Hatur nuhun parantos nganjang ka Nature.com. Versi browser anu anjeun anggo gaduh dukungan CSS anu terbatas. Pikeun pangalaman anu pangsaéna, kami nyarankeun anjeun nganggo browser anu diénggalan (atanapi mareuman Modeu Kompatibilitas dina Internet Explorer). Samentawis waktos, pikeun mastikeun dukungan anu terus-terusan, kami bakal ngarender situs tanpa gaya sareng JavaScript.
Korsel anu némbongkeun tilu slide sakaligus. Anggo tombol Sateuacanna sareng Salajengna pikeun ngaléngkah dina tilu slide sakaligus, atanapi anggo tombol slider di tungtungna pikeun ngaléngkah dina tilu slide sakaligus.
Manufaktur aditif ngarobih cara para panalungtik sareng industrialis ngarancang sareng ngadamel alat kimia pikeun minuhan kabutuhan khususna. Dina tulisan ieu, kami ngalaporkeun conto munggaran réaktor aliran anu dibentuk ku laminasi manufaktur aditif ultrasonik (UAM) tina lambaran logam padet kalayan bagian katalitik sareng unsur sensing anu terintegrasi langsung. Téknologi UAM henteu ngan ukur ngungkulan seueur watesan anu ayeuna aya hubunganana sareng manufaktur aditif réaktor kimia, tapi ogé ngalegaan kamampuan alat sapertos kitu. Sajumlah sanyawa 1,2,3-triazol 1,4-disubstitusi anu penting sacara biologis parantos hasil disintésis sareng dioptimalkeun ku réaksi sikloadisi Huisgen 1,3-dipolar anu dimediasi Cu nganggo fasilitas kimia UAM. Ngagunakeun sipat unik UAM sareng pamrosésan aliran kontinyu, alat ieu tiasa ngatalisis réaksi anu lumangsung ogé nyayogikeun eupan balik sacara real-time pikeun ngawas sareng ngaoptimalkeun réaksi.
Kusabab kaunggulan anu signifikan dibandingkeun sareng kimia bulk-na, kimia aliran mangrupikeun widang anu penting sareng terus berkembang dina setélan akademik sareng industri kusabab kamampuanna pikeun ningkatkeun selektivitas sareng efisiensi sintésis kimia. Ieu manjang ti formasi molekul organik saderhana1 dugi ka sanyawa farmasi2,3 sareng produk alami4,5,6. Langkung ti 50% réaksi dina industri kimia sareng farmasi anu saé tiasa nguntungkeun tina aliran kontinyu7.
Dina sababaraha taun ka pengker, aya tren anu ningkat dina kelompok anu hoyong ngagentos barang pecah belah atanapi alat kimia aliran tradisional ku "réaktor" kimia anu tiasa diadaptasi8. Desain iteratif, manufaktur anu gancang, sareng kamampuan tilu diménsi (3D) tina metode ieu mangpaat pikeun anu hoyong ngaropea alatna pikeun sakumpulan réaksi, alat, atanapi kaayaan anu khusus. Nepi ka ayeuna, karya ieu ampir sacara éksklusif museur kana panggunaan téknik percetakan 3D berbasis polimér sapertos stereolitografi (SL)9,10,11, Fused Deposition Modeling (FDM)8,12,13,14 sareng percetakan inkjet7,15., 16. Kurangna reliabilitas sareng kamampuan alat sapertos kitu pikeun ngalakukeun rupa-rupa réaksi/analisis kimia17, 18, 19, 20 mangrupikeun faktor pangwates utama pikeun aplikasi AM anu langkung lega dina widang ieu17, 18, 19, 20.
Kusabab ningkatna panggunaan kimia aliran sareng sipat-sipat anu nguntungkeun anu aya hubunganana sareng AM, téknik anu langkung saé kedah ditalungtik anu bakal ngamungkinkeun pangguna pikeun ngadamel wadah réaksi aliran kalayan kamampuan kimia sareng analitis anu ningkat. Métode ieu kedah ngamungkinkeun pangguna pikeun milih tina rupa-rupa bahan kakuatan tinggi atanapi fungsional anu sanggup beroperasi dina rupa-rupa kaayaan réaksi, ogé ngagampangkeun rupa-rupa bentuk kaluaran analitis tina alat pikeun ngamungkinkeun pangawasan sareng kontrol réaksi.
Salah sahiji prosés manufaktur aditif anu tiasa dianggo pikeun ngembangkeun réaktor kimia khusus nyaéta Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM). Métode laminasi lambaran solid-state ieu nerapkeun geteran ultrasonik kana foil logam ipis pikeun ngabeungkeut aranjeunna lapis demi lapis kalayan pemanasan volumetrik minimal sareng tingkat aliran plastik anu luhur 21, 22, 23. Teu sapertos kalolobaan téknologi AM anu sanés, UAM tiasa langsung diintegrasikeun sareng produksi subtraktif, anu dikenal salaku prosés manufaktur hibrida, dimana panggilingan kontrol numerik in-situ (CNC) périodik atanapi pamrosésan laser nangtukeun bentuk bersih lapisan bahan anu kabeungkeut 24, 25. Ieu ngandung harti yén pangguna henteu diwatesan ku masalah anu aya hubunganana sareng panyabutan bahan wangunan asli sésa tina saluran cairan alit, anu sering kajantenan dina sistem bubuk sareng cair AM26,27,28. Kabébasan desain ieu ogé ngalegaan kana pilihan bahan anu sayogi - UAM tiasa ngabeungkeut kombinasi bahan anu sami sareng béda sacara termal dina hiji léngkah prosés. Pilihan kombinasi bahan saluareun prosés lebur hartosna sarat mékanis sareng kimia tina aplikasi khusus tiasa langkung dicumponan. Salian ti beungkeutan padet, fénoména séjén anu lumangsung dina beungkeutan ultrasonik nyaéta fluiditas bahan plastik anu luhur dina suhu anu relatif handap29,30,31,32,33. Fitur unik UAM ieu ngamungkinkeun unsur mékanis/termal ditempatkeun di antara lapisan logam tanpa karusakan. Sénsor UAM anu dipasang tiasa ngagampangkeun pangiriman inpormasi sacara real-time ti alat ka pangguna ngalangkungan analitik anu terintegrasi.
Karya-karya sateuacanna ku para pangarang32 nunjukkeun kamampuan prosés UAM pikeun nyiptakeun struktur mikrofluida 3D logam kalayan kamampuan panginderaan anu dipasang. Alat ieu ngan ukur kanggo tujuan pangawasan. Artikel ieu nampilkeun conto munggaran réaktor kimia mikrofluida anu diproduksi ku UAM, alat aktif anu henteu ngan ukur ngontrol tapi ogé ngainduksi sintésis kimia kalayan bahan katalitik anu terintegrasi sacara struktural. Alat ieu ngagabungkeun sababaraha kaunggulan anu aya hubunganana sareng téknologi UAM dina pembuatan alat kimia 3D, sapertos: kamampuan pikeun ngarobih desain 3D lengkep langsung tina modél desain anu dibantuan komputer (CAD) kana produk; fabrikasi multi-bahan pikeun kombinasi konduktivitas termal anu luhur sareng bahan katalitik, ogé sensor termal anu dipasang langsung antara aliran réaktan pikeun kontrol sareng manajemen suhu réaksi anu tepat. Pikeun nunjukkeun fungsi réaktor, perpustakaan sanyawa 1,2,3-triazol 1,4-disubstitusi anu penting sacara farmasi disintésis ku sikloadisi Huisgen 1,3-dipolar anu dikatalisis ku tambaga. Karya ieu nyorot kumaha panggunaan élmu bahan sareng desain anu dibantuan komputer tiasa muka kamungkinan sareng kasempetan énggal pikeun kimia ngalangkungan panalungtikan interdisiplinér.
Sadaya pangleyur sareng réagen dipésér ti Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI, atanapi Fischer Scientific sareng dianggo tanpa purifikasi sateuacanna. Spéktra 1H sareng 13C NMR anu dirékam dina 400 sareng 100 MHz, masing-masing, diala dina spéktrométer JEOL ECS-400 400 MHz atanapi spéktrométer Bruker Avance II 400 MHz kalayan CDCl3 atanapi (CD3)2SO4 salaku pangleyur. Sadaya réaksi dilaksanakeun nganggo platform kimia aliran Uniqsis FlowSyn.
UAM dianggo pikeun ngadamel sadaya alat dina panilitian ieu. Téhnologi ieu diciptakeun dina taun 1999 sareng detil téknisna, parameter operasi sareng pamekaran saprak panemuanna tiasa di diajar nganggo bahan anu diterbitkeun ieu34,35,36,37. Alat ieu (Gambar 1) diimplementasikeun nganggo sistem UAM SonicLayer 4000® 9 kW tugas beurat (Fabrisonic, Ohio, AS). Bahan anu dipilih pikeun alat aliran nyaéta Cu-110 sareng Al 6061. Cu-110 ngagaduhan kandungan tambaga anu luhur (minimal 99,9% tambaga), jantenkeun éta calon anu saé pikeun réaksi anu dikatalisis tambaga sareng ku kituna dianggo salaku "lapisan aktif di jero mikroreaktor. Al 6061 O dianggo salaku bahan "curah". , ogé lapisan interkalasi anu dianggo pikeun analisis; interkalasi komponén paduan bantu sareng kaayaan anil dina kombinasi sareng lapisan Cu-110. kapanggih sacara kimia stabil sareng réagen anu dianggo dina ieu karya. Al 6061 O dina kombinasi sareng Cu-110 ogé dianggap salaku kombinasi bahan anu cocog pikeun UAM sareng ku kituna mangrupikeun bahan anu cocog pikeun panilitian ieu 38,42. Alat-alat ieu didaptarkeun dina Tabel 1 di handap.
Léngkah-léngkah fabrikasi réaktor (1) Substrat paduan aluminium 6061 (2) Fabrikasi saluran handap tina foil tambaga (3) Pamasangan termokopel antara lapisan (4) Saluran luhur (5) Asupan sareng kaluaran (6) Réaktor monolitik.
Filosofi desain saluran cairan nyaéta ngagunakeun jalur anu liku-liku pikeun ningkatkeun jarak anu ditempuh ku cairan di jero chip bari ngajaga ukuran chip anu tiasa diatur. Kanaékan jarak ieu dipikahoyong pikeun ningkatkeun waktos kontak katalis-réaktan sareng nyayogikeun hasil produk anu saé. Chip nganggo tikungan 90° di tungtung jalur lempeng pikeun ngainduksi pencampuran turbulen dina alat44 sareng ningkatkeun waktos kontak cairan sareng permukaan (katalis). Pikeun ningkatkeun deui pencampuran anu tiasa kahontal, desain réaktor kalebet dua saluran masuk réaktan anu digabungkeun dina sambungan-Y sateuacan lebet kana bagian koil pencampuran. Lawang katilu, anu meuntas aliran satengah jalan ngaliwatan tempat tinggalna, kalebet dina rencana pikeun réaksi sintésis multi-tahap ka hareup.
Sadaya saluran gaduh profil pasagi (henteu aya sudut lancip), anu mangrupikeun hasil tina panggilingan CNC périodik anu dianggo pikeun nyiptakeun géométri saluran. Diménsi saluran dipilih pikeun nyayogikeun hasil volumetrik anu luhur (pikeun mikroreaktor), tapi cukup alit pikeun ngagampangkeun interaksi sareng permukaan (katalis) pikeun kaseueuran cairan anu dikandungna. Ukuran anu pas dumasar kana pangalaman pangarang anu kapungkur sareng alat réaksi logam-cair. Diménsi internal saluran ahir nyaéta 750 µm x 750 µm sareng total volume réaktor nyaéta 1 ml. Konektor internal (benang UNF 1/4″-28) kalebet dina desain pikeun ngamungkinkeun antarmuka alat anu gampang sareng alat kimia aliran komérsial. Ukuran saluran diwatesan ku ketebalan bahan foil, sipat mékanisna, sareng parameter beungkeutan anu dianggo sareng ultrasonik. Dina lébar anu tangtu pikeun bahan anu dipasihkeun, bahan bakal "ngaleutikan" kana saluran anu didamel. Ayeuna teu aya modél khusus pikeun itungan ieu, janten lébar saluran maksimum pikeun bahan sareng desain anu ditangtukeun sacara ékspériméntal, dina hal ieu lébar 750 µm moal nyababkeun sag.
Bentuk (pasagi) saluran ditangtukeun nganggo pamotong pasagi. Bentuk sareng ukuran saluran tiasa dirobih dina mesin CNC nganggo alat motong anu béda pikeun kéngingkeun laju aliran sareng karakteristik anu béda. Conto nyiptakeun saluran melengkung nganggo alat 125 µm tiasa dipendakan di Monaghan45. Nalika lapisan foil diterapkeun rata, aplikasi bahan foil kana saluran bakal ngagaduhan permukaan anu rata (pasagi). Dina karya ieu, kontur pasagi dianggo pikeun ngajaga simétri saluran.
Salila jeda anu diprogram dina produksi, sensor suhu termokopel (tipe K) dipasang langsung kana alat antara grup saluran luhur sareng handap (Gambar 1 - tahap 3). Termokopel ieu tiasa ngontrol parobahan suhu ti -200 dugi ka 1350 °C.
Prosés déposisi logam dilaksanakeun ku tanduk UAM nganggo foil logam anu lébarna 25,4 mm sareng kandelna 150 mikron. Lapisan foil ieu disambungkeun dina runtuyan strip anu padeukeut pikeun nutupan sakumna daérah wangunan; ukuran bahan anu disimpen langkung ageung tibatan produk ahir sabab prosés pangurangan nyiptakeun bentuk bersih ahir. Mesin CNC dianggo pikeun mesin kontur éksternal sareng internal alat, ngahasilkeun permukaan alat sareng saluran anu saluyu sareng alat anu dipilih sareng parameter prosés CNC (dina conto ieu, sakitar 1,6 µm Ra). Siklus panyemprotan sareng mesin bahan ultrasonik anu kontinyu sareng kontinyu dianggo sapanjang prosés manufaktur alat pikeun mastikeun akurasi diménsi dijaga sareng bagian anu réngsé nyumponan tingkat presisi panggilingan halus CNC. Lebar saluran anu dianggo pikeun alat ieu cukup alit pikeun mastikeun yén bahan foil henteu "ngagantung" dina saluran cairan, janten saluran ngagaduhan penampang pasagi. Celah anu mungkin dina bahan foil sareng parameter prosés UAM ditangtukeun sacara ékspériméntal ku mitra manufaktur (Fabrisonic LLC, USA).
Panilitian nunjukkeun yén dina antarmuka 46, 47 sanyawa UAM aya saeutik difusi unsur tanpa perlakuan panas tambahan, janten pikeun alat dina karya ieu lapisan Cu-110 tetep béda ti lapisan Al 6061 sareng robih sacara dramatis.
Pasang regulator tekanan balik (BPR) anu tos dikalibrasi sateuacanna dina 250 psi (1724 kPa) di hilir réaktor sareng pompa cai ngalangkungan réaktor dina laju 0,1 dugi ka 1 ml min-1. Tekanan réaktor diawasi nganggo transduser tekanan FlowSyn anu diwangun kana sistem pikeun mastikeun yén sistem tiasa ngajaga tekanan anu tetep. Gradien suhu poténsial dina réaktor aliran diuji ku cara milarian bédana antara termokopel anu diwangun kana réaktor sareng termokopel anu diwangun kana pelat pemanas chip FlowSyn. Ieu kahontal ku cara ngarobih suhu hotplate anu diprogram antara 100 sareng 150 °C dina paningkatan 25 °C sareng ngawaskeun bédana antara suhu anu diprogram sareng anu dirékam. Ieu kahontal nganggo data logger tc-08 (PicoTech, Cambridge, Inggris) sareng parangkat lunak PicoLog anu ngalengkepan.
Kaayaan pikeun réaksi sikloadisi fenilasetiléna sareng iodoetana dioptimalkeun (Skéma 1-Sikloadisi fenilasetiléna sareng iodoetana, Skéma 1-Sikloadisi fenilasetiléna sareng iodoetana). Optimasi ieu dilakukeun nganggo pendekatan desain faktorial lengkep (DOE), nganggo suhu sareng waktos tinggal salaku variabel bari ngalereskeun babandingan alkuna:azida dina 1:2.
Larutan natrium azida (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), iodoetana (0,25 M, DMF), sareng feniletiléna (0,125 M, DMF) anu misah disiapkeun. Sajumlah 1,5 ml alikuot tina unggal larutan dicampur sareng dipompa ngaliwatan réaktor dina laju aliran sareng suhu anu dipikahoyong. Réspon modél dicandak salaku babandingan daérah puncak produk triazol sareng bahan awal feniletiléna sareng ditangtukeun nganggo kromatografi cair kinerja tinggi (HPLC). Pikeun konsistensi analisis, sadaya réaksi dicandak langsung saatos campuran réaksi ninggalkeun réaktor. Rentang parameter anu dipilih pikeun optimasi dipidangkeun dina Tabel 2.
Sadaya sampel dianalisis nganggo sistem Chromaster HPLC (VWR, PA, USA) anu diwangun ku pompa kuaterner, oven kolom, detektor UV panjang gelombang variabel sareng autosampler. Kolomna nyaéta Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA), 4,6 x 100 mm, ukuran partikel 5 µm, dijaga dina suhu 40°C. Pangleyurna nyaéta metanol isokratik:cai 50:50 dina laju aliran 1,5 ml·min-1. Volume injeksi nyaéta 5 μl sareng panjang gelombang detektor nyaéta 254 nm. % daérah puncak pikeun sampel DOE diitung tina daérah puncak produk alkuna sareng triazol sésa waé. Bubuka bahan awal ngamungkinkeun pikeun ngaidentipikasi puncak anu saluyu.
Ngahijikeun hasil analisis réaktor sareng parangkat lunak MODDE DOE (Umetrics, Malmö, Swédia) ngamungkinkeun analisis tren anu lengkep ngeunaan hasil sareng nangtukeun kaayaan réaksi optimal pikeun sikloadisi ieu. Ngajalankeun pangoptimal bawaan sareng milih sadaya istilah modél anu penting nyiptakeun sakumpulan kaayaan réaksi anu dirancang pikeun ngamaksimalkeun daérah puncak produk bari ngirangan daérah puncak pikeun bahan baku asetiléna.
Oksidasi permukaan tambaga dina rohangan réaksi katalitik kahontal nganggo larutan hidrogén péroksida (36%) anu ngalir ngaliwatan rohangan réaksi (laju aliran = 0,4 ml min-1, waktos tinggal = 2,5 menit) sateuacan sintésis unggal sanyawa triazol.
Sakali sakumpulan kaayaan optimal ditangtukeun, éta diterapkeun kana rupa-rupa turunan asetiléna sareng haloalkana pikeun ngamungkinkeun kompilasi perpustakaan sintésis leutik, sahingga ngadegkeun kamungkinan pikeun nerapkeun kaayaan ieu kana rupa-rupa réagen poténsial anu langkung lega (Gambar 1). 2).
Siapkeun larutan natrium azida (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), haloalkana (0,25 M, DMF), sareng alkuna (0,125 M, DMF) anu misah. Alikuot 3 ml tina unggal larutan dicampur sareng dipompa ngaliwatan réaktor dina laju 75 µl/mnt sareng suhu 150°C. Sakabéh volume dikumpulkeun dina vial sareng diéncérkeun ku 10 ml etil asetat. Larutan sampel dikumbah ku 3 x 10 ml cai. Lapisan cai digabungkeun sareng diekstrak ku 10 ml etil asetat, teras lapisan organik digabungkeun, dikumbah ku 3 × 10 ml cai asin, dikeringkeun dina MgSO4 sareng disaring, teras pangleyurna dipiceun dina vakum. Sampel dimurnikeun ku kromatografi kolom silika gel nganggo etil asetat sateuacan dianalisis ku kombinasi HPLC, 1H NMR, 13C NMR sareng spéktrométri massa résolusi luhur (HR-MS).
Sadaya spéktra diala nganggo spéktrométer massa Thermofischer Precision Orbitrap kalayan ESI salaku sumber ionisasi. Sadaya sampel disiapkeun nganggo asetonitril salaku pangleyur.
Analisis TLC dilaksanakeun dina pelat silika kalayan substrat aluminium. Pelat-pelat éta divisualisasikeun ku sinar UV (254 nm) atanapi pewarnaan vanilin teras dipanaskeun.
Sadaya sampel dianalisis nganggo sistem VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, Inggris) anu dilengkepan ku autosampler, pompa binér kalayan oven kolom sareng detektor panjang gelombang tunggal. Kolom ACE Equivalence 5 C18 (150 x 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Skotlandia) anu dianggo.
Suntikan (5 µl) dilakukeun langsung tina campuran réaksi atah anu diéncérkeun (éncéran 1:10) sareng dianalisis nganggo cai: metanol (50:50 atanapi 70:30), kecuali pikeun sababaraha sampel anu nganggo sistem pangleyur 70:30 (dilambangkeun salaku nomer béntang) dina laju aliran 1,5 ml/mnt. Kolom dijaga dina suhu 40°C. Panjang gelombang detektor nyaéta 254 nm.
% luas puncak sampel diitung tina luas puncak alkuna sésa, produk triazol hungkul, sareng bubuka bahan awal ngamungkinkeun pikeun ngaidentipikasi puncak anu saluyu.
Sadaya sampel dianalisis nganggo Thermo iCAP 6000 ICP-OES. Sadaya standar kalibrasi disiapkeun nganggo larutan standar Cu 1000 ppm dina asam nitrat 2% (SPEX Certi Prep). Sadaya standar disiapkeun dina larutan 5% DMF sareng 2% HNO3, sareng sadaya sampel diéncérkeun 20 kali nganggo larutan sampel DMF-HNO3.
UAM nganggo las logam ultrasonik salaku metode pikeun ngahijikeun foil logam anu dianggo pikeun ngadamel rakitan akhir. Las logam ultrasonik nganggo alat logam anu ngageter (disebut tanduk atanapi tanduk ultrasonik) pikeun nerapkeun tekanan kana foil/lapisan anu sateuacanna dikonsolidasi pikeun dihijikeun/dihijikeun sateuacanna ku cara ngageterkeun bahan. Pikeun operasi anu terus-terusan, sonotrode ngagaduhan bentuk silinder sareng ngagulung dina permukaan bahan, ngalem sakumna daérah. Nalika tekanan sareng geter diterapkeun, oksida dina permukaan bahan tiasa retak. Tekanan sareng geter anu konstan tiasa nyababkeun karusakan karasana bahan 36. Kontak anu caket sareng panas sareng tekanan lokal teras nyababkeun beungkeut fase padet dina antarmuka bahan; éta ogé tiasa ningkatkeun kohesi ku cara ngarobih énergi permukaan 48. Sifat mékanisme beungkeutan ngungkulan seueur masalah anu aya hubunganana sareng suhu lebur variabel sareng épék suhu luhur anu disebatkeun dina téknologi manufaktur aditif anu sanés. Ieu ngamungkinkeun sambungan langsung (nyaéta tanpa modifikasi permukaan, pangisi atanapi perekat) tina sababaraha lapisan bahan anu béda kana hiji struktur anu dikonsolidasi.
Faktor kadua anu nguntungkeun pikeun CAM nyaéta tingkat aliran plastik anu luhur anu dititénan dina bahan logam bahkan dina suhu anu handap, nyaéta jauh di handap titik lebur bahan logam. Kombinasi geter ultrasonik sareng tekanan nyababkeun tingkat migrasi wates butir lokal sareng rekristalisasi anu luhur tanpa paningkatan suhu anu signifikan anu sacara tradisional aya hubunganana sareng bahan curah. Salila nyiptakeun rakitan akhir, fénoména ieu tiasa dianggo pikeun nyelapkeun komponén aktif sareng pasif antara lapisan foil logam, lapisan demi lapisan. Unsur-unsur sapertos serat optik 49, tulangan 46, éléktronika 50 sareng termokopel (karya ieu) parantos hasil diintegrasikeun kana struktur UAM pikeun nyiptakeun rakitan komposit aktif sareng pasif.
Dina ieu panalungtikan, kamampuan ngabeungkeut bahan anu béda sareng kamampuan interkalasi UAM dianggo pikeun nyiptakeun mikroreaktor anu idéal pikeun kontrol suhu katalitik.
Dibandingkeun sareng paladium (Pd) sareng katalis logam anu umum dianggo, katalisis Cu ngagaduhan sababaraha kaunggulan: (i) Sacara ékonomis, Cu langkung mirah tibatan seueur logam sanés anu dianggo dina katalisis sareng ku kituna mangrupikeun pilihan anu pikaresepeun pikeun industri kimia (ii) rupa-rupa réaksi cross-coupling anu dikatalisis Cu beuki ngalegaan sareng sigana rada ngalengkepan metodologi dumasar Pd51, 52, 53 (iii) Réaksi anu dikatalisis Cu jalan kalayan saé tanpa ligan sanés. Ligan ieu sering sacara struktural saderhana sareng murah. upami dipikahoyong, sedengkeun anu dianggo dina kimia Pd sering rumit, mahal, sareng sénsitip kana hawa (iv) Cu, khususna dikenal ku kamampuanna pikeun ngabeungkeut alkuna dina sintésis, sapertos gandéngan anu dikatalisis bimetalik Sonogashira sareng sikloadisi sareng azida (kimia klik) (v) Cu ogé tiasa ngamajukeun arilasi sababaraha nukléofil dina réaksi tipe Ullmann.
Anyar-anyar ieu, conto-conto heterogenisasi sadaya réaksi ieu dina ayana Cu(0) parantos dipidangkeun. Ieu utamina kusabab industri farmasi sareng fokus anu ningkat kana pamulihan sareng panggunaan deui katalis logam55,56.
Réaksi sikloadisi 1,3-dipolar antara asetiléna sareng azida kana 1,2,3-triazol, anu mimiti diusulkeun ku Huisgen dina taun 1960-an57, dianggap salaku réaksi démo sinergis. Fragmen 1,2,3 triazol anu dihasilkeun dipikaresep pisan salaku farmakofor dina panemuan ubar kusabab aplikasi biologisna sareng panggunaan dina rupa-rupa agén terapi 58.
Réaksi ieu nampi perhatian deui nalika Sharpless sareng anu sanésna ngenalkeun konsép "kimia klik"59. Istilah "kimia klik" dianggo pikeun ngajelaskeun sakumpulan réaksi anu kuat sareng selektif pikeun sintésis gancang sanyawa énggal sareng perpustakaan kombinatorial nganggo beungkeutan heteroatomik (CXC)60. Daya tarik sintétik tina réaksi ieu disababkeun ku hasil anu luhur anu aya hubunganana sareng éta. kaayaanana saderhana, résistansi kana oksigén sareng cai, sareng pamisahan produkna saderhana61.
Sikloadisi Huisgen 1,3-dipol klasik henteu kalebet kana kategori "kimia klik". Nanging, Medal sareng Sharpless nunjukkeun yén kajadian gandéngan azida-alkuna ieu ngalaman 107–108 dina ayana Cu(I) dibandingkeun sareng akselerasi anu signifikan dina laju sikloadisi 1,3-dipolar non-katalitik 62,63. Mékanisme réaksi canggih ieu henteu meryogikeun gugus panyalindungan atanapi kaayaan réaksi anu kasar sareng nyayogikeun konvérsi sareng selektivitas anu ampir lengkep kana 1,2,3-triazol anu disubstitusi 1,4 (anti-1,2,3-triazol) kana waktosna (Gambar 3).
Hasil isometrik tina sikloadisi Huisgen konvensional sareng anu dikatalisis ku tambaga. Sikloadisi Huisgen anu dikatalisis ku Cu(I) ngan ukur ngahasilkeun 1,4-disubstitusi 1,2,3-triazol, sedengkeun sikloadisi Huisgen anu diinduksi sacara termal biasana masihan 1,4- sareng 1,5-triazol campuran 1:1 tina stereoisomer azol.
Kaseueuran protokol ngalibatkeun réduksi sumber Cu(II) anu stabil, sapertos réduksi CuSO4 atanapi sanyawa Cu(II)/Cu(0) anu digabungkeun sareng uyah natrium. Dibandingkeun sareng réaksi anu dikatalisis logam anu sanés, panggunaan Cu(I) ngagaduhan kaunggulan utama nyaéta murah sareng gampang diurus.
Panilitian kinétik sareng isotop ku Worrell et al. 65 nunjukkeun yén dina kasus alkuna terminal, dua ékuivalén tambaga kalibet dina ngaktipkeun réaktivitas unggal molekul anu aya hubunganana sareng azida. Mékanisme anu diusulkeun lumangsung ngaliwatan cingcin logam tambaga genep anggota anu dibentuk ku koordinasi azida kana asetilida tambaga anu kabeungkeut σ sareng tambaga anu kabeungkeut π salaku ligan donor anu stabil. Turunan triazolil tambaga kabentuk salaku hasil tina kontraksi cingcin dituturkeun ku dékomposisi proton pikeun ngabentuk produk triazol sareng nutup siklus katalitik.
Sanaos mangpaat tina alat kimia aliran parantos didokumentasikeun kalayan saé, aya kahayang pikeun ngahijikeun alat analitis kana sistem ieu pikeun ngawaskeun prosés sacara real-time in situ66,67. UAM parantos kabuktosan janten metode anu cocog pikeun ngarancang sareng ngadamel réaktor aliran 3D anu rumit pisan tina bahan konduktif termal anu aktip sacara katalitik kalayan unsur sensing anu dipasang langsung (Gambar 4).
Réaktor aliran aluminium-tambaga anu diproduksi ku manufaktur aditif ultrasonik (UAM) kalayan struktur saluran internal anu rumit, termokopel internal, sareng ruang réaksi katalitik. Pikeun ngabayangkeun jalur cairan internal, prototipe transparan anu didamel nganggo stereolitografi ogé dipidangkeun.
Pikeun mastikeun yén réaktor dijieun pikeun réaksi organik ka hareup, pangleyur kedah dipanaskeun kalayan aman di luhur titik didihna; éta diuji tekanan sareng suhu. Uji tekanan nunjukkeun yén sistem ngajaga tekanan anu stabil sareng konstan bahkan dina tekanan anu luhur dina sistem (1,7 MPa). Uji hidrostatik dilaksanakeun dina suhu kamar nganggo H2O salaku cairan.
Nyambungkeun termokopel bawaan (Gambar 1) kana data logger suhu nunjukkeun yén suhu termokopel nyaéta 6 °C (± 1 °C) di handap suhu anu diprogram dina sistem FlowSyn. Biasana, kanaékan suhu 10°C ngagandakeun laju réaksi, janten bédana suhu ngan sababaraha derajat tiasa ngarobih laju réaksi sacara signifikan. Béda ieu disababkeun ku leungitna suhu sapanjang RPV kusabab difusivitas termal anu luhur tina bahan anu dianggo dina prosés manufaktur. Hanyutan termal ieu konstan sareng ku kituna tiasa diperhatoskeun nalika nyetél alat pikeun mastikeun suhu anu akurat kahontal sareng diukur salami réaksi. Ku kituna, alat pangawasan online ieu ngagampangkeun kontrol suhu réaksi anu ketat sareng nyumbang kana optimasi prosés anu langkung tepat sareng pamekaran kaayaan optimal. Sensor ieu ogé tiasa dianggo pikeun ngadeteksi réaksi éksotérmik sareng nyegah réaksi anu teu stabil dina sistem skala ageung.
Réaktor anu dipidangkeun dina ieu tulisan mangrupikeun conto munggaran tina aplikasi téknologi UAM pikeun fabrikasi réaktor kimia sareng ngatasi sababaraha watesan utama anu ayeuna aya hubunganana sareng percetakan AM/3D alat-alat ieu, sapertos: (i) Ngungkulan masalah anu dicatet anu aya hubunganana sareng pamrosésan tambaga atanapi paduan aluminium (ii) résolusi saluran internal anu ningkat dibandingkeun sareng metode peleburan bubuk ranjang (PBF) sapertos peleburan laser selektif (SLM)25,69 Aliran bahan anu goréng sareng tékstur permukaan kasar26 (iii) suhu pamrosésan anu langkung handap, anu ngagampangkeun sensor panyambungan langsung, anu henteu mungkin dina téknologi bubuk ranjang, (v) ngungkulan sipat mékanis anu goréng sareng sensitivitas komponén berbasis polimér kana rupa-rupa pangleyur organik umum17,19.
Fungsi réaktor ieu dipidangkeun ku runtuyan réaksi sikloadisi alkinazida anu dikatalisis ku tambaga dina kaayaan aliran kontinyu (Gambar 2). Réaktor tambaga anu dicitak ultrasonik anu dipidangkeun dina gambar 4 diintegrasikeun sareng sistem aliran komérsial sareng dianggo pikeun nyintésis perpustakaan azida tina rupa-rupa 1,4-disubstitusi 1,2,3-triazol nganggo réaksi anu dikontrol suhu asetiléna sareng gugus alkil halida dina ayana natrium klorida (Gambar 3). Panggunaan pendekatan aliran kontinyu ngirangan masalah kaamanan anu tiasa timbul dina prosés bets, sabab réaksi ieu ngahasilkeun antara azida anu réaktif pisan sareng bahaya [317], [318]. Mimitina, réaksi ieu dioptimalkeun pikeun sikloadisi fenilasetiléna sareng iodoetana (Skéma 1 - Sikloadisi fenilasetiléna sareng iodoetana) (tingali Gambar 5).
(Luhur kénca) Skéma setelan anu dianggo pikeun ngagabungkeun réaktor 3DP kana sistem aliran (luhur katuhu) anu diala tina skéma anu dioptimalkeun (handap) tina skéma sikloadisi Huisgen 57 antara fenilasetiléna sareng iodoétana pikeun optimasi sareng nunjukkeun parameter laju konvérsi anu dioptimalkeun tina réaksi.
Ku cara ngontrol waktos cicingna réaktan dina bagian katalitik réaktor sareng ngawas suhu réaksi sacara saksama nganggo sénsor termokopel anu terintegrasi langsung, kaayaan réaksi tiasa dioptimalkeun gancang sareng akurat kalayan waktos sareng bahan anu minimal. Kapanggih gancang yén konvérsi pangluhurna kahontal nganggo waktos cicingna 15 menit sareng suhu réaksi 150°C. Tiasa katingali tina plot koefisien perangkat lunak MODDE yén waktos cicingna sareng suhu réaksi dianggap kaayaan penting pikeun modél. Ngajalankeun optimizer bawaan nganggo kaayaan anu dipilih ieu nyiptakeun sakumpulan kaayaan réaksi anu dirancang pikeun ngamaksimalkeun daérah puncak produk bari ngirangan daérah puncak bahan awal. Optimasi ieu ngahasilkeun konvérsi 53% tina produk triazol, anu cocog pisan sareng prediksi modél 54%.