu Flowchemie-Geräter gutt dokumentéiert sinn, gouf et e Wonsch analytesch Tools an dëse Systemer fir Echtzäitprozess Iwwerwaachung an der situ66,67 z'integréieren.UAM huet bewisen eng gëeegent Method fir Design an Fabrikatioun ganz komplex 3D Flux Reaktoren aus katalytesch aktiv, thermesch konduktiv Materialien mat direkt embedded Sensing Elementer (Fig. 4).
Aluminium-Kupferflossreaktor hiergestallt duerch Ultraschall-additiv Fabrikatioun (UAM) mat enger komplexer interner Kanalstruktur, agebaute Thermoelementer an enger katalytescher Reaktiounskammer.Fir déi intern Flëssegkeetsweeër ze visualiséieren, gëtt och en transparente Prototyp mat Stereolithographie gewisen.
Fir sécherzestellen datt Reaktoren fir zukünfteg organesch Reaktiounen gemaach ginn, musse Léisungsmëttel sécher iwwer hirem Kachpunkt erhëtzt ginn;si sinn Drock an Temperatur getest.D'Drockprüfung huet gewisen datt de System e stabilen a konstante Drock hält och bei erhöhten Drock am System (1,7 MPa).Hydrostatesch Tester goufen bei Raumtemperatur mat H2O als Flëssegkeet duerchgefouert.
D'Verbindung vum agebaute (Figure 1) Thermoelement mam Temperaturdatenlogger huet gewisen datt d'Thermoelementtemperatur 6 °C (± 1 °C) ënner der programméierter Temperatur am FlowSyn System war.Typesch verduebelt eng Temperaturerhéijung vun 10 °C d'Reaktiounsquote, sou datt en Temperaturdifferenz vu just e puer Grad d'Reaktiounsquote wesentlech änneren kann.Dësen Ënnerscheed ass wéinst dem Temperaturverloscht am ganzen RPV wéinst der héijer thermescher Diffusivitéit vun de Materialien, déi am Fabrikatiounsprozess benotzt ginn.Dësen thermesche Drift ass konstant a kann dofir berücksichtegt ginn wann Dir d'Ausrüstung opstellt fir sécherzestellen datt genau Temperaturen erreecht ginn a während der Reaktioun gemooss ginn.Also erliichtert dëst Online-Iwwerwaachungsinstrument eng strikt Kontroll vun der Reaktiounstemperatur an dréit zur méi präzis Prozessoptiméierung an Entwécklung vun optimale Bedéngungen bäi.Dës Sensoren kënnen och benotzt ginn fir exothermesch Reaktiounen z'entdecken an oflaf Reaktiounen a grousse Systemer ze vermeiden.
De Reaktor presentéiert an dësem Pabeier ass dat éischt Beispill vun der Uwendung vun der UAM Technologie fir d'Fabrikatioun vu chemesche Reaktoren a adresséiert verschidde grouss Aschränkungen déi aktuell mam AM / 3D Dréckerei vun dësen Apparater verbonne sinn, sou wéi: (i) Iwwerwanne vun de bemierkenswäerte Probleemer verbonne mat der Veraarbechtung vu Kupfer oder Aluminiumlegierung (ii) verbessert intern Kanalresolutioun am Verglach mat Pudderbett Schmelzen (PBM25) texture26 (iii) niddereg Veraarbechtung Temperatur, déi direkt Verbindung Sensoren erliichtert, déi net méiglech ass an Pudder Bett Technologie, (v) iwwerwannen déi schlecht mechanesch Eegeschaften an Empfindlechkeet vun polymer-baséiert Komponente fir verschidde gemeinsam organesch Léisungsmëttelen17,19.
D'Funktionalitéit vum Reakter gouf duerch eng Serie vu Kupfer-katalyséierten Alkinazid-Cycloadditionsreaktiounen ënner kontinuéierleche Stroumbedéngungen (Fig. 2) bewisen.Den Ultraschall gedréckte Kupferreaktor an der Fig.4 gouf mat engem kommerziellen Flowsystem integréiert a benotzt fir eng Azidbibliothéik vu verschiddenen 1,4-disubstituéierten 1,2,3-Triazolen ze synthetiséieren mat enger Temperaturkontrolléierter Reaktioun vun Acetylen an Alkylgrupphalogeniden an der Präsenz vu Natriumchlorid (Fig. 3).D'Benotzung vun der kontinuéierlecher Flow Approche reduzéiert d'Sécherheetsprobleemer, déi a Batchprozesser entstinn, well dës Reaktioun héich reaktiv a geféierlech Azid-Zwëscheprodukter produzéiert [317], [318].Am Ufank gouf d'Reaktioun fir d'Cycloadditioun vu Phenylacetylen a Jodoethan optimiséiert (Schema 1 - Cycladditioun vu Phenylacetylen a Jodoethan) (kuckt Fig. 5).
(Uewer lénks) Schema vum Setup benotzt fir en 3DP Reaktor an e Flowsystem (uewen riets) ze integréieren aus dem optimiséierten (ënneschten) Schema vum Huisgen 57 Cycloaddition Schema tëscht Phenylacetylen an Iodethan fir Optimiséierung a weist déi optimiséiert Konversiounsraten Parameter vun der Reaktioun.
Duerch d'Kontroll vun der Residenzzäit vun de Reaktanten an der katalytescher Sektioun vum Reaktor a suergfälteg Iwwerwaachung vun der Reaktiounstemperatur mat engem direkten integréierten Thermoelement-Sensor, kënnen d'Reaktiounsbedéngungen séier a präzis mat engem Minimum vun Zäit a Material optimiséiert ginn.Et gouf séier festgestallt datt déi héchst Konversioun mat enger Residenzzäit vu 15 Minutten an enger Reaktiounstemperatur vun 150 ° C erreecht gouf.Et kann aus dem Koeffizientplot vun der MODDE Software gesi ginn datt souwuel d'Residenzzäit an d'Reaktiounstemperatur als wichteg Bedéngungen vum Modell ugesi ginn.Den agebauten Optimisator auszeféieren mat dëse gewielte Konditiounen erstellt eng Rei vu Reaktiounsbedéngungen entwéckelt fir d'Produktspëtzegebidder ze maximéieren, während d'Ausgangsmaterial Peakberäicher erofgoen.Dës Optimisatioun huet eng 53% Konversioun vum Triazolprodukt geliwwert, wat genau d'Prognose vum Modell vu 54% entsprécht.