Nature.com сайтад зочилсонд баярлалаа. Таны ашиглаж буй хөтчийн хувилбар нь хязгаарлагдмал CSS дэмжлэгтэй. Хамгийн сайн туршлагын тулд бид танд шинэчлэгдсэн хөтчийг ашиглахыг зөвлөж байна (эсвэл Internet Explorer дээр нийцтэй байдлын горимыг идэвхгүй болгох). Энэ хооронд бид сайтыг хэв маяг болон JavaScriptгүйгээр үзүүлэх болно.
Нэг дор гурван слайдыг харуулж буй тойруулга. Өмнөх болон Дараагийн товчлууруудыг ашиглан нэг дор гурван слайдаар шилжих эсвэл төгсгөлд байгаа гулсагч товчлууруудыг ашиглан нэг дор гурван слайдаар шилжих боломжтой.
Нэмэлт үйлдвэрлэл нь судлаачид болон үйлдвэрлэгчдийн өөрсдийн тодорхой хэрэгцээг хангахын тулд химийн төхөөрөмжийг зохион бүтээх, үйлдвэрлэх арга барилыг өөрчилж байна. Энэхүү өгүүлэлд бид шууд нэгтгэсэн каталитик эд анги, мэдрэгч элементүүдтэй хатуу металл хуудсыг хэт авианы нэмэлт үйлдвэрлэл (UAM)-аар ламинжуулах замаар үүссэн урсгалын реакторын анхны жишээг танилцуулж байна. UAM технологи нь химийн реакторын нэмэлт үйлдвэрлэлтэй холбоотой олон хязгаарлалтыг даван туулахаас гадна ийм төхөөрөмжийн чадавхийг ихээхэн өргөжүүлдэг. Биологийн хувьд чухал ач холбогдолтой хэд хэдэн 1,4-орлуулшгүй 1,2,3-триазолын нэгдлүүдийг UAM химийн байгууламжийг ашиглан Cu-зуучлалтай 1,3-диполяр Хуисген цикло нэмэлт урвалаар амжилттай нэгтгэж, оновчтой болгосон. UAM болон тасралтгүй урсгалын боловсруулалтын өвөрмөц шинж чанаруудыг ашиглан төхөөрөмж нь үргэлжилж буй урвалыг хурдасгахаас гадна урвалыг хянах, оновчтой болгохын тулд бодит цагийн санал хүсэлтийг өгөх боломжтой.
Урсгал хими нь бөөнөөр нь харьцуулсан давуу талуудаасаа шалтгаалан химийн синтезийн сонгомол чанар, үр ашгийг нэмэгдүүлэх чадвартай тул эрдэм шинжилгээний болон үйлдвэрлэлийн аль алинд нь чухал бөгөөд хөгжиж буй салбар юм. Энэ нь энгийн органик молекулууд үүсэхээс1 эхлээд эмийн нэгдлүүд2,3 болон байгалийн гаралтай бүтээгдэхүүнүүд4,5,6 хүртэл үргэлжилдэг. Нарийн химийн болон эмийн үйлдвэрлэлийн урвалын 50 гаруй хувь нь тасралтгүй урсгалаас ашиг хүртэх боломжтой7.
Сүүлийн жилүүдэд уламжлалт шилэн эдлэл эсвэл урсгалын химийн тоног төхөөрөмжийг дасан зохицох чадвартай химийн "реакторууд"-аар солихыг эрмэлздэг бүлгүүдийн тоо нэмэгдэж байна8. Эдгээр аргуудын давталтын дизайн, хурдан үйлдвэрлэл, гурван хэмжээст (3D) чадвар нь төхөөрөмжөө тодорхой урвал, төхөөрөмж эсвэл нөхцөлд тохируулан өөрчлөхийг хүсдэг хүмүүст ашигтай байдаг. Өнөөдрийг хүртэл энэхүү ажил нь бараг бүхэлдээ стереолитографи (SL)9,10,11, хайлуулсан тунадасны загварчлал (FDM)8,12,13,14 болон бэхэн тийрэлтэт хэвлэх7,15 зэрэг полимер дээр суурилсан 3D хэвлэх техникийг ашиглахад чиглэгдсэн. , 16. Ийм төхөөрөмжүүдийн олон төрлийн химийн урвал/шинжилгээ хийх найдвартай байдал, чадвар дутмаг байгаа нь AM-ийг энэ салбарт өргөн хүрээнд хэрэглэхэд гол хязгаарлалтын хүчин зүйл болж байна17, 18, 19, 20.
Урсгалын химийн хэрэглээ нэмэгдэж, AM-тэй холбоотой таатай шинж чанаруудаас шалтгаалан хэрэглэгчдэд сайжруулсан химийн болон аналитик чадвартай урсгалын урвалын сав үйлдвэрлэх боломжийг олгох илүү сайн техникийг судлах шаардлагатай байна. Эдгээр аргууд нь хэрэглэгчдэд олон төрлийн урвалын нөхцөлд ажиллах чадвартай өндөр бат бэх эсвэл ажиллагаатай материалаас сонголт хийх, мөн урвалыг хянах, хянах боломжийг олгохын тулд төхөөрөмжөөс янз бүрийн хэлбэрийн аналитик гаралтыг хөнгөвчлөх боломжийг олгоно.
Захиалгат химийн реакторуудыг боловсруулахад ашиглаж болох нэг нэмэлт үйлдвэрлэлийн процесс бол Хэт авианы нэмэлт үйлдвэрлэл (ХАТҮ) юм. Энэхүү хатуу төлөвт хуудас ламинжуулах арга нь нимгэн металл тугалган цаасанд хэт авианы чичиргээг ашиглан тэдгээрийг хамгийн бага эзэлхүүнтэй халаалт болон өндөр түвшний хуванцар урсгалаар давхаргаар нь хооронд нь холбодог 21, 22, 23. Бусад ихэнх AM технологиос ялгаатай нь ХАТҮ-г эрлийз үйлдвэрлэлийн процесс гэгддэг хасагдах үйлдвэрлэлтэй шууд нэгтгэж болох бөгөөд үечилсэн in situ тоон хяналт (CNC) тээрэмдэх эсвэл лазер боловсруулалт нь наалдсан материалын давхаргын цэвэр хэлбэрийг тодорхойлдог 24, 25. Энэ нь хэрэглэгч жижиг шингэн сувгуудаас үлдэгдэл анхны барилгын материалыг зайлуулахтай холбоотой асуудлуудаар хязгаарлагдахгүй гэсэн үг бөгөөд энэ нь ихэвчлэн нунтаг болон шингэн системд тохиолддог AM26,27,28. Энэхүү дизайны эрх чөлөө нь мөн боломжтой материалын сонголтод хамаарна - ХАТҮ нь дулааны хувьд ижил төстэй болон ялгаатай материалын хослолыг нэг процессын алхамаар холбож чадна. Хайлуулах процессоос гадна материалын хослолыг сонгох нь тодорхой хэрэглээний механик болон химийн шаардлагыг илүү сайн хангаж чадна гэсэн үг юм. Хатуу холболтоос гадна хэт авианы холболттой холбоотой өөр нэг үзэгдэл бол харьцангуй бага температурт хуванцар материалын өндөр шингэн чанар юм29,30,31,32,33. UAM-ийн энэхүү өвөрмөц онцлог нь механик/дулааны элементүүдийг металл давхаргын хооронд гэмтэлгүйгээр байрлуулах боломжийг олгодог. Суулгагдсан UAM мэдрэгч нь төхөөрөмжөөс хэрэглэгчдэд нэгдсэн аналитикийн тусламжтайгаар бодит цагийн мэдээллийг хүргэх боломжийг олгодог.
Зохиогчдын өмнөх бүтээлүүд32 нь UAM процесс нь суулгагдсан мэдрэгчийн чадвартай металл 3D микрофлюидик бүтцийг бий болгох чадварыг харуулсан. Энэ төхөөрөмж нь зөвхөн хяналтын зорилгоор зориулагдсан. Энэхүү нийтлэлд UAM-ийн үйлдвэрлэсэн микрофлюидик химийн реакторын анхны жишээг танилцуулж байна. Энэ нь зөвхөн бүтцийн хувьд нэгтгэсэн каталитик материалаар химийн синтезийг хянаад зогсохгүй өдөөдөг идэвхтэй төхөөрөмж юм. Энэхүү төхөөрөмж нь 3D химийн төхөөрөмж үйлдвэрлэхэд UAM технологитой холбоотой хэд хэдэн давуу талыг хослуулсан бөгөөд үүнд: компьютерийн тусламжтайгаар дизайн (CAD) загвараас бүрэн 3D загварыг шууд бүтээгдэхүүн болгон хувиргах чадвар; өндөр дулаан дамжуулалт ба каталитик материалын хослолд зориулсан олон материалын үйлдвэрлэл, түүнчлэн урвалын температурыг нарийн хянах, удирдахын тулд урвалжийн урсгалын хооронд шууд суулгагдсан дулааны мэдрэгчүүд орно. Реакторын үйл ажиллагааг харуулахын тулд эмийн ач холбогдолтой 1,4-орлуулсан 1,2,3-триазолын нэгдлүүдийн санг зэсээр катализжуулсан 1,3-диполяр Хуйсген цикло нэмэлтээр нийлэгжүүлсэн. Энэхүү бүтээл нь материалын шинжлэх ухаан болон компьютерийн тусламжтайгаар зохион бүтээх аргыг ашиглах нь салбар дундын судалгаагаар дамжуулан химийн салбарт шинэ боломж, боломжийг хэрхэн нээж болохыг онцолсон болно.
Бүх уусгагч болон урвалжуудыг Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI, эсвэл Fischer Scientific-ээс худалдан авч, урьдчилан цэвэршүүлэлгүйгээр ашигласан. 400 ба 100 МГц давтамжтайгаар тус тус бүртгэгдсэн 1H ба 13C NMR спектрүүдийг JEOL ECS-400 400 МГц спектрометр эсвэл CDCl3 эсвэл (CD3)2SO-г уусгагч болгон ашигласан Bruker Avance II 400 МГц спектрометр дээр авсан. Бүх урвалыг Uniqsis FlowSyn урсгалын химийн платформ ашиглан гүйцэтгэсэн.
Энэхүү судалгаанд хамрагдсан бүх төхөөрөмжийг үйлдвэрлэхэд UAM ашигласан. Энэхүү технологийг 1999 онд зохион бүтээсэн бөгөөд түүний техникийн дэлгэрэнгүй мэдээлэл, үйл ажиллагааны параметрүүд болон зохион бүтээснээс хойшхи хөгжлийг дараах нийтлэгдсэн материалыг ашиглан судалж болно34,35,36,37. Төхөөрөмжийг (Зураг 1) 9 кВт-ын хүнд даацын SonicLayer 4000® UAM систем (Fabrisonic, Ohio, USA) ашиглан хэрэгжүүлсэн. Урсгалын төхөөрөмжид сонгосон материалууд нь Cu-110 болон Al 6061 байв. Cu-110 нь зэсийн өндөр агууламжтай (хамгийн багадаа 99.9% зэс) тул зэсийн катализжуулсан урвалд сайн нэр дэвшигч болдог тул микрореакторын доторх "идэвхтэй давхарга" болгон ашигладаг. Al 6061O нь "бөөн" материал болгон ашиглагддаг. , мөн шинжилгээнд ашигласан интеркаляцийн давхарга; туслах хайлшийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн интеркаляци ба Cu-110 давхаргатай хослуулан халаасан төлөв. Энэ ажилд ашигласан урвалжуудтай химийн хувьд тогтвортой болох нь тогтоогдсон. Cu-110-тай хослуулсан Al 6061O нь мөн UAM-д тохирох материалын хослол гэж тооцогддог тул энэхүү судалгаанд тохиромжтой материал юм38,42. Эдгээр төхөөрөмжийг доорх Хүснэгт 1-д жагсаасан болно.
Реакторын үйлдвэрлэлийн үе шатууд (1) 6061 хөнгөн цагааны хайлшийн суурь (2) Зэс тугалган цаасаар доод суваг үйлдвэрлэх (3) Давхаргуудын хооронд термопар оруулах (4) Дээд суваг (5) Оролт ба гаралт (6) Цул реактор.
Шингэний сувгийн дизайны философи нь чип доторх шингэний туулах зайг нэмэгдүүлэхийн тулд мушгирсан замыг ашиглах бөгөөд ингэснээр чипийн хэмжээг хянах боломжтой хэвээр байх болно. Энэхүү зайг нэмэгдүүлэх нь катализатор-урвалжлагчийн холбоо барих хугацааг нэмэгдүүлж, бүтээгдэхүүний маш сайн гарцыг бий болгоход тохиромжтой. Чипүүд нь төхөөрөмжийн дотор турбулент холилтыг өдөөж, шингэний гадаргуу (катализатор)-тай холбоо барих хугацааг нэмэгдүүлэхийн тулд шулуун замын төгсгөлд 90° нугалалтыг ашигладаг. Холих чадварыг улам сайжруулахын тулд реакторын дизайнд холих ороомгийн хэсэгт орохоос өмнө Y холболтод нэгтгэсэн хоёр урвалжийн оролтыг багтаасан болно. Гурав дахь оролт нь байршлынхаа дундуур урсгалыг гаталж, ирээдүйн олон үе шаттай синтезийн урвалын төлөвлөгөөнд багтсан болно.
Бүх суваг нь дөрвөлжин профильтай (конус өнцөггүй) бөгөөд энэ нь сувгийн геометрийг бий болгоход ашигласан үечилсэн CNC тээрэмдэлтийн үр дүн юм. Сувгийн хэмжээсийг өндөр (микрореакторын хувьд) эзэлхүүний гарц өгөхөөр сонгосон боловч түүний агуулж буй ихэнх шингэний гадаргуу (катализатор)-тай харилцан үйлчлэлцэхэд хангалттай бага байна. Тохиромжтой хэмжээг зохиогчдын металл-шингэний урвалын төхөөрөмжтэй хийсэн өмнөх туршлага дээр үндэслэсэн болно. Эцсийн сувгийн дотоод хэмжээс нь 750 µm x 750 µm бөгөөд реакторын нийт эзэлхүүн нь 1 мл байв. Төхөөрөмжийг арилжааны урсгалын химийн тоног төхөөрөмжтэй хялбархан холбох боломжийг олгохын тулд зураг төсөлд суурилуулсан холбогч (1/4″-28 UNF утас) багтсан болно. Сувгийн хэмжээ нь тугалган материалын зузаан, түүний механик шинж чанар, хэт авиан шинжилгээнд ашигладаг холболтын параметрүүдээр хязгаарлагддаг. Өгөгдсөн материалын тодорхой өргөнтэй үед материал нь үүссэн суваг руу "уналт" хийх болно. Энэ тооцооллын тодорхой загвар одоогоор байхгүй тул өгөгдсөн материал болон дизайны хамгийн их сувгийн өргөнийг туршилтаар тодорхойлдог бөгөөд энэ тохиолдолд 750 µм өргөн нь унжилт үүсгэхгүй.
Сувгийн хэлбэр (дөрвөлжин)-г дөрвөлжин зүсэгч ашиглан тодорхойлно. Сувгийн хэлбэр, хэмжээг CNC машинууд дээр өөр өөр зүсэх багаж ашиглан өөрчилж, өөр өөр урсгалын хурд болон шинж чанарыг олж авч болно. 125 мкм багажаар муруй суваг үүсгэх жишээг Monaghan45-аас олж болно. Тугалган давхаргыг хавтгай түрхэхэд тугалган материалыг сувагт түрхэх нь хавтгай (дөрвөлжин) гадаргуутай болно. Энэ ажилд сувгийн тэгш хэмийг хадгалахын тулд дөрвөлжин контур ашигласан.
Үйлдвэрлэлийн программчилсан түр зогсолтын үед термопарын температурын мэдрэгч (K төрөл)-ийг дээд ба доод сувгийн бүлгүүдийн хооронд төхөөрөмжид шууд суурилуулдаг (Зураг 1 - 3-р үе шат). Эдгээр термопар нь -200-аас 1350 °C хүртэлх температурын өөрчлөлтийг хянаж чаддаг.
Металл тунадасжуулах процессыг UAM эвэр 25.4 мм өргөн, 150 микрон зузаантай металл тугалган цаас ашиглан гүйцэтгэдэг. Эдгээр тугалган цаасны давхаргууд нь барилгын талбайг бүхэлд нь хамрахын тулд хэд хэдэн зэргэлдээ тууз хэлбэрээр холбогдсон; хасалтын процесс нь эцсийн цэвэр хэлбэрийг бий болгодог тул тунадасжуулсан материалын хэмжээ нь эцсийн бүтээгдэхүүнээс том байна. CNC боловсруулалтыг тоног төхөөрөмжийн гадаад болон дотоод контурыг боловсруулахад ашигладаг бөгөөд үүний үр дүнд сонгосон хэрэгсэл болон CNC процессын параметрүүдтэй тохирох тоног төхөөрөмж болон сувгуудын гадаргуугийн өнгөлгөө үүсдэг (энэ жишээнд ойролцоогоор 1.6 µm Ra). Хэмжээст нарийвчлалыг хадгалах, дууссан хэсэг нь CNC нарийн тээрэмдэх нарийвчлалын түвшинд хүрэхийн тулд төхөөрөмжийн үйлдвэрлэлийн процессын туршид тасралтгүй, тасралтгүй хэт авианы материал шүрших болон боловсруулах циклийг ашигладаг. Энэ төхөөрөмжид ашигласан сувгийн өргөн нь тугалган цаасны материал шингэний сувагт "унахгүй" байхаар хангалттай жижиг тул суваг нь дөрвөлжин хөндлөн огтлолтой байдаг. Тугалган цаасны материалын боломжит цоорхой болон UAM процессын параметрүүдийг үйлдвэрлэлийн түнш (Fabrisonic LLC, АНУ) туршилтаар тодорхойлсон.
Судалгаагаар UAM нэгдлийн 46, 47-р интерфэйс дээр нэмэлт дулааны боловсруулалт хийлгүйгээр элементүүдийн тархалт бага байдаг тул энэ ажилд байгаа төхөөрөмжүүдийн хувьд Cu-110 давхарга нь Al 6061 давхаргаас өөр хэвээр байгаа бөгөөд эрс өөрчлөгддөг болохыг харуулсан.
Реакторын урсгалын дагуу 250 psi (1724 кПа) даралттай урьдчилан тохируулсан буцах даралтын зохицуулагч (BPR)-ийг суурилуулж, усыг реактороор 0.1-1 мл мин-1 хурдтайгаар шахна. Систем тогтмол тогтвортой даралтыг хадгалахын тулд реакторын даралтыг системд суурилуулсан FlowSyn даралтын дамжуулагч ашиглан хянасан. Урсгал реактор дахь потенциал температурын градиентийг реакторт суурилуулсан термопар болон FlowSyn чипийн халаалтын хавтан дээр суурилуулсан термопаруудын хоорондох зөрүүг хайж шалгасан. Үүнийг програмчлагдсан халуун хавтангийн температурыг 25 °C-ийн алхамаар 100-150 °C хооронд өөрчлөх, програмчлагдсан болон бүртгэгдсэн температурын хоорондох зөрүүг хянах замаар хийдэг. Үүнийг tc-08 өгөгдөл бүртгэгч (PicoTech, Кембриж, Их Британи) болон дагалдах PicoLog програм хангамжийг ашиглан хийсэн.
Фенилацетилен ба иодоэтаныг цикло нэмэлт урвалд оруулах нөхцлийг оновчтой болгосон (1-р схем - Фенилацетилен ба иодоэтаныг цикло нэмэлт урвалд оруулах, 1-р схем - Фенилацетилен ба иодоэтаныг цикло нэмэлт урвалд оруулах). Энэхүү оновчлолыг туршилтын бүрэн хүчин зүйлийн загвар (DOE) аргыг ашиглан гүйцэтгэсэн бөгөөд температур ба оршин тогтнох хугацааг хувьсагч болгон ашиглаж, алкин:азидын харьцааг 1:2-т тогтоов.
Натрийн азидын (0.25 М, 4:1 DMF:H2O), иодоэтан (0.25 М, DMF) болон фенилацетилений (0.125 М, DMF) тусдаа уусмалуудыг бэлтгэсэн. Уусмал бүрийн 1.5 мл аликвотыг хольж, хүссэн урсгалын хурд болон температурт реактороор шахаж гаргасан. Загварын хариу урвалыг триазолын бүтээгдэхүүний оргил хэсгийн фенилацетилений эхлэлийн материалтай харьцуулсан харьцаагаар авч, өндөр хүчин чадалтай шингэн хроматограф (HPLC) ашиглан тодорхойлсон. Шинжилгээний тогтвортой байдлын хувьд бүх урвалыг урвалын холимог реактороос гарсны дараа шууд авсан. Оновчтой болгохын тулд сонгосон параметрийн хүрээг Хүснэгт 2-т үзүүлэв.
Бүх дээжийг дөрөвдөгч насос, баганын зуух, хувьсах долгионы урттай хэт ягаан туяаны мэдрэгч болон автомат дээж авагчаас бүрдсэн Chromaster HPLC систем (VWR, PA, АНУ) ашиглан шинжилсэн. Багана нь 40°C-д хадгалагдсан 4.6 x 100 мм, 5 µm ширхэгийн хэмжээтэй Equivalence 5 C18 (VWR, PA, АНУ) байв. Уусгагч нь 1.5 мл·мин-1 урсгалын хурдтай 50:50 изократ метанол:ус байв. Тарилгын хэмжээ 5 µl, мэдрэгчийн долгионы урт нь 254 нм байв. DOE дээжийн % оргил талбайг зөвхөн үлдэгдэл алкин ба триазолын бүтээгдэхүүний оргил талбайгаас тооцоолсон. Эхлэх материалыг нэвтрүүлснээр харгалзах оргилуудыг тодорхойлох боломжтой болсон.
Реакторын шинжилгээний үр дүнг MODDE DOE програм хангамж (Umetrics, Малмо, Швед)-тэй хослуулснаар үр дүнгийн чиг хандлагын нарийвчилсан дүн шинжилгээ хийж, энэхүү цикло нэмэлтийн оновчтой урвалын нөхцлийг тодорхойлох боломжтой болсон. Суурилуулсан оновчлогчийг ажиллуулж, бүх чухал загварын нэр томьёог сонгосноор ацетилений түүхий эдийн оргил талбайг багасгахын зэрэгцээ бүтээгдэхүүний оргил талбайг хамгийн их байлгах зорилготой урвалын нөхцлийн багцыг бий болгодог.
Каталитик урвалын камерт зэсийн гадаргуугийн исэлдэлтийг триазолын нэгдэл бүрийн нийлэгжилтийн өмнө урвалын камераар урсах устөрөгчийн хэт исэл (36%) уусмал (урсгалын хурд = 0.4 мл мин-1, оршин тогтнох хугацаа = 2.5 мин) ашиглан гүйцэтгэсэн. номын сан.
Хамгийн оновчтой нөхцлийг тодорхойлсны дараа тэдгээрийг ацетилен ба галоалканы деривативуудын төрөлд хэрэглэж, жижиг синтезийн санг эмхэтгэж, улмаар эдгээр нөхцлийг илүү өргөн хүрээний боломжит урвалжуудад хэрэглэх боломжийг бий болгосон (Зураг 1). 2).
Натрийн азидын (0.25 М, 4:1 DMF:H2O), галогеналкануудын (0.25 М, DMF) болон алкинүүдийн (0.125 М, DMF) тусдаа уусмал бэлтгэнэ. Уусмал бүрийн 3 мл-ийн аликвотыг хольж, 75 мкл/мин хурдтай, 150°C температурт реактороор шахаж гаргана. Бүх эзэлхүүнийг шилэн саванд цуглуулж, 10 мл этил ацетатаар шингэлнэ. Дээжийн уусмалыг 3 x 10 мл усаар угаана. Усан давхаргыг нэгтгэж, 10 мл этил ацетатаар гаргаж аваад, дараа нь органик давхаргыг нэгтгэж, 3 × 10 мл давсны уусмалаар угааж, MgSO4 дээр хатааж, шүүж, дараа нь уусгагчийг вакуумд зайлуулна. Дээжийг HPLC, 1H NMR, 13C NMR болон өндөр нарийвчлалтай масс спектрометр (HR-MS)-ийн хослолоор шинжлэхийн өмнө этил ацетат ашиглан цахиурын гель баганын хроматографиар цэвэршүүлнэ.
Бүх спектрийг ESI-г ионжуулалтын эх үүсвэр болгон ашигласан Thermofischer Precision Orbitrap масс спектрометр ашиглан авсан. Бүх дээжийг ацетонитрилийг уусгагч болгон ашиглан бэлтгэсэн.
Хөнгөн цагаан суурьтай цахиурын хавтан дээр TLC шинжилгээ хийсэн. Хавтангуудыг хэт ягаан туяа (254 нм) эсвэл ваниллин будгаар будаж, халаах замаар дүрслэн харуулсан.
Бүх дээжийг авто дээж авагч, баганатай зуухтай хоёртын насос, нэг долгионы урт мэдрэгч бүхий VWR Chromaster систем (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) ашиглан шинжилсэн. ACE Equivalence 5 C18 багана (150 x 4.6 мм, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Шотланд) ашигласан.
Шингэрүүлсэн түүхий урвалын холимогоос (1:10 шингэрүүлэлт) шууд тарилга (5 мкл) хийж, ус:метанол (50:50 эсвэл 70:30)-аар шинжилсэн боловч зарим дээжийг 1.5 мл/мин урсгалын хурдтай 70:30 уусгагч систем (одны тоо гэж тэмдэглэсэн) ашиглан шинжилсэн. Баганыг 40°C-д байлгасан. Илрүүлэгчийн долгионы урт нь 254 нм байна.
Дээжийн оргил хэсгийн %-ийг зөвхөн триазолын бүтээгдэхүүн болох үлдэгдэл алкиний оргил хэсгийн талбайгаас тооцоолсон бөгөөд эхлэлийн материалыг нэвтрүүлснээр харгалзах оргилуудыг тодорхойлох боломжтой болсон.
Бүх дээжийг Thermo iCAP 6000 ICP-OES ашиглан шинжилсэн. Бүх тохируулгын стандартыг 2% азотын хүчилд (SPEX Certi Prep) 1000 ppm Cu стандарт уусмал ашиглан бэлтгэсэн. Бүх стандартыг 5% DMF болон 2% HNO3 уусмалд бэлтгэсэн бөгөөд бүх дээжийг DMF-HNO3 дээжийн уусмалаар 20 удаа шингэлсэн.
UAM нь эцсийн угсралтыг бий болгоход ашигласан металл тугалган цаасыг холбох арга болгон хэт авианы металл гагнуурыг ашигладаг. Хэт авианы металл гагнуур нь чичиргээт металл багаж (эвэр эсвэл хэт авианы эвэр гэж нэрлэдэг) ашиглан тугалган цаас/өмнө нь нэгтгэсэн давхаргад даралтыг өгч, материалыг чичиргээгээр холбодог/өмнө нь нэгтгэсэн. Тасралтгүй ажиллахын тулд sonotrode нь цилиндр хэлбэртэй бөгөөд материалын гадаргуу дээгүүр өнхрөж, бүх хэсгийг наадаг. Даралт болон чичиргээг хэрэглэх үед материалын гадаргуу дээрх исэлүүд хагарч болно. Тогтмол даралт болон чичиргээ нь материалын барзгар байдлыг устгахад хүргэдэг 36. Орон нутгийн дулаан болон даралттай нягт холбоо нь материалын интерфэйс дээр хатуу фазын холбоо үүсгэдэг; энэ нь мөн гадаргуугийн энергийг өөрчлөх замаар нэгдлийг дэмжиж чаддаг48. Холболтын механизмын мөн чанар нь бусад нэмэлт үйлдвэрлэлийн технологид дурдсан хувьсах хайлалтын температур болон өндөр температурын нөлөөлөлтэй холбоотой олон асуудлыг даван туулдаг. Энэ нь янз бүрийн материалын хэд хэдэн давхаргыг нэг нэгтгэсэн бүтэц болгон шууд холбох (өөрөөр хэлбэл гадаргуугийн өөрчлөлт, дүүргэгч эсвэл наалдамхай бодисгүйгээр) боломжийг олгодог.
CAM-ийн хоёр дахь таатай хүчин зүйл бол металл материалд бага температурт, өөрөөр хэлбэл металл материалын хайлах цэгээс хамаагүй доогуур ажиглагдсан хуванцар урсгалын өндөр түвшин юм. Хэт авианы чичиргээ болон даралтын хослол нь бөөн материалтай уламжлалт байдлаар холбоотой температурын мэдэгдэхүйц өсөлтгүйгээр орон нутгийн үр тарианы хил хязгаарын шилжилт хөдөлгөөн болон дахин талсжих өндөр түвшинг үүсгэдэг. Эцсийн угсралтыг бүтээх явцад энэ үзэгдлийг металл тугалган давхаргын хооронд давхаргаар идэвхтэй болон идэвхгүй бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг суулгахад ашиглаж болно. Оптик шилэн 49, арматур 46, электроник 50 болон термопар (энэ ажил) зэрэг элементүүдийг идэвхтэй болон идэвхгүй нийлмэл угсралтыг бий болгохын тулд UAM бүтцэд амжилттай нэгтгэсэн.
Энэхүү ажилд каталитик температурын хяналтад тохиромжтой микрореакторыг бий болгохын тулд материалын холболтын өөр өөр чадвар болон UAM интеркаляцийн чадварыг хоёуланг нь ашигласан.
Палладий (Pd) болон бусад түгээмэл хэрэглэгддэг металл катализаторуудтай харьцуулахад Cu катализ нь хэд хэдэн давуу талтай: (i) Эдийн засгийн хувьд Cu нь катализд ашиглагддаг бусад олон металлаас хямд бөгөөд химийн үйлдвэрт сонирхолтой сонголт болдог (ii) Cu-катализатортой хөндлөн холболтын урвалын хүрээ өргөжиж байгаа бөгөөд Pd51, 52, 53 дээр суурилсан арга зүйг зарим талаар нөхөж байгаа бололтой (iii) Cu-катализатортой урвал нь бусад лиганд байхгүй үед сайн ажилладаг. Эдгээр лигандууд нь ихэвчлэн бүтцийн хувьд энгийн бөгөөд хямд байдаг. Хэрэв хүсвэл Pd химийн салбарт ашигладаг нь ихэвчлэн нарийн төвөгтэй, үнэтэй, агаарт мэдрэмтгий байдаг. (iv) Cu, ялангуяа Соногаширын биметалл катализжуулсан холболт болон азидуудтай цикло нэмэлт (товшилтын хими) зэрэг синтезийн үед алкинүүдийг холбох чадвараараа алдартай (v) Cu нь Ульманн төрлийн урвалд зарим нуклеофилийн арилалтад хувь нэмэр оруулж чаддаг.
Саяхан Cu(0)-ийн оролцоотойгоор эдгээр бүх урвалын гетерогенжилтийн жишээг харуулсан. Энэ нь эмийн үйлдвэрлэл болон металл катализаторыг сэргээн засварлах, дахин ашиглахад улам бүр анхаарал хандуулж байгаатай холбоотой юм55,56.
1960-аад онд Хюйсген анх санал болгосон ацетилен ба азидын 1,2,3-триазолтой 1,3-диполяр цикло нэмэлт урвал57 нь синергетик үзүүлэх урвал гэж тооцогддог. Үүссэн 1,2,3 триазолын хэлтэрхий нь биологийн хэрэглээ болон янз бүрийн эмчилгээний бодисуудад ашиглагддаг тул эмийг нээхэд фармакофор болгон онцгой сонирхолтой байдаг58.
Шарплесс болон бусад эрдэмтэд "товшилтын хими" гэсэн ойлголтыг нэвтрүүлснээр энэ урвал дахин анхаарал татсан59. "Товшилтын хими" гэсэн нэр томъёог гетероатомын холбоо (CXC)60 ашиглан шинэ нэгдлүүдийг хурдан нийлэгжүүлэх болон комбинатор сангуудын бат бөх, сонгомол багц урвалыг тодорхойлоход ашигладаг. Эдгээр урвалын синтетик сэтгэл татам байдал нь тэдгээртэй холбоотой өндөр гарцтай холбоотой юм. Нөхцөл нь энгийн, хүчилтөрөгч болон усанд тэсвэртэй, бүтээгдэхүүнийг ялгахад хялбар61.
Сонгодог 1,3-диполийн Хьюсгений цикло нэмэлт нь "товшилтын хими" ангилалд ороогүй болно. Гэсэн хэдий ч Медаль болон Шарплесс нар энэхүү азид-алкин холболтын үйл явдал нь Cu(I)-ийн дэргэд 107–108 урвалд ордог бөгөөд каталитик бус 1,3-диполийн цикло нэмэлтийн хурд 62,63-ийн мэдэгдэхүйц хурдатгалтай харьцуулахад ажиглагдсан. Энэхүү дэвшилтэт урвалын механизм нь хамгаалалтын бүлгүүд эсвэл хатуу ширүүн урвалын нөхцөл шаарддаггүй бөгөөд 1,4-орлуулагчгүй 1,2,3-триазолууд (эсрэг-1,2,3-триазолууд)-д цаг хугацааны явцад бараг бүрэн хувиргалт болон сонгомол чанарыг өгдөг (Зураг 3).
Уламжлалт болон зэсээр катализжуулсан Хьюсген цикло нэмэлтүүдийн изометрийн үр дүн. Cu(I)-катализаторжуулсан Хьюсген цикло нэмэлтүүд нь зөвхөн 1,4-орлуулаагүй 1,2,3-триазолуудыг өгдөг бол дулаанаар өдөөгдсөн Хьюсген цикло нэмэлтүүд нь ихэвчлэн азолын стереоизомеруудын 1:1 холимог болох 1,4- ба 1,5-триазолуудыг өгдөг.
Ихэнх протоколууд нь CuSO4 эсвэл Cu(II)/Cu(0) нэгдлийг натрийн давстай хослуулан бууруулах зэрэг Cu(II)-ийн тогтвортой эх үүсвэрийг бууруулахтай холбоотой байдаг. Бусад металлын катализжуулсан урвалуудтай харьцуулахад Cu(I)-ийг ашиглах нь хямд бөгөөд зохицуулахад хялбар гэсэн гол давуу талуудтай.
Воррелл болон бусад судлаачдын хийсэн кинетик ба изотопын судалгаагаар терминалын алкинүүдийн хувьд хоёр эквивалент зэс нь азидын хувьд молекул бүрийн урвалд орох чадварыг идэвхжүүлэхэд оролцдог болохыг харуулсан. Санал болгож буй механизм нь азид нь σ-холбогдсон зэс ацетилидтэй π-холбогдсон зэсийг тогтвортой донор лиганд болгон зохицуулах замаар үүссэн зургаан гишүүнтэй зэс металл цагирагаар дамжин үргэлжилдэг. Зэсийн триазолилын деривативууд нь цагираг агшихын үр дүнд үүсдэг бөгөөд дараа нь протоны задрал явагдаж, триазолын бүтээгдэхүүн үүсч, каталитик мөчлөгийг хаадаг.
Урсгал химийн төхөөрөмжийн ашиг тусыг сайн баримтжуулсан боловч бодит цагийн процессын хяналтыг газар дээр нь хийхийн тулд эдгээр системд аналитик хэрэгслийг нэгтгэх хүсэл эрмэлзэл гарч ирсэн66,67. UAM нь шууд суулгагдсан мэдрэгч элементүүдтэй каталитик идэвхтэй, дулаан дамжуулагч материалаар хийсэн маш нарийн төвөгтэй 3D урсгалын реакторуудыг зохион бүтээх, үйлдвэрлэхэд тохиромжтой арга болох нь батлагдсан (Зураг 4).
Хөнгөн цагаан-зэс урсгалын реакторыг хэт авианы нэмэлт үйлдвэрлэл (UAM)-аар үйлдвэрлэсэн бөгөөд нарийн төвөгтэй дотоод сувгийн бүтэцтэй, суурилуулсан термопар болон каталитик урвалын камертай. Дотоод шингэний замыг дүрслэхийн тулд стереолитографи ашиглан хийсэн тунгалаг туршилтын загварыг мөн үзүүлэв.
Ирээдүйн органик урвалд зориулж реакторуудыг үйлдвэрлэхийн тулд уусгагчийг буцалгах цэгээс дээш аюулгүй халаах ёстой; тэдгээрийг даралт болон температурын туршилтаар шалгасан. Даралтын туршилтаар систем нь систем дэх өндөр даралттай (1.7 МПа) үед ч тогтвортой, тогтмол даралтыг хадгалж байгааг харуулсан. Гидростатик туршилтыг өрөөний температурт H2O-г шингэн болгон ашиглан хийсэн.
Суурилуулсан (Зураг 1) термопарыг температурын өгөгдөл бүртгэгчтэй холбоход термопарын температур FlowSyn систем дэх програмчлагдсан температураас 6 °C (± 1 °C) доогуур байгааг харуулсан. Ерөнхийдөө температур 10 °C-аар нэмэгдэх нь урвалын хурдыг хоёр дахин нэмэгдүүлдэг тул хэдхэн градусын температурын зөрүү нь урвалын хурдыг мэдэгдэхүйц өөрчилж чаддаг. Энэ зөрүү нь үйлдвэрлэлийн процесст ашигласан материалын өндөр дулааны тархалтаас болж RPV-ийн туршид температурын алдагдалтай холбоотой юм. Энэхүү дулааны зөрүү нь тогтмол бөгөөд урвалын явцад нарийвчлалтай температурт хүрч, хэмжиж байгаа эсэхийг баталгаажуулахын тулд тоног төхөөрөмжийг тохируулахдаа үүнийг анхаарч үзэх боломжтой. Тиймээс энэхүү онлайн хяналтын хэрэгсэл нь урвалын температурыг нарийн хянах боломжийг олгож, илүү нарийвчлалтай процессыг оновчтой болгох, оновчтой нөхцлийг боловсруулахад хувь нэмэр оруулдаг. Эдгээр мэдрэгчийг мөн экзотермик урвалыг илрүүлэх, том хэмжээний системд алдагдах урвалаас урьдчилан сэргийлэхэд ашиглаж болно.
Энэхүү өгүүлэлд танилцуулсан реактор нь химийн реактор үйлдвэрлэхэд UAM технологийг хэрэглэх анхны жишээ бөгөөд эдгээр төхөөрөмжийг AM/3D хэвлэхтэй холбоотой хэд хэдэн гол хязгаарлалтыг авч үзсэн болно. Үүнд: (i) Зэс эсвэл хөнгөн цагаан хайлшийг боловсруулахтай холбоотой тэмдэглэгдсэн асуудлуудыг даван туулах (ii) сонгомол лазер хайлуулах (SLM) зэрэг нунтаг давхаргын хайлуулах (PBF) аргуудтай харьцуулахад дотоод сувгийн нягтрал сайжирсан25,69 Материалын урсгал муу, барзгар гадаргуугийн бүтэц муу26 (iii) нунтаг давхаргын технологид боломжгүй мэдрэгчийг шууд холбоход хялбар болгодог боловсруулалтын температур бага, (v) янз бүрийн нийтлэг органик уусгагчдад полимер дээр суурилсан бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн механик шинж чанар муу, мэдрэг чанарыг даван туулах17,19.
Реакторын ажиллагааг тасралтгүй урсгалын нөхцөлд зэсээр катализжуулсан алкиназидын цикло нэмэлт урвалын цувралаар харуулсан (Зураг 2). Зураг 4-т үзүүлсэн хэт авианы хэвлэмэл зэс реакторыг арилжааны урсгалын системтэй нэгтгэж, натрийн хлоридын дэргэд ацетилен ба алкил бүлгийн галогенуудын температурын хяналттай урвалыг ашиглан янз бүрийн 1,4-орлуулшгүй 1,2,3-триазолуудын азидын санг нэгтгэхэд ашигласан (Зураг 3). Тасралтгүй урсгалын аргыг ашиглах нь багцын процесст үүсч болох аюулгүй байдлын асуудлыг бууруулдаг, учир нь энэ урвал нь өндөр урвалд ордог бөгөөд аюултай азидын завсрын бүтээгдэхүүнийг үүсгэдэг [317], [318]. Эхэндээ урвалыг фенилацетилен ба иодоэтаныг цикло нэмэлт урвалд оруулахад оновчтой болгосон (1-р схем - Фенилацетилен ба иодоэтаныг цикло нэмэлт урвалд оруулах) (Зураг 5-ыг үзнэ үү).
(Зүүн дээд талд) Фенилацетилен ба иодоэтан хоёрын хоорондох Huisgen 57 цикло нэмэлт схемийн оновчтой (доод) схемээс гаргаж авсан урсгалын системд (баруун дээд талд) 3DP реакторыг нэгтгэхэд ашигласан тохиргооны схемийг оновчлох, урвалын оновчтой хувиргах хурдны параметрүүдийг харуулах зорилгоор харуулав.
Реакторын каталитик хэсэгт урвалжуудын оршин тогтнох хугацааг хянаж, шууд суурилуулсан термопар мэдрэгч ашиглан урвалын температурыг сайтар хянаснаар урвалын нөхцлийг хамгийн бага цаг хугацаа, материалаар хурдан бөгөөд нарийвчлалтай оновчтой болгож болно. Хамгийн өндөр хувиргалтыг 15 минутын оршин тогтнох хугацаа, 150°C урвалын температурыг ашиглан хийсэн болохыг хурдан тогтоосон. MODDE програм хангамжийн коэффициентийн графикаас оршин тогтнох хугацаа болон урвалын температур хоёулаа загварын чухал нөхцөл гэж тооцогддог болохыг харж болно. Эдгээр сонгосон нөхцөлүүдийг ашиглан суурилуулсан оновчлогчийг ажиллуулах нь бүтээгдэхүүний оргил талбайг хамгийн их байлгахын зэрэгцээ эхлэлийн материалын оргил талбайг багасгах зорилготой урвалын нөхцөлийн багцыг бий болгодог. Энэхүү оновчлол нь триазолын бүтээгдэхүүний 53%-ийн хувиргалтыг бий болгосон бөгөөд энэ нь загварын 54%-ийн таамаглалтай яг таарч байна.