Ви благодариме што ја посетивте Nature.com. Верзијата на прелистувачот што ја користите има ограничена поддршка за CSS. За најдобро искуство, препорачуваме да користите ажуриран прелистувач (или да го исклучите режимот на компатибилност во Internet Explorer). Во меѓувреме, за да обезбедиме континуирана поддршка, ќе ја прикажеме страницата без стилови и JavaScript.
Адитивното производство го менува начинот на кој истражувачите и индустријалците дизајнираат и произведуваат хемиски уреди за да ги задоволат нивните специфични потреби. Во оваа работа, го прикажуваме првиот пример на проточен реактор формиран со техниката на ламинација на метални листови во цврста состојба - Ултразвучно адитивно производство (UAM) со директно интегрирани каталитички делови и сензорски елементи. Технологијата UAM не само што ги надминува многу од ограничувањата што моментално се поврзани со адитивното производство на хемиски реактори, туку значително ги зголемува и можностите на таквите уреди. Серија биолошки важни 1,4-дисупституирани 1,2,3-триазолни соединенија беа успешно синтетизирани и оптимизирани со Cu-посредувана Huisgen 1,3-диполарна циклоаддициска реакција со користење на UAM хемиска поставка. Со искористување на уникатните својства на UAM и континуираната обработка на проток, уредот е способен да катализира тековни реакции, а истовремено да обезбедува повратни информации во реално време за следење и оптимизација на реакциите.
Поради своите значајни предности во однос на нејзиниот еквивалент во големи количини, проточната хемија е важна и растечка област и во академските и во индустриските услови поради нејзината способност да ја зголеми селективноста и ефикасноста на хемиската синтеза. Ова се протега од едноставно формирање на органски молекули1 до фармацевтски соединенија2,3 и природни производи4,5,6. Повеќе од 50% од реакциите во фината хемиска и фармацевтската индустрија можат да имаат корист од употребата на континуирана проточна обработка7.
Во последниве години, постои растечки тренд на групи кои сакаат да ја заменат традиционалната опрема за стакло или проточна хемија со прилагодливи „реакциони садови“ за хемија на адитивно производство (AM)8. Итеративниот дизајн, брзото производство и 3-димензионалните (3D) можности на овие техники се корисни за оние кои сакаат да ги прилагодат своите уреди на специфичен сет на реакции, уреди или услови. До денес, оваа работа се фокусираше речиси исклучиво на употребата на техники за 3D печатење базирани на полимери, како што се стереолитографија (SL)9,10,11, моделирање со фузирано таложење (FDM)8,12,13,14 и печатење со инк-џет 7, 15, 16. Недостатокот на робусност и способност на таквите уреди да извршуваат широк спектар на хемиски реакции/анализи17, 18, 19, 20 е главен ограничувачки фактор за поширока имплементација на AM во оваа област17, 18, 19, 20.
Поради зголемената употреба на проточна хемија и поволните својства поврзани со AM, постои потреба да се истражат понапредни техники што ќе им овозможат на корисниците да произведуваат садови за проточна реакција со подобрени хемиски и аналитички способности. Овие техники треба да им овозможат на корисниците да избираат од низа високо робусни или функционални материјали способни да се справат со широк спектар на реакциски услови, а истовремено да олеснат различни форми на аналитички излез од уредот за да се овозможи следење и контрола на реакциите.
Еден процес на адитивно производство кој има потенцијал да развие прилагодени хемиски реактори е Ултразвучното адитивно производство (UAM). Оваа техника на ламинирање на листови во цврста состојба применува ултразвучни осцилации на тенки метални фолии со цел да ги спои слој по слој со минимално загревање на масата и висок степен на пластичен проток 21, 22, 23. За разлика од повеќето други AM технологии, UAM може директно да се интегрира со субтрактивно производство, познато како хибриден процес на производство, во кој периодичното компјутерско нумеричко контролирање (CNC) глодање или ласерската обработка in-situ ја дефинираат нето формата на слој од врзан материјал 24, 25. Ова значи дека корисникот не е ограничен од проблемите поврзани со отстранување на преостанатиот суров материјал од мали флуидни канали, што често е случај со AM системи во прав и течност 26, 27, 28. Оваа слобода на дизајнирање се протега и на достапните избори на материјали - UAM може да врзува термички слични и различни комбинации на материјали во еден чекор од процесот. Изборот на комбинации на материјали надвор од процесот на топење значи дека механичките и хемиските барања на специфичните апликации можат подобро да се задоволат. Покрај лепењето во цврста состојба, друг феномен што се среќава за време на ултразвучното Сврзувањето е висок проток на пластични материјали на релативно ниски температури29,30,31,32,33. Оваа единствена карактеристика на UAM може да го олесни вградувањето на механички/термички елементи помеѓу металните слоеви без оштетување. Вградените сензори на UAM можат да го олеснат доставувањето на информации во реално време од уредот до корисникот преку интегрирана аналитика.
Минатата работа на авторите32 ја демонстрираше способноста на UAM процесот да создава метални 3D микрофлуидни структури со интегрирани можности за сензорирање. Ова е уред само за мониторинг. Овој труд го претставува првиот пример на микрофлуиден хемиски реактор изработен од UAM; активен уред кој не само што следи, туку и индуцира хемиска синтеза преку структурно интегрирани катализаторски материјали. Уредот комбинира неколку предности поврзани со UAM технологијата во производството на 3D хемиски уреди, како што се: способност за конвертирање на целосни 3D дизајни директно од модели на компјутерски потпомогнат дизајн (CAD) во производи; изработка од повеќе материјали за комбинирање на висока топлинска спроводливост и каталитички материјали; и вградување на термички сензори директно помеѓу струите на реагенси за прецизно следење и контрола на температурата на реакцијата. За да се демонстрира функционалноста на реакторот, библиотека од фармацевтски важни 1,4-дисупституирани 1,2,3-триазолни соединенија беше синтетизирана со Huisgen 1,3-диполарна циклоаддиција катализирана со бакар. Оваа работа истакнува како користењето на науката за материјали и компјутерски потпомогнатиот дизајн може да отвори нови можности за хемијата преку мултидисциплинарно истражување.
Сите растворувачи и реагенси беа купени од Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI или Fischer Scientific и беа користени без претходно прочистување. 1H и 13C NMR спектрите снимени на 400 MHz и 100 MHz, соодветно, беа добиени со помош на спектрометар JEOL ECS-400 од 400 MHz или спектрометар Bruker Avance II од 400 MHz и CDCl3 или (CD3)2SO како растворувач. Сите реакции беа извршени со помош на платформата за проточна хемија Uniqsis FlowSyn.
UAM беше користен за производство на сите уреди во оваа студија. Технологијата е измислена во 1999 година, а нејзините технички детали, оперативни параметри и развој од нејзиното измислување може да се изучуваат преку следните објавени материјали34,35,36,37. Уредот (Слика 1) беше имплементиран со користење на ултра-висока моќност, 9kW SonicLayer 4000® UAM систем (Fabrisonic, OH, САД). Материјалите избрани за производство на проточниот уред беа Cu-110 и Al 6061. Cu-110 има висока содржина на бакар (минимум 99,9% бакар), што го прави добар кандидат за реакции катализирани од бакар и затоа се користи како „активен слој во рамките на микрореактор“. Al 6061O се користи како „масовен“ материјал, а исто така се користи и слој за вградување за анализа; Вградување на помошни компоненти од легура и состојба на жарење комбинирана со слој Cu-110. Al 6061O е материјал за кој се покажа дека е многу компатибилен со UAM процесите38, 39, 40, 41 и е тестиран и е хемиски стабилен со реагенсите што се користат во оваа работа. Комбинацијата на Al 6061O со Cu-110 исто така се смета за компатибилна комбинација на материјали за UAM и затоа е соодветен материјал за оваа студија. 38,42 Овие уреди се наведени во Табела 1 подолу.
Фази на изработка на реактор (1) Подлога од Al 6061 (2) Изработка на долен канал поставен на бакарна фолија (3) Вградување на термопарови помеѓу слоевите (4) Горен канал (5) Влез и излез (6) Монолитен реактор.
Филозофијата на дизајнот на патеката на флуидот е да се користи заоблена патека за да се зголеми растојанието што флуидот го поминува во чипот, додека чипот се одржува на управлива големина. Ова зголемување на растојанието е пожелно за да се зголеми времето на интеракција катализатор/реагенс и да се обезбедат одлични приноси на производот. Чиповите користат кривини од 90° на краевите на правата патека за да предизвикаат турбулентно мешање во уредот44 и да го зголемат времето на контакт на флуидот со површината (катализатор). За понатамошно зголемување на мешањето што може да се постигне, дизајнот на реакторот има два влеза за реагенси комбинирани на Y-спојката пред да влезат во серпентинскиот дел за мешање. Третиот влез, кој го сече потокот на половина пат низ неговиот престој, е вклучен во дизајнот на идните синтези на повеќестепени реакции.
Сите канали имаат квадратен профил (без агли на провев), резултат на периодичното CNC глодање што се користи за создавање на геометријата на каналот. Димензиите на каналот се избрани за да се обезбеди висок (за микрореактор) излезен волумен, а воедно се доволно мали за да се олеснат површинските интеракции (катализатори) за повеќето од содржаните течности. Соодветната големина се базира на минатото искуство на авторите со метално-флуидни уреди за реакцијата. Внатрешните димензии на финалниот канал беа 750 µm x 750 µm, а вкупниот волумен на реакторот беше 1 ml. Интегриран конектор (1/4″—28 UNF навој) е вклучен во дизајнот за да се овозможи едноставно поврзување на уредот со комерцијална опрема за хемија на проток. Големината на каналот е ограничена од дебелината на материјалот од фолија, неговите механички својства и параметрите на сврзување што се користат со ултразвук. При специфична ширина за даден материјал, материјалот ќе се „спушти“ во создадениот канал. Во моментов не постои специфичен модел за оваа пресметка, па затоа максималната ширина на каналот за даден материјал и дизајн се одредува експериментално; во овој случај, ширина од 750 μm нема да предизвика пропаѓање.
Обликот (квадрат) на каналот се одредува со помош на квадратен секач. Обликот и големината на каналите може да се менуваат со CNC машини кои користат различни алатки за сечење за да се добијат различни брзини на проток и карактеристики. Пример за создавање канал со закривена форма со помош на алатката од 125 μm може да се најде во работата на Монаган45. Кога слојот од фолија се нанесува на рамнина, преклопот од фолија врз каналите ќе има рамна (квадратна) завршница. Во оваа работа, за да се одржи симетријата на каналот, се користеше квадратна контура.
За време на претходно програмирана пауза во производството, термопарните сонди за температура (Тип K) се вградени директно во уредот помеѓу горната и долната група на канали (Слика 1 – Фаза 3). Овие термопарови можат да ги следат промените на температурата од -200 до 1350 °C.
Процесот на депонирање на метал се изведува со UAM рог користејќи метална фолија широка 25,4 mm и дебела 150 микрони. Овие слоеви на фолија се лепат во серија соседни ленти за да ја покријат целата површина на градење; големината на депонираниот материјал е поголема од финалниот производ бидејќи процесот на субтракција ја произведува конечната мрежна форма. CNC обработката се користи за обработка на надворешните и внатрешните контури на опремата, што резултира со завршна обработка на површината на опремата и каналите еднаква на избраната алатка и параметрите на CNC процесот (приближно 1,6 μm Ra во овој пример). Континуирано, континуирано ултразвучно депонирање на материјал и циклуси на обработка се користат во текот на целиот процес на производство на уредот за да се обезбеди одржување на димензионалната точност и дека завршениот дел ќе ги исполни нивоата на точност на CNC завршното глодање. Ширината на каналот што се користи за овој уред е доволно мала за да се осигура дека материјалот од фолија нема да се „спушти“ во каналот за флуид, така што каналот одржува квадратен пресек. Можните празнини во материјалот од фолија и параметрите на UAM процесот беа утврдени експериментално од страна на партнер за производство (Fabrisonic LLC, САД).
Студиите покажаа дека мала елементарна дифузија се јавува на интерфејсот за поврзување на UAM 46, 47 без дополнителен термички третман, па за уредите во оваа работа, слојот Cu-110 останува различен од слојот Al 6061 и нагло се менува.
Инсталирајте претходно калибриран регулатор на повратен притисок (BPR) од 250 psi (1724 kPa) на излезот од реакторот и пумпајте вода низ реакторот со брзина од 0,1 до 1 mL min-1. Притисокот во реакторот беше следен со помош на сензорот за притисок вграден во системот FlowSyn за да се потврди дека системот може да одржува константен стабилен притисок. Потенцијалните температурни градиенти низ реакторот на проток беа тестирани со идентификување на какви било разлики помеѓу термопаровите вградени во реакторот и оние вградени во грејната плоча со чип FlowSyn. Ова се постигнува со менување на програмабилната температура на грејната плоча помеѓу 100 и 150 °C во зголемувања од 25 °C и забележување на какви било разлики помеѓу програмираните и снимените температури. Ова беше постигнато со помош на логер на податоци tc-08 (PicoTech, Кембриџ, Велика Британија) и придружен софтвер PicoLog.
Условите за реакција на циклоаддиција на фенилацетилен и јодоетан беа оптимизирани (Шема 1 - Циклоаддиција на фенилацетилен и јодоетан Шема 1 - Циклоаддиција на фенилацетилен и јодоетан). Оваа оптимизација беше извршена со пристап на целосен факториелен дизајн на експерименти (DOE), користејќи ја температурата и времето на престој како варијабилни параметри, додека односот алкин:азид беше фиксиран на 1:2.
Подготвени се одделни раствори од натриум азид (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), јодоетан (0,25 M, DMF) и фенилацетилен (0,125 M, DMF). Аликвот од 1,5 mL од секој раствор е измешан и пумпан низ реакторот со посакуваната брзина на проток и температура. Моделниот одговор е земен како однос на површината на пикот на триазолниот производ кон почетниот материјал фенилацетилен и е определен со високо-перформансна течна хроматографија (HPLC). За конзистентност на анализата, сите реакции се земаат како примероци веднаш откако реакционата смеса го напушта реакторот. Опсезите на параметри избрани за оптимизација се прикажани во Табела 2.
Сите примероци беа анализирани со помош на Chromaster HPLC систем (VWR, PA, САД) кој се состоеше од кватернерна пумпа, колонска печка, UV детектор со променлива бранова должина и автосемплер. Колоната беше Equivalence 5 C18 (VWR, PA, САД), со големина 4,6 × 100 mm, големина на честички 5 µm, одржувана на 40 °C. Растворувачот беше изократски 50:50 метанол:вода со брзина на проток од 1,5 mL.min-1. Волуменот на инјектирање беше 5 µL, а брановата должина на детекторот беше 254 nm. % површината на пикот за DOE примерокот беше пресметана од површините на пикот само на преостанатите алкински и триазолни производи. Инјектирањето на почетниот материјал овозможува идентификација на релевантните пикови.
Спојувањето на излезот од анализата на реакторот со софтверот MODDE DOE (Umetrics, Малме, Шведска) овозможи темелна анализа на трендовите на резултатите и одредување на оптималните услови на реакција за оваа циклоаддиција. Стартувањето на вградениот оптимизатор и избирањето на сите важни услови на моделот дава збир на услови на реакција дизајнирани да ја максимизираат површината на врвовите на производот, а воедно да ја намалат површината на врвовите за почетниот материјал на ацетилен.
Оксидацијата на површинскиот бакар во комората за каталитичка реакција беше постигната со употреба на раствор од водород пероксид (36%) што течеше низ комората за реакција (брзина на проток = 0,4 mL min-1, време на престој = 2,5 min) пред синтезата на секоја библиотека на триазолни соединенија.
Откако беше идентификуван оптимален сет на услови, тие беа применети на низа деривати на ацетилен и халоалкан за да се овозможи компилација на мала библиотека за синтеза, со што се воспостави можност за примена на овие услови на поширок опсег на потенцијални реагенси (Слика 1).2).
Подгответе одделни раствори од натриум азид (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), халоалкани (0,25 M, DMF) и алкини (0,125 M, DMF). Аликвоти од 3 mL од секој раствор беа измешани и испумпани низ реакторот на 75 µL/min-1 и 150 °C. Вкупниот волумен беше собран во шишенце и разреден со 10 mL етил ацетат. Растворот од примерокот беше измиен со 3 × 10 mL вода. Водените слоеви беа комбинирани и екстрахирани со 10 mL етил ацетат; органските слоеви потоа беа комбинирани, измиени со 3 x 10 mL саламура, сушени над MgSO4 и филтрирани, а потоа растворувачот беше отстранет во вакуум. Примероците беа прочистени со колонска хроматографија на силика гел со употреба на етил ацетат пред анализата со комбинација од HPLC, 1H NMR, 13C NMR и масена спектрометрија со висока резолуција (HR-MS).
Сите спектри беа добиени со помош на прецизен масен спектрометр со резолуција Thermofisher Orbitrap со ESI како извор на јонизација. Сите примероци беа подготвени со употреба на ацетонитрил како растворувач.
TLC анализата беше извршена на силициумски плочи со алуминиумска подлога. Плочите беа визуелизирани со УВ светлина (254 nm) или боење со ванилин и загревање.
Сите примероци беа анализирани со помош на систем VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) опремен со автосемплер, бинарна пумпа во колонска печка и детектор за единечна бранова должина. Користената колона беше ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Абердин, Шкотска).
Инјекциите (5 µL) беа направени директно од разредена сурова реакциона смеса (разредување 1:10) и анализирани со вода:метанол (50:50 или 70:30), освен за некои примероци што го користеа системот на растворувач 70:30 (означен како ѕвезден број) со брзина на проток од 1,5 mL/min. Колоната се чуваше на 40 °C. Брановата должина на детекторот е 254 nm.
% површината на пикот на примерокот беше пресметана од површината на пикот на преостанатиот алкин, само триазолниот производ, а инјектирањето на почетниот материјал овозможи идентификација на релевантните пикови.
Сите примероци беа анализирани со помош на Thermo iCAP 6000 ICP-OES. Сите стандарди за калибрација беа подготвени со помош на стандарден раствор од Cu од 1000 ppm во 2% азотна киселина (SPEX Certi Prep). Сите стандарди беа подготвени во 5% раствор од DMF и 2% HNO3, а сите примероци беа разредени 20 пати во раствор од примерок од DMF-HNO3.
UAM користи ултразвучно заварување на метал како техника на сврзување за материјалот од метална фолија што се користи за изградба на финалното склопување. Ултразвучното заварување на метал користи вибрирачка метална алатка (наречена рог или ултразвучен рог) за да се примени притисок врз слојот од фолија/претходно консолидиран слој што треба да се залепи додека материјалот вибрира. За континуирано работење, сонотродата е цилиндрична и се тркала по површината на материјалот, лепејќи ја целата површина. Кога се применуваат притисок и вибрации, оксидите на површината на материјалот можат да попуштат. Континуираниот притисок и вибрации може да предизвикаат колапс на абсортиите на материјалот 36. Интимниот контакт со локално индуцирана топлина и притисок потоа води до сврзување во цврста состојба на материјалните интерфејси; исто така може да помогне во адхезијата преку промени во површинската енергија 48. Природата на механизмот за сврзување ги надминува многу од проблемите поврзани со променливата температура на топење и ефектите од висока температура споменати во други техники на адитивно производство. Ова овозможува директно лепење (т.е. без модификација на површината, полнила или лепила) на повеќе слоеви од различни материјали во една консолидирана структура.
Втор поволен фактор за UAM е високиот степен на пластичен проток забележан кај металните материјали, дури и на ниски температури, т.е. далеку под точката на топење на металните материјали. Комбинацијата на ултразвучни осцилации и притисок предизвикува високи нивоа на локална миграција на границите на зрната и рекристализација без големото зголемување на температурата што традиционално се поврзува со материјалите во големи количини. За време на конструкцијата на финалниот склоп, овој феномен може да се искористи за вградување активни и пасивни компоненти помеѓу слоевите на метална фолија, слој по слој. Елементи како што се оптички влакна 49, засилувања 46, електроника 50 и термопарови (оваа работа) се успешно вградени во структурите на UAM за да се создадат активни и пасивни композитни склопови.
Во оваа работа, и различните можности за врзување на материјалите и интеркалацијата на UAM се искористени за да се создаде врвен каталитички микрореактор за следење на температурата.
Во споредба со паладиумот (Pd) и другите најчесто користени метални катализатори, катализата со Cu има неколку предности: (i) Економски, Cu е поевтин од многу други метали што се користат во катализата и затоа е привлечна опција за индустријата за хемиска обработка (ii) Опсегот на реакции на вкрстено спојување катализирани од Cu се зголемува и се чини дека е донекаде комплементарен на методологиите базирани на Pd51,52,53 (iii) Реакциите катализирани од Cu добро функционираат во отсуство на други лиганди. Овие лиганди често се структурно едноставни и ефтини доколку се сака, додека оние што се користат во Pd хемијата често се сложени, скапи и чувствителни на воздух (iv) Cu, особено познат по својата способност да врзува алкини во синтезата. На пример, биметално катализирано Sonogashira спојување и циклоаддиција со азиди (click chemistry) (v) Cu е исто така способен да ја промовира арилацијата на неколку нуклеофили во реакции од типот Улман.
Примери за хетерогенизација на сите овие реакции неодамна се демонстрирани во присуство на Cu(0). Ова во голема мера се должи на фармацевтската индустрија и растечкиот фокус на обновување и повторна употреба на метални катализатори55,56.
Пионерска реакција на 1,3-диполарната циклоадиција помеѓу ацетилен и азид до 1,2,3-триазол, воведена од Хајсген во 1960-тите57, се смета за синергистичка демонстративна реакција. Добиените 1,2,3 триазолни делови се од особен интерес како фармакофор во областа на откривањето лекови поради нивната биолошка примена и употреба во различни терапевтски агенси58.
Оваа реакција повторно дојде во фокусот кога Шарплес и другите го воведоа концептот на „клик хемија“59. Терминот „клик хемија“ се користи за да се опише робустен, сигурен и селективен сет на реакции за брза синтеза на нови соединенија и комбинаторни библиотеки преку хетероатомска врска (CXC)60. Синтетичката привлечност на овие реакции произлегува од нивните поврзани високи приноси, условите на реакција се едноставни, отпорноста на кислород и вода, а одвојувањето на производот е едноставно61.
Класичната Хајсгенова 1,3-диполна циклоаддиција не спаѓа во категоријата „клик хемија“. Сепак, Медал и Шарплес покажаа дека овој настан на спојување азид-алкин се подложува на 107 до 108 во присуство на Cu(I) во споредба со некатализираната 1,3-диполарна циклоаддиција 62,63, значително забрзување на брзината. Овој подобрен механизам на реакција не бара заштитни групи или сурови услови на реакција и дава речиси целосна конверзија и селективност на 1,4-дисупституирани 1,2,3-триазоли (анти-1,2,3-триазол) на временска скала (Слика 3).
Изометриски резултати од конвенционални и бакарно-катализирани Хајсгенови циклоадиции. Cu(I)-катализирани Хајсгенови циклоадиции даваат само 1,4-дисупституирани 1,2,3-триазоли, додека термички индуцираните Хајсгенови циклоадиции обично даваат 1,4- и 1,5-триазоли мешавина од стереоизомери на азоли во сооднос 1:1.
Повеќето протоколи вклучуваат редукција на стабилни извори на Cu(II), како што е редукција на CuSO4 или ко-комбинација на видови Cu(II)/Cu(0) со натриумови соли. Во споредба со други реакции катализирани од метал, употребата на Cu(I) има главни предности што е ефтина и лесна за ракување.
Кинетичките и изотопските студии за обележување од страна на Ворел и сор. 65 покажаа дека, во случај на терминални алкини, два еквиваленти на бакар се вклучени во активирањето на реактивноста на секоја молекула кон азид. Предложениот механизам се одвива преку шестчлен метален прстен од бакар формиран со координација на азид со σ-врзан бакар ацетилид со π-врзан бакар како стабилен донорски лиганд. Дериватите на триазолил бакар се формираат со собирање на прстенот, проследено со распаѓање на протоните за да се обезбедат триазолни производи и да се затвори каталитичкиот циклус.
Иако придобивките од уредите за хемија на проток се добро документирани, постои желба да се интегрираат аналитички алатки во овие системи за следење на процесите во линија, на самото место66,67. UAM се покажа како соодветен метод за дизајнирање и производство на високосложени 3D реактори на проток направени од каталитички активни, термички спроводливи материјали со директно вградени сензорски елементи (Слика 4).
Алуминиум-бакарен проточен реактор изработен со ултразвучно адитивно производство (UAM) со комплексна внатрешна канална структура, вградени термопарови и каталитичка реакциона комора. За да се визуелизираат внатрешните патеки на флуиди, прикажан е и транспарентен прототип изработен со стереолитографија.
За да се осигури дека реакторите се изработени за идни органски реакции, растворувачите треба безбедно да се загреваат над точката на вриење; тие се тестираат на притисок и температура. Тестот за притисок покажа дека системот одржува стабилен и константен притисок дури и со зголемен системски притисок (1,7 MPa). Хидростатскиот тест беше извршен на собна температура со употреба на H2O како течност.
Поврзувањето на вградениот (Слика 1) термоспој со логерот на температурни податоци покажа дека термоспојот е за 6 °C (± 1 °C) поладен од програмираната температура на системот FlowSyn. Типично, зголемувањето на температурата од 10 °C резултира со удвојување на брзината на реакцијата, така што температурната разлика од само неколку степени може значително да ја промени брзината на реакцијата. Оваа разлика се должи на загубата на температура низ целото тело на реакторот поради високата термичка дифузија на материјалите што се користат во процесот на производство. Ова термичко поместување е конзистентно и затоа може да се земе предвид при поставувањето на опремата за да се обезбеди постигнување и мерење на точни температури за време на реакцијата. Затоа, оваа алатка за онлајн следење овозможува строга контрола на температурата на реакцијата и овозможува попрецизна оптимизација на процесот и развој на оптимални услови. Овие сензори може да се користат и за идентификување на егзотерми на реакцијата и спречување на неконтролирани реакции во системи со голем обем.
Реакторот презентиран во ова дело е прв пример за примена на UAM технологијата во производството на хемиски реактори и се справува со неколку главни ограничувања што моментално се поврзани со AM/3D печатењето на овие уреди, како што се: (i) надминување на пријавените проблеми поврзани со обработката на бакарни или алуминиумски легури (ii) подобрена резолуција на внатрешниот канал во споредба со техниките на фузија во прашкаст слој (PBF) како што е селективно ласерско топење (SLM)25,69 Слаб проток на материјал и груба текстура на површината26 (iii) Намалена температура на обработка, што го олеснува директното поврзување на сензорите, што не е можно во технологијата на прашкаст слој, (v) надминување на лошите механички својства и чувствителност на компонентите базирани на полимер на различни вообичаени органски растворувачи17,19.
Функционалноста на реакторот беше демонстрирана со серија реакции на циклоадиција на алкин азид катализиран со бакар под услови на континуиран проток (Сл. 2). Ултразвучно печатениот бакарен реактор детално прикажан на Слика 4 беше интегриран со комерцијален систем на проток и се користеше за синтеза на библиотечни азиди на разни 1,4-дисупституирани 1,2,3-триазоли преку температурно контролирана реакција на ацетилен и халиди на алкил групи во присуство на натриум хлорид (Слика 3). Употребата на пристап со континуиран проток ги ублажува безбедносните проблеми што можат да се појават во сериските процеси, бидејќи оваа реакција произведува високо реактивни и опасни азидни меѓупроизводи [317], [318]. Првично, реакцијата беше оптимизирана за циклоадиција на фенилацетилен и јодоетан (Шема 1 – Циклоадиција на фенилацетилен и јодоетан) (видете Слика 5).
(Горе лево) Шема на поставеноста што се користи за вклучување на 3DP реакторот во системот за проток (горе десно) добиена во оптимизираната (долу) шема на шемата за циклоаддиција 57 на Хајсген помеѓу фенилацетилен и јодоетан за оптимизација и прикажување на оптимизираните параметри на брзината на конверзија на реакцијата.
Со контролирање на времето на престој на реагенсите во каталитичкиот дел од реакторот и внимателно следење на температурата на реакцијата со директно интегрирана термопарна сонда, условите на реакцијата можат брзо и прецизно да се оптимизираат со минимална потрошувачка на време и материјал. Брзо беше утврдено дека највисоките конверзии се добиени кога се користело време на престој од 15 минути и температура на реакција од 150 °C. Од графиконот на коефициентите на софтверот MODDE, може да се види дека и времето на престој и температурата на реакцијата се сметаат за важни моделски термини. Работата на вградениот оптимизатор со користење на овие избрани термини генерира збир на реакциски услови дизајнирани да ги максимизираат површините на врвовите на производот, а воедно да ги намалат површините на врвовите на почетниот материјал. Оваа оптимизација даде конверзија од 53% на триазолниот производ, што тесно се совпаѓаше со моделското предвидување од 54%.
Врз основа на литературата што покажува дека бакар(I) оксидот (Cu2O) може да дејствува како ефикасен каталитички вид на површини од бакар со нулта валентна вредност во овие реакции, беше испитана способноста за претходно оксидирање на површината на реакторот пред да се спроведе реакцијата во тек70,71. Реакцијата помеѓу фенилацетилен и јодоетан потоа беше повторно извршена под оптимални услови и приносите беа споредени. Беше забележано дека оваа подготовка резултираше со значително зголемување на конверзијата на почетниот материјал, која беше пресметана на >99%. Сепак, следењето со HPLC покажа дека оваа конверзија значително го намали претерано продолженото време на реакција до приближно 90 минути, по што активноста се чинеше дека се изедначи и достигна „стабилна состојба“. Ова набљудување сугерира дека изворот на каталитичка активност се добива од површинскиот бакар оксид, а не од нулта валентната бакарна подлога. Металот Cu лесно се оксидира на собна температура за да формира CuO и Cu2O кои не се самозаштитни слоеви. Ова ја елиминира потребата од додавање помошен извор на бакар(II) за ко-состав71.