Merci fir Äre Besuch op Nature.com. D'Browserversioun, déi Dir benotzt, ënnerstëtzt CSS limitéiert. Fir déi bescht Erfahrung empfeelen mir Iech, en aktualiséierte Browser ze benotzen (oder de Kompatibilitéitsmodus am Internet Explorer auszeschalten). An der Zwëschenzäit, fir weider Ënnerstëtzung ze garantéieren, wäerte mir d'Websäit ouni Stiler a JavaScript uweisen.
Additiv Fabrikatioun ännert d'Aart a Weis, wéi Fuerscher an Industriellen chemesch Apparater entwéckelen an hierstellen, fir hir spezifesch Bedierfnesser gerecht ze ginn. An dëser Aarbecht presentéiere mir dat éischt Beispill vun engem Flowreaktor, deen duerch d'Festkierper-Metallblechlaminéierungstechnik Ultraschall-Additiv Fabrikatioun (UAM) mat direkt integréierte katalyteschen Deeler a Sensorelementer geformt gëtt. D'UAM-Technologie iwwerwënnt net nëmmen vill vun de Limitatiounen, déi aktuell mat der additiver Fabrikatioun vu chemesche Reaktoren verbonne sinn, mee erhéicht och d'Fäegkeete vun esou Apparater däitlech. Eng Serie vu biologesch wichtegen 1,4-disubstituéierten 1,2,3-Triazolverbindunge goufen erfollegräich synthetiséiert an optimiséiert duerch eng Cu-vermittelte Huisgen 1,3-dipolar Cycloadditionsreaktioun mat engem UAM-Chemie-Setup. Duerch d'Notzung vun den eenzegaartegen Eegeschafte vun UAM an der kontinuéierlecher Flowveraarbechtung ass den Apparat fäeg, lafend Reaktiounen ze katalyséieren, während en och Echtzäit-Feedback fir d'Reaktiounsiwwerwaachung an d'Optimiséierung liwwert.
Wéinst senge bedeitende Virdeeler géintiwwer sengem Bulk-Pendant ass d'Flowchemie e wichtegt a wuessend Gebitt souwuel an der akademescher wéi och an der Industrie, well se d'Selektivitéit an d'Effizienz vun der chemescher Synthese erhéije kann. Dëst geet vun der Bildung vun einfache organesche Molekülen1 bis zu pharmazeutesche Verbindungen2,3 an Naturprodukter4,5,6. Méi wéi 50% vun de Reaktiounen an der Feinchemie- a Pharmaindustrie kënne vun der Notzung vun der kontinuéierlecher Flowveraarbechtung7 profitéieren.
An de leschte Jore gëtt et e wuessenden Trend vu Gruppen, déi traditionell Glasgeschir oder Flowchemie-Ausrüstung duerch personaliséierbar additiv Produktiouns- (AM) Chimie-"Reaktiounsbehälter"8 ersetzen wëllen. Den iterativen Design, déi séier Produktioun an déi dräidimensional (3D) Fäegkeeten vun dësen Techniken si virdeelhaft fir déi, déi hir Geräter un e spezifesche Set vu Reaktiounen, Geräter oder Konditioune personaliséiere wëllen. Bis elo huet sech dës Aarbecht bal ausschliisslech op d'Benotzung vu polymerbaséierten 3D-Drécktechniken wéi Stereolithographie (SL)9,10,11, Fused Deposition Modeling (FDM)8,12,13,14 an Tëntendrock7, 15, 16 konzentréiert. De Manktem u Robustheet a Fäegkeet vun esou Geräter fir eng breet Palette vu chemesche Reaktiounen/Analysen17, 18, 19, 20 duerchzeféieren ass e wichtege limitéierende Faktor fir eng méi breet Ëmsetzung vun AM an dësem Beräich17, 18, 19, 20.
Wéinst dem wuessenden Asaz vun der Flusschemie an de gënschtegen Eegeschaften, déi mat AM verbonne sinn, gëtt et e Besoin, méi fortgeschratt Techniken z'entdecken, déi et de Benotzer erméiglechen, Flussreaktiounsbehälter mat verbesserte chemeschen an analytesche Fäegkeeten ze fabrizéieren. Dës Technike sollten et de Benotzer erméiglechen, aus enger Rei vun héich robusten oder funktionelle Materialien ze wielen, déi fäeg sinn, eng breet Palette vu Reaktiounsbedingungen ze handhaben, wärend se gläichzäiteg verschidde Forme vun analytescher Ausgab vum Apparat erliichteren, fir d'Reaktiounsiwwerwaachung an -kontroll ze erméiglechen.
Ee Prozess fir additiv Fabrikatioun, deen de Potenzial huet fir personaliséiert chemesch Reaktoren z'entwéckelen, ass d'Ultraschall-Additiv Fabrikatioun (UAM). Dës Festkierper-Plackenlaminéierungstechnik applizéiert Ultraschall-Schwéngungen op dënn Metallfolien, fir se Schicht fir Schicht mat minimaler Masseheizung an engem héije Grad u plasteschem Floss zesummenzesetzen 21, 22, 23. Am Géigesaz zu de meeschten aneren AM-Technologien kann UAM direkt mat subtraktiver Fabrikatioun integréiert ginn, bekannt als Hybrid-Fabrikatiounsprozess, bei deem in-situ periodesch Computernumeresch Kontroll (CNC) Fräsen oder Laserbearbechtung d'Nettoform vun enger Schicht aus gebonnenem Material definéiert 24, 25. Dëst bedeit, datt de Benotzer net duerch d'Problemer limitéiert ass, déi mat der Entfernung vu Rescht-Rohmaterial aus klenge Flëssegkeetskanäl verbonne sinn, wat dacks de Fall bei Pulver- a Flëssegkeets-AM-Systemer ass 26,27,28. Dës Designfräiheet erstreckt sech och op d'Materialwahlen, déi verfügbar sinn - UAM kann thermesch ähnlech an ënnerschiddlech Materialkombinatiounen an engem eenzege Prozessschratt verbannen. D'Wiel vu Materialkombinatiounen iwwer de Schmelzprozess eraus bedeit, datt déi mechanesch a chemesch Ufuerderunge vu spezifeschen Uwendungen besser erfëllt kënne ginn. Zousätzlech zu der Festkierperbindung gëtt en anert Phänomen begéint... Wärend der Ultraschallbindung ass den héije Floss vu Plastikmaterialien bei relativ niddregen Temperaturen29,30,31,32,33. Dës eenzegaarteg Eegeschaft vun UAM kann d'Abettung vu mechaneschen/thermeschen Elementer tëscht Metallschichten ouni Schued erliichteren. Agebettete UAM-Sensore kënnen d'Liwwerung vun Echtzäitinformatioun vum Apparat un de Benotzer duerch integréiert Analytik erliichteren.
Déi fréier Aarbecht vun den Autoren32 huet d'Fäegkeet vum UAM-Prozess demonstréiert, metallesch 3D-Mikrofluidstrukturen mat integréierte Sensorfäegkeeten ze kreéieren. Dëst ass en Apparat, deen nëmme fir Iwwerwaachung geduecht ass. Dësen Artikel presentéiert dat éischt Beispill vun engem mikrofluidesche chemesche Reaktor, dee vun UAM hiergestallt gouf; en aktiven Apparat, deen net nëmmen d'chemesch Synthese iwwerwaacht, mä och duerch strukturell integréiert Katalysatormaterialien induzéiert. Den Apparat kombinéiert verschidde Virdeeler, déi mat der UAM-Technologie an der Fabrikatioun vu 3D-Chemeschen Apparater verbonne sinn, wéi zum Beispill: d'Fäegkeet, komplett 3D-Designen direkt aus Computer-Aided Design (CAD) Modeller a Produkter ëmzewandelen; Multimaterialfabrikatioun fir héich thermesch Konduktivitéit a katalytesch Materialien ze kombinéieren; an d'Abannen vun thermesche Sensoren direkt tëscht Reagenzstréim fir präzis Iwwerwaachung a Kontroll vun der Reaktiounstemperatur. Fir d'Funktionalitéit vum Reaktor ze demonstréieren, gouf eng Bibliothéik vu pharmazeutesch wichtegen 1,4-disubstituéierten 1,2,3-Triazolverbindungen duerch kupferkatalyséiert Huisgen 1,3-dipolar Cycloaddition synthetiséiert. Dës Aarbecht beliicht, wéi d'Benotzung vu Materialwëssenschaft a Computer-Aided Design nei Méiglechkeeten a Méiglechkeeten fir d'Chemie duerch multidisziplinär Fuerschung opmaache kann.
All Léisungsmëttel a Reagenzien goufe vu Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI oder Fischer Scientific kaaft a goufen ouni viraus Reinigung benotzt. 1H- an 13C-NMR-Spektre, déi bei 400 MHz respektiv 100 MHz opgeholl goufen, goufen mat engem JEOL ECS-400 400 MHz Spektrometer oder engem Bruker Avance II 400 MHz Spektrometer a CDCl3 oder (CD3)2SO als Léisungsmëttel opgeholl. All Reaktioune goufen mat der Uniqsis FlowSyn Flowchemieplattform duerchgefouert.
UAM gouf benotzt fir all Apparater an dëser Studie ze fabrizéieren. D'Technologie gouf 1999 erfonnt, an hir technesch Detailer, Betribsparameter an Entwécklungen zënter hirer Erfindung kënnen duerch déi folgend publizéiert Materialien studéiert ginn34,35,36,37. Den Apparat (Figur 1) gouf mat engem ultra-héichleeschtenden, 9kW SonicLayer 4000® UAM System (Fabrisonic, OH, USA) implementéiert. D'Materialien, déi fir d'Fabrikatioun vum Flow-Apparat gewielt goufen, ware Cu-110 an Al 6061. Cu-110 huet en héije Koffergehalt (minimum 99,9% Koffer), wat et zu engem gudde Kandidat fir kupferkatalyséiert Reaktiounen mécht, an dofir gëtt et als "aktiv Schicht an engem Mikroreaktor" benotzt. Al 6061O gëtt als "Bulk"-Material benotzt, och Embedding-Schicht, déi fir d'Analyse benotzt gëtt; Legierungs-Hëllefskomponenten-Abettung an geglühten Zoustand kombinéiert mat Cu-110 Schicht. Al 6061O ass e Material, dat sech als héich kompatibel mat UAM-Prozesser bewisen huet38, 39, 40, 41 a gouf getest a chemesch stabil mat de Reagenzien, déi an dëser Aarbecht benotzt goufen, fonnt. D'Kombinatioun vun Al 6061 O mat Cu-110 gëllt och als kompatibel Materialkombinatioun fir UAM an ass dofir e passend Material fir dës Studie. 38,42 Dës Apparater sinn an der Tabell 1 hei ënnendrënner opgezielt.
Reaktorfabrikatiounsstufen (1) Al 6061 Substrat (2) Fabrikatioun vum ënneschte Kanal, deen op Kupferfolie befestegt ass (3) Integratioun vun Thermoelementer tëscht de Schichten (4) Ieweschte Kanal (5) Entrée an Ausgang (6) Monolithesche Reaktor.
D'Designphilosophie vum Flëssegkeetswee besteet doran, e gewéckelte Wee ze benotzen, fir d'Distanz ze erhéijen, déi d'Flëssegkeet am Chip zréckleet, wärend de Chip op enger handhabbarer Gréisst bleift. Dës Erhéijung vun der Distanz ass wënschenswäert, fir d'Interaktiounszäit tëscht Katalysator a Reagens ze erhéijen an exzellent Produktausbezuelungen ze liwweren. D'Chips benotzen 90°-Béi un den Enden vum riichte Wee, fir turbulent Mëschung am Apparat44 ze induzéieren an d'Kontaktzäit vun der Flëssegkeet mat der Uewerfläch (Katalysator) ze erhéijen. Fir d'Mëschung, déi erreecht ka ginn, weider ze erhéijen, huet den Design vum Reaktor zwou Reagenz-A-Luuchten, déi um Y-Verbindung kombinéiert sinn, ier se an d'Serpentinen-Mëschsektioun kommen. Den drëtten Agank, deen de Stroum op der Hallschent vu sengem Openthalt kräizt, ass am Design vu zukünftege Méistuf-Reaktiounssynthesen abegraff.
All Kanäl hunn e quadratescht Profil (keng Zuchwénkel), d'Resultat vum periodesche CNC-Fräsen, dat benotzt gëtt fir d'Kanalgeometrie ze kreéieren. D'Kanaldimensioune gi gewielt fir eng héich (fir e Mikroreaktor) Volumenausgab ze garantéieren, wärend se kleng genuch sinn fir Uewerflächeninteraktiounen (Katalysatoren) fir déi meescht vun den enthale Flëssegkeeten ze erliichteren. Déi passend Gréisst baséiert op der fréierer Erfahrung vun den Autoren mat Metall-Fluidik-Apparater fir d'Reaktioun. Déi intern Dimensioune vum leschte Kanal waren 750 µm x 750 µm an de Gesamtreaktorvolumen war 1 ml. En integréierte Stecker (1/4″—28 UNF Gewënn) ass am Design abegraff fir eng einfach Interface vum Apparat mat kommerziellen Flowchemie-Ausrüstung ze erméiglechen. D'Kanalgréisst ass limitéiert duerch d'Déckt vum Foliematerial, seng mechanesch Eegeschaften an d'Bindungsparameteren, déi mat Ultraschall benotzt ginn. Bei enger spezifescher Breet fir e bestëmmt Material wäert d'Material an de kreéierte Kanal "sägen". Et gëtt de Moment kee spezifescht Modell fir dës Berechnung, sou datt déi maximal Kanalbreet fir e bestëmmt Material an Design experimentell bestëmmt gëtt; An dësem Fall wäert eng Breet vu 750 μm kee Sagging verursaachen.
D'Form (Quadrat) vum Kanal gëtt mat engem Quadratschneider bestëmmt. D'Form a Gréisst vun de Kanäl kënne mat CNC-Maschinnen mat verschiddene Schneidinstrumenter geännert ginn, fir verschidden Duerchflussraten an Eegeschaften ze kréien. E Beispill fir e gekrëmmte Kanal mat dem 125 μm-Tool ze kreéieren, fënnt een an der Aarbecht vu Monaghan45. Wann d'Folieschicht planar ofgesat gëtt, huet d'Iwwerlagerung vu Foliematerial iwwer de Kanäl eng flaach (quadratesch) Uewerfläch. An dëser Aarbecht gouf e quadratesche Kontur benotzt, fir d'Symmetrie vum Kanal ze erhalen.
Wärend enger virprogramméierter Paus an der Produktioun sinn Thermoelement-Temperatursonden (Typ K) direkt am Apparat tëscht der ieweschter an der ënneschter Kanalgrupp agebett (Figur 1 - Etapp 3). Dës Thermoelementer kënnen Temperaturännerungen vun −200 bis 1350 °C iwwerwaachen.
De Metalloflagerungsprozess gëtt vun engem UAM-Horn mat enger 25,4 mm breeder a 150 Mikron décker Metallfolie duerchgefouert. Dës Folieschichten sinn zu enger Serie vun ugrenzende Sträifen verbonnen, fir déi ganz Baufläch ze bedecken; d'Gréisst vum ofgesate Material ass méi grouss wéi dat fäerdegt Produkt, well de subtraktive Prozess déi endgülteg Netzform produzéiert. CNC-Bearbechtung gëtt benotzt fir déi extern an intern Konturen vun der Ausrüstung ze bearbechten, wat zu enger Uewerflächenfinish vun der Ausrüstung a Kanäl féiert, déi dem gewielten Tool an den CNC-Prozessparameter gläich ass (ongeféier 1,6 μm Ra an dësem Beispill). Kontinuéierlech, kontinuéierlech Ultraschallmaterialoflagerungs- a Bearbechtungszyklen ginn am ganze Produktiounsprozess vum Apparat benotzt, fir sécherzestellen, datt d'Dimensiounsgenauegkeet erhale bleift an den fäerdegen Deel d'Genauegkeetsniveauen vum CNC-Fräsen erfëllt. D'Kanalbreet, déi fir dësen Apparat benotzt gëtt, ass kleng genuch, fir sécherzestellen, datt d'Foliematerial net an de Flëssegkeetskanal "séi" geet, sou datt de Kanal e quadratesche Querschnitt behält. Méiglech Lücken am Foliematerial an d'UAM-Prozessparameter goufen experimentell vun engem Produktiounspartner (Fabrisonic LLC, USA) bestëmmt.
Studien hunn gewisen, datt wéineg elementar Diffusioun op der UAM-Bindungsgrenzfläche 46, 47 ouni zousätzlech thermesch Behandlung stattfënnt, sou datt fir d'Apparater an dëser Aarbecht d'Cu-110-Schicht sech vun der Al 6061-Schicht ënnerscheet a sech abrupt ännert.
Installéiert e virkalibréierte Réckdrockregler (BPR) vun 250 psi (1724 kPa) um Auslaaf vum Reaktor a pompelt Waasser mat enger Geschwindegkeet vun 0,1 bis 1 ml min-1 duerch de Reaktor. Den Drock vum Reaktor gouf mat dem agebaute Systemdrocksensor vum FlowSyn iwwerwaacht, fir ze kontrolléieren, ob de System e konstante stabile Drock behale konnt. Potenziell Temperaturgradienten iwwer de Flowreaktor goufen getest, andeems all Ënnerscheeder tëscht den Thermoelementer, déi am Reaktor agebett sinn, an deenen, déi an der FlowSyn-Chipheizplack agebett sinn, identifizéiert goufen. Dëst gëtt erreecht andeems d'programméierbar Heizplacktemperatur tëscht 100 an 150 °C a Schrëtt vun 25 °C variéiert gëtt an all Ënnerscheeder tëscht de programméierten an opgehollen Temperaturen notéiert ginn. Dëst gouf mat engem tc-08 Datenlogger (PicoTech, Cambridge, UK) an der begleedender PicoLog Software erreecht.
D'Zykloadditiounsreaktiounsbedingunge vu Phenylacetylen an Iodoethan goufen optimiséiert (Schema 1 - Cycloadditioun vu Phenylacetylen an Iodoethan). Dës Optimiséierung gouf mat engem komplette Faktorialdesign vun den Experimenter (DOE) duerchgefouert, woubei Temperatur an Openthaltszäit als variabel Parameter benotzt goufen, während d'Alkyn:Azid-Verhältnis op 1:2 fixéiert gouf.
Separat Léisunge vun Natriumazid (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), Jodoethan (0,25 M, DMF) a Phenylacetylen (0,125 M, DMF) goufen preparéiert. En 1,5 ml Aliquot vun all Léisung gouf gemëscht a mat der gewënschter Duerchflussquote an Temperatur duerch de Reaktor gepompelt. D'Modelläntwort gouf als d'Spëtzeflächeverhältnis vum Triazolprodukt zum Phenylacetylen-Ausgangsmaterial geholl an duerch Héichleistungsflëssegkeetschromatographie (HPLC) bestëmmt. Fir d'Konsistenz vun der Analyse goufen all Reaktiounen direkt nodeems d'Reaktiounsmëschung de Reaktor verlooss huet, getest. D'Parameterberäicher, déi fir d'Optimiséierung ausgewielt goufen, sinn an der Tabell 2 gewisen.
All Prouwe goufen mat engem Chromaster HPLC-System (VWR, PA, USA) analyséiert, dat aus enger quaternärer Pompel, engem Kolonnenuewen, engem UV-Detektor mat variabler Wellelängt an engem Autosampler besteet. D'Kolonn war eng Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA), 4,6 × 100 mm grouss, 5 µm Partikelgréisst, déi bei 40 °C gehale gouf. De Léisungsmëttel war isokratesch 50:50 Methanol:Waasser mat enger Duerchflussquote vun 1,5 mL.min-1. Den Injektiounsvolumen war 5 µL an d'Detektorwellelängt war 254 nm. D'%-Peakfläch fir d'DOE-Prouf gouf nëmmen aus de Peakflächen vun de Reschtalkyn- a Triazolprodukter berechent. D'Injektioun vum Ausgangsmaterial erlaabt d'Identifikatioun vu relevante Peaks.
D'Kopplung vun der Reaktoranalyseausgab mat der MODDE DOE Software (Umetrics, Malmö, Schweden) huet eng grëndlech Analyse vun den Resultatstrends an d'Bestimmung vun optimale Reaktiounsbedingunge fir dës Zykloadditioun erméiglecht. D'Ausféierung vum agebauten Optimisator an d'Auswiel vun alle wichtege Modelltermer ergëtt eng Rei vu Reaktiounsbedingunge, déi entwéckelt goufen, fir d'Produktpeakaffläch ze maximéieren an d'Peakaffläch fir den Acetylen-Ausgangsmaterial ze reduzéieren.
D'Oxidatioun vu Koffer op der Uewerfläch an der katalytescher Reaktiounskammer gouf mat enger Léisung vu Waasserstoffperoxid (36%) erreecht, déi duerch d'Reaktiounskammer gefloss ass (Duerchflussquote = 0,4 mL min-1, Verbleibszäit = 2,5 min), virun der Synthese vun all Triazolverbindungsbibliothéik.
Soubal eng optimal Rei vu Konditioune identifizéiert gouf, goufen dës op eng Rei vun Acetylen- an Haloalkan-Derivater ugewannt, fir d'Kompilatioun vun enger klenger Bibliothéikssynthese z'erméiglechen, wouduerch d'Méiglechkeet etabléiert gouf, dës Konditioune op eng méi breet Palette vu potenziellen Reagenzien unzewenden (Figur 1).2).
Bereet separat Léisunge vun Natriumazid (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), Haloalkanen (0,25 M, DMF) an Alkynen (0,125 M, DMF) vir. 3 ml Aliquote vun all Léisung goufen gemëscht a mat 75 µL.min-1 an 150 °C duerch de Reaktor gepompelt. De Gesamtvolumen gouf an e Fläschchen gesammelt a mat 10 ml Ethylacetat verdënnt. D'Proufléisung gouf mat 3 × 10 ml Waasser gewäsch. Déi wässereg Schichten goufen zesummegefaasst an mat 10 ml Ethylacetat extrahéiert; déi organesch Schichten goufen dann zesummegefaasst, mat 3 x 10 ml Salzlake gewäsch, iwwer MgSO4 gedréchent a gefiltert, duerno gouf de Léisungsmëttel am Vakuum ewechgeholl. D'Prouwe goufen duerch Kolonnenchromatographie op Kieselgel mat Ethylacetat gereinegt, ier se mat enger Kombinatioun vun HPLC, 1H NMR, 13C NMR an Héichopléisungsmassespektrometrie (HR-MS) analyséiert goufen.
All Spektre goufen mat engem Thermofischer Präzisiouns-Orbitrap-Opléisungsmassenspektrometer mat ESI als Ioniséierungsquell opgeholl. All Prouwe goufen mat Acetonitril als Léisungsmëttel virbereet.
D'TLC-Analyse gouf op Siliziumdioxid-Placke mat Aluminiumträger duerchgefouert. D'Placke goufen duerch UV-Liicht (254 nm) oder Vanillin-Fierwung an Erhëtzung visualiséiert.
All Prouwe goufen mat engem VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) System analyséiert, deen mat engem Autosampler, enger binärer Pompel am Kolonnenuewen an engem Eenzelwellenlängendetektor ausgestatt ass. D'Kolonn, déi benotzt gouf, war eng ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Schottland).
Injektiounen (5 µL) goufen direkt aus verdënntem Réi-Reaktiounsmëschung (Verdënnung 1:10) gemaach an mat Waasser:Methanol (50:50 oder 70:30) analyséiert, ausser fir e puer Proben, déi de 70:30 Léisungsmëttelsystem (bezeechent als Stärzuel) mat enger Duerchflussquote vun 1,5 mL/min benotzt hunn. D'Kolonn gouf bei 40 °C gehalen. D'Detektorwellelängt ass 254 nm.
D'%-Peakfläch vun der Prouf gouf aus der Peakfläch vum Reschtalkyn, nëmmen dem Triazolprodukt, berechent, an d'Injektioun vum Ausgangsmaterial huet d'Identifikatioun vun de relevante Peaks erlaabt.
All Prouwe goufen mat engem Thermo iCAP 6000 ICP-OES analyséiert. All Kalibratiounsstandarde goufen mat enger 1000 ppm Cu-Standardléisung an 2% Salpetersäure (SPEX Certi Prep) virbereet. All Standarde goufen an enger 5% DMF- an 2% HNO3-Léisung virbereet, an all Prouwe goufen 20-fach an der DMF-HNO3-Léisung verdënnt.
UAM benotzt Ultraschall-Metallschweißen als Bindungstechnik fir d'Metallfoliematerial, dat benotzt gëtt fir déi endgülteg Montage ze bauen. Ultraschall-Metallschweißen benotzt en vibréierend Metallinstrument (genannt Horn oder Ultraschallhorn) fir Drock op d'Folieschicht/virdru konsolidéiert Schicht auszeüben, déi gebonne soll ginn, während d'Material vibréiert gëtt. Fir kontinuéierleche Betrib ass d'Sonotrode zylindresch a rullt iwwer d'Uewerfläch vum Material a verbënnt déi ganz Fläch. Wann Drock a Vibratioun ugewannt ginn, kënnen d'Oxiden op der Uewerfläch vum Material räissen. Weideren Drock a Vibratioun kënnen dozou féieren, datt d'Asperitéite vum Material zesummebriechen 36. Intimen Kontakt mat lokal induzéierter Hëtzt an Drock féiert dann zu Festkierperbindung op Materialgrenzflächen; et kann och d'Adhäsioun duerch Ännerungen an der Uewerflächenenergie ënnerstëtzen 48. D'Natur vum Bindungsmechanismus iwwerwënnt vill vun de Problemer, déi mat der variabler Schmelztemperatur an den héijen Temperaturen-Niewewierkungen verbonne sinn, déi an aneren additive Fabrikatiounstechniken ernimmt ginn. Dëst erlaabt eng direkt Bindung (dh ouni Uewerflächenmodifikatioun, Fëllstoffer oder Klebstoffer) vu verschiddene Schichten aus verschiddene Materialien an eng eenzeg konsolidéiert Struktur.
En zweete favorabele Faktor fir UAM ass den héije Grad u plastischer Flëssegkeet, déi a metallesche Materialien observéiert gëtt, och bei niddregen Temperaturen, also wäit ënner dem Schmelzpunkt vu metallesche Materialien. D'Kombinatioun vun Ultraschalloszillatioun an Drock induzéiert héich Niveauen u lokaler Kärengrenzmigratioun a Rekristallisatioun ouni déi grouss Temperaturerhéijung, déi traditionell mat Schëttmaterialien assoziéiert ass. Wärend der Konstruktioun vun der Endbaugrupp kann dëst Phänomen ausgenotzt ginn, fir aktiv a passiv Komponenten tëscht Schichten aus Metallfolie, Schicht fir Schicht, anzebannen. Elementer wéi optesch Faseren 49, Verstäerkungen 46, Elektronik 50 an Thermoelementer (dës Aarbecht) goufen all erfollegräich an UAM-Strukturen agebett, fir aktiv a passiv Kompositbaugruppen ze kreéieren.
An dëser Aarbecht goufen souwuel déi verschidde Materialbindungs- wéi och Interkalatiounsméiglechkeeten vum UAM benotzt fir de ultimativen katalyteschen Temperaturiwwerwaachungs-Mikroreaktor ze kreéieren.
Am Verglach mat Palladium (Pd) an anere gängeg benotzte Metallkatalysatoren huet d'Cu-Katalyse verschidde Virdeeler: (i) Wirtschaftlech ass Cu manner deier wéi vill aner Metaller, déi an der Katalyse benotzt ginn, an ass dofir eng attraktiv Optioun fir d'chemesch Veraarbechtungsindustrie (ii) D'Palette vu Cu-katalyséierte Kräizkopplungsreaktiounen hëlt zou a schéngt e bëssen ergänzend zu Pd-baséierte Methoden ze sinn51,52,53 (iii) Cu-katalyséiert Reaktioune funktionéieren gutt ouni aner Liganden. Dës Liganden si meeschtens strukturell einfach a wann néideg bëlleg, während déi, déi an der Pd-Chemie benotzt ginn, dacks komplex, deier a loftempfindlech sinn. (iv) Cu, besonnesch bekannt fir seng Fäegkeet, Alkynen an der Synthese ze bannen. Zum Beispill, bimetallkatalyséiert Sonogashira-Kopplung a Cycloaddition mat Aziden (Click Chemistry). (v) Cu ass och fäeg, d'Aryléierung vu verschiddene Nukleophilen an Ullmann-Typ Reaktiounen ze förderen.
Beispiller vun der Heterogeniséierung vun all dëse Reaktiounen goufen viru kuerzem a Präsenz vu Cu(0) demonstréiert. Dëst ass haaptsächlech op d'Pharmaindustrie an de wuessende Fokus op d'Wiedergewinnung a Wiederverwendung vu Metallkatalysatoren zeréckzeféieren55,56.
Déi 1,3-dipolar Cycloadditionsreaktioun tëscht Acetylen an Azid zu 1,2,3-Triazol, déi vun Huisgen an den 1960er Joren57 entwéckelt gouf, gëllt als synergistesch Demonstratiounsreaktioun. Déi resultéierend 1,2,3-Triazol-Eenheete si besonnesch interessant als Pharmakophor am Beräich vun der Medikamentenentdeckung wéinst hire biologeschen Uwendungen an hirem Gebrauch a verschiddenen therapeuteschen Agenten58.
Dës Reaktioun koum erëm an de Fokus, wéi de Sharpless an anerer de Konzept vun der "Click Chemistry"59 agefouert hunn. Den Term "Click Chemistry" gëtt benotzt fir e robuste, zouverléissegen a selektive Set vu Reaktiounen fir déi séier Synthese vun neie Verbindungen a kombinatoresche Bibliothéiken iwwer Heteroatombindung (CXC)60 ze beschreiwen. Den syntheteschen Attraktivitéit vun dëse Reaktiounen staamt vun hiren assoziéierten héijen Ausbeuten, de Reaktiounsbedingungen si einfach, der Sauerstoff- a Waasserbeständegkeet, an der Produkttrennung si einfach61.
Déi klassesch Huisgen 1,3-Dipol-Cycloadditioun gehéiert net zu der Kategorie vun der "Klickchemie". Medal a Sharpless hunn awer demonstréiert, datt dëst Azid-Alkyn-Kopplungsprozess a Präsenz vu Cu(I) eng bedeitend Beschleunigung vun 107 bis 108 erlieft, am Verglach mat der onkatalyséierter 1,3-dipolarer Cycloadditioun 62,63. Dëse verbesserte Reaktiounsmechanismus erfuerdert keng Schutzgruppen oder haart Reaktiounsbedingungen a féiert zu enger bal kompletter Konversioun a Selektivitéit zu 1,4-disubstituéierten 1,2,3-Triazolen (Anti-1,2,3-Triazol) op enger Zäitskala (Figur 3).
Isometresch Resultater vu konventionellen an kupferkatalyséierten Huisgen-Zykloadditionen. Cu(I)-katalyséiert Huisgen-Zykloadditionen ergëtt nëmmen 1,4-disubstituéiert 1,2,3-Triazolen, während thermesch induzéiert Huisgen-Zykloadditionen typescherweis eng 1:1 Mëschung aus Stereoisomeren vun Azolen mat 1,4- an 1,5-Triazolen ergëtt.
Déi meescht Protokoller involvéieren d'Reduktioun vu stabile Cu(II)-Quellen, wéi zum Beispill d'Reduktioun vu CuSO4 oder der Kokombinatioun vu Cu(II)/Cu(0)-Spezies mat Natriumsalzer. Am Verglach mat anere metallkatalyséierte Reaktiounen huet d'Benotzung vu Cu(I) déi grouss Virdeeler, datt se bëlleg an einfach ze handhaben ass.
Kinetesch an isotopesch Markéierungsstudien vum Worrell et al. 65 hunn gewisen, datt am Fall vun terminalen Alkynen zwou Äquivalente Kupfer un der Aktivéierung vun der Reaktivitéit vun all Molekül géintiwwer Azid bedeelegt sinn. De proposéierte Mechanismus verleeft duerch e sechsleitege Kupfermetallring, deen duerch d'Koordinatioun vun Azid zu σ-gebonnenem Kupferacetylid mat π-gebonnenem Kupfer als stabile Donorligand geformt gëtt. Triazolyl-Kupferderivater ginn duerch Ringschrumpfung geformt, gefollegt vun der Protonenzersetzung fir Triazolprodukter ze liwweren an de katalytesche Zyklus ofzeschléissen.
Obwuel d'Virdeeler vun de Stroumchemie-Apparater gutt dokumentéiert sinn, gëtt et e Wonsch, analytesch Tools an dës Systemer fir In-Line-, In-situ-Prozess-Iwwerwaachung z'integréieren66,67. UAM huet sech als eng gëeegent Method fir den Design an d'Produktioun vun héichkomplexen 3D-Stroumreaktoren aus katalytisch aktiven, thermesch leedenden Materialien mat direkt agebettene Sensorelementer erwisen (Figur 4).
Aluminium-Koffer-Stroumreaktor, deen duerch Ultraschall-Additivfabrikatioun (UAM) mat komplexer interner Kanalstruktur, agebaute Thermoelementer an enger katalytescher Reaktiounskammer hiergestallt gouf. Fir intern Flëssegkeetsweeër ze visualiséieren, gëtt och e transparenten Prototyp gewisen, deen mat Stereolithographie hiergestallt gouf.
Fir sécherzestellen, datt d'Reaktoren fir zukünfteg organesch Reaktiounen hiergestallt ginn, mussen d'Léisungsmëttel sécher iwwer dem Kachpunkt erhëtzt ginn; si ginn ënner Drock an Temperatur getest. Den Drocktest huet gewisen, datt de System e stabile a konstante Drock och mat engem erhéichte Systemdrock (1,7 MPa) behält. Den hydrostateschen Test gouf bei Raumtemperatur mat H2O als Flëssegkeet duerchgefouert.
D'Verbindung vum agebauten (Figur 1) Thermoelement mam Temperaturdatenlogger huet gewisen, datt den Thermoelement 6 °C (± 1 °C) méi kal war wéi déi programméiert Temperatur um FlowSyn System. Typesch féiert eng Temperaturerhéijung vun 10 °C zu enger Verdueblung vun der Reaktiounsgeschwindegkeet, sou datt en Temperaturënnerscheed vun nëmmen e puer Grad d'Reaktiounsgeschwindegkeet däitlech verännere kann. Dësen Ënnerscheed ass op den Temperaturverloscht am ganze Reaktorkierper zeréckzeféieren, deen duerch déi héich thermesch Diffusivitéit vun de Materialien, déi am Fabrikatiounsprozess benotzt ginn, verursaacht gëtt. Dës thermesch Drift ass konsequent a kann dofir am Setup vun der Ausrüstung berécksiichtegt ginn, fir sécherzestellen, datt genee Temperaturen während der Reaktioun erreecht a gemooss ginn. Dofir erliichtert dëst Online-Iwwerwaachungsinstrument eng strikt Kontroll vun der Reaktiounstemperatur a méi genee Prozessoptimiséierung an d'Entwécklung vun optimale Konditiounen. Dës Sensore kënnen och benotzt ginn, fir Reaktiounsexothermen z'identifizéieren a Runaway-Reaktiounen a grousse Systemer ze verhënneren.
De Reaktor, deen an dëser Aarbecht presentéiert gëtt, ass dat éischt Beispill vun der Uwendung vun der UAM-Technologie fir d'Fabrikatioun vu chemesche Reaktoren an adresséiert verschidde grouss Aschränkungen, déi de Moment mam AM/3D-Drock vun dësen Apparater verbonne sinn, wéi zum Beispill: (i) d'Iwwerwanne vun de gemellten Problemer am Zesummenhang mat der Veraarbechtung vu Koffer- oder Aluminiumlegierungen (ii) eng verbessert intern Kanaloppléisung am Verglach mat Pulverbettfusiounstechniken (PBF) wéi selektiv Laserschmelzung (SLM)25,69 Schlechten Materialfluss a rauh Uewerflächentextur26 (iii) Reduzéiert Veraarbechtungstemperatur, déi d'direkt Bindung vu Sensoren erliichtert, wat an der Pulverbetttechnologie net méiglech ass, (v) d'Iwwerwanne vun de schlechte mechaneschen Eegeschaften a Sensibilitéit vu polymerbaséierte Komponenten op eng Vielfalt vun üblechen organesche Léisungsmëttel17,19.
D'Funktionalitéit vum Reaktor gouf duerch eng Serie vu kupferkatalyséierten Alkynazid-Cycloadditiounsreaktiounen ënner kontinuéierleche Flossbedingungen demonstréiert (Fig. 2). De Ultraschall-gedréckte Kupferreaktor, deen an der Figur 4 detailléiert ass, gouf mat engem kommerziellen Flosssystem integréiert a benotzt fir Bibliothéiksaziden vu verschiddenen 1,4-disubstituéierten 1,2,3-Triazolen iwwer d'temperaturkontrolléiert Reaktioun vun Acetylen- an Alkylgruppenhalogeniden a Präsenz vun Natriumchlorid ze synthetiséieren (Figur 3). D'Benotzung vun engem kontinuéierleche Flossusaz reduzéiert d'Sécherheetsbedenken, déi a Batchprozesser entstoe kënnen, well dës Reaktioun héichreaktiv an geféierlech Azid-Zwëschenprodukter produzéiert [317], [318]. Ufanks gouf d'Reaktioun fir d'Cycloadditioun vu Phenylacetylen an Iodoethan optimiséiert (Schema 1 - Cycloadditioun vu Phenylacetylen an Iodoethan) (kuckt Figur 5).
(Uewe lénks) Schema vum Setup, deen benotzt gouf fir den 3DP-Reaktor an de Flowsystem (uewe riets) z'integréieren, deen am optiméierten (ënnen) Schema vum Huisgen Cycloaddition 57 Schema tëscht Phenylacetylen an Iodethan fir d'Optimiséierung kritt gouf, a weist déi optiméiert Parameter vun der Reaktiounskonversiounsquote.
Duerch d'Kontroll vun der Verbleiwzäit vun de Reagenzien am katalyteschen Deel vum Reaktor an d'Genauegkeet vun der Reaktiounstemperatur mat enger direkt integréierter Thermoelementsonde kënnen d'Reaktiounsbedéngungen séier an präzis mat minimalem Zäit- a Materialverbrauch optimiséiert ginn. Et gouf séier festgestallt, datt déi héchst Konversiounen erreecht goufen, wann eng Verbleiwzäit vun 15 Minutten an eng Reaktiounstemperatur vun 150 °C benotzt goufen. Aus dem Koeffizientdiagramm vun der MODDE Software kann een erkennen, datt souwuel d'Verbleiwzäit wéi och d'Reaktiounstemperatur als wichteg Modelltermer ugesi ginn. D'Ausféierung vum agebauten Optimisator mat dësen ausgewielten Termer generéiert eng Rei vu Reaktiounsbedéngungen, déi entwéckelt goufen, fir d'Produktpeakenflächen ze maximéieren an d'Ausgangsmaterialpeakenflächen ze reduzéieren. Dës Optimiséierung huet eng 53% Konversioun vum Triazolprodukt erginn, wat enk mat der Modellprognose vu 54% iwwereneestëmmt.
Baséierend op der Literatur, déi weist, datt Kupfer(I)oxid (Cu2O) als effektiv katalytesch Spezies op nullvalente Kupferoberflächen an dëse Reaktiounen wierke kann, gouf d'Fäegkeet, d'Reaktoroberfläch virun der Ausféierung vun der Reaktioun am Flow virzeoxidéieren, ënnersicht70,71. D'Reaktioun tëscht Phenylacetylen an Iodethan gouf dann nach eng Kéier ënner optimale Konditioune duerchgefouert an d'Ausbeute goufe verglach. Et gouf observéiert, datt dës Virbereedung zu enger bedeitender Erhéijung vun der Konversioun vum Ausgangsmaterial gefouert huet, déi op >99% berechent gouf. Wéi och ëmmer, d'Iwwerwaachung duerch HPLC huet gewisen, datt dës Konversioun déi exzessiv verlängert Reaktiounszäit bis ongeféier 90 Minutten däitlech reduzéiert huet, wourop d'Aktivitéit sech ofgeplatzt huet an e "Stabilzoustand" erreecht huet. Dës Observatioun seet, datt d'Quell vun der katalytescher Aktivitéit vum Uewerflächekupferoxid anstatt vum nullvalente Kupfersubstrat kritt gëtt. Cu-Metall gëtt liicht bei Raumtemperatur oxidéiert fir CuO a Cu2O ze bilden, déi keng selbstschutzschichten sinn. Dëst eliminéiert d'Noutwendegkeet, eng zousätzlech Kupfer(II)-Quell fir d'Ko-Kompositioun bäizefügen71.