Хвала вам што сте посетили Nature.com. Верзија прегледача коју користите има ограничену подршку за CSS. За најбоље искуство, препоручујемо вам да користите ажурирани прегледач (или да искључите режим компатибилности у Internet Explorer-у). У међувремену, како бисмо осигурали континуирану подршку, приказиваћемо сајт без стилова и JavaScript-а.
Адитивна производња мења начин на који истраживачи и индустријалци дизајнирају и производе хемијске уређаје како би задовољили своје специфичне потребе. У овом раду извештавамо о првом примеру проточног реактора формираног техником ламинације чврстих металних лимова ултразвучном адитивном производњом (UAM) са директно интегрисаним каталитичким деловима и сензорским елементима. UAM технологија не само да превазилази многа ограничења која су тренутно повезана са адитивном производњом хемијских реактора, већ и значајно повећава могућности таквих уређаја. Низ биолошки важних 1,4-дисупституисаних 1,2,3-триазолних једињења је успешно синтетисан и оптимизован помоћу Cu-посредоване Хуисгенове 1,3-диполарне циклоадиционе реакције коришћењем UAM хемијског система. Коришћењем јединствених својстава UAM-а и континуиране обраде протока, уређај је у стању да катализује текуће реакције, а истовремено пружа повратне информације у реалном времену за праћење и оптимизацију реакција.
Због својих значајних предности у односу на свој еквивалент за производњу у великим количинама, проточна хемија је важна и растућа област како у академским тако и у индустријским условима због своје способности да повећа селективност и ефикасност хемијске синтезе. Ово се протеже од једноставног формирања органских молекула1 до фармацеутских једињења2,3 и природних производа4,5,6. Више од 50% реакција у индустрији фине хемије и фармацеутској индустрији може имати користи од употребе континуираног протока7.
Последњих година, постоји растући тренд група које желе да замене традиционално стаклено посуђе или опрему за проточну хемију прилагодљивим „реакционим посудама“ за адитивну производњу (АМ)8. Итеративни дизајн, брза производња и тродимензионалне (3Д) могућности ових техника су корисне за оне који желе да прилагоде своје уређаје одређеном скупу реакција, уређаја или услова. До данас, овај рад се готово искључиво фокусирао на употребу техника 3Д штампања на бази полимера, као што су стереолитографија (SL)9,10,11, моделирање фузионим таложењем (FDM)8,12,13,14 и инкџет штампање 7, 15, 16. Недостатак робусности и способности таквих уређаја да изводе широк спектар хемијских реакција/анализа17, 18, 19, 20 је главни ограничавајући фактор за ширу примену АМ у овој области17, 18, 19, 20.
Због све веће употребе проточне хемије и повољних својстава повезаних са АМ, постоји потреба за истраживањем напреднијих техника које омогућавају корисницима да израде проточне реакционе посуде са побољшаним хемијским и аналитичким могућностима. Ове технике би требало да омогуће корисницима да бирају из низа високо робусних или функционалних материјала способних да поднесу широк спектар реакционих услова, а истовремено олакшавају различите облике аналитичког излаза из уређаја како би се омогућило праћење и контрола реакције.
Један процес адитивне производње који има потенцијал за развој прилагођених хемијских реактора је ултразвучна адитивна производња (UAM). Ова техника ламинације чврстих плоча примењује ултразвучне осцилације на танке металне фолије како би их спојила слој по слој уз минимално загревање у маси и висок степен пластичног течења 21, 22, 23. За разлику од већине других AM технологија, UAM се може директно интегрисати са субтрактивном производњом, познатом као хибридни производни процес, у којем in situ периодично рачунарско нумеричко управљање (CNC) глодање или ласерска обрада дефинишу нето облик слоја везаног материјала 24, 25. То значи да корисник није ограничен проблемима повезаним са уклањањем преосталог сировинског материјала из малих флуидних канала, што је често случај са прашкастим и течним AM системима 26,27,28. Ова слобода дизајна се протеже и на доступне изборе материјала – UAM може да спаја термички сличне и различите комбинације материјала у једном кораку процеса. Избор комбинација материјала изван процеса топљења значи да се механички и хемијски захтеви специфичних примена могу боље задовољити. Поред везивања у чврстом стању, још један феномен који се среће током ултразвучног везивања... је висок проток пластичних материјала на релативно ниским температурама29,30,31,32,33. Ова јединствена карактеристика UAM-а може олакшати уграђивање механичких/термичких елемената између металних слојева без оштећења. UAM уграђени сензори могу олакшати испоруку информација у реалном времену са уређаја до корисника путем интегрисане аналитике.
Аутори су у свом претходном раду32 показали способност UAM процеса да створи металне 3Д микрофлуидне структуре са интегрисаним могућностима сензора. Ово је уређај само за праћење. Овај рад представља први пример микрофлуидног хемијског реактора направљеног помоћу UAM-а; активни уређај који не само да прати већ и индукује хемијску синтезу путем структурно интегрисаних каталитичких материјала. Уређај комбинује неколико предности повезаних са UAM технологијом у производњи 3Д хемијских уређаја, као што су: могућност конвертовања комплетних 3Д дизајна директно из CAD модела у производе; израда од више материјала ради комбиновања високе топлотне проводљивости и каталитичких материјала; и уграђивање термичких сензора директно између токова реагенса за прецизно праћење и контролу температуре реакције. Да би се демонстрирала функционалност реактора, библиотека фармацеутски важних 1,4-дисупституисаних 1,2,3-триазолних једињења је синтетизована помоћу бакар-катализоване Huisgen 1,3-диполарне циклоадиције. Овај рад истиче како коришћење науке о материјалима и рачунарски потпомогнутог дизајна може отворити нове могућности и потенцијале за хемију кроз мултидисциплинарна истраживања.
Сви растварачи и реагенси су купљени од Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI или Fischer Scientific и коришћени су без претходног пречишћавања. 1H и 13C NMR спектри снимљени на 400 MHz и 100 MHz, респективно, добијени су коришћењем JEOL ECS-400 400 MHz спектрометра или Bruker Avance II 400 MHz спектрометра и CDCl3 или (CD3)2SO4 као растварача. Све реакције су изведене коришћењем Uniqsis FlowSyn платформе за проточну хемију.
У овој студији је за израду свих уређаја коришћен UAM. Технологија је изумљена 1999. године, а њени технички детаљи, радни параметри и развој од њеног проналаска могу се проучити кроз следеће објављене материјале34,35,36,37. Уређај (слика 1) је имплементиран коришћењем ултра-снажног, 9kW SonicLayer 4000® UAM система (Fabrisonic, OH, САД). Материјали изабрани за израду проточног уређаја били су Cu-110 и Al 6061. Cu-110 има висок садржај бакра (минимум 99,9% бакра), што га чини добрим кандидатом за реакције катализоване бакром и стога се користи као „активни слој унутар микрореактора“. Al 6061 O се користи као „материјал за расути материјал“, а такође и као слој за уградњу који се користи за анализу; уградња помоћних компоненти легуре и жарено стање комбиновано са слојем Cu-110. Al 6061 O је материјал за који се показало да је веома компатибилан са UAM процесима38, 39, 40, 41 и тестиран је и утврђено је да је хемијски стабилан са реагенсима коришћеним у овом раду. Комбинација Al 6061 O са Cu-110 се такође сматра компатибилном комбинацијом материјала за UAM и стога је погодан материјал за ову студију. 38,42 Ови уређаји су наведени у Табели 1 испод.
Фазе израде реактора (1) Подлога од Al 6061 (2) Израда доњег канала постављеног на бакарну фолију (3) Уградња термоелемента између слојева (4) Горњи канал (5) Улаз и излаз (6) Монолитни реактор.
Филозофија дизајна путање флуида је коришћење вијугаве путање како би се повећала удаљеност коју флуид прелази унутар чипа, уз одржавање чипа на управљивој величини. Ово повећање удаљености је пожељно како би се повећало време интеракције катализатора/реагенса и обезбедио одличан принос производа. Чипови користе кривине од 90° на крајевима праве путање како би изазвали турбулентно мешање унутар уређаја44 и повећали време контакта флуида са површином (катализатором). Да би се додатно повећало мешање које се може постићи, дизајн реактора има два улаза за реагенсе комбинована на Y-споју пре уласка у серпентински део за мешање. Трећи улаз, који пресеца ток на пола пута његовог боравка, укључен је у дизајн будућих вишестепених реакционих синтеза.
Сви канали имају квадратни профил (без углова нагиба), резултат периодичног ЦНЦ глодања које се користи за креирање геометрије канала. Димензије канала су изабране тако да обезбеде висок (за микрореактор) излаз запремине, а истовремено су довољно мале да олакшају површинске интеракције (катализаторе) за већину садржаних флуида. Одговарајућа величина је заснована на претходном искуству аутора са метално-флуидним уређајима за реакцију. Унутрашње димензије коначног канала биле су 750 µm x 750 µm, а укупна запремина реактора била је 1 ml. Интегрисани конектор (1/4″—28 UNF навој) је укључен у дизајн како би се омогућило једноставно повезивање уређаја са комерцијалном опремом за проточну хемију. Величина канала је ограничена дебљином фолијског материјала, његовим механичким својствима и параметрима везивања који се користе са ултразвуком. При одређеној ширини за дати материјал, материјал ће се „увући“ у креирани канал. Тренутно не постоји специфичан модел за овај прорачун, тако да се максимална ширина канала за дати материјал и дизајн одређује експериментално; у овом случају, ширина од 750 μм неће изазвати прогиб.
Облик (квадрат) канала се одређује коришћењем квадратног резача. Облик и величина канала могу се мењати помоћу ЦНЦ машина коришћењем различитих алата за сечење како би се добиле различите брзине протока и карактеристике. Пример креирања канала закривљеног облика коришћењем алата од 125 μм може се наћи у раду Монагана45. Када се слој фолије нанесе на планаран начин, прекривач фолијског материјала преко канала ће имати равну (квадратну) завршну обраду. У овом раду, како би се одржала симетрија канала, коришћен је квадратни обрис.
Током унапред програмиране паузе у производњи, термопарне сонде за мерење температуре (тип К) су уграђене директно у уређај између горње и доње групе канала (слика 1 – фаза 3). Ови термопарови могу да прате промене температуре од -200 до 1350 °C.
Процес наношења метала врши се помоћу UAM рога користећи металну фолију ширине 25,4 мм и дебљине 150 микрона. Ови слојеви фолије су спојени у низ суседних трака како би се покрила цела површина израде; величина нанетог материјала је већа од коначног производа, јер процес субтракције производи коначни нето облик. CNC обрада се користи за обраду спољашњих и унутрашњих контура опреме, што резултира површинском завршном обрадом опреме и канала једнаком изабраним параметрима алата и CNC процеса (приближно 1,6 μm Ra у овом примеру). Континуирани, континуирани ултразвучни циклуси наношења материјала и обраде се користе током целог процеса производње уређаја како би се осигурала димензионална тачност и како би готови део задовољио нивое тачности CNC завршног глодања. Ширина канала која се користи за овај уређај је довољно мала да се осигура да се фолијски материјал не „увлачи“ у канал за флуид, тако да канал одржава квадратни попречни пресек. Могуће празнине у фолијском материјалу и параметрима UAM процеса експериментално је одредио производни партнер (Fabrisonic LLC, САД).
Студије су показале да се мала елементарна дифузија јавља на UAM везивном интерфејсу 46, 47 без додатне термичке обраде, тако да код уређаја у овом раду слој Cu-110 остаје различит од слоја Al 6061 и нагло се мења.
Инсталирајте претходно калибрисани регулатор повратног притиска (BPR) од 250 psi (1724 kPa) на излаз из реактора и пумпајте воду кроз реактор брзином од 0,1 до 1 mL min-1. Притисак у реактору је праћен помоћу уграђеног сензора притиска система FlowSyn како би се проверило да ли систем може да одржава константан стабилан притисак. Потенцијални градијенти температуре у проточном реактору су тестирани идентификовањем било каквих разлика између термоелемената уграђених у реактор и оних уграђених у грејну плочу FlowSyn чипа. Ово се постиже променом програмабилне температуре грејне плоче између 100 и 150 °C у корацима од 25 °C и бележењем било каквих разлика између програмираних и забележених температура. Ово је постигнуто коришћењем логера података tc-08 (PicoTech, Кембриџ, УК) и пратећег PicoLog софтвера.
Услови реакције циклоадиције фенилацетилена и јодоетана су оптимизовани (Схема 1 - Циклоадиција фенилацетилена и јодоетана). Ова оптимизација је извршена приступом потпуног факторијалног дизајна експеримената (DOE), користећи температуру и време задржавања као варијабилне параметре, док је однос алкина и азида фиксиран на 1:2.
Припремљени су одвојени раствори натријум азида (0,25 М, 4:1 ДМФ:Х2О), јодоетана (0,25 М, ДМФ) и фенилацетилена (0,125 М, ДМФ). Аликвот од 1,5 мл сваког раствора је помешан и пумпан кроз реактор жељеном брзином протока и температуром. Одзив модела је узет као однос површине пика триазолног производа и фенилацетилена као почетног материјала и одређен је високоефикасном течном хроматографијом (HPLC). Ради доследности анализе, све реакције су узорковане одмах након што је реакциона смеша напустила реактор. Опсези параметара изабрани за оптимизацију приказани су у Табели 2.
Сви узорци су анализирани коришћењем Chromaster HPLC система (VWR, PA, САД) који се састоји од кватернарне пумпе, колонске пећи, UV детектора са променљивом таласном дужином и аутоматског узорковања. Колона је била Equivalence 5 C18 (VWR, PA, САД), величине 4,6 × 100 mm, величине честица 5 µm, одржавана на 40 °C. Растварач је био изократски метанол:вода 50:50 са брзином протока од 1,5 mL·min-1. Запремина убризгавања је била 5 µL, а таласна дужина детектора 254 nm. % површине пика за DOE узорак је израчунат само из површина пикова резидуалних алкинских и триазолних производа. Убризгавање почетног материјала омогућава идентификацију релевантних пикова.
Спајање резултата анализе реактора са софтвером MODDE DOE (Umetrics, Малме, Шведска) омогућило је темељну анализу трендова резултата и одређивање оптималних реакционих услова за ову циклоадицију. Покретање уграђеног оптимизатора и одабир свих важних моделних чланова даје скуп реакционих услова дизајнираних да максимизирају површину пика производа, а истовремено смање површину пика за почетни материјал ацетилен.
Оксидација површинског бакра унутар каталитичке реакционе коморе постигнута је коришћењем раствора водоник-пероксида (36%) који је протичао кроз реакциону комору (брзина протока = 0,4 mL min-1, време задржавања = 2,5 min) пре синтезе сваке библиотеке триазолних једињења.
Када је идентификован оптималан скуп услова, они су примењени на низ деривата ацетилена и халоалкана како би се омогућило састављање мале библиотечке синтезе, чиме је успостављена могућност примене ових услова на шири спектар потенцијалних реагенса (Слика 1).2).
Припремити одвојене растворе натријум азида (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), халоалкана (0,25 M, DMF) и алкина (0,125 M, DMF). Аликвоти од 3 mL сваког раствора су помешани и пумпани кроз реактор брзином од 75 µL.min-1 и 150 °C. Укупна запремина је сакупљена у бочицу и разблажена са 10 mL етил ацетата. Раствор узорка је испран са 3 × 10 mL воде. Водени слојеви су спојени и екстраховани са 10 mL етил ацетата; органски слојеви су затим спојени, испрани са 3 x 10 mL сланог раствора, осушени преко MgSO4 и филтрирани, а затим је растварач уклоњен у вакууму. Узорци су пречишћени колонском хроматографијом на силика гелу користећи етил ацетат пре анализе комбинацијом HPLC, 1H NMR, 13C NMR и масене спектрометрије високе резолуције (HR-MS).
Сви спектри су добијени коришћењем Thermofischer прецизног Orbitrap резолуционог масеног спектрометра са ESI као извором јонизације. Сви узорци су припремљени коришћењем ацетонитрила као растварача.
TLC анализа је спроведена на силицијумским плочама са алуминијумском подлогом. Плоче су визуелизоване УВ светлошћу (254 nm) или бојењем ванилином и загревањем.
Сви узорци су анализирани коришћењем VWR Chromaster (VWR International Ltd., Лејтон Базард, Велика Британија) система опремљеног аутоматским узорковачем, бинарном пумпом за колонску пећ и детектором са једном таласном дужином. Коришћена колона је била ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Абердин, Шкотска).
Ињекције (5 µL) су направљене директно из разблажене сирове реакционе смеше (разблажење 1:10) и анализиране са водом:метанолом (50:50 или 70:30), осим за неке узорке који користе систем растварача 70:30 (означен бројем звездице) при брзини протока од 1,5 mL/min. Колона је одржавана на 40 °C. Таласна дужина детектора је 254 nm.
% површине пика узорка израчунат је из површине пика резидуалног алкина, само триазолног производа, а убризгавање почетног материјала омогућило је идентификацију релевантних пикова.
Сви узорци су анализирани помоћу Thermo iCAP 6000 ICP-OES апарата. Сви калибрациони стандарди су припремљени коришћењем стандардног раствора Cu од 1000 ppm у 2% азотној киселини (SPEX Certi Prep). Сви стандарди су припремљени у 5% DMF и 2% HNO3 раствору, а сви узорци су разблажени 20 пута у узорку DMF-HNO3 раствора.
УАМ користи ултразвучно заваривање метала као технику везивања за металну фолију која се користи за изградњу финалног склопа. Ултразвучно заваривање метала користи вибрирајући метални алат (назван рог или ултразвучни рог) за примену притиска на слој фолије/претходно консолидовани слој који се везује док вибрира материјал. За континуирани рад, сонотрода је цилиндрична и котрља се по површини материјала, везујући целу површину. Када се примене притисак и вибрације, оксиди на површини материјала могу пуцати. Континуирани притисак и вибрације могу проузроковати колапс неравнина материјала 36. Блиски контакт са локално индукованом топлотом и притиском затим доводи до везивања у чврстом стању на границама материјала; такође може помоћи адхезији кроз промене површинске енергије 48. Природа механизма везивања превазилази многе проблеме повезане са променљивом температуром топљења и последицама високе температуре поменутим у другим техникама адитивне производње. Ово омогућава директно везивање (тј. без модификације површине, пунила или лепкова) више слојева различитих материјала у једну консолидовану структуру.
Други повољан фактор за UAM је висок степен пластичног течења који се примећује код металних материјала, чак и на ниским температурама, тј. знатно испод тачке топљења металних материјала. Комбинација ултразвучних осцилација и притиска индукује високе нивое локалне миграције граница зрна и рекристализације без великог повећања температуре које се традиционално повезује са расутим материјалима. Током изградње финалног склопа, овај феномен се може искористити за уградњу активних и пасивних компоненти између слојева металне фолије, слој по слој. Елементи као што су оптичка влакна 49, ојачања 46, електроника 50 и термопарови (овај рад) су успешно уграђени у UAM структуре за стварање активних и пасивних композитних склопова.
У овом раду, коришћене су и различите могућности везивања материјала и интеркалације UAM-а за стварање врхунског микрореактора за праћење каталитичке температуре.
У поређењу са паладијумом (Pd) и другим уобичајено коришћеним металним катализаторима, Cu катализа има неколико предности: (i) Економски, Cu је јефтинији од многих других метала који се користе у катализи и стога је атрактивна опција за хемијску индустрију (ii) Распон Cu-катализованих реакција унакрсног купловања се повећава и чини се да је донекле комплементаран методологијама заснованим на Pd51,52,53 (iii) Cu-катализоване реакције добро функционишу у одсуству других лиганда. Ови лиганди су често структурно једноставни и јефтини ако је потребно, док су они који се користе у Pd хемији често сложени, скупи и осетљиви на ваздух (iv) Cu, посебно познат по својој способности да веже алкине у синтези. На пример, биметално катализовано Соногаширино купловање и циклоадиција са азидима (клик хемија) (v) Cu је такође у стању да промовише арилацију неколико нуклеофила у реакцијама Улмановог типа.
Примери хетерогенизације свих ових реакција су недавно демонстрирани у присуству Cu(0). Ово је углавном последица фармацеутске индустрије и све већег фокуса на опоравак и поновну употребу металних катализатора55,56.
Пионирски осмислио Хајсген шездесетих година 20. века57, реакција 1,3-диполарне циклоадиције између ацетилена и азида до 1,2,3-триазола сматра се синергистичком демонстрационом реакцијом. Добијени 1,2,3-триазолни делови су од посебног интереса као фармакофори у области откривања лекова због њихових биолошких примена и употребе у различитим терапијским агенсима 58.
Ова реакција је поново дошла у фокус када су Шарплес и други увели концепт „клик хемије“59. Термин „клик хемија“ се користи за описивање робусног, поузданог и селективног скупа реакција за брзу синтезу нових једињења и комбинаторних библиотека путем хетероатомског повезивања (CXC)60 Синтетичка привлачност ових реакција произилази из њихових повезаних високих приноса, једноставних реакционих услова, отпорности на кисеоник и воду, а раздвајање производа је једноставно61.
Класична Хајсгенова 1,3-диполна циклоадиција не спада у категорију „клик хемије“. Међутим, Медал и Шарплес су показали да овај догађај азид-алкинског спајања подлеже значајном убрзању брзине од 107 до 108 у присуству Cu(I) у поређењу са некатализованом 1,3-диполарном циклоадицијом 62,63. Овај побољшани механизам реакције не захтева заштитне групе или оштре реакционе услове и даје скоро потпуну конверзију и селективност ка 1,4-дисупституисаним 1,2,3-триазолима (анти-1,2,3-триазол) на временској скали (Слика 3).
Изометријски резултати конвенционалних и бакром катализованих Хајсгенових циклоадиција. Cu(I)-катализоване Хајсгенове циклоадиције дају само 1,4-дисупституисане 1,2,3-триазоле, док термички индуковане Хајсгенове циклоадиције типично дају 1,4- и 1,5-триазоле, смешу стереоизомера азола у односу 1:1.
Већина протокола укључује редукцију стабилних извора Cu(II), као што је редукција CuSO4 или кокомбинације Cu(II)/Cu(0) врста са натријумовим солима. У поређењу са другим реакцијама катализованим металима, употреба Cu(I) има главне предности јер је јефтина и једноставна за руковање.
Кинетичке и изотопске студије обележавања које су спровели Ворел и др.65 показале су да су, у случају терминалних алкина, два еквивалента бакра укључена у активирање реактивности сваког молекула према азиду. Предложени механизам се одвија кроз шесточлани метални прстен бакра формиран координацијом азида са σ-везаним ацетилид бакра са π-везаним бакром као стабилним донорским лигандом. Триазолил деривати бакра настају скупљањем прстена, након чега следи разградња протона да би се добили триазолни производи и затворио каталитички циклус.
Иако су предности уређаја за проточну хемију добро документоване, постојала је жеља да се аналитички алати интегришу у ове системе за праћење процеса на лицу места66,67. UAM се показао као погодна метода за пројектовање и производњу веома сложених 3Д проточних реактора направљених од каталитички активних, топлотно проводљивих материјала са директно уграђеним сензорским елементима (слика 4).
Алуминијумско-бакарни проточни реактор направљен ултразвучном адитивном производњом (UAM) са сложеном унутрашњом структуром канала, уграђеним термоелементима и каталитичком реакционом комором. Ради визуелизације унутрашњих путева флуида, приказан је и транспарентни прототип направљен коришћењем стереолитографије.
Да би се осигурало да су реактори направљени за будуће органске реакције, растварачи морају бити безбедно загрејани изнад тачке кључања; тестирају се под притиском и температуром. Тест притиска је показао да систем одржава стабилан и константан притисак чак и са повећаним притиском система (1,7 MPa). Хидростатички тест је изведен на собној температури користећи H2O као флуид.
Повезивање уграђеног (слика 1) термопара са логером података о температури показало је да је термопар био 6 °C (± 1 °C) хладнији од програмиране температуре на FlowSyn систему. Типично, повећање температуре од 10 °C доводи до удвостручавања брзине реакције, тако да температурна разлика од само неколико степени може значајно променити брзину реакције. Ова разлика је последица губитка температуре у целом телу реактора због високе термичке дифузивности материјала који се користе у процесу производње. Ово термално померање је константно и стога се може узети у обзир приликом подешавања опреме како би се осигурало да се тачне температуре постигну и измере током реакције. Стога, овај алат за онлајн праћење олакшава строгу контролу температуре реакције и олакшава прецизнију оптимизацију процеса и развој оптималних услова. Ови сензори се такође могу користити за идентификацију егзотерми реакција и спречавање неконтролисаних реакција у системима великих размера.
Реактор представљен у овом раду је први пример примене UAM технологије у изради хемијских реактора и бави се неколико главних ограничења која су тренутно повезана са AM/3D штампањем ових уређаја, као што су: (i) превазилажење пријављених проблема везаних за обраду легура бакра или алуминијума (ii) побољшана унутрашња резолуција канала у поређењу са техникама фузије у прашкастом слоју (PBF) као што је селективно ласерско топљење (SLM)25,69 Слаб проток материјала и груба текстура површине26 (iii) Снижена температура обраде, што олакшава директно везивање сензора, што није могуће у технологији прашкастог слоја, (v) превазилази лоша механичка својства и осетљивост компоненти на бази полимера на разне уобичајене органске раствараче17,19.
Функционалност реактора је демонстрирана серијом реакција циклоадиције алкиназида катализованих бакром под условима континуираног протока (Слика 2). Ултразвучно штампани бакарни реактор детаљно приказан на Слици 4 је интегрисан са комерцијалним системом протока и коришћен је за синтезу библиотечких азида различитих 1,4-дисупституисаних 1,2,3-триазола путем температурно контролисане реакције ацетилена и халида алкил група у присуству натријум хлорида (Слика 3). Употреба континуираног протока ублажава безбедносне проблеме који могу настати у серијским процесима, јер ова реакција производи високо реактивне и опасне азидне интермедијере [317], [318]. У почетку је реакција оптимизована за циклоадицију фенилацетилена и јодоетана (Схема 1 – Циклоадиција фенилацетилена и јодоетана) (видети Слику 5).
(Горе лево) Шематски приказ подешавања које се користи за укључивање 3DP реактора у систем протока (горе десно) добијеног у оптимизованој (доле) шеми Хајсгенове циклоадиције 57 шеме између фенилацетилена и јодоетана ради оптимизације и приказује оптимизоване параметре брзине конверзије реакције.
Контролисањем времена задржавања реагенса у каталитичком делу реактора и пажљивим праћењем температуре реакције помоћу директно интегрисане термопар сонде, реакциони услови се могу брзо и прецизно оптимизовати уз минималну потрошњу времена и материјала. Брзо је утврђено да су највеће конверзије добијене када је коришћено време задржавања од 15 минута и температура реакције од 150 °C. Из графика коефицијената MODDE софтвера може се видети да се и време задржавања и температура реакције сматрају важним члановима модела. Покретање уграђеног оптимизатора коришћењем ових одабраних чланова генерише скуп реакционих услова дизајнираних да максимизирају површине пикова производа, а истовремено смање површине пикова почетног материјала. Ова оптимизација је дала конверзију триазолног производа од 53%, што се уско поклапа са предвиђањем модела од 54%.
На основу литературе која показује да бакар(I) оксид (Cu2O) може деловати као ефикасна каталитичка врста на површинама бакра са нултим валентним слојем у овим реакцијама, испитана је способност претходне оксидације површине реактора пре извођења реакције у протоку70,71. Реакција између фенилацетилена и јодоетана је затим поново изведена под оптималним условима и приноси су упоређени. Примећено је да је ова припрема резултирала значајним повећањем конверзије почетног материјала, која је израчуната на >99%. Међутим, праћење помоћу HPLC показало је да је ова конверзија значајно смањила прекомерно продужено време реакције до приближно 90 минута, након чега се активност чини да се изједначи и достигне „стационарно стање“. Ово запажање сугерише да се извор каталитичке активности добија из површинског бакарног оксида, а не из бакарне подлоге са нултим валентним слојем. Метал Cu се лако оксидује на собној температури и формира CuO и Cu2O који нису самозаштитни слојеви. Ово елиминише потребу за додавањем помоћног извора бакра(II) за ко-композицију71.