Nature.com сайтад зочилсонд баярлалаа. Таны ашиглаж буй хөтчийн хувилбар нь CSS-г хязгаарлагдмал дэмждэг. Хамгийн сайн ашиглахын тулд бид танд шинэчилсэн хөтөч ашиглахыг зөвлөж байна (эсвэл Internet Explorer дээр нийцтэй байдлын горимыг унтраах). Энэ хооронд үргэлжлүүлэн дэмжлэг үзүүлэхийн тулд бид сайтыг загвар болон JavaScript-гүй харуулах болно.
Нэмэлт үйлдвэрлэл нь судлаачид болон үйлдвэрлэгчид өөрсдийн хэрэгцээг хангахын тулд химийн төхөөрөмжийг зохион бүтээх, үйлдвэрлэх арга замыг өөрчилж байна. Энэ ажилд бид шууд нэгтгэсэн катализаторын хэсгүүд болон мэдрэгч элементүүд бүхий хатуу төлөвт металл хуудас цоолборлох техникээр үүсгэгдсэн урсгалын реакторын анхны жишээг танилцуулж байна. Одоогоор зөвхөн UAM-ийн химийн үйлдвэрлэлийн технологитой холбоотой олон тооны хязгаарлагдмал хүчин зүйлсийг нэмээд зогсохгүй. реактор, гэхдээ энэ нь ийм төхөөрөмжүүдийн чадавхийг эрс нэмэгдүүлдэг. Биологийн хувьд чухал 1,4-өөр орлуулсан 1,2,3-триазолын нэгдлүүдийг Cu-зуучлагдсан Huisgen 1,3-диполяр цикл ачааллын урвалаар амжилттай нийлэгжүүлж, оновчтой болгож, UAM химийн тохиргоог ашиглан UAM-ийн өвөрмөц шинж чанарыг тасралтгүй сайжруулж байна. үргэлжилж буй урвалыг хурдасгахын зэрэгцээ урвалын хяналт, оновчтой болгоход бодит цагийн санал хүсэлтийг өгөх.
Химийн нийлэгжилтийн сонгомол чанар, үр ашгийг нэмэгдүүлэх чадвараараа урсгал хими нь их хэмжээний аналогиасаа ихээхэн давуу талтай тул эрдэм шинжилгээний болон үйлдвэрлэлийн аль алинд нь чухал бөгөөд хөгжиж буй салбар юм. Энэ нь энгийн органик молекул үүсэх1-ээс эхлээд эмийн нэгдлүүд2,3, байгалийн бүтээгдэхүүн4,5,6 хүртэл үргэлжилдэг. Нарийн химийн болон эмийн үйлдвэрлэлийн 50 гаруй хувь нь тасралтгүй урсгалын боловсруулалтыг ашигласнаар үр шимийг хүртдэг.
Сүүлийн жилүүдэд уламжлалт шилэн эдлэл эсвэл урсгал химийн тоног төхөөрөмжийг өөрчлөн тохируулж болох нэмэлт үйлдвэрлэлийн химийн "реакцийн савнууд"-аар солихыг эрэлхийлж буй бүлгүүдийн хандлага нэмэгдэж байна8. Эдгээр техникүүдийн давтагдах загвар, хурдацтай үйлдвэрлэл, 3 хэмжээст (3D) чадварууд нь төхөөрөмжийнхөө үйл ажиллагааны тодорхой цаг хугацааг тохируулахыг хүссэн хүмүүст ашигтай юм. стереолитографи (SL)9,10,11, хайлуулсан хуримтлалын загварчлал (FDM)8,12,13,14, бэхэн хэвлэх 7, 15, 16 зэрэг полимерт суурилсан 3D хэвлэх техникийг ашиглахад зориулагдсан. Ийм төхөөрөмжүүдийн бат бөх чанар, олон төрлийн химийн урвалыг гүйцэтгэх чадвар дутмаг байдаг18,119, Энэ талбарт АМ-ыг өргөн хүрээнд хэрэгжүүлэхэд хязгаарлах хүчин зүйл17, 18, 19, 20 .
Урсгалын химийн хэрэглээ нэмэгдэж, AM-тай холбоотой таатай шинж чанаруудын улмаас хэрэглэгчдэд химийн болон аналитикийн чадвар сайтай урсацын урвалын савыг үйлдвэрлэх боломжийг олгодог илүү дэвшилтэт техникийг судлах шаардлагатай байна. Эдгээр техник нь хэрэглэгчдэд өргөн хүрээний урвалын нөхцөлийг зохицуулах чадвартай өндөр бат бөх, ажиллагаатай материалуудаас сонгох боломжийг олгохын зэрэгцээ урвалын үр дүнг хянах янз бүрийн хэлбэрийг хянах боломжийг олгоно. хяналт.
Захиалгат химийн реакторуудыг бий болгох боломжтой нэмэлт үйлдвэрлэлийн нэг процесс бол Хэт авианы нэмэлт үйлдвэрлэл (UAM). Хатуу төлөвт хуудас цоолборлох энэхүү техник нь нимгэн металл тугалган цаасыг давхаргаар нь хооронд нь холбохын тулд хэт авианы хэлбэлзлийг хамгийн бага хэмжээгээр халааж, хуванцар урсацын өндөр түвшинд ашигладаг. 24, 25, 25, 25, 24, 25. тээрэмдэх буюу лазерын боловсруулалт нь тээрэмдэх эсвэл лазерын боловсруулалт нь 24, 25-ийн давхаргын цэвэр хэлбэрийг тодорхойлдог эрлийз үйлдвэрлэлийн процесс гэж нэрлэгддэг хасах үйлдвэрлэлтэй нэгтгэгдсэн. системүүд26,27,28. Энэхүү дизайны эрх чөлөө нь боломжтой материалын сонголтуудад ч хамаатай – UAM нь дулааны хувьд ижил төстэй болон ялгаатай материалын хослолыг нэг процессын шатанд холбож чаддаг. Хайлуулах процессоос гадна материалын хослолыг сонгох нь тодорхой хэрэглээний механик болон химийн хэрэгцээг илүү сайн хангаж чадна гэсэн үг юм. Хатуу төлөвт холбохоос гадна харьцангуй бага хуванцар үүсэх үед материалын хэт бага урсах үед тохиолддог өөр нэг үзэгдэл юм. температур29,30,31,32,33. UAM-ийн энэхүү өвөрмөц онцлог нь механик/дулааны элементүүдийг эвдрэлгүйгээр металл давхаргын хооронд суулгахад тусалдаг.UAM суулгагдсан мэдрэгч нь нэгдсэн аналитикаар дамжуулан төхөөрөмжөөс бодит цагийн мэдээллийг хэрэглэгчдэд хүргэх боломжийг олгодог.
Зохиогчдын өмнөх ажил32 нь UAM процессын нэгдсэн мэдрэгч бүхий 3 хэмжээст бичил шингэн бүтцийг бий болгох чадварыг харуулсан. Энэ нь зөвхөн мониторинг хийх төхөөрөмж юм. Энэхүү баримт бичигт UAM-ийн үйлдвэрлэсэн бичил шингэн химийн реакторын анхны жишээг толилуулж байна; Энэ нь зөвхөн хянаад зогсохгүй бүтцийн хувьд нэгдсэн катализаторын материалаар дамжуулан химийн нийлэгжилтийг өдөөдөг идэвхтэй төхөөрөмж. Энэхүү төхөөрөмж нь 3D химийн төхөөрөмж үйлдвэрлэх UAM технологитой холбоотой хэд хэдэн давуу талуудыг нэгтгэдэг, тухайлбал: компьютерийн тусламжтай дизайн (CAD) загвараас бүрэн 3D загварыг шууд бүтээгдэхүүн болгон хувиргах чадвар; өндөр дулаан дамжуулалт ба катализаторын материалыг хослуулах олон төрлийн материал үйлдвэрлэх; урвалын температурыг нарийн хянах, хянах зорилгоор дулааны мэдрэгчийг урвалжийн урсгалын хооронд шууд суулгасан. Реакторын үйл ажиллагааг харуулахын тулд эмийн чухал ач холбогдолтой 1,4-өөр орлуулсан 1,2,3-триазолын нэгдлүүдийн номын санг зэсийн катализтай Huisgen 1,3-диполярчлалын шинжлэх ухааны өндөр ачаалалтай материалаар нийлэгжүүлсэн. компьютерийн тусламжтай дизайн нь олон талт судалгаа хийх замаар химийн салбарт шинэ боломж, боломжийг нээж өгч чадна.
Бүх уусгагч болон урвалжуудыг Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI эсвэл Fischer Scientific-ээс худалдаж авсан бөгөөд урьдчилан цэвэршүүлэхгүйгээр ашигласан. 400 МГц ба 100 МГц-т бүртгэгдсэн 1H ба 13C NMR спектрийг JEOL ECS-400 MHz Avtrometer 400 эсвэл Bruker II 400 ашиглан авсан. спектрометр ба CDCl3 эсвэл (CD3)2SO-г уусгагч болгон. Бүх урвалыг Uniqsis FlowSyn урсгалын химийн платформ ашиглан гүйцэтгэсэн.
Энэхүү судалгаанд бүх төхөөрөмжийг үйлдвэрлэхэд UAM ашигласан. Технологийг 1999 онд зохион бүтээсэн бөгөөд түүний техникийн дэлгэрэнгүй мэдээлэл, ашиглалтын параметрүүд болон шинэ бүтээл гарснаас хойшхи хөгжлийг дараах хэвлэгдсэн материалуудаар судлах боломжтой34,35,36,37. Төхөөрөмжийг (Зураг 1) хэт өндөр хүчин чадалтай, 9кВт-ын SonicLayer® UAMF (USA, OH00ABonic) материал ашиглан хэрэгжүүлсэн. Урсгалын төхөөрөмжийг үйлдвэрлэхэд Cu-110 ба Al 6061 сонгосон. Cu-110 нь зэсийн өндөр агууламжтай (хамгийн багадаа 99.9% зэс) бөгөөд энэ нь зэсийн катализаторын урвалд сайн тохирдог тул "микрореактор доторх идэвхтэй давхарга" болгон ашигладаг. Cu-110 давхаргатай хослуулсан, шингээх нөхцөл Al 6061 O нь UAM процессуудтай38, 39, 40, 41 нийцдэг нь батлагдсан материал бөгөөд энэ ажилд ашигласан урвалжуудтай химийн хувьд тогтвортой байдаг тул Al 6061 O-ийн хослолыг Cu-10-тай хослуулан хэрэглэхэд тохиромжтой гэж үздэг. судалгаа 38,42 Эдгээр төхөөрөмжүүдийг доорх Хүснэгт 1-д жагсаасан болно.
Реакторын үйлдвэрлэлийн үе шатууд (1) Al 6061 субстрат (2) Доод сувгийг зэс тугалган цаасаар хийх (3) Давхаргын хооронд термопар суулгах (4) Дээд суваг (5) Оролтын ба гаралтын (6) Монолит реактор.
Шингэний замын дизайны философи нь чипийг зохицуулах хэмжээтэй байлгахын зэрэгцээ чип доторх шингэний аялах зайг нэмэгдүүлэхийн тулд мушгирсан замыг ашиглах явдал юм. Энэ зайг нэмэгдүүлэх нь катализатор/урвалжийн харилцан үйлчлэлийн хугацааг нэмэгдүүлж, бүтээгдэхүүний маш сайн гарцыг хангахад чиглэгддэг. Чипсүүд нь шулуун замын төгсгөлд 90° нугалж, шингэний гадаргуутай холилдох цагийг өдөөж, шингэнтэй холих хугацааг ихэсгэдэг44 (катализатор).Холдож болох холимгийг цаашид нэмэгдүүлэхийн тулд реакторын загвар нь могой холих хэсэгт орохын өмнө Y-уулзвар дээр хосолсон хоёр урвалж оролтыг харуулж байна. Гурав дахь оролт нь урсацын дундуур хөндлөн огтлолцдог бөгөөд ирээдүйн олон шатлалт урвалын синтезийн загварт багтсан болно.
Бүх сувгууд нь дөрвөлжин хэлбэртэй (ноорог өнцөггүй) бөгөөд энэ нь сувгийн геометрийг бий болгоход ашигладаг CNC-ийн үе үе тээрэмдэх үр дүн юм. Сувгийн хэмжээсүүд нь өндөр (микрореакторын хувьд) эзлэхүүний гаралтыг хангахын тулд сонгосон бөгөөд агуулагдах шингэний ихэнх хэсгийн гадаргуугийн харилцан үйлчлэлийг (катализатор) хөнгөвчлөх хангалттай жижиг хэмжээтэй байна. Тохиромжтой хэмжээсийг зохиогчдын өнгөрсөн үеийн металлын урвалын сувгийн туршлага дээр үндэслэсэн болно. 750 μm x 750 µm, нийт реакторын хэмжээ 1 мл байсан. Төхөөрөмжийг арилжааны химийн төхөөрөмжтэй хялбар холбох боломжийг олгохын тулд нэгдсэн холбогчийг (1/4″—28 UNF утас) загварт оруулсан болно. Сувгийн хэмжээ нь тугалган материалын зузаан, түүний механик шинж чанар, хэт авианы тусламжтайгаар холбох параметрүүдээр хязгаарлагддаг. Өгөгдсөн материалын тодорхой өргөнтэй үед материал нь үүсгэсэн суваг руу "унжих" болно. Одоогоор энэ тооцоонд зориулсан тусгай загвар байхгүй тул тухайн материал, дизайны хамгийн их сувгийн өргөнийг туршилтаар тодорхойлно; энэ тохиолдолд 750 мкм-ийн өргөн нь унжилт үүсгэхгүй.
Сувгийн хэлбэрийг (дөрвөлжин) дөрвөлжин зүсэгч ашиглан тодорхойлно. Сувгуудын хэлбэр, хэмжээг CNC машин ашиглан өөр өөр урсгалын хурд, шинж чанарыг олж авахын тулд өөр өөр зүсэх багаж ашиглан өөрчилж болно. 125 μм багаж ашиглан муруй хэлбэртэй суваг үүсгэх жишээг Монахан45-ийн бүтээлээс харж болно. Тугалган давхаргыг хавтгай хэв маягийн суваг дээр байрлуулахад хавтгай хэв маягийн материал дээр тугалган цаас үүснэ. (дөрвөлжин) өнгөлгөө. Энэ ажилд сувгийн тэгш хэмийг хадгалахын тулд дөрвөлжин тоймыг ашигласан.
Үйлдвэрлэлд урьдчилан програмчлагдсан завсарлагааны үед термопарын температурын мэдрэгчийг (Төрөл K) дээд ба доод сувгийн бүлгүүдийн хооронд шууд төхөөрөмжид суулгадаг (Зураг 1 - 3-р шат). Эдгээр термопарууд нь -200-аас 1350 ° C хүртэлх температурын өөрчлөлтийг хянах боломжтой.
Металл хуримтлуулах процессыг 25.4 мм өргөн, 150 микрон зузаантай металл тугалган цаас ашиглан UAM эвэрээр гүйцэтгэдэг. Эдгээр тугалган давхаргууд нь барилгын талбайг бүхэлд нь хамрахын тулд хэд хэдэн зэргэлдээ тууз болгон холбодог; Хасах үйл явц нь эцсийн цэвэр хэлбэрийг бий болгодог тул хадгалсан материалын хэмжээ нь эцсийн бүтээгдэхүүнээс том байна. CNC боловсруулалтыг тоног төхөөрөмжийн гадаад ба дотоод контурыг боловсруулахад ашигладаг бөгөөд ингэснээр сонгосон хэрэгсэл болон CNC процессын параметрүүдтэй тэнцэх тоног төхөөрөмж, сувгийн гадаргуугийн өнгөлгөө (энэ жишээнд ойролцоогоор 1.6 μm Ra) гарч ирдэг). хэмжээсийн нарийвчлалыг хангахын тулд үйлдвэрлэлийн үйл явц ба эцсийн хэсэг нь CNC өнгөлгөөний тээрэмдэх нарийвчлалын түвшинг хангана. Энэ төхөөрөмжид ашигласан сувгийн өргөн нь тугалган материал нь шингэний суваг руу "унадаггүй" тул суваг нь дөрвөлжин хөндлөн огтлолыг хадгалж байдаг. Тугалган материал болон UAM процессын параметрүүд дэх боломжит цоорхойг АНУ-ын мэргэжилтэн туршилтаар тодорхойлсон.
Судалгаанаас үзэхэд UAM холболтын интерфейс 46, 47 дээр нэмэлт дулааны боловсруулалт хийлгүйгээр бага зэрэг элементийн тархалт явагддаг тул энэ ажлын төхөөрөмжүүдийн хувьд Cu-110 давхарга нь Al 6061 давхаргаас ялгаатай хэвээр байгаа бөгөөд огцом өөрчлөгддөг.
Урьдчилан тохируулсан 250 psi (1724 кПа) арын даралт зохицуулагчийг (BPR) реакторын гаралтын хэсэгт суурилуулж, реактороор 0.1-1 мл мин-1 хурдтайгаар ус шахна. Систем нь урсгалын температурыг тогтвортой байлгаж, дахин градирсан даралтыг хадгалж чадах эсэхийг шалгахын тулд FlowSyn систем дэх даралтын мэдрэгчийг ашиглан реакторын даралтыг хянаж байсан. реактор дотор суулгасан термопар болон FlowSyn чип халаалтын хавтан дотор суулгагдсан термопаруудын хооронд ямар нэгэн ялгааг тодорхойлох замаар. Энэ нь програмчлагдсан халаагуурын температурыг 100-аас 150 ° C-ийн хооронд 25 ° С-ийн алхмаар өөрчилж, програмчлагдсан болон бүртгэгдсэн температурын ялгааг тэмдэглэснээр хүрдэг. Их Британи) болон дагалдах PicoLog програм хангамж.
Фенилацетилен ба иодоэтаны цикл ачааллын урвалын нөхцөлийг оновчтой болгосон (Схем 1- Фенилацетилен ба иодоэтаны цикл ачааллын схем 1- Фенилацетилен ба иодоэтаны цикл ачаалал). Энэхүү оновчлолыг туршилтын хүчин зүйлийн бүрэн хүчин зүйлийн загвар, температурын өөрчлөлт, цаг хугацааны өөрчлөлтийг ашиглан гүйцэтгэсэн. алкин:азидын харьцааг 1:2-оор тогтооно.
Натрийн азидын (0.25 М, 4: 1 DMF: H2O), иодэтан (0.25 М, DMF), фенилацетилен (0.125 М, DMF) тус тусад нь уусмал бэлтгэсэн. Уусмал тус бүрээс 1.5 мл аликвотыг хольж, реактороор шахаж, хүссэн температурын хариу урвалын хурдыг пеаколын бүтээгдэхүүний харьцаагаар авсан. фенилацетилений эхлэл материал ба өндөр үзүүлэлттэй шингэн хроматографаар (HPLC) тодорхойлогддог. Шинжилгээний тууштай байхын тулд урвалын хольцыг реактороос гарсны дараа л бүх урвалыг дээж авсан. Оновчлохоор сонгосон параметрийн мужийг Хүснэгт 2-т үзүүлэв.
Бүх дээжийг дөрөвдөгч насос, баганын зуух, хувьсах долгионы урттай хэт ягаан туяаны детектор, автомат дээж авах төхөөрөмжөөс бүрдсэн Chromaster HPLC систем (VWR, PA, АНУ) ашиглан шинжилсэн. Багана нь эквивалент 5 C18 (VWR, PA, АНУ) байсан, 4.6 × 100 мм хэмжээтэй, 5 ° мкм хэмжээтэй хэсгүүдийн хэмжээ 4.0 мкм байна. изократик 50:50 метанол: 1.5 мл.мин-1 урсгалын хурдтай ус. Тарилгын хэмжээ 5 мкл, детекторын долгионы урт 254 нм. ТМБ дээжийн %-ийн оргил талбайг үлдэгдэл алкин болон триазолын оргил хэсгүүдээс тооцоолсон бөгөөд зөвхөн холбогдох материалын оргил үеийг бий болгохыг зөвшөөрдөг.
Реакторын шинжилгээний гаралтыг MODDE DOE программ хангамжтай (Umetrics, Malmö, Швед) холбосноор үр дүнгийн чиг хандлагыг нарийвчлан шинжлэх, энэ цикл ачааллын урвалын оновчтой нөхцлийг тодорхойлох боломжтой болсон. Суурилуулсан оновчтой тохируулагчийг ажиллуулж, загварын бүх чухал нэр томъёог сонгох нь материалын оргил үеийг багасгахын зэрэгцээ материалын оргил эхлэх талбайг нэмэгдүүлэх зорилготой урвалын багц нөхцлүүдийг гаргадаг.
Катализаторын урвалын камер доторх гадаргуугийн зэсийн исэлдэлтийг триазолын нэгдлүүдийн номын сан бүрийг нийлэгжүүлэхээс өмнө урвалын камераар урсаж буй устөрөгчийн хэт ислийн уусмал (36%) (урсгалын хурд = 0.4 мл мин-1, оршин суух хугацаа = 2.5 мин) ашиглан хийсэн.
Нөхцөлүүдийн оновчтой багцыг тодорхойлсны дараа тэдгээрийг ацетилен болон галоалканы деривативын хүрээнд хэрэглэснээр жижиг номын сангийн синтезийг эмхэтгэх боломжийг олгож, улмаар эдгээр нөхцлийг илүү өргөн хүрээний боломжит урвалжуудад хэрэглэх чадварыг бий болгосон (Зураг 1).2).
Натрийн азидын уусмал (0.25 М, 4:1 DMF:H2O), галоалкан (0.25 М, DMF) ба алкины (0.125 М, DMF) тус тусад нь уусмал бэлтгэнэ. Уусмал тус бүрээс 3 мл аликвотыг хольж, реактороор 75 мкл.мин-1-т шахаж, нийт эзэлхүүнийг 150С-т шингэлнэ. 10 мл этил ацетат. Дээжний уусмалыг 3 × 10 мл усаар угаана. Усан давхаргыг нэгтгэж, 10 мл этил ацетатаар гаргаж авсан; Дараа нь органик давхаргыг нэгтгэж, 3 х 10 мл давсны уусмалд угааж, MgSO4 дээр хатааж, шүүж, дараа нь уусгагчийг вакуумд зайлуулсан. Дээжийг HPLC, 1H NMR, 13C масометрийн (HMR ба өндөр нягтралтай) хослуулан шинжлэхийн өмнө цахиур гель дээр баганын хроматографийн аргаар цэвэршүүлсэн.
Бүх спектрийг иончлолын эх үүсвэр болгон ESI бүхий Thermofischer нарийвчлалтай Orbitrap нарийвчлалтай масс спектрометр ашиглан авсан. Бүх дээжийг уусгагч болгон ацетонитрил ашиглан бэлтгэсэн.
TLC шинжилгээг хөнгөн цагаанаар бүрхэгдсэн цахиурын ялтсууд дээр хийсэн. Хэт ягаан туяа (254 нм) эсвэл ваниллинээр будаж, халаах замаар ялтсуудыг дүрсэлсэн.
Бүх дээжийг автомат дээж авах төхөөрөмж, баганын зуухны хоёртын насос болон нэг долгионы урттай детектороор тоноглогдсон VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, Их Британи) систем ашиглан шинжилсэн. Ашигласан багана нь ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4.6 мм, Advanced Chromatography Technologies, Aberlanddeco, Ltd.).
Тарилгыг (5 мкл) шингэрүүлсэн түүхий урвалын хольцоос (1:10 шингэрүүлэлт) шууд хийж, ус: метанолоор (50:50 эсвэл 70:30) шинжилж, зарим дээжийг 70:30 уусгагчийн систем (одоор тэмдэглэсэн) 1.5 мл/мин урсгалын хурдаар хийсэн. nm.
Дээжний %-ийн оргил талбайг үлдэгдэл алкины оргил талбайгаас зөвхөн триазолын бүтээгдэхүүнээс тооцсон бөгөөд эхлэлийн материалыг тарьснаар холбогдох оргилуудыг тодорхойлох боломжтой болсон.
Бүх дээжийг Thermo iCAP 6000 ICP-OES ашиглан шинжлэв. Бүх шалгалт тохируулгын стандартыг 2% азотын хүчил (SPEX Certi Prep) дахь 1000 ppm Cu стандарт уусмалыг ашиглан бэлтгэсэн. Бүх стандартыг 5% DMF болон 2% HNO3 уусмалаар бэлтгэсэн бөгөөд бүх дээжийг DMF-H дээжийн уусмалаар дахин шингэлсэн.
UAM нь эцсийн угсралтыг барихад ашигласан металл тугалган материалыг холбох арга болгон хэт авианы металл гагнуурыг ашигладаг. Хэт авианы металл гагнуур нь тугалган давхаргад даралт үзүүлэхийн тулд чичиргээт металл хэрэгслийг (эвэр эсвэл хэт авианы эвэр гэж нэрлэдэг) ашигладаг. материал, талбайг бүхэлд нь холбодог.Даралт болон чичиргээний нөлөөгөөр материалын гадаргуу дээрх исэлүүд хагарах боломжтой. Үргэлжилсэн даралт болон чичиргээ нь материалын тэгш бус байдлыг нураахад хүргэдэг 36 .Орон нутгийн өдөөгдсөн дулаан, даралттай дотно холбоо барих нь материалын интерфэйс дээр хатуу төлөвт наалддаг; Энэ нь мөн гадаргуугийн энергийн өөрчлөлтөөр наалдахад тусалж чадна48. Холболтын механизмын мөн чанар нь бусад нэмэлтийн үйлдвэрлэлийн техникт дурдсан хайлмал температурын хувьсах температур, өндөр температурын дараах нөлөөлөлтэй холбоотой олон асуудлыг даван туулдаг. Энэ нь янз бүрийн материалыг нэг бүтэц болгон шууд холбох (гадаргын өөрчлөлт, дүүргэгч, цавуугүйгээр) боломжийг олгодог.
UAM-ийн хоёрдахь таатай хүчин зүйл бол металл материалд бага температурт, өөрөөр хэлбэл металлын хайлах цэгээс нэлээд доогуур түвшинд ажиглагдаж буй хуванцар урсгалын өндөр түвшин юм. Хэт авианы хэлбэлзэл ба даралтын хослол нь их хэмжээний температурын өсөлтгүйгээр орон нутгийн үр тарианы хилийн шилжилт, дахин талстжилтыг их хэмжээгээр өдөөдөг. Металл тугалган цаасны давхаргын хооронд идэвхтэй болон идэвхгүй бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг давхаргаар нь суулгана. Оптик утас 49, арматур 46, электроник 50, термопар (энэ ажил) зэрэг элементүүдийг идэвхтэй болон идэвхгүй нийлмэл угсралтуудыг бий болгохын тулд UAM бүтцэд амжилттай суулгасан.
Энэ ажилд UAM-ийн янз бүрийн материалыг холбох болон харилцан уялдаатай байх боломжийг хоёуланг нь катализаторын температурын хяналтын микрореакторыг бий болгоход ашигласан.
Палладий (Pd) болон бусад өргөн хэрэглэгддэг металлын катализатортой харьцуулахад Cu катализ нь хэд хэдэн давуу талтай: (i) Эдийн засгийн хувьд Cu нь катализ хийхэд ашигладаг бусад олон металлаас хямд бөгөөд химийн боловсруулалтын үйлдвэрлэлийн хувьд сонирхол татахуйц сонголт юм (ii) Cu-катализаторын хөндлөн холболтын урвалын хүрээ улам бүр нэмэгдэж байгаа бөгөөд зарим нэг нэмэлт аргачлалд суурилсан P2515, (iii) Cu-катализаторын урвал нь бусад лиганд байхгүй үед сайн ажилладаг. Эдгээр лигандууд нь ихэвчлэн бүтцийн хувьд энгийн бөгөөд хэрэв хүсвэл хямд байдаг бол Pd химид ашигладаг нь ихэвчлэн нарийн төвөгтэй, үнэтэй, агаарт мэдрэмтгий байдаг (iv) Cu, ялангуяа синтез дэх алкиныг холбох чадвараараа алдартай. азидтай циклд ачаалах (товшилтын хими) (v)Cu нь Ullmann төрлийн урвалын хэд хэдэн нуклеофилийн арилацийг дэмжих чадвартай.
Эдгээр бүх урвалын гетерогенжилтийн жишээнүүд Cu(0)-ийн оролцоотойгоор саяхан нотлогдсон. Энэ нь эмийн үйлдвэр болон металлын катализаторыг сэргээх, дахин ашиглахад ихээхэн анхаарал хандуулж байгаатай холбоотой юм55,56.
1960-аад онд Хуйсген анх санаачилсан57, ацетилен ба азид хоорондын 1,2,3-триазол хүртэлх 1,3-диполяр цикл ачааллын урвалыг синергетик үзүүлэх урвал гэж үздэг. Үүний үр дүнд үүссэн 1,2,3 триазолын хэсгүүд нь биологийн шинжлэх ухаанд янз бүрийн бодисыг ашиглахдаа фармакофорын хувьд онцгой анхаарал татаж байна. 58 .
Шарплесс болон бусад хүмүүс "товшилтын хими"59 гэсэн ойлголтыг танилцуулснаар энэ урвал дахин анхаарал татав. "Click chemistry" гэдэг нэр томъёо нь гетероатомын холбоо (CXC)-ээр дамжуулан шинэ нэгдлүүдийг хурдан нийлэгжүүлэх урвалын бат бөх, найдвартай, сонгомол багцыг тодорхойлоход хэрэглэгддэг60. хүчилтөрөгч, усны эсэргүүцэл, бүтээгдэхүүнийг ялгах нь энгийн61.
Сонгодог Хуйсгений 1,3-диполь цикл ачаалал нь "товшилтын химийн" ангилалд хамаарахгүй. Гэсэн хэдий ч, Медаль ба Шарплес нь азид-алкины холболтын энэ үйл явдал Cu(I)-ийн дэргэд 107-108-д өртдөг болохыг катализаторгүй 1,3-диполийн хурдтай харьцуулахад 107-аас 108-д хүргэдэг болохыг харуулсан. хурдатгал. Энэхүү сайжруулсан урвалын механизм нь хамгаалалтын бүлгүүд эсвэл хатуу урвалын нөхцлийг шаарддаггүй бөгөөд цаг хугацааны хуваарийн дагуу 1,4-өөр орлуулсан 1,2,3-триазолууд (анти-1,2,3-триазолууд) болж бүрэн хувирч, сонгомол авах боломжтой (Зураг 3).
Уламжлалт болон зэсийн катализтай Хуйсгений цикл ачааллын изометрийн үр дүн. Cu(I)-катализтай Хуйсгений цикл ачааллын үед зөвхөн 1,4-өөр орлуулсан 1,2,3-триазол гардаг бол дулаанаар өдөөгдсөн Хуйсгений цикл ачааллын үед ихэвчлэн:15,4-триазолууд: азолын стереоизомерууд.
Ихэнх протоколууд нь CuSO4 эсвэл Cu(II)/Cu(0) төрлийн натрийн давстай хавсарсан нийлбэрийг бууруулах зэрэг тогтвортой Cu(II) эх үүсвэрийг багасгахад чиглэгддэг. Бусад металлын катализтай урвалуудтай харьцуулахад Cu(I)-ийг ашиглах нь хямд, хэрэглэхэд хялбар гол давуу талтай.
Worrell нар кинетик ба изотопын шошгололтын судалгаа. 65-аас үзэхэд терминал алкины хувьд хоёр эквивалент зэс нь молекул бүрийн азид руу чиглэсэн урвалыг идэвхжүүлэхэд оролцдог. Санал болгож буй механизм нь азидыг σ-холбогдсон зэс ацетилид болон π-холбогдсон копер-конпперри-а-лигазил копперриазидтай уялдуулах замаар үүссэн зургаан гишүүнт зэс металл цагирагаар дамждаг. Деривативууд нь цагираг агшилтаар үүсдэг ба дараа нь протоны задралаар триазолын бүтээгдэхүүнүүд гарч, катализаторын мөчлөгийг хаадаг.
Урсгалын химийн төхөөрөмжүүдийн ашиг тусыг сайтар баримтжуулсан боловч эдгээр системд аналитик багажуудыг шугаман дээр, газар дээр нь, процессыг хянах хүсэл эрмэлзэлтэй байсан66,67. UAM нь шууд мэдрэгч бүхий катализаторын идэвхтэй, дулаан дамжуулагч материалаар хийгдсэн маш нарийн төвөгтэй 3D урсгалын реакторуудыг зохион бүтээх, үйлдвэрлэхэд тохиромжтой арга болох нь батлагдсан.
Хэт авианы нэмэлт үйлдвэрлэл (UAM) -аар үйлдвэрлэсэн хөнгөн цагаан зэсийн урсгалын реактор, нарийн төвөгтэй дотоод сувгийн бүтэц, суурилуулсан термопар, катализаторын урвалын камер. Дотоод шингэний замыг дүрслэхийн тулд стереолитографи ашиглан хийсэн тунгалаг прототипийг үзүүлэв.
Реакторуудыг ирээдүйн органик урвалд зориулж үйлдвэрлэсэн эсэхийг баталгаажуулахын тулд уусгагчийг буцалгах цэгээс аюулгүй халаах шаардлагатай; тэдгээр нь даралт ба температурын туршилт юм.Даралтын туршилт нь системийн даралт ихсэх (1.7 МПа) ч гэсэн систем тогтвортой, тогтмол даралтыг хадгалж байгааг харуулсан. Гидростатик туршилтыг тасалгааны температурт H2O шингэн болгон ашигласан.
Суулгасан (Зураг 1) термопарыг температурын өгөгдөл бүртгэгчтэй холбосноор термопар FlowSyn системийн программчилсан температураас 6 °C (± 1 °C) хүйтэн байгааг харуулсан. Ихэвчлэн температурыг 10 ° C-аар нэмэгдүүлэх нь урвалын хурдыг хоёр дахин нэмэгдүүлэхэд хүргэдэг тул температурын зөрүү нь бүхэлдээ температурын зөрүүгээр хэдхэн градусаар алдагдах болно. Үйлдвэрлэлийн процесст ашигласан материалын дулааны өндөр тархалтаас шалтгаалж реакторын их бие. Энэ дулааны шилжилт нь тогтмол байдаг тул урвалын явцад үнэн зөв температурт хүрч, хэмжихийн тулд төхөөрөмжийн тохиргоонд тооцож болно. Иймээс энэхүү онлайн хяналтын хэрэгсэл нь урвалын температурыг хатуу хянах боломжийг олгодог. том хэмжээний систем дэх урвуу урвалаас урьдчилан сэргийлэх.
Энэхүү ажилд танилцуулсан реактор нь UAM технологийг химийн реактор үйлдвэрлэхэд ашиглах анхны жишээ бөгөөд эдгээр төхөөрөмжүүдийн AM/3D хэвлэхтэй холбоотой хэд хэдэн томоохон хязгаарлалтуудыг авч үздэг, тухайлбал: (i) зэс эсвэл хөнгөн цагааны хайлшны боловсруулалттай холбоотой тайлагнасан асуудлуудыг даван туулах (ii) нунтаг давхарга хайлуулах (PBF) зэрэгтэй харьцуулахад дотоод сувгийн нягтралыг сайжруулах (PBF) 26S) Материалын урсац муутай, гадаргуугийн барзгар бүтэцтэй26 (iii) Мэдрэгчийг шууд холбоход хөнгөвчлөх боловсруулалтын температур буурч, энэ нь нунтаг давхаргын технологид боломжгүй, (v) полимер дээр суурилсан бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн механик шинж чанар муу, янз бүрийн нийтлэг органик уусгагчд мэдрэмтгий байдлыг даван туулдаг17,19.
Реакторын үйл ажиллагааг тасралтгүй урсгалын нөхцөлд зэсийн катализтай алкин азидын циклажилтын хэд хэдэн урвалаар харуулсан (Зураг 2). Зураг 4-т үзүүлсэн хэт авианы хэвлэмэл зэсийн реакторыг арилжааны урсгалын системтэй нэгтгэж, янз бүрийн 1,4-тридизол, 1,4-тризол231-ийн азидыг нийлэгжүүлэхэд ашигласан. натрийн хлоридын дэргэд ацетилен ба алкил бүлгийн галидын температурын хяналттай урвал (Зураг 3). Үргэлжилсэн урсгалын аргыг ашиглах нь багц процесст үүсч болзошгүй аюулгүй байдлын асуудлыг багасгадаг, учир нь энэ урвал нь өндөр идэвхтэй, аюултай азидын завсрын бодис [317], [318] үүсгэдэг. иодэтан (Схем 1 – Фенилацетилен ба иодоэтаны циклажилт) (Зураг 5-ыг үз).
(Зүүн дээд талд) 3DP реакторыг урсгалын системд оруулахад ашигласан тохиргооны бүдүүвч (баруун дээд талд) Huisgen cycloaddition 57 схемийн оновчтой (доод) схемээс олж авсан фенилацетилен ба иодоэтаныг оновчтой болгох ба оновчтой параметрийн урвалын хувиргалтын хурдыг харуулсан.
Реакторын катализаторын хэсэг дэх урвалжуудын оршин суух хугацааг хянаж, шууд нэгдсэн термопар датчикаар урвалын температурыг сайтар хянаж, хамгийн бага хугацаа, материалын зарцуулалтаар урвалын нөхцөлийг хурдан бөгөөд үнэн зөв оновчтой болгох боломжтой. 15 минут оршин суух хугацаа, урвалын температурыг MODDE 1 ° C хэмээс 0 ° C-аас хэмнэлттэй ашиглах үед хамгийн их хувиргалтыг олж авсан болохыг хурдан тогтоосон. Оршин суух хугацаа болон урвалын температурыг хоёуланг нь загварын чухал нөхцөл гэж үздэг нь харагдаж байна. Эдгээр сонгосон нэр томъёог ашиглан суурилуулсан оновчлогчийг ажиллуулах нь бүтээгдэхүүний оргил үеийг багасгахын зэрэгцээ бүтээгдэхүүний оргил үеийг нэмэгдүүлэх зорилготой урвалын багц нөхцлүүдийг бий болгодог. Энэхүү оновчлол нь триазолын бүтээгдэхүүний 53%-ийн хөрвүүлэлтийг гаргаж өгсөн нь 54%-ийн загварын таамаглалтай яг таарч байна.
Эдгээр урвалуудад зэс (I) исэл (Cu2O) нь тэг валентын зэсийн гадаргуу дээр үр дүнтэй катализаторын үүрэг гүйцэтгэдэг болохыг харуулсан уран зохиолд үндэслэн урвалыг урсгалд явуулахаас өмнө реакторын гадаргууг урьдчилан исэлдүүлэх чадварыг судалж 70,71. Фенилацетилен болон иодоэтелийн хоорондох урвалыг оновчтой нөхцөлд дахин харьцуулсан. Энэхүү бэлдмэл нь эхлэлийн материалын хувиргалтыг их хэмжээгээр нэмэгдүүлж, үүнийг >99% гэж тооцоолсон нь ажиглагдсан. Гэсэн хэдий ч HPLC-ийн хяналтаас үзэхэд энэхүү хувиргалт нь хэт удаан үргэлжилсэн урвалын хугацааг ойролцоогоор 90 минут хүртэл бууруулж, улмаар үйл ажиллагаа жигдэрч, "тогтвортой төлөвт" хүрч байгааг харуулж байна. тэг валентын зэсийн субстрат. Cu металл нь тасалгааны температурт амархан исэлдэж, өөрийгөө хамгаалах давхарга биш CuO ба Cu2O үүсгэдэг. Энэ нь нэгдлийн хувьд туслах зэс (II) эх үүсвэр нэмэх шаардлагагүй болно71.