Takk for at du besøker Nature.com.Nettleserversjonen du bruker har begrenset CSS-støtte.For den beste opplevelsen anbefaler vi at du bruker en oppdatert nettleser (eller deaktiverer kompatibilitetsmodus i Internet Explorer).I mellomtiden, for å sikre fortsatt støtte, vil vi gjengi nettstedet uten stiler og JavaScript.
En karusell som viser tre lysbilder samtidig.Bruk Forrige og Neste-knappene for å gå gjennom tre lysbilder om gangen, eller bruk skyveknappene på slutten for å gå gjennom tre lysbilder om gangen.
Additiv produksjon endrer måten forskere og industrifolk designer og produserer kjemiske enheter for å møte deres spesifikke behov.I denne artikkelen rapporterer vi det første eksemplet på en strømningsreaktor dannet av ultrasonisk additiv produksjon (UAM) laminering av en solid metallplate med direkte integrerte katalytiske deler og sensorelementer.UAM-teknologi overvinner ikke bare mange av begrensningene som for tiden er knyttet til additiv produksjon av kjemiske reaktorer, men utvider også mulighetene til slike enheter.En rekke biologisk viktige 1,4-disubstituerte 1,2,3-triazolforbindelser er vellykket syntetisert og optimalisert ved en Cu-mediert 1,3-dipolar Huisgen-sykloddisjonsreaksjon ved bruk av UAM-kjemianlegget.Ved å bruke de unike egenskapene til UAM og kontinuerlig flytbehandling, er enheten i stand til å katalysere pågående reaksjoner samt gi tilbakemelding i sanntid for å overvåke og optimalisere reaksjoner.
På grunn av dens betydelige fordeler i forhold til bulk-motparten, er flytkjemi et viktig og voksende felt i både akademiske og industrielle omgivelser på grunn av dens evne til å øke selektiviteten og effektiviteten til kjemisk syntese.Dette strekker seg fra dannelse av enkle organiske molekyler1 til farmasøytiske forbindelser2,3 og naturlige produkter4,5,6.Over 50 % av reaksjonene i den fine kjemiske og farmasøytiske industrien kan dra nytte av kontinuerlig flyt7.
De siste årene har det vært en økende trend med grupper som søker å erstatte tradisjonelle glassvarer eller strømningskjemiutstyr med tilpasningsdyktige kjemiske "reaktorer"8.Den iterative designen, den raske produksjonen og de tredimensjonale (3D) egenskapene til disse metodene er nyttige for de som ønsker å tilpasse enhetene sine for et bestemt sett med reaksjoner, enheter eller forhold.Til dags dato har dette arbeidet nesten utelukkende fokusert på bruk av polymerbaserte 3D-utskriftsteknikker som stereolitografi (SL)9,10,11, Fused Deposition Modeling (FDM)8,12,13,14 og blekkskriver7,15., 16. Mangelen på pålitelighet og evne til slike enheter til å utføre et bredt spekter av kjemiske reaksjoner/analyser17, 18, 19, 20 er en viktig begrensende faktor for den bredere anvendelsen av AM på dette feltet17, 18, 19, 20.
På grunn av den økende bruken av strømningskjemi og de gunstige egenskapene forbundet med AM, må bedre teknikker utforskes som vil tillate brukere å fremstille strømningsreaksjonskar med forbedret kjemi og analytiske evner.Disse metodene skal tillate brukere å velge fra en rekke høystyrke eller funksjonelle materialer som er i stand til å fungere under et bredt spekter av reaksjonsforhold, samt lette ulike former for analytisk utgang fra enheten for å muliggjøre overvåking og kontroll av reaksjonen.
En additiv produksjonsprosess som kan brukes til å utvikle tilpassede kjemiske reaktorer er Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM).Denne solid-state arklamineringsmetoden påfører ultralydvibrasjoner på tynne metallfolier for å binde dem sammen lag for lag med minimal volumetrisk oppvarming og høy grad av plastisk flyt 21, 22, 23. I motsetning til de fleste andre AM-teknologier, kan UAM integreres direkte med subtraktiv produksjon, kjent som en hybrid produksjonsprosess, der periodisk in-situ bindings-kontroll-materiale (CNC numer) bestemmer den periodiske in-situ-bindingsformen til laseren. 24, 25. Dette betyr at brukeren ikke er begrenset til problemene knyttet til fjerning av gjenværende originalt byggemateriale fra små væskekanaler, noe som ofte er tilfellet i pulver- og væskesystemer AM26,27,28.Denne designfriheten strekker seg også til valg av tilgjengelige materialer – UAM kan binde kombinasjoner av termisk like og ulike materialer i ett enkelt prosesstrinn.Valget av materialkombinasjoner utover smelteprosessen gjør at de mekaniske og kjemiske kravene til spesifikke bruksområder kan oppfylles bedre.I tillegg til fast binding, er et annet fenomen som oppstår med ultralydbinding den høye flytbarheten til plastmaterialer ved relativt lave temperaturer29,30,31,32,33.Denne unike egenskapen til UAM gjør at mekaniske/termiske elementer kan plasseres mellom metalllag uten skade.Innebygde UAM-sensorer kan lette leveringen av sanntidsinformasjon fra enheten til brukeren gjennom integrert analyse.
Tidligere arbeid av forfatterne32 demonstrerte evnen til UAM-prosessen til å lage metalliske 3D-mikrofluidiske strukturer med innebygde sansefunksjoner.Denne enheten er kun for overvåkingsformål.Denne artikkelen presenterer det første eksemplet på en mikrofluidisk kjemisk reaktor produsert av UAM, en aktiv enhet som ikke bare kontrollerer, men også induserer kjemisk syntese med strukturelt integrerte katalytiske materialer.Enheten kombinerer flere fordeler forbundet med UAM-teknologi i produksjonen av 3D-kjemiske enheter, for eksempel: muligheten til å konvertere et komplett 3D-design direkte fra en datastøttet design (CAD)-modell til et produkt;multi-material fabrikasjon for en kombinasjon av høy termisk ledningsevne og katalytiske materialer, samt termiske sensorer innebygd direkte mellom reaktantstrømmene for presis kontroll og styring av reaksjonstemperaturen.For å demonstrere funksjonaliteten til reaktoren ble et bibliotek av farmasøytisk viktige 1,4-disubstituerte 1,2,3-triazolforbindelser syntetisert ved kobberkatalysert 1,3-dipolar Huisgen-sykloddisjon.Dette arbeidet belyser hvordan bruk av materialvitenskap og datastøttet design kan åpne for nye muligheter og muligheter for kjemi gjennom tverrfaglig forskning.
Alle løsningsmidler og reagenser ble kjøpt fra Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI eller Fischer Scientific og brukt uten forutgående rensing.1H og 13C NMR-spektra registrert ved henholdsvis 400 og 100 MHz ble oppnådd på et JEOL ECS-400 400 MHz-spektrometer eller et Bruker Avance II 400 MHz-spektrometer med CDCl3 eller (CD3)2SO som løsningsmiddel.Alle reaksjoner ble utført ved bruk av Uniqsis FlowSyn flytkjemiplattform.
UAM ble brukt til å fremstille alle enheter i denne studien.Teknologien ble oppfunnet i 1999 og dens tekniske detaljer, driftsparametre og utvikling siden oppfinnelsen kan studeres ved å bruke følgende publiserte materialer34,35,36,37.Enheten (fig. 1) ble implementert ved bruk av et kraftig 9 kW SonicLayer 4000® UAM-system (Fabrisonic, Ohio, USA).Materialene som ble valgt for strømningsanordningen var Cu-110 og Al 6061. Cu-110 har et høyt kobberinnhold (minimum 99,9 % kobber), noe som gjør den til en god kandidat for kobberkatalyserte reaksjoner og brukes derfor som et "aktivt lag inne i mikroreaktoren.Al 6061 O brukes som "bulk" materiale., samt interkaleringslaget som brukes til analyse;interkalering av hjelpelegeringskomponenter og glødet tilstand i kombinasjon med Cu-110 lag.funnet å være kjemisk stabil med reagensene brukt i dette arbeidet.Al 6061 O i kombinasjon med Cu-110 anses også for å være en kompatibel materialkombinasjon for UAM og er derfor et egnet materiale for denne studien38,42.Disse enhetene er oppført i tabell 1 nedenfor.
Reaktorfremstillingstrinn (1) 6061 aluminiumslegeringssubstrat (2) Fremstilling av nedre kanal fra kobberfolie (3) Innsetting av termoelementer mellom lag (4) Øvre kanal (5) Innløp og utløp (6) Monolitisk reaktor.
Væskekanaldesignfilosofien er å bruke en kronglete bane for å øke avstanden som tilbakelegges av væsken inne i brikken samtidig som den opprettholder en håndterbar brikkestørrelse.Denne økningen i avstand er ønskelig for å øke kontakttiden mellom katalysator og reaktant og gi utmerkede produktutbytter.Brikkene bruker 90° bøyninger ved endene av en rett bane for å indusere turbulent blanding i enheten44 og øke kontakttiden for væsken med overflaten (katalysator).For ytterligere å forbedre blandingen som kan oppnås, inkluderer utformingen av reaktoren to reaktantinnløp kombinert i en Y-forbindelse før den går inn i blandespiraldelen.Den tredje inngangen, som krysser strømmen halvveis gjennom residensen, er inkludert i planen for fremtidige flertrinns syntesereaksjoner.
Alle kanaler har en kvadratisk profil (ingen koniske vinkler), som er resultatet av den periodiske CNC-fresingen som brukes til å lage kanalgeometrien.Kanaldimensjonene er valgt for å gi et høyt (for en mikroreaktor) volumetrisk utbytte, men likevel liten nok til å lette interaksjon med overflaten (katalysatorer) for de fleste væskene den inneholder.Den passende størrelsen er basert på forfatternes tidligere erfaring med metall-væske reaksjonsenheter.De indre dimensjonene til den endelige kanalen var 750 µm x 750 µm og det totale reaktorvolum var 1 ml.En innebygd kontakt (1/4″-28 UNF-tråd) er inkludert i designet for å muliggjøre enkel grensesnitt av enheten med kommersielt strømningskjemiutstyr.Kanalstørrelsen er begrenset av tykkelsen på foliematerialet, dets mekaniske egenskaper og bindingsparametrene som brukes med ultralyd.Ved en viss bredde for gitt materiale vil materialet "synke" ned i kanalen som er opprettet.Det er foreløpig ingen spesifikk modell for denne beregningen, så den maksimale kanalbredden for et gitt materiale og design bestemmes eksperimentelt, i så fall vil en bredde på 750 µm ikke forårsake nedsynkning.
Formen (firkantet) på kanalen bestemmes ved hjelp av en firkantkutter.Formen og størrelsen på kanalene kan endres på CNC-maskiner ved hjelp av forskjellige skjæreverktøy for å oppnå forskjellige strømningshastigheter og egenskaper.Et eksempel på å lage en buet kanal med et 125 µm verktøy finner du i Monaghan45.Når folielaget påføres flatt, vil påføringen av foliematerialet på kanalene ha en flat (firkantet) overflate.I dette arbeidet ble det brukt en firkantet kontur for å bevare kanalsymmetrien.
Under en programmert pause i produksjonen bygges termoelementtemperatursensorer (type K) direkte inn i enheten mellom øvre og nedre kanalgruppe (fig. 1 – trinn 3).Disse termoelementene kan kontrollere temperaturendringer fra -200 til 1350 °C.
Metallavsetningsprosessen utføres av UAM-hornet ved bruk av metallfolie 25,4 mm bred og 150 mikron tykk.Disse lagene med folie er koblet sammen i en serie av tilstøtende strimler for å dekke hele byggeområdet;størrelsen på det avsatte materialet er større enn det endelige produktet ettersom subtraksjonsprosessen skaper den endelige rene formen.CNC-maskinering brukes til å maskinere de ytre og indre konturene til utstyret, noe som resulterer i en overflatefinish på utstyret og kanalene som tilsvarer det valgte verktøyet og CNC-prosessparametere (i dette eksemplet, ca. 1,6 µm Ra).Kontinuerlige, kontinuerlige ultralydspray- og maskineringssykluser brukes gjennom hele enhetens produksjonsprosess for å sikre at dimensjonsnøyaktigheten opprettholdes og at den ferdige delen oppfyller presisjonsnivåer for finfresing i CNC.Bredden på kanalen som brukes for denne enheten er liten nok til å sikre at foliematerialet ikke "sier" i væskekanalen, så kanalen har et firkantet tverrsnitt.Mulige hull i foliematerialet og parametrene til UAM-prosessen ble bestemt eksperimentelt av produksjonspartneren (Fabrisonic LLC, USA).
Studier har vist at ved grensesnittet 46, 47 til UAM-forbindelsen er det liten diffusjon av elementer uten ytterligere varmebehandling, så for enhetene i dette arbeidet forblir Cu-110-laget forskjellig fra Al 6061-laget og endres dramatisk.
Installer en forhåndskalibrert mottrykksregulator (BPR) ved 250 psi (1724 kPa) nedstrøms for reaktoren og pump vann gjennom reaktoren med en hastighet på 0,1 til 1 ml min-1.Reaktortrykket ble overvåket ved hjelp av FlowSyn-trykktransduseren innebygd i systemet for å sikre at systemet kunne opprettholde et konstant jevnt trykk.Potensielle temperaturgradienter i strømningsreaktoren ble testet ved å se etter eventuelle forskjeller mellom termoelementene innebygd i reaktoren og termoelementene innebygd i varmeplaten til FlowSyn-brikken.Dette oppnås ved å endre den programmerte kokeplatens temperatur mellom 100 og 150 °C i trinn på 25 °C og overvåke eventuelle forskjeller mellom de programmerte og registrerte temperaturene.Dette ble oppnådd ved hjelp av tc-08-dataloggeren (PicoTech, Cambridge, Storbritannia) og den medfølgende PicoLog-programvaren.
Betingelsene for cykloaddisjonsreaksjonen av fenylacetylen og jodetan er optimalisert (skjema 1-cykloaddisjon av fenylacetylen og jodetan, skjema 1-cykloaddisjon av fenylacetylen og jodetan).Denne optimeringen ble utført ved å bruke en full faktoriell design av eksperimenter (DOE) tilnærming, ved å bruke temperatur og oppholdstid som variabler mens alkyn:azid-forholdet ble fastsatt til 1:2.
Separate løsninger av natriumazid (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), jodoetan (0,25 M, DMF) og fenylacetylen (0,125 M, DMF) ble fremstilt.En 1,5 ml alikvot av hver løsning ble blandet og pumpet gjennom reaktoren ved ønsket strømningshastighet og temperatur.Responsen til modellen ble tatt som forholdet mellom topparealet til triazolproduktet og utgangsmaterialet til fenylacetylen og ble bestemt ved bruk av høyytelses væskekromatografi (HPLC).For analysekonsistens ble alle reaksjoner tatt umiddelbart etter at reaksjonsblandingen forlot reaktoren.Parameterområdene valgt for optimalisering er vist i tabell 2.
Alle prøvene ble analysert ved hjelp av et Chromaster HPLC-system (VWR, PA, USA) bestående av en kvartær pumpe, kolonneovn, variabel bølgelengde UV-detektor og autosampler.Kolonnen var en Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA), 4,6 x 100 mm, 5 µm partikkelstørrelse, holdt ved 40°C.Løsningsmidlet var isokratisk metanol:vann 50:50 ved en strømningshastighet på 1,5 ml-min-1.Injeksjonsvolumet var 5 μl og detektorbølgelengden var 254 nm.Den prosentvise topparealet for DOE-prøven ble kun beregnet fra topparealene til de gjenværende alkyn- og triazolproduktene.Innføringen av utgangsmaterialet gjør det mulig å identifisere de tilsvarende toppene.
Kombinasjon av resultatene fra reaktoranalysen med MODDE DOE-programvaren (Umetrics, Malmö, Sverige) tillot en grundig trendanalyse av resultatene og bestemmelse av de optimale reaksjonsforholdene for denne sykloadisjonen.Å kjøre den innebygde optimizeren og velge alle viktige modelltermer skaper et sett med reaksjonsbetingelser designet for å maksimere topparealet til produktet samtidig som topparealet for acetylenråstoffet reduseres.
Oksidasjon av kobberoverflaten i det katalytiske reaksjonskammeret ble oppnådd ved å bruke en hydrogenperoksidløsning (36%) som strømmet gjennom reaksjonskammeret (strømningshastighet = 0,4 ml min-1, oppholdstid = 2,5 min) før syntesen av hver triazolforbindelse.bibliotek.
Når det optimale settet med betingelser var bestemt, ble de påført en rekke acetylen- og haloalkanderivater for å tillate kompilering av et lite syntesebibliotek, og dermed etablere muligheten for å anvende disse betingelsene på et bredere spekter av potensielle reagenser (fig. 1).2).
Forbered separate løsninger av natriumazid (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), haloalkaner (0,25 M, DMF) og alkyner (0,125 M, DMF).Alikvoter på 3 ml av hver løsning ble blandet og pumpet gjennom reaktoren med en hastighet på 75 ul/min og en temperatur på 150°C.Hele volumet ble samlet i et hetteglass og fortynnet med 10 ml etylacetat.Prøveløsningen ble vasket med 3 x 10 ml vann.De vandige lagene ble kombinert og ekstrahert med 10 ml etylacetat, deretter ble de organiske lagene kombinert, vasket med 3 x 10 ml saltvann, tørket over MgS04 og filtrert, deretter ble løsningsmidlet fjernet i vakuum.Prøver ble renset ved silikagelkolonnekromatografi ved bruk av etylacetat før analyse ved en kombinasjon av HPLC, 1H NMR, 13C NMR og høyoppløsningsmassespektrometri (HR-MS).
Alle spektre ble oppnådd ved bruk av et Thermofischer Precision Orbitrap massespektrometer med ESI som ioniseringskilden.Alle prøver ble fremstilt ved å bruke acetonitril som løsningsmiddel.
TLC-analyse ble utført på silikaplater med et aluminiumsubstrat.Platene ble visualisert med UV-lys (254 nm) eller vanillinfarging og oppvarming.
Alle prøver ble analysert ved bruk av et VWR Chromaster-system (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) utstyrt med en autosampler, en binær pumpe med en kolonneovn og en enkelt bølgelengdedetektor.En ACE Equivalence 5 C18 kolonne (150 x 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Skottland) ble brukt.
Injeksjoner (5 µl) ble laget direkte fra den fortynnede rå reaksjonsblandingen (1:10 fortynning) og analysert med vann:metanol (50:50 eller 70:30), bortsett fra noen prøver ved bruk av et 70:30 løsningsmiddelsystem (angitt som stjernenummer) ved en strømningshastighet på 1,5 ml/min.Kolonnen ble holdt ved 40°C.Bølgelengden til detektoren er 254 nm.
Prosentvis toppareal av prøven ble beregnet fra topparealet til gjenværende alkyn, bare triazolproduktet, og innføringen av utgangsmaterialet gjorde det mulig å identifisere de tilsvarende toppene.
Alle prøvene ble analysert med Thermo iCAP 6000 ICP-OES.Alle kalibreringsstandarder ble fremstilt ved å bruke en 1000 ppm Cu-standardløsning i 2 % salpetersyre (SPEX Certi Prep).Alle standarder ble fremstilt i en løsning av 5 % DMF og 2 % HNO3, og alle prøvene ble fortynnet 20 ganger med en prøveløsning av DMF-HNO3.
UAM bruker ultrasonisk metallsveising som en metode for sammenføyning av metallfolien som brukes til å lage den endelige monteringen.Ultrasonisk metallsveising bruker et vibrerende metallverktøy (kalt et horn eller ultralydhorn) for å påføre trykk på folien/det tidligere konsoliderte laget som skal limes/tidligere konsolideres ved å vibrere materialet.For kontinuerlig drift har sonotroden en sylindrisk form og ruller over overflaten av materialet og limer hele området.Når trykk og vibrasjoner påføres, kan oksidene på overflaten av materialet sprekke.Konstant trykk og vibrasjon kan føre til ødeleggelse av materialets ruhet 36 .Nær kontakt med lokalisert varme og trykk fører deretter til en fastfasebinding ved materialgrenseflatene;det kan også fremme samhørighet ved å endre overflateenergien48.Arten av bindingsmekanismen overvinner mange av problemene forbundet med variabel smeltetemperatur og høytemperatureffekter nevnt i andre additive produksjonsteknologier.Dette tillater direkte tilkobling (dvs. uten overflatemodifikasjoner, fyllstoffer eller lim) av flere lag av forskjellige materialer til en enkelt konsolidert struktur.
Den andre gunstige faktoren for CAM er den høye graden av plastisk flyt observert i metalliske materialer selv ved lave temperaturer, dvs. godt under smeltepunktet til metalliske materialer.Kombinasjonen av ultralydvibrasjoner og trykk forårsaker et høyt nivå av lokal korngrensemigrasjon og rekrystallisering uten den betydelige temperaturøkningen som tradisjonelt er forbundet med bulkmaterialer.Under opprettelsen av den endelige sammenstillingen kan dette fenomenet brukes til å legge inn aktive og passive komponenter mellom lag av metallfolie, lag for lag.Elementer som optisk fiber 49, armering 46, elektronikk 50 og termoelementer (dette verket) har blitt integrert i UAM-strukturer for å lage aktive og passive komposittsammenstillinger.
I dette arbeidet ble både forskjellige materialbindingsevner og UAM-interkaleringsevner brukt for å lage en ideell mikroreaktor for katalytisk temperaturkontroll.
Sammenlignet med palladium (Pd) og andre vanlig brukte metallkatalysatorer, har Cu-katalyse flere fordeler: (i) Økonomisk er Cu billigere enn mange andre metaller som brukes i katalyse og er derfor et attraktivt alternativ for den kjemiske industrien (ii) utvalget av Cu-katalyserte krysskoblingsreaksjoner utvides og ser ut til å være noe komplementært, 51, iii) katalyserte reaksjoner fungerer bra i fravær av andre ligander.Disse ligandene er ofte strukturelt enkle og rimelige.om ønskelig, mens de som brukes i Pd-kjemi ofte er komplekse, dyre og luftsensitive (iv) Cu, spesielt kjent for sin evne til å binde alkyner i syntese, slik som Sonogashiras bimetallisk katalyserte kobling og cykloaddisjon med azider (klikkkjemi) (v) Cu kan også fremme arylering av noen nuklemannofile-reaksjoner i Ull.
Nylig er eksempler på heterogenisering av alle disse reaksjonene i nærvær av Cu(0) blitt demonstrert.Dette skyldes i stor grad den farmasøytiske industrien og det økende fokuset på gjenvinning og gjenbruk av metallkatalysatorer55,56.
Den 1,3-dipolare sykloaddisjonsreaksjonen mellom acetylen og azid til 1,2,3-triazol, først foreslått av Huisgen på 1960-tallet57, anses å være en synergistisk demonstrasjonsreaksjon.De resulterende 1,2,3-triazolfragmentene er av spesiell interesse som en farmakofor i legemiddeloppdagelse på grunn av deres biologiske anvendelser og bruk i forskjellige terapeutiske midler 58 .
Denne reaksjonen fikk fornyet oppmerksomhet da Sharpless og andre introduserte konseptet "klikkkjemi"59.Begrepet "klikkkjemi" brukes til å beskrive et robust og selektivt sett med reaksjoner for rask syntese av nye forbindelser og kombinatoriske biblioteker ved bruk av heteroatomisk binding (CXC)60.Den syntetiske appellen til disse reaksjonene skyldes de høye utbyttene forbundet med dem.forholdene er enkle, motstand mot oksygen og vann, og produktseparasjon er enkel61.
Den klassiske 1,3-dipol Huisgen cycloaddition faller ikke inn i kategorien "klikkkjemi".Imidlertid demonstrerte Medal and Sharpless at denne azid-alkyn-koblingshendelsen gjennomgår 107–108 i nærvær av Cu(I) sammenlignet med en betydelig akselerasjon i hastigheten på ikke-katalytisk 1,3-dipolar sykloaddisjon 62,63.Denne avanserte reaksjonsmekanismen krever ikke beskyttelsesgrupper eller tøffe reaksjonsbetingelser og gir nesten fullstendig omdannelse og selektivitet til 1,4-disubstituerte 1,2,3-triazoler (anti-1,2,3-triazoler) over tid (fig. 3).
Isometriske resultater av konvensjonelle og kobberkatalyserte Huisgen cycloadditions.Cu(I)-katalyserte Huisgen-cykloaddisjoner gir bare 1,4-disubstituerte 1,2,3-triazoler, mens termisk induserte Huisgen-cykloadditioner typisk gir 1,4- og 1,5-triazoler en 1:1-blanding av azolstereoisomerer.
De fleste protokoller involverer reduksjon av stabile kilder til Cu(II), slik som reduksjon av CuSO4 eller Cu(II)/Cu(0)-forbindelsen i kombinasjon med natriumsalter.Sammenlignet med andre metallkatalyserte reaksjoner har bruken av Cu(I) hovedfordelene ved å være billig og lett å håndtere.
Kinetiske og isotopiske studier av Worrell et al.65 har vist at når det gjelder terminale alkyner, er to ekvivalenter kobber involvert i å aktivere reaktiviteten til hvert molekyl med hensyn til azid.Den foreslåtte mekanismen fortsetter gjennom en seksleddet kobbermetallring dannet ved koordinering av azid til σ-bundet kobberacetylid med π-bundet kobber som en stabil donorligand.Kobbertriazolylderivater dannes som et resultat av ringkontraksjon etterfulgt av protonnedbrytning for å danne triazolprodukter og lukke den katalytiske syklusen.
Mens fordelene med flytkjemi-enheter er godt dokumentert, har det vært et ønske om å integrere analytiske verktøy i disse systemene for sanntids prosessovervåking in situ66,67.UAM har vist seg å være en egnet metode for å designe og produsere svært komplekse 3D-strømningsreaktorer fra katalytisk aktive, termisk ledende materialer med direkte innebygde sensorelementer (fig. 4).
Strømningsreaktor av aluminium og kobber produsert av ultrasonisk additiv produksjon (UAM) med en kompleks indre kanalstruktur, innebygde termoelementer og et katalytisk reaksjonskammer.For å visualisere de indre væskebanene vises også en gjennomsiktig prototype laget ved hjelp av stereolitografi.
For å sikre at reaktorer er laget for fremtidige organiske reaksjoner, må løsningsmidler trygt varmes opp over kokepunktet;de er trykk- og temperaturtestet.Trykktestingen viste at systemet holder et stabilt og konstant trykk selv ved forhøyet trykk i systemet (1,7 MPa).Hydrostatiske tester ble utført ved romtemperatur med H2O som væske.
Kobling av det innebygde (Figur 1) termoelementet til temperaturdataloggeren viste at termoelementets temperatur var 6 °C (± 1 °C) under den programmerte temperaturen i FlowSyn-systemet.Vanligvis dobler en temperaturøkning på 10°C reaksjonshastigheten, så en temperaturforskjell på bare noen få grader kan endre reaksjonshastigheten betydelig.Denne forskjellen skyldes temperaturtapet gjennom RPV på grunn av den høye termiske diffusiviteten til materialene som brukes i produksjonsprosessen.Denne termiske driften er konstant og kan derfor tas i betraktning når du setter opp utstyret for å sikre at nøyaktige temperaturer nås og måles under reaksjonen.Dermed letter dette online overvåkingsverktøyet tett kontroll av reaksjonstemperaturen og bidrar til mer presis prosessoptimalisering og utvikling av optimale forhold.Disse sensorene kan også brukes til å oppdage eksoterme reaksjoner og forhindre løpsreaksjoner i store systemer.
Reaktoren presentert i denne artikkelen er det første eksemplet på bruken av UAM-teknologi til fremstilling av kjemiske reaktorer og adresserer flere store begrensninger som for tiden er knyttet til AM/3D-utskrift av disse enhetene, for eksempel: (i) Overvinne de bemerkede problemene knyttet til prosessering av kobber eller aluminiumslegering (ii) forbedret intern kanaloppløsning sammenlignet med pulversjikt smelting av materiale (PBM25) smelting (PBM25) lasermetode som selektiv overflatebehandling (PBM25) texture26 (iii) lavere prosesseringstemperatur, noe som letter direkte tilkobling av sensorer, noe som ikke er mulig i pulverbedteknologi, (v) overvinne de dårlige mekaniske egenskapene og følsomheten til polymerbaserte komponenter for forskjellige vanlige organiske løsningsmidler17,19.
Funksjonaliteten til reaktoren ble demonstrert ved en serie kobberkatalyserte alkinazid-cykloaddisjonsreaksjoner under kontinuerlige strømningsforhold (fig. 2).Den ultralydtrykte kobberreaktoren vist i fig.4 ble integrert med et kommersielt strømningssystem og brukt til å syntetisere et azidbibliotek av forskjellige 1,4-disubstituerte 1,2,3-triazoler ved bruk av en temperaturkontrollert reaksjon av acetylen og alkylgruppehalogenider i nærvær av natriumklorid (fig. 3).Bruken av tilnærmingen til kontinuerlig flyt reduserer sikkerhetsproblemene som kan oppstå i batch-prosesser, siden denne reaksjonen produserer svært reaktive og farlige azid-mellomprodukter [317], [318].Til å begynne med ble reaksjonen optimalisert for cykloaddisjon av fenylacetylen og jodetan (skjema 1 – cykloaddisjon av fenylacetylen og jodetan) (se fig. 5).
(Øverst til venstre) Skjematisk av oppsettet som brukes til å inkorporere en 3DP-reaktor i et strømningssystem (øverst til høyre) hentet fra det optimaliserte (nedre) skjemaet til Huisgen 57 cycloaddition-skjemaet mellom fenylacetylen og jodetan for optimalisering og viser de optimaliserte konverteringshastighetsparametrene for reaksjonen.
Ved å kontrollere reaktantenes oppholdstid i den katalytiske delen av reaktoren og nøye overvåke reaksjonstemperaturen med en direkte integrert termoelementsensor, kan reaksjonsforholdene raskt og nøyaktig optimaliseres med et minimum av tid og materialer.Det ble raskt funnet at den høyeste omdannelsen ble oppnådd ved bruk av en oppholdstid på 15 minutter og en reaksjonstemperatur på 150°C.Det kan sees fra koeffisientplottet til MODDE-programvaren at både oppholdstiden og reaksjonstemperaturen anses som viktige forhold for modellen.Å kjøre den innebygde optimizeren ved å bruke disse valgte forholdene skaper et sett med reaksjonsbetingelser designet for å maksimere produktets topparealer samtidig som det reduserer startmaterialets topparealer.Denne optimaliseringen ga en 53 % konvertering av triazolproduktet, som nøyaktig samsvarte med modellens prediksjon på 54 %.