Nature.com сайтад зочилсонд баярлалаа. Таны ашиглаж буй хөтчийн хувилбар нь CSS-ийн дэмжлэг хязгаарлагдмал байна. Хамгийн сайн туршлагын тулд бид танд шинэчлэгдсэн хөтчийг ашиглахыг зөвлөж байна (эсвэл Internet Explorer дээр нийцтэй байдлын горимыг унтраах). Энэ хооронд бид үргэлжлүүлэн дэмжлэг үзүүлэхийн тулд сайтыг хэв маяг болон JavaScriptгүйгээр харуулах болно.
Нэмэлт үйлдвэрлэл нь судлаачид болон үйлдвэрлэгчдийн өөрсдийн тодорхой хэрэгцээг хангах химийн төхөөрөмжийг зохион бүтээх, үйлдвэрлэх арга барилыг өөрчилж байна. Энэхүү бүтээлдээ бид хатуу төлөвт металл хуудас ламинжуулах техникээр үүссэн урсгалын реакторын анхны жишээг каталитик эд анги, мэдрэгч элементүүдийг шууд нэгтгэсэн хэт авианы нэмэлт үйлдвэрлэл (UAM)-аар харуулав. UAM технологи нь химийн реакторын нэмэлт үйлдвэрлэлтэй холбоотой олон хязгаарлалтыг даван туулахаас гадна ийм төхөөрөмжийн чадавхийг мэдэгдэхүйц нэмэгдүүлдэг. Биологийн хувьд чухал ач холбогдолтой 1,4-орлуулшгүй 1,2,3-триазолын нэгдлүүдийн цувралыг UAM химийн тохиргоог ашиглан Cu-зуучлалтай Huisgen 1,3-диполяр цикло нэмэлт урвалаар амжилттай нэгтгэж, оновчтой болгосон. UAM болон тасралтгүй урсгалын боловсруулалтын өвөрмөц шинж чанаруудыг ашигласнаар төхөөрөмж нь үргэлжилж буй урвалыг хурдасгахаас гадна урвалын хяналт, оновчлолын 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 молекул үүсэхээс1 эхлээд эмийн нэгдлүүд2,3 болон байгалийн гаралтай бүтээгдэхүүн4,5,6 хүртэл үргэлжилдэг. Нарийн химийн болон эмийн үйлдвэрлэлийн урвалын 50 гаруй хувь нь тасралтгүй урсгалын боловсруулалтыг ашиглахаас ашиг хүртэх боломжтой7.
Сүүлийн жилүүдэд уламжлалт шилэн эдлэл эсвэл урсгалын химийн тоног төхөөрөмжийг өөрчлөн тохируулж болох нэмэлт үйлдвэрлэлийн (AM) химийн "урвалын сав"-аар солихыг эрмэлздэг бүлгүүдийн тоо нэмэгдэж байна8. Эдгээр техникүүдийн давталтын дизайн, хурдан үйлдвэрлэл, 3 хэмжээст (3D) чадвар нь төхөөрөмжөө тодорхой урвал, төхөөрөмж эсвэл нөхцөлд тохируулахыг хүсдэг хүмүүст ашигтай юм. Өнөөдрийг хүртэл энэхүү ажил нь бараг бүхэлдээ стереолитографи (SL)9,10,11, хайлуулсан тунадасны загварчлал (FDM)8,12,13,14 болон бэхэн тийрэлтэт хэвлэх 7, 15, 16 зэрэг полимер дээр суурилсан 3D хэвлэх техникийг ашиглахад чиглэгдсэн. Ийм төхөөрөмжүүдийн бат бөх чанар, олон төрлийн химийн урвал/шинжилгээ хийх чадвар дутмаг байгаа нь 17, 18, 19, 20 нь энэ салбарт AM-ийг өргөн хүрээнд хэрэгжүүлэх гол хязгаарлах хүчин зүйл болж байна17, 18, 19, 20.
Урсгалын химийн хэрэглээ нэмэгдэж, AM-тэй холбоотой таатай шинж чанаруудаас шалтгаалан хэрэглэгчдэд сайжруулсан химийн болон аналитик чадавхитай урсгалын урвалын сав үйлдвэрлэх боломжийг олгодог илүү дэвшилтэт техникийг судлах шаардлагатай байна. Эдгээр техникүүд нь хэрэглэгчдэд олон төрлийн урвалын нөхцлийг зохицуулах чадвартай, өндөр бат бөх эсвэл ажиллагаатай материалаас сонголт хийх боломжийг олгохоос гадна урвалын хяналт, хяналтыг хангахын тулд төхөөрөмжөөс янз бүрийн хэлбэрийн аналитик гаралтыг хөнгөвчлөх ёстой.
Захиалгат химийн реакторуудыг хөгжүүлэх боломжтой нэг нэмэлт үйлдвэрлэлийн процесс бол Хэт авианы нэмэлт үйлдвэрлэл (UAM) юм. Энэхүү хатуу төлөвт хуудас ламинжуулах арга нь нимгэн металл тугалган цаасыг хэт авианы хэлбэлзэлд оруулж, тэдгээрийг давхаргаар нь хамгийн бага хэмжээний халаалт, өндөр түвшний хуванцар урсгалаар холбодог 21, 22, 23. Бусад ихэнх AM технологиос ялгаатай нь UAM-ийг эрлийз үйлдвэрлэлийн процесс гэгддэг хасагдах үйлдвэрлэлтэй шууд нэгтгэж болох бөгөөд үүнд in situ үечилсэн компьютерийн тоон хяналт (CNC) тээрэмдэх эсвэл лазераар боловсруулах нь наалдсан материалын давхаргын цэвэр хэлбэрийг тодорхойлдог 24, 25. Энэ нь хэрэглэгч жижиг шингэний сувгуудаас үлдэгдэл түүхий эдийг зайлуулахтай холбоотой асуудлуудаар хязгаарлагдахгүй гэсэн үг бөгөөд энэ нь ихэвчлэн нунтаг болон шингэн AM системд тохиолддог 26, 27, 28. Энэхүү дизайны эрх чөлөө нь материалын сонголтуудад ч хамаатай - UAM нь дулааны хувьд ижил төстэй болон ялгаатай материалын хослолыг нэг процессын алхамаар холбож чаддаг. Хайлалтын процессоос гадна материалын хослолыг сонгох нь тодорхой хэрэглээний механик болон химийн шаардлагыг илүү сайн хангаж чадна гэсэн үг юм. Хатуу төлөвт холболтоос гадна өөр нэг үзэгдэл тулгардаг. Хэт авианы холбоо нь харьцангуй бага температурт хуванцар материалын өндөр урсгал юм29,30,31,32,33. UAM-ийн энэхүү өвөрмөц онцлог нь механик/дулааны элементүүдийг металл давхаргын хооронд гэмтэлгүйгээр суулгахад тусалдаг. UAM-ийн суулгагдсан мэдрэгч нь нэгдсэн аналитикийн тусламжтайгаар төхөөрөмжөөс хэрэглэгчдэд бодит цагийн мэдээллийг хүргэхэд тусалдаг.
Зохиогчдын өмнөх бүтээлүүд32 нь UAM процессын нэгдсэн мэдрэгчийн чадвартай металл 3D микрофлюидик бүтцийг бий болгох чадварыг харуулсан. Энэ бол зөвхөн хяналтын төхөөрөмж юм. Энэхүү өгүүлэлд UAM-аар үйлдвэрлэсэн микрофлюидик химийн реакторын анхны жишээг танилцуулж байна; энэ нь зөвхөн хянаад зогсохгүй бүтцийн хувьд нэгдсэн катализаторын материалаар дамжуулан химийн синтезийг өдөөдөг идэвхтэй төхөөрөмж юм. Энэхүү төхөөрөмж нь 3D химийн төхөөрөмж үйлдвэрлэхэд UAM технологитой холбоотой хэд хэдэн давуу талыг хослуулсан, тухайлбал: компьютерийн тусламжтайгаар дизайн (CAD) загвараас бүрэн 3D загварыг шууд бүтээгдэхүүн болгон хөрвүүлэх чадвар; өндөр дулаан дамжуулалт болон каталитик материалыг хослуулах олон материалын үйлдвэрлэл; мөн урвалын температурыг нарийн хянах, хянахын тулд урвалжийн урсгалын хооронд дулааны мэдрэгчийг шууд байрлуулах. Реакторын үйл ажиллагааг харуулахын тулд эмийн ач холбогдолтой 1,4-орлуулшгүй 1,2,3-триазолын нэгдлүүдийн санг зэсээр катализжуулсан Хуисген 1,3-диполяр цикло нэмэлтээр нийлэгжүүлсэн. Энэхүү бүтээл нь материалын шинжлэх ухаан болон компьютерийн тусламжтайгаар зохион бүтээх нь олон салбарын 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 цэвэршүүлэлтгүйгээр ашигласан. 400 MHz ба 100 MHz давтамжтайгаар бүртгэгдсэн 1H ба 13C NMR спектрүүдийг тус тус JEOL ECS-400 400 MHz спектрометр эсвэл Bruker Avance II 400 MHz спектрометр ашиглан, уусгагч болгон CDCl3 эсвэл (CD3)2SO ашиглан олж 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 материалуудаас судалж болно34,35,36,37. Төхөөрөмжийг (Зураг 1) хэт өндөр хүчин чадалтай, 9кВт SonicLayer 4000® UAM систем (Fabrisonic, OH, АНУ) ашиглан хэрэгжүүлсэн. Урсгалын төхөөрөмжийг үйлдвэрлэхэд сонгосон материалууд нь Cu-110 болон Al 6061 байв. Cu-110 нь зэсийн өндөр агууламжтай (хамгийн багадаа 99.9% зэс) тул зэсээр катализжуулсан урвалд сайн нэр дэвшигч болгодог тул микрореактор доторх "идэвхтэй давхарга" болгон ашигладаг. Al 6061O нь "бөөн" материал болгон ашиглагддаг бөгөөд шинжилгээнд ашигладаг шигтгээ давхарга; Хайлшийн туслах бүрэлдэхүүн хэсгийг шигтгээ болон Cu-110 давхаргатай хослуулсан хайлшийн нөхцөл. Al 6061O нь UAM-тай маш сайн нийцдэг болох нь батлагдсан материал юм. процессууд38, 39, 40, 41-ийг туршиж үзсэн бөгөөд энэ ажилд ашигласан урвалжуудтай химийн хувьд тогтвортой болох нь тогтоогдсон. Al 6061O-г Cu-110-тай хослуулан хэрэглэх нь UAM-д тохирох материалын хослол гэж тооцогддог тул энэхүү судалгаанд тохиромжтой материал юм. 38,42 Эдгээр төхөөрөмжийг доорх Хүснэгт 1-д жагсаасан болно.
Реакторын үйлдвэрлэлийн үе шатууд (1) Al 6061 суурь (2) Зэс тугалган цаасаар бэхэлсэн доод сувгийг үйлдвэрлэх (3) Давхаргуудын хооронд термопар суулгах (4) Дээд суваг (5) Оролт ба гаралт (6) Цул реактор.
Шингэний замын дизайны философи нь чип дотор шингэний туулах зайг нэмэгдүүлэхийн тулд мушгирсан замыг ашиглах бөгөөд чипийг удирдах боломжтой хэмжээнд байлгах явдал юм. Энэхүү зайг нэмэгдүүлэх нь катализатор/урвалжийн харилцан үйлчлэлийн хугацааг нэмэгдүүлж, бүтээгдэхүүний маш сайн гарцыг хангахад тохиромжтой. Чипүүд нь төхөөрөмжийн дотор турбулент холилдохыг өдөөж, шингэний гадаргуу (катализатор)-тай харьцах хугацааг нэмэгдүүлэхийн тулд шулуун замын төгсгөлд 90° нугалалтыг ашигладаг. Хүрч болох холилтыг цаашид нэмэгдүүлэхийн тулд реакторын загвар нь серпентин холих хэсэгт орохоос өмнө Y-уулзвар дээр нэгтгэсэн хоёр урвалжийн оролтыг агуулдаг. Урсгалыг оршин суух хугацаандаа дундуур нь огтолж буй гурав дахь оролтыг ирээдүйн олон шатлалт урвалын синтезийн зураг төсөлд оруулсан болно.
Бүх суваг нь дөрвөлжин профильтай (өнцгийн зураас байхгүй) бөгөөд энэ нь сувгийн геометрийг бий болгоход ашигласан үечилсэн CNC тээрэмдэлтийн үр дүн юм. Сувгийн хэмжээсийг (микрореакторын хувьд) өндөр эзэлхүүнтэй гаралтыг хангахын тулд сонгосон бөгөөд ихэнх шингэний гадаргуугийн харилцан үйлчлэлийг (катализатор) хөнгөвчлөхөд хангалттай бага байна. Тохиромжтой хэмжээг зохиогчдын урвалын металл-шингэн 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 нэгдсэн 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. Тухайн материалын тодорхой өргөн дээр материал нь үүсгэсэн суваг руу "уналт" хийх болно. Энэ тооцооллын тодорхой загвар одоогоор байхгүй тул тухайн материал болон дизайны хамгийн их сувгийн өргөнийг туршилтаар тодорхойлдог; энэ тохиолдолд 750 μм өргөн нь унжилт үүсгэхгүй.
Сувгийн хэлбэр (дөрвөлжин)-ийг дөрвөлжин зүсэгч ашиглан тодорхойлно. Сувгийн хэлбэр, хэмжээг CNC машинуудаар өөр өөр зүсэх багаж ашиглан өөр өөр урсгалын хурд болон шинж чанарыг олж авах замаар өөрчилж болно. 125 μм багаж ашиглан муруй хэлбэрийн суваг үүсгэх жишээг Monaghan45-ийн бүтээлээс олж болно. Тугалган давхаргыг хавтгай хэлбэрээр байрлуулахад сувгууд дээрх тугалган материалын давхарга нь хавтгай (дөрвөлжин) өнгөлгөөтэй болно. Энэ ажилд сувгийн тэгш хэмийг хадгалахын тулд дөрвөлжин тоймыг ашигласан.
Үйлдвэрлэлийн урьдчилан програмчлагдсан түр зогсолтын үед термопарын температурын датчикууд (K төрөл) нь төхөөрөмжийн дотор дээд ба доод сувгийн бүлгүүдийн хооронд шууд суулгагдсан байдаг (Зураг 1 - 3-р үе шат). Эдгээр термопарууд нь −200-аас 1350 °C хүртэлх температурын өөрчлөлтийг хянаж чаддаг.
Металл тунадасжуулалтын процессыг 25.4 мм өргөн, 150 микрон зузаантай металл тугалган цаас ашиглан UAM эвэр ашиглан гүйцэтгэдэг. Эдгээр тугалган давхаргыг барилгын талбайг бүхэлд нь хамрахын тулд хэд хэдэн зэргэлдээ тууз болгон холбодог; хасалтын процесс нь эцсийн цэвэр хэлбэрийг үүсгэдэг тул тунадасжуулсан материалын хэмжээ нь эцсийн бүтээгдэхүүнээс том байдаг. Тоног төхөөрөмжийн гадаад болон дотоод контурыг боловсруулахад CNC боловсруулалтыг ашигладаг бөгөөд үүний үр дүнд тоног төхөөрөмж болон сувгуудын гадаргуугийн өнгөлгөө нь сонгосон багаж болон CNC процессын параметрүүдтэй тэнцүү (энэ жишээнд ойролцоогоор 1.6 μm Ra) байна. Хэмжээст нарийвчлалыг хадгалах, дууссан хэсэг нь CNC өнгөлгөөний тээрэмдэх нарийвчлалын түвшинд хүрэхийн тулд төхөөрөмжийн үйлдвэрлэлийн процессын туршид тасралтгүй, тасралтгүй хэт авианы материал тунадасжуулалт болон боловсруулалтын циклийг ашигладаг. Энэ төхөөрөмжид ашигласан сувгийн өргөн нь тугалган материал нь шингэний суваг руу "унахгүй" байхаар хангалттай бага тул суваг нь дөрвөлжин хөндлөн огтлолыг хадгалдаг. Тугалган материал болон UAM процессын параметрүүдийн болзошгүй цоорхойг үйлдвэрлэлийн түнш (Fabrisonic LLC, АНУ) туршилтаар тодорхойлсон.
Судалгаагаар нэмэлт дулааны боловсруулалт хийлгүйгээр UAM холболтын интерфэйс 46, 47 дээр элементийн диффуз бага явагддаг болохыг харуулсан тул энэ ажилд хамрагдсан төхөөрөмжүүдийн хувьд Cu-110 давхарга нь Al 6061 давхаргаас ялгаатай хэвээр байгаа бөгөөд огцом өөрчлөгддөг.
Урьдчилан тохируулсан 250 psi (1724 кПа) буцах даралтын зохицуулагч (BPR)-ийг реакторын гаралтын хэсэгт суурилуулж, усыг реактороор 0.1-1 мл мин-1 хурдтайгаар шахна. Систем нь тогтмол тогтвортой даралтыг хадгалж чадах эсэхийг баталгаажуулахын тулд реакторын даралтыг FlowSyn-ийн суурилуулсан системийн даралтын мэдрэгч ашиглан хянасан. Урсгал реакторын температурын градиентийг реактор дотор суулгасан болон FlowSyn чип халаалтын хавтан дотор суулгасан термопаруудын хоорондох ялгааг тодорхойлж туршсан. Үүнийг програмчлагдах халуун хавтангийн температурыг 100-150 °C хооронд 25 °C-ийн алхамаар өөрчилж, програмчлагдсан болон бүртгэгдсэн температурын хоорондох ялгааг тэмдэглэснээр хийдэг. Үүнийг tc-08 өгөгдөл бүртгэгч (PicoTech, Кембриж, Их Британи) болон дагалдах PicoLog програм хангамж ашиглан хийсэн.
Фенилацетилен ба иодоэтанын цикло нэмэлт урвалын нөхцлийг оновчтой болгосон (1-р схем - Фенилацетилен ба иодоэтаныг цикло нэмэлтээр хийх 1-р схем - Фенилацетилен ба иодоэтаныг цикло нэмэлтээр хийх). Энэхүү оновчлолыг туршилтын бүрэн факториал загвар (DOE) аргаар гүйцэтгэсэн бөгөөд температур болон оршин тогтнох хугацааг хувьсах параметр болгон ашиглаж, алкин:азидын харьцааг 1:2-т тохируулсан.
Натрийн азид (0.25 М, 4:1 DMF:H2O), йодоэтан (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 шахсан. Загварын хариу урвалыг триазолын бүтээгдэхүүний фенилацетилений эхлэлийн материалын оргил талбайн харьцаа болгон авч, өндөр хүчин чадалтай шингэн хроматографи (HPLC)-аар тодорхойлсон. Шинжилгээний тогтвортой байдлыг хангахын тулд бүх урвалыг урвалын холимог реактороос гарсны дараа шууд дээж 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 × 100 мм хэмжээтэй, 5 µm ширхэгийн хэмжээтэй Equivalence 5 C18 (VWR, PA, АНУ) байв. Уусгагч нь 1.5 мл.мин-1 урсгалын хурдтай изократ 50:50 метанол: ус байв. Тарилгын хэмжээ 5 µL, илрүүлэгч долгионы урт нь 254 нм байв. DOE дээжийн % оргил талбайг зөвхөн үлдэгдэл алкин ба триазолын бүтээгдэхүүний оргил талбайгаас тооцоолсон. Эхлэх материалыг тарьснаар холбогдох оргилуудыг тодорхойлох боломжтой болно.
Реакторын шинжилгээний гаралтыг MODDE DOE програм хангамж (Umetrics, Малмо, Швед)-тэй холбосноор үр дүнгийн чиг хандлагыг нарийвчлан шинжилж, энэхүү цикло нэмэлтийн оновчтой урвалын нөхцлийг тодорхойлох боломжтой болсон. Суурилуулсан оновчлогчийг ажиллуулж, бүх чухал загварын нэр томьёог сонгосноор ацетилений эхлэлийн материалын оргил талбайг багасгахын зэрэгцээ бүтээгдэхүүний оргил талбайг хамгийн их байлгах зорилготой урвалын нөхцлийн багцыг гаргаж авсан.
Триазолын нэгдлийн сан бүрийг нийлэгжүүлэхээс өмнө урвалын камераар урсаж буй устөрөгчийн хэт исэл (36%)-ийн уусмал (урсгалын хурд = 0.4 мл мин-1, оршин тогтнох хугацаа = 2.5 мин) ашиглан каталитик урвалын камер доторх гадаргуугийн зэсийн исэлдэлтийг хийсэн.
Хамгийн оновчтой нөхцөлүүдийг тодорхойлсны дараа тэдгээрийг ацетилен ба галоалканы деривативуудын төрөлд хэрэглэж, жижиг номын сангийн синтезийг эмхэтгэж, улмаар эдгээр нөхцлийг илүү өргөн хүрээний боломжит урвалжуудад хэрэглэх чадварыг 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 аликвотыг хольж, 75 µL.min-1 ба 150 °C температурт реактороор шахаж гаргана. Нийт эзэлхүүнийг шилэн саванд хийж, 10 мл этил ацетатаар шингэлнэ. Дээжийн уусмалыг 3 × 10 мл усаар угаана. Усан давхаргыг хольж, 10 мл этил ацетатаар гаргаж авна; дараа нь органик давхаргыг хольж, 3 x 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 дээр баганын хроматографиар цэвэршүүлнэ.
Бүх спектрийг ионжуулалтын эх үүсвэр болгон ESI-г ашигласан Thermofischer нарийвчлалтай Orbitrap нягтралтай масс спектрометр ашиглан олж авсан. Бүх дээжийг ацетонитрилийг уусгагч болгон ашиглан бэлтгэсэн.
Хөнгөн цагаан суурьтай цахиурын хавтан дээр TLC шинжилгээ хийсэн. Хавтанг хэт ягаан туяа (254 нм) эсвэл ваниллин будах, халаах замаар дүрслэн харуулсан.
Бүх дээжийг авто дээж авагч, баганын зуухны хоёртын насос болон нэг долгионы уртын мэдрэгч бүхий VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) систем ашиглан шинжилсэн. Ашигласан багана нь ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4.6 мм, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Shotlandia) байв.
Тарилгыг (5 µL) шингэрүүлсэн түүхий урвалын холимогоос (1:10 шингэрүүлэлт) шууд хийж, ус:метанол (50:50 эсвэл 70:30)-аар шинжилсэн боловч зарим дээжийг 70:30 уусгагч системийг (одны тоогоор тэмдэглэсэн) 1.5 мл/мин урсгалын хурдаар ашигласан. Баганыг 40 °C-д байлгасан. Илрүүлэгчийн долгионы урт нь 254 нм байна.
Дээжийн оргил хэсгийн %-ийг зөвхөн триазолын бүтээгдэхүүнээс үлдэгдэл алкиний оргил хэсгийн талбайгаас тооцоолсон бөгөөд эхлэлийн материалыг тарьснаар холбогдох 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 уусмалд 20 дахин шингэлсэн.
UAM нь эцсийн угсралтыг хийхэд ашигладаг металл тугалган материалыг холбох арга болгон хэт авианы металл гагнуурыг ашигладаг. Хэт авианы металл гагнуур нь материалыг чичирч байхдаа холбох тугалган давхарга/өмнө нь нэгтгэсэн давхаргад даралт өгөхийн тулд чичиргээт металл багаж (эвэр эсвэл хэт авианы эвэр гэж нэрлэдэг) ашигладаг. Тасралтгүй ажиллахын тулд sonotrode нь цилиндр хэлбэртэй бөгөөд материалын гадаргуу дээгүүр өнхөрч, бүхэл бүтэн хэсгийг холбодог. Даралт болон чичиргээг хэрэглэх үед материалын гадаргуу дээрх исэлүүд хагарч болно. Үргэлжилсэн даралт болон чичиргээ нь материалын тэгш бус байдлыг нураахад хүргэдэг 36. Орон нутгийн өдөөгдсөн дулаан болон даралттай дотно холбоо барих нь материалын интерфэйс дээр хатуу төлөвт холбоо үүсгэдэг; энэ нь гадаргуугийн энергийн өөрчлөлтөөр дамжуулан наалдацыг дэмждэг48. Холболтын механизмын мөн чанар нь бусад нэмэлт үйлдвэрлэлийн техникүүдэд дурдсан хувьсах хайлалтын температур болон өндөр температурын дараах нөлөөллүүдтэй холбоотой олон асуудлыг даван туулдаг. Энэ нь янз бүрийн материалын олон давхаргыг нэг нэгтгэсэн бүтэц болгон шууд холбох (өөрөөр хэлбэл гадаргуугийн өөрчлөлт, дүүргэгч эсвэл цавуугүйгээр) боломжийг олгодог.
UAM-ийн хоёр дахь таатай хүчин зүйл бол металл материалд ажиглагдсан хуванцар урсгалын өндөр түвшин бөгөөд бага температурт, өөрөөр хэлбэл металл материалын хайлах цэгээс хамаагүй доогуур байдаг. Хэт авианы хэлбэлзэл ба даралтын хослол нь бөөн материалтай уламжлалт байдлаар холбоотой температурын огцом өсөлтгүйгээр орон нутгийн үр тарианы хил хязгаарын шилжилт хөдөлгөөн болон дахин талсжих өндөр түвшинг өдөөдөг. Эцсийн угсралтыг барих явцад энэ үзэгдлийг металл тугалган давхаргын хооронд давхаргаар идэвхтэй ба идэвхгүй бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг суулгахад ашиглаж болно. Оптик шилэн утас 49, арматур 46, электроник 50, термопар (энэ ажил) зэрэг элементүүдийг бүгдийг нь UAM бүтцэд амжилттай суулгаж, идэвхтэй ба идэвхгүй нийлмэл угсралтыг бий болгосон.
Энэхүү бүтээлд UAM-ийн янз бүрийн материалын холбоо болон интеркаляцийн боломжуудыг хоёуланг нь ашиглан каталитик температурын хяналтын микрореакторыг бүтээсэн.
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 боловсруулалтын салбарт сонирхолтой сонголт болдог. (ii) Cu-катализатортой хөндлөн холболтын урвалын хүрээ нэмэгдэж байгаа бөгөөд Pd дээр суурилсан арга зүйг зарим талаар нөхөж байгаа бололтой.51,52,53 (iii) Cu-катализатортой урвал нь бусад лиганд байхгүй үед сайн ажилладаг. Эдгээр лигандууд нь бүтцийн хувьд энгийн бөгөөд хүсвэл хямд байдаг бол Pd химийн салбарт ашигладаг урвалууд нь ихэвчлэн нарийн төвөгтэй, үнэтэй, агаарт мэдрэмтгий байдаг. (iv) Cu нь ялангуяа синтезийн явцад алкинүүдийг холбох чадвараараа алдартай. Жишээлбэл, хоёр металлаар катализжуулсан Соногаширын холболт ба азидуудтай цикло нэмэлт (товшилтын хими) (v)Cu нь Ульманн төрлийн урвалд хэд хэдэн нуклеофилийн арилалтад хувь нэмэр оруулах чадвартай.
Эдгээр бүх урвалын гетерогенжилтийн жишээг саяхан Cu(0)-ийн дэргэд харуулсан. Энэ нь эмийн үйлдвэрлэл болон металл катализаторыг нөхөн сэргээх, дахин ашиглахад улам бүр анхаарал хандуулж байгаатай холбоотой юм55,56.
1960-аад онд Хюйсген анхлан эхлүүлсэн57 бөгөөд ацетилен ба азидын хооронд 1,2,3-триазол үүсэх 1,3-диполяр цикло нэмэлт урвалыг синергетик үзүүлэх урвал гэж үздэг. Үүссэн 1,2,3 триазолын хэсгүүд нь биологийн хэрэглээ болон янз бүрийн эмчилгээний бодисуудад ашиглагддаг тул эмийг нээх салбарт фармакофорын хувьд онцгой сонирхолтой байдаг58.
Шарплесс болон бусад хүмүүс "товшилтын хими" гэсэн ойлголтыг нэвтрүүлснээр энэ урвал дахин анхаарал татаж эхэлсэн59. "Товчлолын хими" гэсэн нэр томъёог гетероатомын холбоос (CXC)60-аар дамжуулан шинэ нэгдлүүдийг хурдан нийлэгжүүлэх, комбинатор сангуудын бат бөх, найдвартай, сонгомол багц урвалыг тодорхойлоход ашигладаг. Эдгээр урвалын синтетик сэтгэл татам байдал нь тэдгээрийн холбогдох өндөр гарц, урвалын нөхцөл энгийн, хүчилтөрөгч ба усны эсэргүүцэл, бүтээгдэхүүнийг ялгах нь энгийн61 зэргээс үүдэлтэй.
Сонгодог Хуйсген 1,3-диполийн цикло нэмэлт нь "товшилтын хими" ангилалд хамаарахгүй. Гэсэн хэдий ч Медаль болон Шарплесс нар энэхүү азид-алкин холболтын үйл явдал нь катализлагдаагүй 1,3-диполийн цикло нэмэлт 62,63-ийн мэдэгдэхүйц хурдатгалтай харьцуулахад Cu(I)-ийн дэргэд 107-108-д ордог болохыг харуулсан. Энэхүү сайжруулсан урвалын механизм нь хамгаалалтын бүлгүүд эсвэл хатуу ширүүн урвалын нөхцөл шаарддаггүй бөгөөд 1,4-орлуулагчгүй 1,2,3-триазол (анти-1,2,3-триазол)-д бараг бүрэн хувиргалт болон сонгомол чанарыг цаг хугацааны хэмжүүрээр 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 үүсгэдэг бол дулаанаар өдөөгдсөн Хьюсген цикло нэмэлтүүд нь ихэвчлэн азолын стереоизомеруудын 1:1 холимог 1,4- ба 1,5-триазолуудыг үүсгэдэг.
Ихэнх протоколууд нь CuSO4 эсвэл Cu(II)/Cu(0) зүйлийн натрийн давстай хамт нэгдэх зэрэг тогтвортой Cu(II) 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 шошгололтын судалгаагаар терминалын алкинүүдийн хувьд хоёр эквивалент зэс нь молекул бүрийн азидын урвалд орох чадварыг идэвхжүүлэхэд оролцдог болохыг харуулсан. Санал болгож буй механизм нь азид болон σ-холбогдсон зэсийг тогтвортой донор лиганд болгон π-холбогдсон зэстэй уялдуулан үүссэн зургаан гишүүнтэй зэс металл цагирагаар дамжин үргэлжилдэг. Триазолил зэсийн уламжлалууд нь цагираг агших замаар үүсдэг бөгөөд дараа нь протоны задралаар триазолын бүтээгдэхүүн гаргаж, каталитик мөчлөгийг хаах замаар үүсдэг.
Урсгалын химийн төхөөрөмжийн ашиг тусыг сайн баримтжуулсан боловч эдгээр системд шугаман, газар дээр нь, процессын хяналт хийхэд зориулж аналитик хэрэгслийг нэгтгэх хүсэл эрмэлзэл байсаар ирсэн66,67. UAM нь шууд суулгагдсан мэдрэгч элементүүдтэй каталитик идэвхтэй, дулаан дамжуулагч материалаар хийгдсэн маш нарийн төвөгтэй 3 хэмжээст урсгалын реакторуудыг зохион бүтээх, үйлдвэрлэхэд тохиромжтой арга болох нь батлагдсан (Зураг 4).
Хэт авианы нэмэлт үйлдвэрлэл (UAM)-аар үйлдвэрлэсэн хөнгөн цагаан-зэс урсгалын реакторыг нарийн төвөгтэй дотоод сувгийн бүтэц, суулгагдсан термопар болон каталитик урвалын камертай. Дотоод шингэний замыг дүрслэхийн тулд стереолитографи ашиглан үйлдвэрлэсэн тунгалаг туршилтын загварыг мөн үзүүлэв.
Ирээдүйн органик урвалд зориулж реакторуудыг үйлдвэрлэхийн тулд уусгагчийг буцалгах цэгээс дээш аюулгүй халаах шаардлагатай; тэдгээрийг даралт болон температурын туршилтаар шалгасан. Даралтын туршилтаар системийн даралт нэмэгдсэн (1.7 МПа) үед ч систем тогтвортой, тогтмол даралтыг хадгалж байгааг харуулсан. Гидростатик туршилтыг өрөөний температурт H2O-г шингэн болгон ашиглан гүйцэтгэсэн.
Суулгагдсан (Зураг 1) термопарыг температурын өгөгдөл бүртгэгчтэй холбоход термопар нь FlowSyn систем дээрх програмчлагдсан температураас 6 °C (± 1 °C) хүйтэн байсан нь харагдаж байна. Ерөнхийдөө температур 10 °C-ээр нэмэгдэх нь урвалын хурдыг хоёр дахин нэмэгдүүлдэг тул хэдхэн градусын температурын зөрүү нь урвалын хурдыг мэдэгдэхүйц өөрчилж чаддаг. Энэ ялгаа нь үйлдвэрлэлийн процесст ашигласан материалын өндөр дулааны тархалтаас болж реакторын бие даяар температурын алдагдалтай холбоотой юм. Энэхүү дулааны зөрүү нь тогтвортой бөгөөд урвалын явцад нарийвчлалтай температурт хүрч, хэмжиж байгаа эсэхийг баталгаажуулахын тулд тоног төхөөрөмжийн тохиргоонд тооцож болно. Тиймээс энэхүү онлайн хяналтын хэрэгсэл нь урвалын температурыг хатуу хянах боломжийг олгож, илүү нарийвчлалтай процессыг оновчтой болгох, оновчтой нөхцлийг боловсруулахад тусалдаг. Эдгээр мэдрэгчийг мөн урвалын экзотермийг тодорхойлох, том хэмжээний системд алдагдах урвалаас урьдчилан сэргийлэхэд ашиглаж болно.
Энэхүү бүтээлд 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 хайлш боловсруулахтай холбоотой мэдээлсэн асуудлуудыг даван туулах; (ii) сонгомол лазер хайлуулах (SLM) зэрэг нунтаг давхаргын хайлш (PBF) техниктэй харьцуулахад дотоод сувгийн нягтралыг сайжруулах;25,69 Материалын урсгал муу, барзгар гадаргуугийн бүтэц муу;26 (iii) Боловсруулалтын температур буурсан нь мэдрэгчийг шууд холбоход тусалдаг бөгөөд энэ нь нунтаг давхаргын технологид боломжгүй юм; (v) полимер дээр суурилсан бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн механик шинж чанар муу, янз бүрийн нийтлэг органик уусгагчдад мэдрэмтгий байдлыг даван туулдаг;17,19.
Реакторын ажиллагааг тасралтгүй урсгалын нөхцөлд зэсээр катализжуулсан алкин азидын цикло нэмэлт урвалын цувралаар харуулсан (Зураг 2). Зураг 4-т дэлгэрэнгүй харуулсан хэт авианы хэвлэмэл зэсийн реакторыг арилжааны урсгалын системтэй нэгтгэж, натрийн хлоридын дэргэд ацетилен ба алкил бүлгийн галогенуудын температурын хяналттай урвалаар дамжуулан янз бүрийн 1,4-орлуулшгүй 1,2,3-триазолын номын сангийн азидуудыг нэгтгэхэд ашигласан (Зураг 3). Тасралтгүй урсгалын аргыг ашиглах нь багцын процесст үүсч болох аюулгүй байдлын асуудлыг багасгадаг, 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) (5-р зургийг үзнэ үү).
(Дээд зүүн талд) Фенилацетилен ба иодоэтан хоёрын хоорондох Хуйсгений цикло нэмэлт 57 схемийн оновчтой (доод) схемд олж авсан 3DP реакторыг урсгалын системд (дээд баруун талд) нэгтгэхэд ашигласан тохиргооны схемийг оновчлох болон оновчтой параметрүүдийн урвалын хувиргалтын хурдыг харуулах зорилгоор гаргаж авсан.
Реакторын каталитик хэсэгт урвалжуудын оршин тогтнох хугацааг хянаж, шууд нэгтгэсэн термопар датчик ашиглан урвалын температурыг нарийн хянаснаар урвалын нөхцлийг хамгийн бага хугацаа, материалын зарцуулалтаар хурдан бөгөөд нарийвчлалтай оновчтой болгож чадна. 15 минутын оршин тогтнох хугацаа, 150 °C урвалын температурыг ашиглахад хамгийн өндөр хувиргалтыг олж авсан болохыг хурдан тогтоосон. MODDE програм хангамжийн коэффициентийн графикаас харахад оршин тогтнох хугацаа болон урвалын температур хоёулаа чухал загварын нэр томьёо гэж тооцогддог болохыг харж болно. Эдгээр сонгосон нэр томьёог 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 54%-ийн загварын таамаглалтай маш сайн тохирч байна.
Эдгээр урвалуудад зэс(I) оксид (Cu2O) нь тэг валенттай зэсийн гадаргуу дээр үр дүнтэй каталитик төрөл зүйл болж чаддаг болохыг харуулсан уран зохиолд үндэслэн урсгалын урвал явуулахаас өмнө реакторын гадаргууг урьдчилан исэлдүүлэх чадварыг судалсан70,71. Дараа нь фенилацетилен ба йодоэтан хоёрын хоорондох урвалыг оновчтой нөхцөлд дахин хийж, гарцыг харьцуулсан. Энэхүү бэлтгэл нь эхлэлийн материалын хувиргалтыг мэдэгдэхүйц нэмэгдүүлсэн бөгөөд үүнийг >99% гэж тооцоолсон болохыг ажигласан. Гэсэн хэдий ч HPLC-ийн хяналтаар энэхүү хувиргалт нь хэт удаан үргэлжилсэн урвалын хугацааг ойролцоогоор 90 минут хүртэл мэдэгдэхүйц бууруулж, улмаар идэвхжил жигдэрч, "тогтвортой төлөв" болсон бололтой. Энэхүү ажиглалт нь каталитик идэвхжилийн эх үүсвэрийг тэг валенттай зэсийн суурь биш харин гадаргуугийн зэсийн оксидоос авдаг болохыг харуулж байна. Cu металл нь өрөөний температурт амархан исэлдэж, өөрийгөө хамгаалах давхарга биш CuO ба Cu2O үүсгэдэг. Энэ нь хамтын найрлагад туслах зэс(II) эх үүсвэр нэмэх шаардлагагүй болгодог71.