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A manufatura aditiva está mudando a forma como pesquisadores e industriais projetam e fabricam dispositivos químicos para atender às suas necessidades específicas. Neste artigo, relatamos o primeiro exemplo de um reator de fluxo formado pela laminação por manufatura aditiva ultrassônica (UAM) de uma chapa metálica sólida com partes catalíticas e elementos sensores integrados diretamente. A tecnologia UAM não apenas supera muitas das limitações atualmente associadas à manufatura aditiva de reatores químicos, como também expande consideravelmente as capacidades desses dispositivos. Diversos compostos de 1,2,3-triazol 1,4-dissubstituídos, de importância biológica, foram sintetizados e otimizados com sucesso por meio de uma reação de cicloadição de Huisgen 1,3-dipolar mediada por cobre, utilizando a plataforma de química UAM. Aproveitando as propriedades exclusivas da UAM e do processamento em fluxo contínuo, o dispositivo é capaz de catalisar reações em andamento, além de fornecer feedback em tempo real para monitorar e otimizar as reações.
Devido às suas vantagens significativas em relação à química em massa, a química em fluxo é um campo importante e crescente tanto no meio acadêmico quanto no industrial, devido à sua capacidade de aumentar a seletividade e a eficiência da síntese química. Isso se estende desde a formação de moléculas orgânicas simples¹ até compostos farmacêuticos²,³ e produtos naturais⁴,⁵,⁶. Mais de 50% das reações nas indústrias de química fina e farmacêutica podem se beneficiar do fluxo contínuo⁷.
Nos últimos anos, tem havido uma tendência crescente de grupos que buscam substituir vidrarias tradicionais ou equipamentos de química de fluxo por “reatores” químicos adaptáveis. O design iterativo, a fabricação rápida e as capacidades tridimensionais (3D) desses métodos são úteis para aqueles que desejam personalizar seus dispositivos para um conjunto específico de reações, dispositivos ou condições. Até o momento, esse trabalho tem se concentrado quase exclusivamente no uso de técnicas de impressão 3D baseadas em polímeros, como estereolitografia (SL), modelagem por deposição fundida (FDM) e impressão a jato de tinta. A falta de confiabilidade e a incapacidade desses dispositivos de realizar uma ampla gama de reações/análises químicas são um fator limitante importante para a aplicação mais ampla da manufatura aditiva (MA) nesse campo.
Devido ao crescente uso da química de fluxo e às propriedades favoráveis ​​associadas à manufatura aditiva, é necessário explorar técnicas aprimoradas que permitam aos usuários fabricar reatores de fluxo com capacidades químicas e analíticas melhoradas. Esses métodos devem permitir que os usuários selecionem entre uma gama de materiais de alta resistência ou funcionais, capazes de operar sob uma ampla variedade de condições de reação, além de facilitar diversas formas de análise a partir do dispositivo para possibilitar o monitoramento e o controle da reação.
Um processo de manufatura aditiva que pode ser usado para desenvolver reatores químicos personalizados é a Manufatura Aditiva Ultrassônica (UAM). Esse método de laminação de folhas em estado sólido aplica vibrações ultrassônicas a finas lâminas metálicas para uni-las camada por camada com aquecimento volumétrico mínimo e alto grau de fluidez plástica 21, 22, 23. Ao contrário da maioria das outras tecnologias de manufatura aditiva, a UAM pode ser integrada diretamente à produção subtrativa, conhecida como processo de manufatura híbrida, no qual a usinagem CNC (controle numérico computadorizado) ou o processamento a laser in situ periódicos determinam a forma final da camada de material unido 24, 25. Isso significa que o usuário não está limitado aos problemas associados à remoção de resíduos do material original de pequenos canais de líquido, o que é comum em sistemas de manufatura aditiva com pó e líquido 26, 27, 28. Essa liberdade de projeto também se estende à escolha dos materiais disponíveis – a UAM pode unir combinações de materiais termicamente semelhantes e diferentes em uma única etapa do processo. A escolha de combinações de materiais além do processo de fusão significa que os requisitos mecânicos e químicos de aplicações específicas podem ser melhor atendidos. Além da forte adesão, outro fenômeno que ocorre com a colagem ultrassônica é a alta fluidez dos materiais plásticos em temperaturas relativamente baixas29,30,31,32,33. Essa característica única da UAM permite a colocação de elementos mecânicos/térmicos entre camadas metálicas sem danificá-las. Sensores UAM integrados podem facilitar o fornecimento de informações em tempo real do dispositivo para o usuário por meio de análises integradas.
Trabalhos anteriores dos autores32 demonstraram a capacidade do processo UAM de criar estruturas microfluídicas metálicas 3D com sensores integrados. Este dispositivo destina-se apenas a fins de monitoramento. Este artigo apresenta o primeiro exemplo de um reator químico microfluídico fabricado por UAM, um dispositivo ativo que não só controla, como também induz a síntese química com materiais catalíticos integrados estruturalmente. O dispositivo combina diversas vantagens associadas à tecnologia UAM na fabricação de dispositivos químicos 3D, tais como: a capacidade de converter um projeto 3D completo diretamente de um modelo de desenho assistido por computador (CAD) em um produto; fabricação multimaterial para uma combinação de alta condutividade térmica e materiais catalíticos, bem como sensores térmicos incorporados diretamente entre os fluxos de reagentes para controle e gerenciamento precisos da temperatura de reação. Para demonstrar a funcionalidade do reator, uma biblioteca de compostos 1,2,3-triazólicos 1,4-dissubstituídos de importância farmacêutica foi sintetizada por cicloadição de Huisgen 1,3-dipolar catalisada por cobre. Este trabalho destaca como a utilização da ciência dos materiais e do projeto auxiliado por computador pode abrir novas possibilidades e oportunidades para a química por meio de pesquisa interdisciplinar.
Todos os solventes e reagentes foram adquiridos da Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI ou Fischer Scientific e utilizados sem purificação prévia. Os espectros de RMN de ¹H e ¹³C, registrados a 400 e 100 MHz, respectivamente, foram obtidos em um espectrômetro JEOL ECS-400 de 400 MHz ou em um espectrômetro Bruker Avance II de 400 MHz, utilizando CDCl₃ ou (CD₃)₂SO₄ como solvente. Todas as reações foram realizadas utilizando a plataforma de química de fluxo Uniqsis FlowSyn.
A manufatura aditiva ultrassônica (UAM) foi utilizada para fabricar todos os dispositivos deste estudo. A tecnologia foi inventada em 1999 e seus detalhes técnicos, parâmetros de operação e desenvolvimentos desde sua invenção podem ser estudados utilizando os seguintes materiais publicados34,35,36,37. O dispositivo (Fig. 1) foi implementado utilizando um sistema UAM SonicLayer 4000® de alta potência (9 kW) (Fabrisonic, Ohio, EUA). Os materiais escolhidos para o dispositivo de fluxo foram Cu-110 e Al 6061. O Cu-110 possui alto teor de cobre (mínimo de 99,9% de cobre), o que o torna um bom candidato para reações catalisadas por cobre e, portanto, é utilizado como uma “camada ativa” dentro do microrreator. O Al 6061O é utilizado como o material “macroscópico”, bem como a camada de intercalação usada para análise; intercalação de componentes auxiliares da liga e estado recozido em combinação com a camada de Cu-110. Demonstrou-se que o Al 6061O é quimicamente estável com os reagentes utilizados neste trabalho. A combinação de Al 6061O com Cu-110 também é considerada uma combinação de materiais compatível para UAM e, portanto, um material adequado para este estudo38,42. Esses dispositivos estão listados na Tabela 1 abaixo.
Etapas de fabricação do reator (1) Substrato de liga de alumínio 6061 (2) Fabricação do canal inferior a partir de folha de cobre (3) Inserção de termopares entre as camadas (4) Canal superior (5) Entrada e saída (6) Reator monolítico.
A filosofia de projeto do canal de fluido consiste em utilizar um caminho sinuoso para aumentar a distância percorrida pelo fluido dentro do chip, mantendo um tamanho gerenciável. Esse aumento na distância é desejável para aumentar o tempo de contato entre o catalisador e o reagente e proporcionar excelentes rendimentos do produto. Os chips utilizam curvas de 90° nas extremidades de um caminho reto para induzir a mistura turbulenta dentro do dispositivo⁴⁴ e aumentar o tempo de contato do líquido com a superfície (catalisador). Para aprimorar ainda mais a mistura que pode ser alcançada, o projeto do reator inclui duas entradas de reagentes combinadas em uma conexão em Y antes de entrarem na seção da serpentina de mistura. A terceira entrada, que cruza o fluxo na metade de seu percurso, está prevista para futuras reações de síntese em múltiplos estágios.
Todos os canais possuem um perfil quadrado (sem ângulos de inclinação), resultado da fresagem CNC periódica utilizada para criar a geometria do canal. As dimensões do canal foram escolhidas para proporcionar um alto rendimento volumétrico (para um microrreator), porém suficientemente pequenas para facilitar a interação com a superfície (catalisadores) da maioria dos líquidos contidos. O tamanho apropriado baseia-se na experiência anterior dos autores com dispositivos de reação metal-líquido. As dimensões internas do canal final foram de 750 µm x 750 µm e o volume total do reator foi de 1 ml. Um conector integrado (rosca 1/4″-28 UNF) está incluído no projeto para permitir a fácil interface do dispositivo com equipamentos comerciais de química de fluxo. O tamanho do canal é limitado pela espessura do material da folha, suas propriedades mecânicas e os parâmetros de ligação utilizados com ultrassom. Em uma determinada largura para um dado material, o material irá “ceder” para dentro do canal criado. Atualmente não existe um modelo específico para esse cálculo, portanto, a largura máxima do canal para um determinado material e projeto é determinada experimentalmente, caso em que uma largura de 750 µm não causará deformação.
O formato (quadrado) do canal é determinado utilizando uma fresa quadrada. O formato e o tamanho dos canais podem ser alterados em máquinas CNC utilizando diferentes ferramentas de corte para obter diferentes vazões e características. Um exemplo de criação de um canal curvo com uma ferramenta de 125 µm pode ser encontrado em Monaghan45. Quando a camada de folha é aplicada plana, a aplicação do material da folha nos canais resultará em uma superfície plana (quadrada). Neste trabalho, um contorno quadrado foi utilizado para preservar a simetria do canal.
Durante uma pausa programada na produção, sensores de temperatura termopares (tipo K) são integrados diretamente ao dispositivo entre os grupos de canais superior e inferior (Fig. 1 – estágio 3). Esses termopares podem controlar variações de temperatura de -200 a 1350 °C.
O processo de deposição de metal é realizado pela ponta de fabricação aditiva ultrassônica (UAM) utilizando uma folha metálica de 25,4 mm de largura e 150 mícrons de espessura. Essas camadas de folha são conectadas em uma série de tiras adjacentes para cobrir toda a área de construção; o tamanho do material depositado é maior que o do produto final, pois o processo de subtração cria a forma final limpa. A usinagem CNC é utilizada para usinar os contornos externos e internos do equipamento, resultando em um acabamento superficial do equipamento e dos canais correspondente à ferramenta selecionada e aos parâmetros do processo CNC (neste exemplo, cerca de 1,6 µm Ra). Ciclos contínuos de pulverização ultrassônica de material e usinagem são utilizados ao longo do processo de fabricação do dispositivo para garantir a manutenção da precisão dimensional e que a peça acabada atenda aos níveis de precisão de fresagem fina CNC. A largura do canal utilizado para este dispositivo é suficientemente pequena para garantir que o material da folha não ceda no canal de fluido, portanto, o canal tem uma seção transversal quadrada. Possíveis falhas no material da folha e os parâmetros do processo UAM foram determinados experimentalmente pelo parceiro de fabricação (Fabrisonic LLC, EUA).
Estudos demonstraram que na interface 46, 47 do composto UAM há pouca difusão de elementos sem tratamento térmico adicional, portanto, para os dispositivos deste trabalho, a camada de Cu-110 permanece diferente da camada de Al 6061 e muda drasticamente.
Instale um regulador de contrapressão (BPR) pré-calibrado a 250 psi (1724 kPa) a jusante do reator e bombeie água através do reator a uma taxa de 0,1 a 1 ml min⁻¹. A pressão do reator foi monitorada usando o transdutor de pressão FlowSyn integrado ao sistema para garantir que o sistema pudesse manter uma pressão constante e estável. Os gradientes de temperatura potenciais no reator de fluxo foram testados procurando por quaisquer diferenças entre os termopares integrados ao reator e os termopares integrados à placa de aquecimento do chip FlowSyn. Isso é feito alterando a temperatura programada da placa de aquecimento entre 100 e 150 °C em incrementos de 25 °C e monitorando quaisquer diferenças entre as temperaturas programadas e registradas. Isso foi feito usando o registrador de dados tc-08 (PicoTech, Cambridge, Reino Unido) e o software PicoLog que o acompanha.
As condições para a reação de cicloadição de fenilacetileno e iodoetano foram otimizadas (Esquema 1 - Cicloadição de fenilacetileno e iodoetano). Essa otimização foi realizada utilizando uma abordagem de planejamento fatorial completo de experimentos (DOE), com temperatura e tempo de residência como variáveis, mantendo a proporção alquino:azida fixa em 1:2.
Soluções separadas de azida de sódio (0,25 M, 4:1 DMF:H₂O), iodoetano (0,25 M, DMF) e fenilacetileno (0,125 M, DMF) foram preparadas. Uma alíquota de 1,5 mL de cada solução foi misturada e bombeada através do reator na vazão e temperatura desejadas. A resposta do modelo foi considerada como a razão entre a área do pico do produto triazol e a área do pico do material de partida, o fenilacetileno, e foi determinada por cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE). Para consistência da análise, todas as reações foram realizadas imediatamente após a saída da mistura reacional do reator. As faixas de parâmetros selecionadas para otimização são mostradas na Tabela 2.
Todas as amostras foram analisadas utilizando um sistema HPLC Chromaster (VWR, PA, EUA) composto por uma bomba quaternária, forno de coluna, detector UV de comprimento de onda variável e amostrador automático. A coluna utilizada foi uma Equivalence 5 C18 (VWR, PA, EUA), 4,6 x 100 mm, com tamanho de partícula de 5 µm, mantida a 40 °C. O solvente utilizado foi metanol:água 50:50 em regime isocrático, com uma vazão de 1,5 mL·min⁻¹. O volume de injeção foi de 5 µL e o comprimento de onda do detector foi de 254 nm. A porcentagem da área do pico para a amostra DOE foi calculada a partir das áreas dos picos dos produtos alquino e triazol residuais. A introdução do material de partida permite a identificação dos picos correspondentes.
A combinação dos resultados da análise do reator com o software MODDE DOE (Umetrics, Malmö, Suécia) permitiu uma análise de tendência completa dos resultados e a determinação das condições de reação ideais para esta cicloadição. A execução do otimizador integrado e a seleção de todos os termos importantes do modelo criam um conjunto de condições de reação projetadas para maximizar a área do pico do produto e, ao mesmo tempo, diminuir a área do pico do acetileno.
A oxidação da superfície de cobre na câmara de reação catalítica foi realizada utilizando uma solução de peróxido de hidrogênio (36%) que fluía através da câmara de reação (vazão = 0,4 ml min-1, tempo de residência = 2,5 min) antes da síntese de cada composto triazólico. biblioteca.
Uma vez determinado o conjunto ideal de condições, estas foram aplicadas a uma série de derivados de acetileno e haloalcano para permitir a compilação de uma pequena biblioteca de síntese, estabelecendo assim a possibilidade de aplicar essas condições a uma gama mais ampla de reagentes potenciais (Fig. 1). 2).
Prepare soluções separadas de azida de sódio (0,25 M, 4:1 DMF:H₂O), haloalcanos (0,25 M, DMF) e alcinos (0,125 M, DMF). Alíquotas de 3 mL de cada solução foram misturadas e bombeadas através do reator a uma taxa de 75 µL/min e temperatura de 150 °C. O volume total foi coletado em um frasco e diluído com 10 mL de acetato de etila. A solução da amostra foi lavada com 3 x 10 mL de água. As fases aquosas foram combinadas e extraídas com 10 mL de acetato de etila. Em seguida, as fases orgânicas foram combinadas, lavadas com 3 x 10 mL de salmoura, secas com MgSO₄ e filtradas. O solvente foi então removido sob vácuo. As amostras foram purificadas por cromatografia em coluna de sílica gel utilizando acetato de etila antes da análise por uma combinação de HPLC, RMN ¹H, RMN ¹³C e espectrometria de massas de alta resolução (HR-MS).
Todos os espectros foram obtidos utilizando um espectrômetro de massas Thermofischer Precision Orbitrap com ESI como fonte de ionização. Todas as amostras foram preparadas utilizando acetonitrila como solvente.
A análise por cromatografia de camada fina (CCF) foi realizada em placas de sílica com substrato de alumínio. As placas foram visualizadas com luz UV (254 nm) ou por coloração com vanilina e aquecimento.
Todas as amostras foram analisadas utilizando um sistema VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, Reino Unido) equipado com um amostrador automático, uma bomba binária com forno de coluna e um detector de comprimento de onda único. Foi utilizada uma coluna ACE Equivalence 5 C18 (150 x 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Escócia).
As injeções (5 µl) foram feitas diretamente da mistura reacional bruta diluída (diluição 1:10) e analisadas com água:metanol (50:50 ou 70:30), exceto para algumas amostras que utilizaram um sistema de solvente 70:30 (indicado pelo número da estrela) a uma vazão de 1,5 ml/min. A coluna foi mantida a 40 °C. O comprimento de onda do detector é de 254 nm.
A porcentagem da área do pico da amostra foi calculada a partir da área do pico do alquino residual, o produto triazol apenas, e a introdução do material de partida possibilitou a identificação dos picos correspondentes.
Todas as amostras foram analisadas utilizando o espectrômetro de emissão óptica com plasma indutivamente acoplado Thermo iCAP 6000 (ICP-OES). Todos os padrões de calibração foram preparados utilizando uma solução padrão de Cu a 1000 ppm em ácido nítrico a 2% (SPEX Certi Prep). Todos os padrões foram preparados em uma solução de 5% de DMF e 2% de HNO3, e todas as amostras foram diluídas 20 vezes com uma solução de amostra de DMF-HNO3.
A Manufatura Aditiva Ultrassônica (UAM) utiliza soldagem ultrassônica de metais como método de união da folha metálica usada para criar a montagem final. A soldagem ultrassônica de metais utiliza uma ferramenta metálica vibratória (chamada de sonda ultrassônica) para aplicar pressão à folha/camada previamente consolidada a ser unida/previamente consolidada, vibrando o material. Para operação contínua, a sonda ultrassônica tem formato cilíndrico e rola sobre a superfície do material, colando toda a área. Quando pressão e vibração são aplicadas, os óxidos na superfície do material podem sofrer fissuras. Pressão e vibração constantes podem levar à destruição da rugosidade do material³⁶. O contato próximo com calor e pressão localizados leva, então, a uma ligação em fase sólida nas interfaces do material; também pode promover coesão alterando a energia superficial⁴⁸. A natureza do mecanismo de ligação supera muitos dos problemas associados à temperatura de fusão variável e aos efeitos de alta temperatura mencionados em outras tecnologias de manufatura aditiva. Isso permite a conexão direta (ou seja, sem modificação da superfície, enchimentos ou adesivos) de várias camadas de materiais diferentes em uma única estrutura consolidada.
O segundo fator favorável para a Manufatura Aditiva por Ultrassom (CAM) é o alto grau de fluidez plástica observado em materiais metálicos, mesmo em baixas temperaturas, ou seja, bem abaixo do ponto de fusão desses materiais. A combinação de vibrações ultrassônicas e pressão provoca um alto nível de migração local dos contornos de grão e recristalização, sem o aumento significativo de temperatura tradicionalmente associado a materiais maciços. Durante a criação do conjunto final, esse fenômeno pode ser utilizado para incorporar componentes ativos e passivos entre camadas de folha metálica, camada por camada. Elementos como fibra óptica⁴⁹, reforço⁴⁶, componentes eletrônicos⁵⁰ e termopares (este trabalho) foram integrados com sucesso em estruturas de Manufatura Aditiva por Ultrassom (UAM) para criar conjuntos compósitos ativos e passivos.
Neste trabalho, foram utilizadas diferentes capacidades de ligação de materiais e capacidades de intercalação de UAM para criar um microrreator ideal para o controle catalítico da temperatura.
Comparada ao paládio (Pd) e a outros catalisadores metálicos comumente usados, a catálise com Cu apresenta diversas vantagens: (i) Economicamente, o Cu é mais barato que muitos outros metais usados ​​em catálise e, portanto, é uma opção atraente para a indústria química; (ii) a gama de reações de acoplamento cruzado catalisadas por Cu está se expandindo e parece ser, de certa forma, complementar às metodologias baseadas em Pd;⁵¹,⁵²,⁵³ (iii) as reações catalisadas por Cu funcionam bem na ausência de outros ligantes. Esses ligantes são frequentemente estruturalmente simples e baratos, se desejado, enquanto os usados ​​na química do Pd são frequentemente complexos, caros e sensíveis ao ar; (iv) o Cu é especialmente conhecido por sua capacidade de se ligar a alcinos em síntese, como no acoplamento catalisado bimetálico de Sonogashira e na cicloadição com azidas (química de clique); (v) o Cu também pode promover a arilação de alguns nucleófilos em reações do tipo Ullmann.
Recentemente, foram demonstrados exemplos de heterogeneização de todas essas reações na presença de Cu(0). Isso se deve em grande parte à indústria farmacêutica e ao crescente foco na recuperação e reutilização de catalisadores metálicos55,56.
A reação de cicloadição 1,3-dipolar entre acetileno e azida para formar 1,2,3-triazol, proposta inicialmente por Huisgen na década de 196057, é considerada uma reação de demonstração sinérgica. Os fragmentos de 1,2,3-triazol resultantes são de particular interesse como farmacóforo na descoberta de fármacos devido às suas aplicações biológicas e uso em diversos agentes terapêuticos58.
Essa reação recebeu atenção renovada quando Sharpless e outros introduziram o conceito de “química de clique”59. O termo “química de clique” é usado para descrever um conjunto robusto e seletivo de reações para a síntese rápida de novos compostos e bibliotecas combinatórias usando ligações heteroatômicas (CXC)60. O apelo sintético dessas reações se deve aos altos rendimentos associados a elas. As condições são simples, há resistência ao oxigênio e à água, e a separação do produto é simples61.
A cicloadição clássica de Huisgen 1,3-dipolar não se enquadra na categoria de “química de clique”. No entanto, Medal e Sharpless demonstraram que esse evento de acoplamento azida-alquino ocorre 107–108 na presença de Cu(I), em comparação com uma aceleração significativa na taxa de cicloadição 1,3-dipolar não catalítica 62,63. Esse mecanismo de reação avançado não requer grupos protetores ou condições de reação drásticas e proporciona conversão e seletividade quase completas para 1,2,3-triazóis 1,4-dissubstituídos (anti-1,2,3-triazóis) ao longo do tempo (Fig. 3).
Resultados isométricos de cicloadições de Huisgen convencionais e catalisadas por cobre. As cicloadições de Huisgen catalisadas por Cu(I) produzem apenas 1,2,3-triazóis 1,4-dissubstituídos, enquanto as cicloadições de Huisgen induzidas termicamente produzem tipicamente 1,4- e 1,5-triazóis, uma mistura 1:1 de estereoisômeros de azóis.
A maioria dos protocolos envolve a redução de fontes estáveis ​​de Cu(II), como a redução de CuSO4 ou do composto Cu(II)/Cu(0) em combinação com sais de sódio. Comparado a outras reações catalisadas por metais, o uso de Cu(I) tem como principais vantagens o baixo custo e a facilidade de manuseio.
Estudos cinéticos e isotópicos realizados por Worrell et al.⁶⁵ demonstraram que, no caso de alcinos terminais, dois equivalentes de cobre estão envolvidos na ativação da reatividade de cada molécula em relação à azida. O mecanismo proposto se dá por meio de um anel metálico de cobre de seis membros formado pela coordenação da azida ao acetileto de cobre com ligação σ, com o cobre ligado por ligação π atuando como um ligante doador estável. Derivados de triazolil de cobre são formados como resultado da contração do anel, seguida pela decomposição de prótons para formar produtos triazólicos e fechar o ciclo catalítico.
Embora os benefícios dos dispositivos de química de fluxo estejam bem documentados, existe o desejo de integrar ferramentas analíticas nesses sistemas para monitoramento de processos em tempo real in situ66,67. A UAM provou ser um método adequado para projetar e fabricar reatores de fluxo 3D muito complexos a partir de materiais cataliticamente ativos e termicamente condutores com elementos sensores diretamente incorporados (Fig. 4).
Reator de fluxo de alumínio-cobre fabricado por manufatura aditiva ultrassônica (UAM) com uma estrutura complexa de canais internos, termopares integrados e uma câmara de reação catalítica. Para visualizar os caminhos internos do fluido, um protótipo transparente feito por estereolitografia também é apresentado.
Para garantir que os reatores sejam adequados para futuras reações orgânicas, os solventes devem ser aquecidos com segurança acima de seu ponto de ebulição; eles são testados sob pressão e temperatura. O teste de pressão mostrou que o sistema mantém uma pressão estável e constante mesmo sob pressão elevada (1,7 MPa). Os testes hidrostáticos foram realizados à temperatura ambiente usando H₂O como líquido.
A conexão do termopar integrado (Figura 1) ao registrador de dados de temperatura mostrou que a temperatura do termopar estava 6 °C (± 1 °C) abaixo da temperatura programada no sistema FlowSyn. Tipicamente, um aumento de 10 °C na temperatura dobra a taxa de reação, portanto, uma diferença de temperatura de apenas alguns graus pode alterar significativamente a taxa de reação. Essa diferença se deve à perda de temperatura ao longo do vaso de pressão do reator (VPR) devido à alta difusividade térmica dos materiais utilizados no processo de fabricação. Essa deriva térmica é constante e, portanto, pode ser levada em consideração ao configurar o equipamento para garantir que temperaturas precisas sejam atingidas e medidas durante a reação. Assim, essa ferramenta de monitoramento online facilita o controle preciso da temperatura de reação e contribui para uma otimização de processo mais precisa e para o desenvolvimento de condições ótimas. Esses sensores também podem ser usados ​​para detectar reações exotérmicas e prevenir reações descontroladas em sistemas de grande escala.
O reator apresentado neste artigo é o primeiro exemplo da aplicação da tecnologia UAM à fabricação de reatores químicos e aborda várias limitações importantes atualmente associadas à AM/impressão 3D desses dispositivos, tais como: (i) Superação dos problemas conhecidos associados ao processamento de ligas de cobre ou alumínio; (ii) resolução de canal interno aprimorada em comparação com métodos de fusão em leito de pó (PBF), como a fusão seletiva a laser (SLM)25,69; (iii) temperatura de processamento mais baixa, o que facilita a conexão direta de sensores, o que não é possível na tecnologia de leito de pó; (iv) superação das propriedades mecânicas deficientes e da sensibilidade dos componentes à base de polímero a vários solventes orgânicos comuns17,19.
A funcionalidade do reator foi demonstrada por uma série de reações de cicloadição de alcinazida catalisadas por cobre em condições de fluxo contínuo (Fig. 2). O reator de cobre impresso por ultrassom mostrado na Fig. 4 foi integrado a um sistema de fluxo comercial e usado para sintetizar uma biblioteca de azidas de vários 1,4-dissubstituídos 1,2,3-triazóis usando uma reação com temperatura controlada de acetileno e haletos de grupos alquila na presença de cloreto de sódio (Fig. 3). O uso da abordagem de fluxo contínuo reduz os problemas de segurança que podem surgir em processos em batelada, uma vez que essa reação produz intermediários de azida altamente reativos e perigosos [317], [318]. Inicialmente, a reação foi otimizada para a cicloadição de fenilacetileno e iodoetano (Esquema 1 – Cicloadição de fenilacetileno e iodoetano) (ver Fig. 5).
(Canto superior esquerdo) Esquema da configuração usada para incorporar um reator 3DP em um sistema de fluxo (canto superior direito) obtido a partir do esquema otimizado (inferior) do esquema de cicloadição de Huisgen 57 entre fenilacetileno e iodoetano para otimização e mostrando os parâmetros de taxa de conversão otimizados da reação.
Controlando o tempo de residência dos reagentes na seção catalítica do reator e monitorando cuidadosamente a temperatura da reação com um sensor termopar integrado, as condições reacionais podem ser otimizadas de forma rápida e precisa, com o mínimo de tempo e materiais. Observou-se rapidamente que a maior conversão foi obtida com um tempo de residência de 15 minutos e uma temperatura de reação de 150 °C. O gráfico de coeficientes do software MODDE mostra que tanto o tempo de residência quanto a temperatura de reação são considerados condições importantes do modelo. A execução do otimizador integrado com essas condições selecionadas gera um conjunto de condições reacionais projetadas para maximizar as áreas dos picos do produto e, ao mesmo tempo, minimizar as áreas dos picos do material de partida. Essa otimização resultou em uma conversão de 53% do produto triazol, valor que corresponde exatamente à previsão do modelo de 54%.