Faleminderit që vizituat Nature.com. Versioni i shfletuesit që po përdorni ka mbështetje të kufizuar CSS. Për përvojën më të mirë, ne ju rekomandojmë të përdorni një shfletues të përditësuar (ose të çaktivizoni Modalitetin e Përputhshmërisë në Internet Explorer). Ndërkohë, për të siguruar mbështetje të vazhdueshme, ne do ta paraqesim faqen pa stile dhe JavaScript.
Një karusel që shfaq tre diapozitiva në të njëjtën kohë. Përdorni butonat "Më parë" dhe "Më pas" për të lëvizur midis tre diapozitivave në të njëjtën kohë, ose përdorni butonat e rrëshqitësit në fund për të lëvizur midis tre diapozitivave në të njëjtën kohë.
Prodhimi aditiv po ndryshon mënyrën se si studiuesit dhe industrialistët projektojnë dhe prodhojnë pajisje kimike për të përmbushur nevojat e tyre specifike. Në këtë punim, ne raportojmë shembullin e parë të një reaktori rrjedhës të formuar nga laminimi i prodhimit aditiv tejzanor (UAM) të një flete metalike të ngurtë me pjesë katalitike të integruara drejtpërdrejt dhe elementë ndijorë. Teknologjia UAM jo vetëm që kapërcen shumë nga kufizimet që lidhen aktualisht me prodhimin aditiv të reaktorëve kimikë, por gjithashtu zgjeron shumë aftësitë e pajisjeve të tilla. Një numër i komponimeve biologjikisht të rëndësishme 1,4-të disubstitutuara 1,2,3-triazol janë sintetizuar dhe optimizuar me sukses nga një reaksion cikloadicioni Huisgen 1,3-dipolar i ndërmjetësuar nga Cu duke përdorur strukturën kimike UAM. Duke përdorur vetitë unike të UAM dhe përpunimin e rrjedhës së vazhdueshme, pajisja është në gjendje të katalizojë reaksionet e vazhdueshme, si dhe të ofrojë reagime në kohë reale për të monitoruar dhe optimizuar reaksionet.
Për shkak të avantazheve të saj të konsiderueshme ndaj homologut të saj në masë, kimia e rrjedhjes është një fushë e rëndësishme dhe në rritje si në mjediset akademike ashtu edhe në ato industriale për shkak të aftësisë së saj për të rritur selektivitetin dhe efikasitetin e sintezës kimike. Kjo shtrihet nga formimi i molekulave të thjeshta organike1 deri te komponimet farmaceutike2,3 dhe produktet natyrore4,5,6. Mbi 50% e reaksioneve në industritë kimike të imëta dhe farmaceutike mund të përfitojnë nga rrjedhja e vazhdueshme7.
Në vitet e fundit, ka pasur një trend në rritje të grupeve që kërkojnë të zëvendësojnë pajisjet tradicionale të qelqit ose të kimisë së rrjedhjes me "reaktorë" kimikë të adaptueshëm8. Projektimi përsëritës, prodhimi i shpejtë dhe aftësitë tre-dimensionale (3D) të këtyre metodave janë të dobishme për ata që duan të personalizojnë pajisjet e tyre për një grup të caktuar reaksionesh, pajisjesh ose kushtesh. Deri më sot, kjo punë është përqendruar pothuajse ekskluzivisht në përdorimin e teknikave të printimit 3D të bazuara në polimere, siç janë stereolitografia (SL)9,10,11, Modelimi i Depozitimit të Shkrirë (FDM)8,12,13,14 dhe printimi me bojë7,15, 16. Mungesa e besueshmërisë dhe aftësisë së pajisjeve të tilla për të kryer një gamë të gjerë reaksionesh/analizash kimike17, 18, 19, 20 është një faktor kryesor kufizues për zbatimin më të gjerë të AM në këtë fushë17, 18, 19, 20.
Për shkak të përdorimit në rritje të kimisë së rrjedhjes dhe vetive të favorshme që lidhen me AM, duhet të eksplorohen teknika më të mira që do t'u lejojnë përdoruesve të prodhojnë enë reagimi rrjedhjeje me aftësi të përmirësuara kimike dhe analitike. Këto metoda duhet t'u lejojnë përdoruesve të zgjedhin nga një gamë materialesh me rezistencë të lartë ose funksionale të afta të funksionojnë në një gamë të gjerë kushtesh reagimi, si dhe të lehtësojnë forma të ndryshme të rezultatit analitik nga pajisja për të mundësuar monitorimin dhe kontrollin e reagimit.
Një proces prodhimi aditiv që mund të përdoret për të zhvilluar reaktorë kimikë të personalizuar është Prodhimi Aditiv Ultrasonik (UAM). Kjo metodë e laminimit të fletëve në gjendje të ngurtë aplikon vibrime tejzanore në fletë metalike të holla për t'i lidhur ato së bashku shtresë pas shtrese me ngrohje minimale volumetrike dhe një shkallë të lartë të rrjedhjes plastike 21, 22, 23. Ndryshe nga shumica e teknologjive të tjera AM, UAM mund të integrohet drejtpërdrejt me prodhimin zbritës, i njohur si një proces prodhimi hibrid, në të cilin kontrolli numerik periodik në vend (CNC) ose përpunimi me lazer përcakton formën neto të shtresës së materialit të lidhur 24, 25. Kjo do të thotë që përdoruesi nuk është i kufizuar në problemet që lidhen me heqjen e materialit të mbetur origjinal të ndërtimit nga kanalet e vogla të lëngshme, gjë që ndodh shpesh në sistemet pluhur dhe të lëngshme AM26,27,28. Kjo liri projektimi shtrihet edhe në zgjedhjen e materialeve të disponueshme - UAM mund të lidhë kombinime të materialeve termikisht të ngjashme dhe të ndryshme në një hap të vetëm procesi. Zgjedhja e kombinimeve të materialeve përtej procesit të shkrirjes do të thotë që kërkesat mekanike dhe kimike të aplikacioneve specifike mund të përmbushen më mirë. Përveç lidhjes së ngurtë, një fenomen tjetër që ndodh me lidhjen tejzanor është rrjedhshmëria e lartë e materialeve plastike në temperatura relativisht të ulëta29,30,31,32,33. Kjo veçori unike e UAM lejon që elementët mekanikë/termikë të vendosen midis shtresave metalike pa dëmtime. Sensorët e integruar të UAM mund të lehtësojnë shpërndarjen e informacionit në kohë reale nga pajisja te përdoruesi përmes analizave të integruara.
Puna e mëparshme nga autorët32 demonstroi aftësinë e procesit UAM për të krijuar struktura metalike mikrofluidike 3D me aftësi të ngulitura ndjeshmërie. Kjo pajisje është vetëm për qëllime monitorimi. Ky artikull paraqet shembullin e parë të një reaktori kimik mikrofluidik të prodhuar nga UAM, një pajisje aktive që jo vetëm kontrollon, por edhe shkakton sintezën kimike me materiale katalitike të integruara në mënyrë strukturore. Pajisja kombinon disa avantazhe të lidhura me teknologjinë UAM në prodhimin e pajisjeve kimike 3D, të tilla si: aftësia për të kthyer një dizajn të plotë 3D direkt nga një model i dizajnit të ndihmuar nga kompjuteri (CAD) në një produkt; fabrikim shumë-material për një kombinim të përçueshmërisë së lartë termike dhe materialeve katalitike, si dhe sensorë termikë të ngulitur direkt midis rrjedhave të reaktantëve për kontroll dhe menaxhim të saktë të temperaturës së reagimit. Për të demonstruar funksionalitetin e reaktorit, një bibliotekë e komponimeve farmaceutikisht të rëndësishme 1,4-dipolare 1,2,3-triazol 1,4-të disubstitutuara u sintetizua me anë të cikloadicionit Huisgen 1,3-dipolar të katalizuar nga bakri. Ky punim nxjerr në pah se si përdorimi i shkencës së materialeve dhe dizajnit të ndihmuar nga kompjuteri mund të hapë mundësi dhe mundësi të reja për kiminë përmes kërkimit ndërdisiplinor.
Të gjithë tretësit dhe reagentët u blenë nga Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI ose Fischer Scientific dhe u përdorën pa pastrim paraprak. Spektrat 1H dhe 13C NMR të regjistruar në 400 dhe 100 MHz, përkatësisht, u morën në një spektrometër JEOL ECS-400 400 MHz ose një spektrometër Bruker Avance II 400 MHz me CDCl3 ose (CD3)2SO4 si tretës. Të gjitha reaksionet u kryen duke përdorur platformën e kimisë së rrjedhës Uniqsis FlowSyn.
UAM u përdor për të prodhuar të gjitha pajisjet në këtë studim. Teknologjia u shpik në vitin 1999 dhe detajet e saj teknike, parametrat operativë dhe zhvillimet që nga shpikja e saj mund të studiohen duke përdorur materialet e mëposhtme të publikuara34,35,36,37. Pajisja (Fig. 1) u zbatua duke përdorur një sistem UAM SonicLayer 4000® 9 kW (Fabrisonic, Ohio, SHBA). Materialet e zgjedhura për pajisjen e rrjedhjes ishin Cu-110 dhe Al 6061. Cu-110 ka një përmbajtje të lartë bakri (minimum 99.9% bakër), duke e bërë atë një kandidat të mirë për reaksionet e katalizuara nga bakri dhe për këtë arsye përdoret si një "shtresë aktive brenda mikroreaktorit". Al 6061O përdoret si materiali "pjesor". , si dhe shtresa e interkalimit e përdorur për analizë; interkalimi i komponentëve ndihmës të aliazhit dhe gjendja e pjekur në kombinim me shtresën Cu-110. është gjetur të jetë kimikisht i qëndrueshëm me reagentët e përdorur në këtë punim. Al 6061O në kombinim me Cu-110 konsiderohet gjithashtu si një kombinim materialesh i pajtueshëm për UAM dhe për këtë arsye është një material i përshtatshëm për këtë studim38,42. Këto pajisje janë renditur në Tabelën 1 më poshtë.
Hapat e fabrikimit të reaktorit (1) Substrati i lidhjes së aluminit 6061 (2) Fabrikimi i kanalit të poshtëm nga fleta e bakrit (3) Vendosja e termoçifteve midis shtresave (4) Kanali i sipërm (5) Hyrja dhe dalja (6) Reaktori monolit.
Filozofia e projektimit të kanalit të lëngut është të përdorë një rrugë të dredhur për të rritur distancën e përshkuar nga lëngu brenda çipit, duke ruajtur një madhësi të menaxhueshme të çipit. Kjo rritje në distancë është e dëshirueshme për të rritur kohën e kontaktit katalizator-reaktant dhe për të siguruar rendimente të shkëlqyera të produktit. Çipat përdorin kthesa 90° në skajet e një rruge të drejtë për të shkaktuar përzierje turbulente brenda pajisjes44 dhe për të rritur kohën e kontaktit të lëngut me sipërfaqen (katalizatorin). Për të përmirësuar më tej përzierjen që mund të arrihet, projektimi i reaktorit përfshin dy hyrje të reaktantëve të kombinuara në një lidhje Y para se të hyjnë në seksionin e spirales së përzierjes. Hyrja e tretë, e cila kalon rrjedhën në gjysmë të kohës së qëndrimit të saj, është përfshirë në planin për reaksionet e ardhshme të sintezës shumëfazore.
Të gjitha kanalet kanë një profil katror (pa kënde konike), i cili është rezultat i frezimit periodik CNC të përdorur për të krijuar gjeometrinë e kanalit. Dimensionet e kanalit janë zgjedhur për të siguruar një rendiment volumetrik të lartë (për një mikroreaktor), por megjithatë mjaftueshëm të vogël për të lehtësuar ndërveprimin me sipërfaqen (katalizatorët) për shumicën e lëngjeve që përmban. Madhësia e përshtatshme bazohet në përvojën e mëparshme të autorëve me pajisjet e reagimit metal-lëng. Dimensionet e brendshme të kanalit përfundimtar ishin 750 µm x 750 µm dhe vëllimi total i reaktorit ishte 1 ml. Një lidhës i integruar (fije 1/4″-28 UNF) është përfshirë në dizajn për të lejuar ndërfaqësimin e lehtë të pajisjes me pajisjet komerciale të kimisë së rrjedhjes. Madhësia e kanalit është e kufizuar nga trashësia e materialit të fletë metalike, vetitë e tij mekanike dhe parametrat e lidhjes së përdorur me ultratinguj. Në një gjerësi të caktuar për materialin e dhënë, materiali do të "varet" në kanalin e krijuar. Aktualisht nuk ka një model specifik për këtë llogaritje, kështu që gjerësia maksimale e kanalit për një material dhe dizajn të caktuar përcaktohet eksperimentalisht, në të cilin rast një gjerësi prej 750 µm nuk do të shkaktojë varje.
Forma (katrore) e kanalit përcaktohet duke përdorur një prerës katror. Forma dhe madhësia e kanaleve mund të ndryshohen në makinat CNC duke përdorur mjete të ndryshme prerëse për të marrë shpejtësi dhe karakteristika të ndryshme rrjedhjeje. Një shembull i krijimit të një kanali të lakuar me një mjet 125 µm mund të gjendet në Monaghan45. Kur shtresa e petëzuar aplikohet e sheshtë, aplikimi i materialit të petëzuar në kanale do të ketë një sipërfaqe të sheshtë (katrore). Në këtë punim, u përdor një kontur katror për të ruajtur simetrinë e kanalit.
Gjatë një pauze të programuar në prodhim, sensorët e temperaturës së termoçifteve (tipi K) ndërtohen direkt në pajisje midis grupeve të sipërme dhe të poshtme të kanaleve (Fig. 1 - faza 3). Këto termoçifte mund të kontrollojnë ndryshimet e temperaturës nga -200 në 1350 °C.
Procesi i depozitimit të metalit kryhet nga briri UAM duke përdorur fletë metalike me gjerësi 25.4 mm dhe trashësi 150 mikronë. Këto shtresa fletësh metalike janë të lidhura në një seri shiritash ngjitur për të mbuluar të gjithë zonën e ndërtimit; madhësia e materialit të depozituar është më e madhe se produkti përfundimtar pasi procesi i zbritjes krijon formën përfundimtare të pastër. Përpunimi CNC përdoret për të përpunuar konturet e jashtme dhe të brendshme të pajisjeve, duke rezultuar në një sipërfaqe të përfunduar të pajisjeve dhe kanaleve që korrespondojnë me mjetin e zgjedhur dhe parametrat e procesit CNC (në këtë shembull, rreth 1.6 µm Ra). Ciklet e spërkatjes dhe përpunimit të vazhdueshëm me ultratinguj të materialit përdoren gjatë gjithë procesit të prodhimit të pajisjes për të siguruar që të ruhet saktësia dimensionale dhe pjesa e përfunduar të përmbushë nivelet e precizionit të bluarjes së imët CNC. Gjerësia e kanalit të përdorur për këtë pajisje është mjaft e vogël për të siguruar që materiali i fletës metalike të mos "varet" në kanalin e lëngut, kështu që kanali ka një seksion tërthor katror. Boshllëqet e mundshme në materialin e fletës metalike dhe parametrat e procesit UAM u përcaktuan eksperimentalisht nga partneri i prodhimit (Fabrisonic LLC, SHBA).
Studimet kanë treguar se në ndërfaqen 46, 47 të përbërjes UAM ka pak përhapje të elementeve pa trajtim shtesë termik, kështu që për pajisjet në këtë punim shtresa Cu-110 mbetet e ndryshme nga shtresa Al 6061 dhe ndryshon në mënyrë dramatike.
Instaloni një rregullator të presionit të kundërt (BPR) të parakalibruar në 250 psi (1724 kPa) poshtë reaktorit dhe pomponi ujë përmes reaktorit me një shpejtësi prej 0.1 deri në 1 ml min-1. Presioni i reaktorit u monitorua duke përdorur transduktorin e presionit FlowSyn të integruar në sistem për të siguruar që sistemi të mund të mbante një presion konstant dhe të qëndrueshëm. Gradientët e mundshëm të temperaturës në reaktorin e rrjedhjes u testuan duke kërkuar çdo ndryshim midis termoçifteve të integruara në reaktor dhe termoçifteve të integruara në pllakën ngrohëse të çipit FlowSyn. Kjo arrihet duke ndryshuar temperaturën e programuar të pllakës së nxehtë midis 100 dhe 150 °C në rritje prej 25 °C dhe duke monitoruar çdo ndryshim midis temperaturave të programuara dhe të regjistruara. Kjo u arrit duke përdorur regjistruesin e të dhënave tc-08 (PicoTech, Cambridge, UK) dhe softuerin shoqërues PicoLog.
Kushtet për reaksionin e cikloaddicionit të fenilacetilenit dhe jodoetanit janë optimizuar (Skema 1 - Cikloaddicioni i fenilacetilenit dhe jodoetanit, Skema 1 - Cikloaddicioni i fenilacetilenit dhe jodoetanit). Ky optimizim u krye duke përdorur një qasje të plotë faktoriale të projektimit të eksperimenteve (DOE), duke përdorur temperaturën dhe kohën e qëndrimit si variabla, ndërsa fiksohej raporti alkin:azid në 1:2.
U përgatitën tretësira të ndara të azidit të natriumit (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), jodoetanit (0.25 M, DMF) dhe fenilacetilenit (0.125 M, DMF). Një alikuot prej 1.5 ml i secilës tretësirë ​​u përzie dhe u pompua përmes reaktorit me shpejtësinë dhe temperaturën e dëshiruar të rrjedhjes. Përgjigja e modelit u mor si raporti i sipërfaqes së pikut të produktit triazol me materialin fillestar të fenilacetilenit dhe u përcaktua duke përdorur kromatografi të lëngshme me performancë të lartë (HPLC). Për konsistencën e analizës, të gjitha reaksionet u morën menjëherë pasi përzierja e reaksionit doli nga reaktori. Diapazonet e parametrave të përzgjedhur për optimizim tregohen në Tabelën 2.
Të gjitha mostrat u analizuan duke përdorur një sistem HPLC Chromaster (VWR, PA, SHBA) i përbërë nga një pompë kuaternare, furrë kolone, detektor UV me gjatësi vale të ndryshueshme dhe automomenter. Kolona ishte një Equivalence 5 C18 (VWR, PA, SHBA), 4.6 x 100 mm, madhësi grimcash 5 µm, e mbajtur në 40°C. Tretësira ishte metanol izokratik:ujë 50:50 me një shpejtësi rrjedhjeje prej 1.5 ml·min-1. Vëllimi i injektimit ishte 5 μl dhe gjatësia e valës së detektorit ishte 254 nm. % e sipërfaqes së pikut për mostrën DOE u llogarit vetëm nga sipërfaqet e pikut të produkteve të mbetura të alkinit dhe triazolit. Futja e materialit fillestar bën të mundur identifikimin e pikut përkatës.
Kombinimi i rezultateve të analizës së reaktorit me programin MODDE DOE (Umetrics, Malmö, Suedi) lejoi një analizë të plotë të trendit të rezultateve dhe përcaktimin e kushteve optimale të reagimit për këtë cikloaddicion. Ekzekutimi i optimizuesit të integruar dhe përzgjedhja e të gjithë termave të rëndësishëm të modelit krijon një sërë kushtesh reagimi të dizajnuara për të maksimizuar sipërfaqen e pikut të produktit, duke zvogëluar njëkohësisht sipërfaqen e pikut për lëndën e parë të acetilenit.
Oksidimi i sipërfaqes së bakrit në dhomën e reaksionit katalitik u arrit duke përdorur një tretësirë ​​peroksidi hidrogjeni (36%) që rrjedh nëpër dhomën e reaksionit (shkalla e rrjedhjes = 0.4 ml min-1, koha e qëndrimit = 2.5 min) para sintezës së secilës përbërje triazoli. biblioteka.
Pasi u përcaktua grupi optimal i kushteve, ato u aplikuan në një gamë derivatesh të acetilenit dhe haloalkanit për të lejuar përpilimin e një biblioteke të vogël sinteze, duke krijuar kështu mundësinë e aplikimit të këtyre kushteve në një gamë më të gjerë reagentësh potencialë (Fig. 1). 2).
Përgatitni tretësira të veçanta të azidit të natriumit (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), haloalkaneve (0.25 M, DMF) dhe alkineve (0.125 M, DMF). Alikuota prej 3 ml të secilës tretësirë ​​u përzien dhe u pompuan përmes reaktorit me një shpejtësi prej 75 µl/min dhe një temperaturë prej 150°C. I gjithë vëllimi u mblodh në një shishe dhe u hollua me 10 ml acetat etili. Tretësira e mostrës u larë me 3 x 10 ml ujë. Shtresat ujore u kombinuan dhe u nxorën me 10 ml acetat etili, pastaj shtresat organike u kombinuan, u lanë me 3×10 ml shëllirë, u thanë mbi MgSO4 dhe u filtruan, pastaj tretësi u hoq në vakuo. Mostrat u pastruan me kromatografi në kolonë xheli silici duke përdorur acetat etili para analizës me një kombinim të HPLC, 1H NMR, 13C NMR dhe spektrometrisë së masës me rezolucion të lartë (HR-MS).
Të gjitha spektrat u morën duke përdorur një spektrometër mase Thermofischer Precision Orbitrap me ESI si burim jonizimi. Të gjitha mostrat u përgatitën duke përdorur acetonitril si tretës.
Analiza TLC u krye në pllaka silici me një substrat alumini. Pllakat u vizualizuan me dritë UV (254 nm) ose ngjyrosje dhe ngrohje me vanilinë.
Të gjitha mostrat u analizuan duke përdorur një sistem VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) të pajisur me një automomenter, një pompë binare me një furrë kolone dhe një detektor me një gjatësi vale të vetme. U përdor një kolonë ACE Equivalence 5 C18 (150 x 4.6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Skoci).
Injeksionet (5 µl) u bënë direkt nga përzierja e holluar e reaksionit të papërpunuar (hollim 1:10) dhe u analizuan me ujë:metanol (50:50 ose 70:30), përveç disa mostrave që përdorin një sistem tretës 70:30 (i shënuar si numri i yllit) me një shpejtësi rrjedhjeje prej 1.5 ml/min. Kolona u mbajt në 40°C. Gjatësia e valës së detektorit është 254 nm.
% e sipërfaqes së pikut të mostrës u llogarit nga sipërfaqja e pikut të alkinit të mbetur, vetëm produktit triazol, dhe futja e materialit fillestar bëri të mundur identifikimin e majave përkatëse.
Të gjitha mostrat u analizuan duke përdorur Thermo iCAP 6000 ICP-OES. Të gjitha standardet e kalibrimit u përgatitën duke përdorur një tretësirë ​​standarde Cu 1000 ppm në 2% acid nitrik (SPEX Certi Prep). Të gjitha standardet u përgatitën në një tretësirë ​​prej 5% DMF dhe 2% HNO3, dhe të gjitha mostrat u holluan 20 herë me një tretësirë ​​mostre DMF-HNO3.
UAM përdor saldimin metalik ultrasonik si një metodë për bashkimin e fletës metalike të përdorur për të krijuar montimin përfundimtar. Saldimi metalik ultrasonik përdor një mjet metalik vibrues (të quajtur bri ose bri ultrasonik) për të ushtruar presion mbi fletën/shtresën e konsoliduar më parë që do të lidhet/konsolidohet më parë duke vibruar materialin. Për funksionim të vazhdueshëm, sonotrodi ka një formë cilindrike dhe rrokulliset mbi sipërfaqen e materialit, duke ngjitur të gjithë zonën. Kur aplikohet presion dhe dridhje, oksidet në sipërfaqen e materialit mund të çahen. Presioni dhe dridhja e vazhdueshme mund të çojnë në shkatërrimin e vrazhdësisë së materialit 36. Kontakti i ngushtë me nxehtësinë dhe presionin e lokalizuar më pas çon në një lidhje të fazës së ngurtë në ndërfaqet e materialit; ai gjithashtu mund të nxisë kohezionin duke ndryshuar energjinë sipërfaqësore 48. Natyra e mekanizmit të lidhjes kapërcen shumë nga problemet që lidhen me temperaturën e ndryshueshme të shkrirjes dhe efektet e temperaturës së lartë të përmendura në teknologjitë e tjera të prodhimit shtesë. Kjo lejon lidhjen direkte (domethënë pa modifikim të sipërfaqes, mbushës ose ngjitës) të disa shtresave të materialeve të ndryshme në një strukturë të vetme të konsoliduar.
Faktori i dytë i favorshëm për CAM është shkalla e lartë e rrjedhjes plastike e vërejtur në materialet metalike edhe në temperatura të ulëta, pra shumë nën pikën e shkrirjes së materialeve metalike. Kombinimi i dridhjeve tejzanore dhe presionit shkakton një nivel të lartë të migrimit lokal të kufirit të kokrrizave dhe rikristalizimit pa rritjen e ndjeshme të temperaturës që tradicionalisht shoqërohet me materialet në masë. Gjatë krijimit të montimit përfundimtar, ky fenomen mund të përdoret për të ngulitur komponentë aktivë dhe pasivë midis shtresave të fletës metalike, shtresë pas shtrese. Elementë të tillë si fibra optike 49, përforcimi 46, elektronika 50 dhe termoçiftet (kjo punë) janë integruar me sukses në strukturat UAM për të krijuar montime kompozite aktive dhe pasive.
Në këtë punim, u përdorën si aftësitë e ndryshme të lidhjes së materialeve ashtu edhe aftësitë e ndërthurjes së UAM për të krijuar një mikroreaktor ideal për kontrollin katalitik të temperaturës.
Krahasuar me paladiumin (Pd) dhe katalizatorët e tjerë metalikë të përdorur zakonisht, kataliza e Cu ka disa përparësi: (i) Ekonomikisht, Cu është më i lirë se shumë metale të tjera të përdorura në katalizë dhe për këtë arsye është një mundësi tërheqëse për industrinë kimike (ii) gama e reaksioneve të çiftëzimit të kryqëzuar të katalizuara nga Cu po zgjerohet dhe duket se është disi plotësuese e metodologjive të bazuara në Pd51, 52, 53 (iii) Reaksionet e katalizuara nga Cu funksionojnë mirë në mungesë të ligandëve të tjerë. Këta ligandë shpesh janë strukturalisht të thjeshtë dhe të lirë. nëse dëshirohet, ndërsa ato të përdorura në kiminë e Pd janë shpesh komplekse, të shtrenjta dhe të ndjeshme ndaj ajrit (iv) Cu, i njohur veçanërisht për aftësinë e tij për të lidhur alkinet në sintezë, siç është çiftëzimi bimetalik i katalizuar nga Sonogashira dhe cikloaddimi me azide (kimia e klikimit) (v) Cu gjithashtu mund të nxisë arilimin e disa nukleofileve në reaksionet e tipit Ullmann.
Kohët e fundit, janë demonstruar shembuj të heterogjenizimit të të gjitha këtyre reaksioneve në prani të Cu(0). Kjo është kryesisht për shkak të industrisë farmaceutike dhe fokusit në rritje në rikuperimin dhe ripërdorimin e katalizatorëve metalikë55,56.
Reaksioni i cikloadicionit 1,3-dipolar midis acetilenit dhe azidit në 1,2,3-triazol, i propozuar për herë të parë nga Huisgen në vitet 196057, konsiderohet të jetë një reaksion demonstrues sinergjik. Fragmentet rezultuese të 1,2,3 triazolit janë me interes të veçantë si një farmakofor në zbulimin e barnave për shkak të aplikimeve të tyre biologjike dhe përdorimit në agjentë të ndryshëm terapeutikë 58.
Këtij reaksioni iu rikthye vëmendja kur Sharpless dhe të tjerë prezantuan konceptin e "kimisë së klikimit"59. Termi "kimi e klikimit" përdoret për të përshkruar një grup reaksionesh të forta dhe selektive për sintezën e shpejtë të përbërjeve të reja dhe bibliotekave kombinatorike duke përdorur lidhjen heteroatomike (CXC)60. Tërheqja sintetike e këtyre reaksioneve është për shkak të rendimenteve të larta që shoqërohen me to. Kushtet janë të thjeshta, rezistenca ndaj oksigjenit dhe ujit, dhe ndarja e produktit është e thjeshtë61.
Cikloadicioni klasik 1,3-dipolar Huisgen nuk bie në kategorinë e "kimisë së klikimit". Megjithatë, Medal dhe Sharpless demonstruan se ky ngjarje çiftëzimi azid-alkin i nënshtrohet 107-108 në prani të Cu(I) krahasuar me një përshpejtim të ndjeshëm në shkallën e cikloadicionit 1,3-dipolar jo-katalitik 62,63. Ky mekanizëm i avancuar reagimi nuk kërkon grupe mbrojtëse ose kushte të ashpra reagimi dhe siguron konvertim dhe selektivitet pothuajse të plotë në 1,2,3-triazolet 1,4-të disubstitutuara (anti-1,2,3-triazolet) me kalimin e kohës (Fig. 3).
Rezultatet izometrike të cikloshtimeve Huisgen konvencionale dhe të katalizuara nga bakri. Cikloshtimet Huisgen të katalizuara nga Cu(I) japin vetëm 1,2,3-triazole 1,4-të dizëvendësuara, ndërsa cikloshtimet Huisgen të induktuara termikisht zakonisht japin 1,4- dhe 1,5-triazole një përzierje 1:1 të stereoizomerëve të azoleve.
Shumica e protokolleve përfshijnë reduktimin e burimeve të qëndrueshme të Cu(II), siç është reduktimi i CuSO4 ose i përbërjes Cu(II)/Cu(0) në kombinim me kripërat e natriumit. Krahasuar me reaksionet e tjera të katalizuara nga metalet, përdorimi i Cu(I) ka avantazhet kryesore të të qenit i lirë dhe i lehtë për t’u trajtuar.
Studimet kinetike dhe izotopike nga Worrell et al. 65 kanë treguar se në rastin e alkineve terminale, dy ekuivalentë të bakrit janë të përfshirë në aktivizimin e reaktivitetit të secilës molekulë në lidhje me azidin. Mekanizmi i propozuar vazhdon përmes një unaze metalike bakri me gjashtë anëtarë të formuar nga koordinimi i azidit me acetilid bakri të lidhur σ me bakër të lidhur π si një ligand dhurues i qëndrueshëm. Derivatet e triazolilit të bakrit formohen si rezultat i tkurrjes së unazës të ndjekura nga dekompozimi i protonit për të formuar produkte triazoli dhe për të mbyllur ciklin katalitik.
Ndërsa përfitimet e pajisjeve të kimisë së rrjedhjes janë të dokumentuara mirë, ka pasur një dëshirë për të integruar mjetet analitike në këto sisteme për monitorimin e procesit në kohë reale në vend66,67. UAM ka provuar të jetë një metodë e përshtatshme për projektimin dhe prodhimin e reaktorëve shumë kompleksë të rrjedhjes 3D nga materiale katalitikisht aktive, termikisht përçuese me elementë ndijorë të ngulitur direkt (Fig. 4).
Reaktor rrjedhës alumini-bakri i prodhuar nga prodhimi aditiv tejzanor (UAM) me një strukturë komplekse të brendshme kanali, termoçifte të integruara dhe një dhomë reagimi katalitik. Për të vizualizuar shtigjet e brendshme të lëngjeve, tregohet edhe një prototip transparent i bërë duke përdorur stereolitografi.
Për të siguruar që reaktorët janë të përshtatshëm për reaksione organike në të ardhmen, tretësit duhet të ngrohen në mënyrë të sigurt mbi pikën e tyre të vlimit; ata testohen për presion dhe temperaturë. Testimi i presionit tregoi se sistemi ruan një presion të qëndrueshëm dhe konstant edhe në presion të lartë në sistem (1.7 MPa). Testet hidrostatike u kryen në temperaturë ambienti duke përdorur H2O si lëng.
Lidhja e termoçiftit të integruar (Figura 1) me regjistruesin e të dhënave të temperaturës tregoi se temperatura e termoçiftit ishte 6 °C (± 1 °C) nën temperaturën e programuar në sistemin FlowSyn. Në mënyrë tipike, një rritje prej 10 °C e temperaturës dyfishon shkallën e reagimit, kështu që një ndryshim temperature prej vetëm disa gradësh mund ta ndryshojë ndjeshëm shkallën e reagimit. Ky ndryshim është për shkak të humbjes së temperaturës në të gjithë RPV-në për shkak të difuzivitetit të lartë termik të materialeve të përdorura në procesin e prodhimit. Kjo zhvendosje termike është konstante dhe për këtë arsye mund të merret parasysh gjatë konfigurimit të pajisjeve për të siguruar që temperaturat e sakta të arrihen dhe maten gjatë reagimit. Kështu, ky mjet monitorimi online lehtëson kontrollin e rreptë të temperaturës së reagimit dhe kontribuon në optimizimin më të saktë të procesit dhe zhvillimin e kushteve optimale. Këta sensorë mund të përdoren gjithashtu për të zbuluar reaksionet ekzotermike dhe për të parandaluar reaksionet e pakontrolluara në sisteme në shkallë të gjerë.
Reaktori i paraqitur në këtë punim është shembulli i parë i aplikimit të teknologjisë UAM në prodhimin e reaktorëve kimikë dhe adreson disa kufizime kryesore që lidhen aktualisht me printimin AM/3D të këtyre pajisjeve, të tilla si: (i) Kapërcimi i problemeve të vërejtura që lidhen me përpunimin e bakrit ose lidhjeve të aluminit (ii) përmirësimi i rezolucionit të brendshëm të kanalit krahasuar me metodat e shkrirjes me shtresë pluhuri (PBF) siç është shkrirja selektive me lazer (SLM)25,69 Rrjedhja e dobët e materialit dhe tekstura e ashpër e sipërfaqes26 (iii) temperatura më e ulët e përpunimit, e cila lehtëson lidhjen direkte të sensorëve, gjë që nuk është e mundur në teknologjinë me shtresë pluhuri, (v) kapërcimi i vetive të dobëta mekanike dhe ndjeshmërisë së komponentëve me bazë polimeri ndaj tretësve të ndryshëm organikë të zakonshëm17,19.
Funksionaliteti i reaktorit u demonstrua nga një seri reaksionesh cikloadidimi të alkinazidit të katalizuar nga bakri në kushte rrjedhjeje të vazhdueshme (Fig. 2). Reaktori i bakrit i shtypur me ultratinguj i treguar në fig. 4 u integrua me një sistem rrjedhjeje komerciale dhe u përdor për të sintetizuar një bibliotekë azidesh të 1,2,3-triazoleve të ndryshme 1,4-të dizëvendësuara duke përdorur një reaksion të kontrolluar nga temperatura e acetilenit dhe halideve të grupit alkil në prani të klorurit të natriumit (Fig. 3). Përdorimi i qasjes së rrjedhjes së vazhdueshme zvogëlon problemet e sigurisë që mund të lindin në proceset në seri, pasi ky reaksion prodhon ndërmjetës azidesh shumë reaktivë dhe të rrezikshëm [317], [318]. Fillimisht, reaksioni u optimizua për cikloadidimin e fenilacetilenit dhe jodoetanit (Skema 1 - Cikloadidimi i fenilacetilenit dhe jodoetanit) (shih Fig. 5).
(Sipër majtas) Skema e konfigurimit të përdorur për të përfshirë një reaktor 3DP në një sistem rrjedhjeje (sipër djathtas) të marrë nga skema e optimizuar (poshtë) e skemës së cikloaddicionit Huisgen 57 midis fenilacetilenit dhe jodoetanit për optimizim dhe që tregon parametrat e optimizuar të shkallës së konvertimit të reaksionit.
Duke kontrolluar kohën e qëndrimit të reaktantëve në seksionin katalitik të reaktorit dhe duke monitoruar me kujdes temperaturën e reagimit me një sensor termoçiftesh të integruar direkt, kushtet e reagimit mund të optimizohen shpejt dhe me saktësi me një minimum kohe dhe materialesh. U zbulua shpejt se konvertimi më i lartë u arrit duke përdorur një kohë qëndrimi prej 15 minutash dhe një temperaturë reagimi prej 150°C. Nga grafiku i koeficientëve të softuerit MODDE mund të shihet se si koha e qëndrimit ashtu edhe temperatura e reagimit konsiderohen kushte të rëndësishme të modelit. Ekzekutimi i optimizuesit të integruar duke përdorur këto kushte të zgjedhura krijon një sërë kushtesh reagimi të dizajnuara për të maksimizuar zonat e majave të produktit, duke ulur njëkohësisht zonat e majave të materialit fillestar. Ky optimizim dha një konvertim prej 53% të produktit triazol, i cili përputhej saktësisht me parashikimin e modelit prej 54%.