Ташаккур барои боздид аз Nature.com. Версияи браузере, ки шумо истифода мебаред, дастгирии маҳдуди CSS дорад. Барои беҳтарин таҷриба, мо тавсия медиҳем, ки шумо аз браузери навшуда истифода баред (ё режими мутобиқатро дар Internet Explorer хомӯш кунед). Дар айни замон, барои таъмини дастгирии доимӣ, мо сайтро бе услубҳо ва JavaScript намоиш медиҳем.
Истеҳсоли иловаҳо тарзи тарҳрезӣ ва истеҳсоли дастгоҳҳои кимиёвиро аз ҷониби муҳаққиқон ва саноатчиён барои қонеъ кардани ниёзҳои мушаххаси худ тағйир медиҳад. Дар ин кор, мо мисоли аввалини реактори ҷараёнро, ки бо усули ламинатсияи варақаҳои металлии сахт ташкил шудааст, пешниҳод мекунем. Истеҳсоли иловаҳои ултрасадоӣ (UAM) бо қисмҳои каталитикӣ ва унсурҳои ҳассоси мустақиман муттаҳидшуда. Технологияи UAM на танҳо бисёре аз маҳдудиятҳои мавҷударо, ки бо истеҳсоли иловагии реакторҳои кимиёвӣ алоқаманданд, бартараф мекунад, балки имконоти чунин дастгоҳҳоро низ ба таври назаррас афзоиш медиҳад. Як қатор пайвастагиҳои муҳими биологӣ, ки 1,4-ивазшавандаанд, бо истифода аз реаксияи сиклоидилкунии Хуисген 1,3-диполярӣ бо истифода аз системаи химиявии UAM бомуваффақият синтез ва оптимизатсия карда шуданд. Бо истифода аз хосиятҳои беназири UAM ва коркарди ҷараёни пайваста, дастгоҳ метавонад реаксияҳои давомдорро катализ кунад ва дар айни замон барои мониторинг ва оптимизатсияи реаксия фикру мулоҳизаҳои вақти воқеиро таъмин кунад.
Аз сабаби бартариҳои назарраси худ нисбат ба ҳамтои ҳаҷмии худ, химияи ҷараёнӣ як соҳаи муҳим ва рушдёбанда дар ҳам дар муҳити академӣ ва ҳам дар саноатӣ мебошад, зеро он қобилияти баланд бардоштани интихобӣ ва самаранокии синтези кимиёвиро дорад. Ин аз ташаккули оддии молекулаҳои органикӣ1 то пайвастагиҳои дорусозӣ2,3 ва маҳсулоти табиӣ4,5,6 иборат аст. Зиёда аз 50% реаксияҳо дар саноати кимиёвӣ ва дорусозӣ метавонанд аз истифодаи коркарди пайвастаи ҷараён7 баҳра баранд.
Дар солҳои охир, тамоюли афзояндаи гурӯҳҳое мушоҳида мешавад, ки мехоҳанд зарфҳои шишагии анъанавӣ ё таҷҳизоти химияи ҷараёнӣ бо "зарфҳои реаксия"-и химияи истеҳсолии иловагии танзимшаванда (AM) иваз кунанд8. Тарроҳии такрорӣ, истеҳсоли босуръат ва имконоти сеченакаи (3D) ин усулҳо барои онҳое, ки мехоҳанд дастгоҳҳои худро ба маҷмӯи мушаххаси реаксияҳо, дастгоҳҳо ё шароитҳо танзим кунанд, муфид аст. То имрӯз, ин кор қариб пурра ба истифодаи усулҳои чопи сеченакаи полимерӣ, ба монанди стереолитография (SL)9,10,11, моделсозии ҷамъшавии омехта (FDM)8,12,13,14 ва чопи inkjet7,15,16, тамаркуз кардааст. Набудани устуворӣ ва қобилияти чунин дастгоҳҳо барои иҷрои доираи васеи реаксияҳо/таҳлилҳои кимиёвӣ17,18,19,20 омили асосии маҳдудкунанда барои татбиқи васеътари AM дар ин соҳа17,18,19,20 мебошад.
Аз сабаби истифодаи афзояндаи химияи ҷараён ва хосиятҳои мусоиди марбут ба AM, зарурати омӯхтани усулҳои пешрафтатаре ба миён меояд, ки ба корбарон имкон медиҳанд зарфҳои реаксияи ҷараёнро бо қобилиятҳои беҳтаршудаи кимиёвӣ ва таҳлилӣ созанд. Ин усулҳо бояд ба корбарон имкон диҳанд, ки аз як қатор маводҳои хеле мустаҳкам ё функсионалӣ, ки қодиранд доираи васеи шароити реаксияро идора кунанд, интихоб кунанд ва дар айни замон шаклҳои гуногуни баромади таҳлилиро аз дастгоҳ барои мониторинг ва назорати реаксия осон кунанд.
Як раванди истеҳсолии иловагие, ки имкони таҳияи реакторҳои кимиёвии фармоиширо дорад, Истеҳсоли иловагии ултрасадо (UAM) мебошад. Ин техникаи ламинатсияи варақаҳои сахт ларзишҳои ултрасадоро ба фолгаҳои тунуки металлӣ татбиқ мекунад, то онҳоро қабат ба қабат бо гармкунии ҳадди ақали ҳаҷмии об ва дараҷаи баланди ҷараёни пластикӣ ба ҳам пайваст кунад 21, 22, 23. Бар хилофи аксари дигар технологияҳои AM, UAM-ро метавон мустақиман бо истеҳсоли субтрактивӣ, ки ҳамчун раванди истеҳсоли гибридӣ маълум аст, муттаҳид кард, ки дар он фрезер ё коркарди лазерӣ бо назорати рақамии компютерии даврӣ (CNC) шакли холиси қабати маводи пайвастшударо муайян мекунад 24, 25. Ин маънои онро дорад, ки корбар бо мушкилоти марбут ба тоза кардани маводи хоми боқимонда аз каналҳои хурди моеъ, ки аксар вақт бо системаҳои AM-и хока ва моеъ рух медиҳад, маҳдуд намешавад 26, 27, 28. Ин озодии тарроҳӣ инчунин ба интихоби маводҳои мавҷуда паҳн мешавад - UAM метавонад комбинатсияҳои маводи аз ҷиҳати гармӣ монанд ва гуногунро дар як қадами раванд пайваст кунад. Интихоби комбинатсияҳои мавод берун аз раванди гудохта маънои онро дорад, ки талаботи механикӣ ва химиявии барномаҳои мушаххас метавонанд беҳтар қонеъ карда шаванд. Илова бар пайванди ҳолати сахт, падидаи дигаре, ки ҳангоми... Пайванди ултрасадо ҷараёни баланди маводҳои пластикӣ дар ҳарорати нисбатан паст аст29,30,31,32,33. Ин хусусияти беназири UAM метавонад ҷойгиркунии унсурҳои механикӣ/гармиро байни қабатҳои металлӣ бе осеб осон кунад. Сенсорҳои дарунсохти UAM метавонанд интиқоли маълумоти воқеиро аз дастгоҳ ба корбар тавассути таҳлили ҳамгирошуда осон кунанд.
Корҳои гузаштаи муаллифон32 қобилияти раванди UAM-ро барои эҷоди сохторҳои сеандозаи металлии микрофлюидӣ бо қобилиятҳои ҳамгирошудаи ҳассосият нишон доданд. Ин дастгоҳ танҳо барои назорат аст. Дар ин мақола аввалин мисоли реактори кимиёвии микрофлюидӣ, ки аз ҷониби UAM сохта шудааст, пешниҳод шудааст; дастгоҳи фаъоле, ки на танҳо назорат мекунад, балки синтези кимиёвиро тавассути маводҳои катализатории сохторӣ ҳамгиро мекунад. Дастгоҳ якчанд бартариҳои марбут ба технологияи UAM-ро дар истеҳсоли дастгоҳҳои кимиёвии сеандоза муттаҳид мекунад, ба монанди: қобилияти табдил додани тарҳҳои пурраи сеандоза мустақиман аз моделҳои тарроҳии компютерӣ (CAD) ба маҳсулот; истеҳсоли бисёрмавод барои якҷоя кардани гузаронандагии баланди гармӣ ва маводҳои каталитикӣ; ва ҷойгир кардани сенсорҳои гармӣ мустақиман байни ҷараёнҳои реагент барои назорати дақиқи ҳарорати реаксия ва назорати он. Барои нишон додани функсияи реактор, китобхонаи пайвастагиҳои 1,2,3-триазолҳои 1,4-ивазшудаи муҳими фармасевтӣ бо роҳи сиклоидолии Huisgen 1,3-диполярии бо катализшудаи мис синтез карда шуд. Ин асар нишон медиҳад, ки чӣ гуна истифодаи илми мавод ва тарроҳии компютерӣ метавонад имкониятҳо ва имконоти навро барои химия тавассути таҳқиқоти бисёрсоҳавӣ боз кунад.
Ҳамаи ҳалкунандаҳо ва реагентҳо аз Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI ё Fischer Scientific харидорӣ шуда, бе тозакунии пешакӣ истифода шуданд. Спектрҳои 1H ва 13C NMR, ки мутаносибан дар 400 MHz ва 100 MHz сабт шудаанд, бо истифода аз спектрометри JEOL ECS-400 400 MHz ё спектрометри Bruker Avance II 400 MHz ва ҳамчун ҳалкунанда CDCl3 ё (CD3)2SO ба даст оварда шуданд. Ҳамаи реаксияҳо бо истифода аз платформаи химияи ҷараёни Uniqsis FlowSyn анҷом дода шуданд.
Барои сохтани ҳамаи дастгоҳҳо дар ин таҳқиқот UAM истифода шудааст. Ин технология соли 1999 ихтироъ шудааст ва тафсилоти техникии он, параметрҳои корӣ ва таҳаввулоти он аз замони ихтирои онро метавон тавассути маводҳои нашршудаи зерин омӯхт34,35,36,37. Дастгоҳ (Расми 1) бо истифода аз системаи ултрабаланд бо қувваи 9 кВт SonicLayer 4000® UAM (Fabrisonic, OH, ИМА) амалӣ карда шудааст. Маводҳое, ки барои сохтани дастгоҳи ҷараён интихоб шудаанд, Cu-110 ва Al 6061 буданд. Cu-110 дорои миқдори зиёди мис (ҳадди ақал 99,9% мис) мебошад, ки онро барои реаксияҳои катализшудаи мис номзади хуб мегардонад ва аз ин рӯ ҳамчун "қабати фаъол" дар дохили микрореактор истифода мешавад. Al 6061O ҳамчун маводи "ҳаҷмӣ" истифода мешавад, инчунин қабати ҷойгиркунӣ барои таҳлил истифода мешавад; ҷойгиркунии ҷузъи ёрирасони хӯла ва ҳолати тафсоншуда дар якҷоягӣ бо қабати Cu-110. Al 6061O маводест, ки бо UAM хеле мувофиқ буданаш нишон дода шудааст. равандҳо38, 39, 40, 41 ва санҷида шуда, бо реагентҳои истифодашуда дар ин кор аз ҷиҳати кимиёвӣ устувор будааст. Омезиши Al 6061O бо Cu-110 низ як комбинатсияи маводҳои мувофиқ барои UAM ҳисобида мешавад ва аз ин рӯ, маводи мувофиқ барои ин таҳқиқот мебошад. 38,42 Ин дастгоҳҳо дар Ҷадвали 1 дар зер оварда шудаанд.
Марҳилаҳои истеҳсоли реактор (1) Табақаи Al 6061 (2) Сохтани канали поёнӣ, ки ба фолгаи мисӣ насб карда шудааст (3) Ҷойгир кардани термопараҳо байни қабатҳо (4) Канали болоӣ (5) Вуруд ва баромад (6) Реактори монолитӣ.
Фалсафаи тарроҳии роҳи моеъ истифодаи роҳи печида барои зиёд кардани масофаи ҳаракати моеъ дар дохили чип ва дар айни замон нигоҳ доштани андозаи идорашавандаи чип мебошад. Ин афзоиши масофа барои зиёд кардани вақти таъсири мутақобилаи катализатор/реагент ва таъмини ҳосили аълои маҳсулот матлуб аст. Чипҳо дар охири роҳи рост аз хамҳои 90° истифода мебаранд, то омехтаи турбулентиро дар дохили дастгоҳ44 ба вуҷуд оранд ва вақти тамос бо моеъро бо сатҳ (катализатор) зиёд кунанд. Барои афзоиши минбаъдаи омехтае, ки ба даст оварда мешавад, тарҳи реактор ду вуруди реагентро дар пайванди Y пеш аз ворид шудан ба қисмати омехтаи серпентин муттаҳид мекунад. Вуруди сеюм, ки ҷараёнро дар нисфи иқомати худ бурида мегузарад, дар тарҳрезии синтезҳои реаксияи бисёрзинагии оянда дохил карда шудааст.
Ҳамаи каналҳо профили чоркунҷа доранд (бе кунҷҳои кашидашаванда), ки натиҷаи фрезеркунии даврии CNC барои эҷоди геометрияи канал мебошад. Андозаҳои канал барои таъмини ҳаҷми баланди (барои микрореактор) интихоб карда мешаванд, дар ҳоле ки барои осон кардани таъсири мутақобилаи сатҳӣ (катализаторҳо) барои аксари моеъҳои мавҷуда кофӣ хурд мебошанд. Андозаи мувофиқ ба таҷрибаи гузаштаи муаллифон бо дастгоҳҳои металл-моеъ барои реаксия асос ёфтааст. Андозаҳои дохилии канали ниҳоӣ 750 µm x 750 µm ва ҳаҷми умумии реактор 1 мл буд. Пайвасткунаки ҳамгирошуда (1/4″—28 UNF ришта) дар тарҳ дохил карда шудааст, то имкон диҳад, ки дастгоҳ бо таҷҳизоти химияи ҷараёни тиҷоратӣ пайваст карда шавад. Андозаи канал аз рӯи ғафсии маводи фолга, хосиятҳои механикии он ва параметрҳои пайвандкунӣ, ки бо ултрасадо истифода мешаванд, маҳдуд аст. Дар паҳнои мушаххас барои маводи додашуда, мавод ба канали сохташуда "часпида" мешавад. Дар айни замон барои ин ҳисобкунӣ модели мушаххас вуҷуд надорад, аз ин рӯ паҳнои максималии канал барои мавод ва тарҳи додашуда ба таври таҷрибавӣ муайян карда мешавад; дар ин ҳолат, паҳнои 750 мкм боиси хамшавӣ намешавад.
Шакли (мураббаъ)-и канал бо истифода аз бурандаи чоркунҷа муайян карда мешавад. Шакл ва андозаи каналҳоро метавон бо истифода аз асбобҳои гуногуни буришӣ барои ба даст овардани суръат ва хусусиятҳои гуногуни ҷараён бо истифода аз дастгоҳҳои CNC тағйир дод. Мисоли эҷоди канали шакли каҷ бо истифода аз асбоби 125 мкм-ро дар кори Monaghan45 пайдо кардан мумкин аст. Вақте ки қабати фолга ба таври ҳамвор гузошта мешавад, қабати маводи фолга дар болои каналҳо ҳамвор (мураббаъ) хоҳад буд. Дар ин кор, барои нигоҳ доштани симметрияи канал, контури чоркунҷа истифода шудааст.
Ҳангоми таваққуфи пешакӣ барномарезишуда дар истеҳсолот, зондҳои ҳарорати термоҷуфт (навъи K) мустақиман дар дохили дастгоҳ байни гурӯҳҳои каналҳои болоӣ ва поёнӣ ҷойгир карда мешаванд (Расми 1 - Марҳилаи 3). Ин термоҷуфтҳо метавонанд тағйироти ҳароратро аз -200 то 1350 °C назорат кунанд.
Раванди гузоштани металл аз ҷониби шохи UAM бо истифода аз фолгаи металлии 25,4 мм паҳноӣ ва ғафсии 150 микрон анҷом дода мешавад. Ин қабатҳои фолга ба як қатор тасмаҳои ҳамшафат пайваст карда мешаванд, то тамоми майдони сохтмонро пӯшонанд; андозаи маводи гузошташуда аз маҳсулоти ниҳоӣ калонтар аст, зеро раванди ҷудокунӣ шакли ниҳоии холисро ба вуҷуд меорад. Коркарди CNC барои коркарди контурҳои беруна ва дохилии таҷҳизот истифода мешавад, ки дар натиҷа сатҳи таҷҳизот ва каналҳо ба параметрҳои асбоби интихобшуда ва раванди CNC баробар аст (тақрибан 1,6 мкм Ra дар ин мисол). Дар тамоми раванди истеҳсоли дастгоҳ давраҳои пайваста ва пайваста гузоштани мавод ва коркард истифода мешаванд, то дақиқии андоза нигоҳ дошта шавад ва қисми тайёр ба сатҳҳои дақиқии фрезеркунии CNC мувофиқат кунад. Паҳнои канале, ки барои ин дастгоҳ истифода мешавад, ба қадри кофӣ хурд аст, то боварӣ ҳосил кунад, ки маводи фолга ба канали моеъ "часпида" намешавад, аз ин рӯ канал буриши чоркунҷаро нигоҳ медорад. Фосилаҳои эҳтимолӣ дар маводи фолга ва параметрҳои раванди UAM аз ҷониби шарики истеҳсолӣ (Fabrisonic LLC, ИМА) ба таври таҷрибавӣ муайян карда шуданд.
Таҳқиқотҳо нишон доданд, ки дар сатҳи пайванди UAM 46, 47 диффузияи ками элементҳо бидуни коркарди иловагии гармӣ ба амал меояд, аз ин рӯ, барои дастгоҳҳое, ки дар ин кор баррасӣ мешаванд, қабати Cu-110 аз қабати Al 6061 фарқ мекунад ва ногаҳон тағйир меёбад.
Танзимгари фишори қафо (BPR)-и пешакӣ калибршуда бо фишори 250 psi (1724 kPa)-ро ба баромадгоҳи реактор насб кунед ва обро тавассути реактор бо суръати аз 0,1 то 1 мл дақ-1 гузаронед. Фишори реактор бо истифода аз сенсори фишори системаи дарунсохти FlowSyn назорат карда шуд, то боварӣ ҳосил кунад, ки система метавонад фишори доимии устуворро нигоҳ дорад. Градиентҳои эҳтимолии ҳарорат дар реактори ҷараён бо муайян кардани ҳама гуна фарқиятҳо байни термоҷуфтҳои ҷойгиршуда дар реактор ва онҳое, ки дар пластинаи гармидиҳии чипи FlowSyn ҷойгир шудаанд, санҷида шуданд. Ин бо тағир додани ҳарорати пластинаи гармидиҳӣ дар байни 100 ва 150 °C бо қадамҳои 25 °C ва қайд кардани ҳама гуна фарқиятҳо байни ҳарорати барномарезишуда ва сабтшуда ба даст оварда мешавад. Ин бо истифода аз сабткунандаи маълумоти tc-08 (PicoTech, Кембриҷ, Британияи Кабир) ва нармафзори ҳамроҳи PicoLog ба даст оварда шуд.
Шароити реаксияи сиклоҳамшавии фенилацетилен ва йодоэтан оптимизатсия карда шуданд (Нақшаи 1 - Сиклоҳамшавии фенилацетилен ва йодоэтан. Нақшаи 1 - Сиклоҳамшавии фенилацетилен ва йодоэтан). Ин оптимизатсия бо усули тарроҳии пурраи факториалии таҷрибаҳо (DOE), бо истифода аз ҳарорат ва вақти истиқомат ҳамчун параметрҳои тағйирёбанда, ҳангоми муқаррар кардани таносуби алкин:азид дар 1:2 анҷом дода шуд.
Маҳлулҳои алоҳидаи азиди натрий (0.25 М, 4:1 DMF:H2O), йодоэтан (0.25 М, DMF) ва фенилацетилен (0.125 М, DMF) омода карда шуданд. 1.5 мл аликвот аз ҳар як маҳлул бо суръати ҷараён ва ҳарорати дилхоҳ омехта ва тавассути реактор интиқол дода шуд. Вокуниши модел ҳамчун таносуби майдони қуллаи маҳсулоти триазол ба маводи ибтидоии фенилацетилен гирифта шуд ва бо хроматографияи моеъи баландсифат (HPLC) муайян карда шуд. Барои мувофиқати таҳлил, ҳамаи реаксияҳо фавран пас аз тарк кардани омехтаи реаксия аз реактор намуна гирифта шуданд. Диапазонҳои параметрҳое, ки барои оптимизатсия интихоб шудаанд, дар Ҷадвали 2 нишон дода шудаанд.
Ҳамаи намунаҳо бо истифода аз системаи Chromaster HPLC (VWR, PA, ИМА), ки аз насоси чорякӣ, танӯри сутунӣ, детектори ултрабунафш бо дарозии мавҷи тағйирёбанда ва намунагири худкор иборат буд, таҳлил карда шуданд. Сутун як Equivalence 5 C18 (VWR, PA, ИМА) буд, андозааш 4.6 × 100 мм, андозаи зарраҳои 5 мкм, ки дар ҳарорати 40 °C нигоҳ дошта мешуд. Ҳалкунанда метанол: об бо суръати ҷараёни 1.5 мл. дақ-1 изократӣ 50:50 буд. Ҳаҷми тазриқ 5 мкл ва дарозии мавҷи детектор 254 нм буд. Масоҳати қуллаи % барои намунаи DOE танҳо аз минтақаҳои қуллаи маҳсулоти боқимондаи алкин ва триазол ҳисоб карда шуд. Тазриқи маводи ибтидоӣ имкон медиҳад, ки қуллаҳои мувофиқ муайян карда шаванд.
Пайваст кардани натиҷаи таҳлили реактор бо нармафзори MODDE DOE (Umetrics, Малмо, Шветсия) имкон дод, ки таҳлили ҳамаҷонибаи тамоюлҳои натиҷаҳо ва муайян кардани шароити оптималии реаксия барои ин иловаи сиклоӣ имконпазир гардад. Ба кор андохтани оптимизатори дарунсохт ва интихоби ҳамаи истилоҳоти муҳими модел маҷмӯи шароити реаксияро ба вуҷуд меорад, ки барои ба ҳадди аксар расонидани майдони қуллаи маҳсулот ва кам кардани майдони қулла барои маводи ибтидоии ацетилен тарҳрезӣ шудаанд.
Оксидшавии миси рӯизаминӣ дар дохили камераи реаксияи каталитикӣ бо истифода аз маҳлули пероксиди гидроген (36%), ки аз камераи реаксия ҷорӣ мешавад (суръати ҷараён = 0.4 мл дақ-1, вақти будубош = 2.5 дақ) пеш аз синтези ҳар як китобхонаи пайвастагии триазол ба даст оварда шуд.
Пас аз муайян кардани маҷмӯи оптималии шароит, онҳо ба як қатор ҳосилаҳои ацетилен ва галоалкан татбиқ карда шуданд, то имкон дода шавад, ки синтези китобхонаи хурд тартиб дода шавад ва бо ин роҳ қобилияти татбиқи ин шароит ба доираи васеътари реагентҳои эҳтимолӣ муқаррар карда шавад (Расми 1).2).
Маҳлулҳои алоҳидаи азиди натрий (0.25 М, 4:1 DMF:H2O), галоалканҳо (0.25 М, DMF) ва алкинҳоро (0.125 М, DMF) омода кунед. 3 мл аликвотҳои ҳар як маҳлул омехта карда шуда, тавассути реактор дар ҳарорати 75 мкл.дақ-1 ва 150 °C интиқол дода шуданд. Ҳаҷми умумӣ ба флакон ҷамъ карда шуда, бо 10 мл этилацетат ҳал карда шуд. Маҳлули намуна бо 3 × 10 мл об шуста шуд. Қабатҳои обӣ бо 10 мл этилацетат якҷоя карда шуданд ва истихроҷ карда шуданд; сипас қабатҳои органикӣ якҷоя карда шуданд, бо 3 x 10 мл оби шӯр шуста шуданд, дар MgSO4 хушк карда шуданд ва филтр карда шуданд, сипас ҳалкунанда дар вакуум тоза карда шуд. Намунаҳо пеш аз таҳлил бо истифода аз омезиши HPLC, 1H NMR, 13C NMR ва спектрометрияи массавии баландсифат (HR-MS) бо истифода аз хроматографияи сутунӣ дар гели силикат бо истифода аз этилацетат тоза карда шуданд.
Ҳамаи спектрҳо бо истифода аз спектрометри массавии дақиқи Thermofischer Orbitrap бо ESI ҳамчун манбаи ионизатсия ба даст оварда шуданд. Ҳамаи намунаҳо бо истифода аз ацетонитрил ҳамчун ҳалкунанда омода карда шуданд.
Таҳлили TLC дар лавҳаҳои кремнийи бо алюминий асосёфта гузаронида шуд. Лавҳаҳо бо нури ултрабунафш (254 нм) ё рангкунӣ ва гармкунӣ бо ванилин тасаввур карда шуданд.
Ҳамаи намунаҳо бо истифода аз системаи VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, Британияи Кабир), ки бо намунагири худкор, насоси дуӣ дар танӯри сутунӣ ва детектори якдавраи мавҷ муҷаҳҳаз шудааст, таҳлил карда шуданд. Сутуни истифодашуда ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4.6 мм, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Абердин, Шотландия) буд.
Тазриқҳо (5 µL) мустақиман аз омехтаи реаксияи хоми обшуда (1:10 обшуда) анҷом дода шуданд ва бо об:метанол (50:50 ё 70:30) таҳлил карда шуданд, ба истиснои баъзе намунаҳо бо истифода аз системаи ҳалкунандаи 70:30 (ҳамчун рақами ситора нишон дода шудааст) бо суръати ҷараёни 1,5 мл/дақ. Сутун дар ҳарорати 40 °C нигоҳ дошта шуд. Дарозии мавҷи детектор 254 нм аст.
Масоҳати қуллаи %-и намуна аз масоҳати қуллаи алкини боқимонда, танҳо аз маҳсулоти триазол ҳисоб карда шуд ва ворид кардани маводи ибтидоӣ имкон дод, ки қуллаҳои мувофиқ муайян карда шаванд.
Ҳамаи намунаҳо бо истифода аз Thermo iCAP 6000 ICP-OES таҳлил карда шуданд. Ҳамаи стандартҳои калибрченкунӣ бо истифода аз маҳлули стандартии 1000 ppm Cu дар 2% кислотаи нитрат (SPEX Certi Prep) омода карда шуданд. Ҳамаи стандартҳо дар маҳлули 5% DMF ва 2% HNO3 омода карда шуданд ва ҳамаи намунаҳо 20 маротиба дар маҳлули намунавии DMF-HNO3 об карда шуданд.
UAM кафшери ултрасадои металлро ҳамчун усули пайвасткунӣ барои маводи фолгаи металлӣ, ки барои сохтани васлкунии ниҳоӣ истифода мешавад, истифода мебарад. Кафшери ултрасадои металлӣ аз асбоби ларзиши металлӣ (ки шох ё шохи ултрасадои номида мешавад) истифода мебарад, то ҳангоми ларзиши мавод ба қабати фолга/қабати қаблан муттаҳидшуда, ки бояд пайваст карда шавад, фишор оварад. Барои кори доимӣ, sonotrode силиндрӣ аст ва дар рӯи мавод ғелонда мешавад ва тамоми минтақаро пайваст мекунад. Вақте ки фишор ва ларзиш татбиқ мешаванд, оксидҳо дар сатҳи мавод метавонанд кафида шаванд. Фишор ва ларзиши доимӣ метавонад боиси фурӯпошии ноустувории мавод гардад 36. Тамоси наздик бо гармӣ ва фишори маҳаллӣ боиси пайвастшавии ҳолати сахт дар интерфейсҳои мавод мегардад; он инчунин метавонад тавассути тағирёбии энергияи сатҳӣ ба часпидан мусоидат кунад48. Табиати механизми пайвасткунӣ бисёре аз мушкилоти марбут ба ҳарорати тағйирёбандаи обшавӣ ва таъсири пас аз ҳарорати баланд, ки дар дигар усулҳои истеҳсолии иловагӣ зикр шудаанд, бартараф мекунад. Ин имкон медиҳад, ки қабатҳои сершумори маводҳои гуногун ба як сохтори ягонаи муттаҳидшуда пайваст карда шаванд.
Омили дуюми мусоид барои UAM дараҷаи баланди ҷараёни пластикӣ мебошад, ки дар маводҳои металлӣ, ҳатто дар ҳарорати паст, яъне хеле поёнтар аз нуқтаи обшавии маводҳои металлӣ, мушоҳида мешавад. Якҷояшавии ларзиши ултрасадо ва фишор сатҳи баланди муҳоҷирати сарҳади донаҳои маҳаллӣ ва аз нав кристаллизатсияро бе афзоиши калони ҳарорат, ки анъанавӣ бо маводҳои калон алоқаманд аст, ба вуҷуд меорад. Ҳангоми сохтани васлкунии ниҳоӣ, ин падида метавонад барои ҷойгир кардани ҷузъҳои фаъол ва ғайрифаъол байни қабатҳои фолгаи металлӣ, қабат ба қабат истифода шавад. Унсурҳо ба монанди нахҳои оптикӣ 49, тақвиятҳо 46, электроника 50 ва термопараҳо (ин кор) ҳама бомуваффақият ба сохторҳои UAM барои эҷоди васлкуниҳои композитии фаъол ва ғайрифаъол ҷойгир карда шудаанд.
Дар ин кор, ҳам имконоти гуногуни пайванди мавод ва ҳам байникалятсияи UAM барои эҷоди микрореактори ниҳоии мониторинги каталитикӣ барои ҳарорат истифода шудаанд.
Дар муқоиса бо палладий (Pd) ва дигар катализаторҳои маъмулан истифодашавандаи металлӣ, катализи Cu якчанд бартариҳо дорад: (i) Аз ҷиҳати иқтисодӣ, Cu нисбат ба бисёр металлҳои дигаре, ки дар катализ истифода мешаванд, арзонтар аст ва аз ин рӯ, барои саноати коркарди кимиёвӣ як варианти ҷолиб аст (ii) Доираи реаксияҳои пайвастшавии салибии Cu бо катализ афзоиш меёбад ва ба назар мерасад, ки то андозае ба методологияҳои асоси Pd мукаммалтар аст51,52,53 (iii) Реаксияҳои катализшудаи Cu дар сурати набудани лигандҳои дигар хуб кор мекунанд. Ин лигандҳо аксар вақт аз ҷиҳати сохторӣ содда ва дар ҳолати зарурӣ арзон мебошанд, дар ҳоле ки онҳое, ки дар химияи Pd истифода мешаванд, аксар вақт мураккаб, гарон ва ба ҳаво ҳассос мебошанд (iv) Cu, махсусан бо қобилияти он барои пайваст кардани алкинҳо дар синтез маълум аст. Масалан, пайвастшавӣ ва сиклоидшавии биметаллии Соногашира бо азидҳо (химияи клик) (v)Cu инчунин метавонад арилизатсияи якчанд нуклеофилҳоро дар реаксияҳои навъи Ульман мусоидат кунад.
Мисолҳои гетерогенизатсияи ҳамаи ин реаксияҳо ба наздикӣ дар ҳузури Cu(0) нишон дода шудаанд. Ин асосан аз сабаби саноати дорусозӣ ва таваҷҷӯҳи афзоянда ба барқарорсозӣ ва истифодаи дубораи катализаторҳои металлӣ мебошад55,56.
Реаксияи сиклоидшавии 1,3-диполярӣ байни ацетилен ва азид ба 1,2,3-триазол, ки дар солҳои 1960-ум оғоз шуда буд57, як аксуламали намоишии синергетикӣ ҳисобида мешавад. Қисмҳои 1,2,3-триазолҳои ҳосилшуда ҳамчун фармакофор дар соҳаи кашфи доруҳо аз сабаби татбиқи биологии онҳо ва истифодаи онҳо дар агентҳои гуногуни терапевтӣ 58 таваҷҷӯҳи хоса доранд.
Ин реаксия бори дигар вақте ба маркази таваҷҷӯҳ қарор гирифт, ки Шарплесс ва дигарон мафҳуми «кимиёи клик»-ро59 муаррифӣ карданд. Истилоҳи «кимиёи клик» барои тавсифи маҷмӯи мустаҳкам, боэътимод ва интихобии реаксияҳо барои синтези босуръати пайвастагиҳои нав ва китобхонаҳои комбинаторӣ тавассути пайванди гетероатомӣ (CXC)60 истифода мешавад. Ҷолибияти синтетикии ин реаксияҳо аз ҳосилнокии баланди онҳо бармеояд, шароити реаксия содда, муқовимат ба оксиген ва об ва ҷудошавии маҳсулот содда аст61.
Сиклоидшавии классикии Huisgen 1,3-диполя ба категорияи "кимияи клик" тааллуқ надорад. Аммо, Медал ва Шарплесс нишон доданд, ки ин ҳодисаи пайвастшавии азид-алкин дар ҳузури Cu(I) дар муқоиса бо суръатбахшии назарраси сиклоидшавии 1,3-диполялявии 62,63-и катализнашуда аз 107 то 108 мегузарад. Ин механизми такмилёфтаи реаксия гурӯҳҳои муҳофизатӣ ё шароити сахти реаксияро талаб намекунад ва табдили қариб пурра ва интихобӣ ба 1,2,3-триазолҳои 1,4-ҷудошуда (анти-1,2,3-триазол) дар миқёси вақт медиҳад (Расми 3).
Натиҷаҳои изометрии сиклоидҳо бо катализҳои анъанавӣ ва мисии Huisgen. Сиклоидҳо бо катализҳои Huisgen бо Cu(I) танҳо 1,2,3-триазолҳои ивазнашавандаи 1,4-ро ба вуҷуд меоранд, дар ҳоле ки сиклоидҳо бо истифода аз термикӣ Huisgen одатан омехтаи 1,4- ва 1,5-триазолҳои 1:1-и стереоизомерҳои азолҳоро ба вуҷуд меоранд.
Аксари протоколҳо коҳиши манбаъҳои устувори Cu(II)-ро дар бар мегиранд, ба монанди коҳиши CuSO4 ё Cu(II)/Cu(0) якҷояшавии намудҳои Cu бо намакҳои натрий. Дар муқоиса бо дигар реаксияҳои бо металл катализшаванда, истифодаи Cu(I) бартариҳои асосии арзон ва осонии коркард дорад.
Таҳқиқоти кинетикӣ ва изотопии нишонгузорӣ аз ҷониби Воррелл ва ҳамкорон 65 нишон доданд, ки дар мавриди алкинҳои терминалӣ, ду эквиваленти мис дар фаъолсозии реактивии ҳар як молекула нисбат ба азид иштирок мекунанд. Механизми пешниҳодшуда тавассути ҳалқаи металлии мисии шашузъӣ, ки бо ҳамоҳангсозии азид ба ацетилид миси пайвастшудаи σ бо миси пайвастшудаи π ҳамчун лиганд донори устувор ташкил шудааст, сурат мегирад. Ҳосилаҳои миси триазолил бо роҳи камшавии ҳалқа ва баъдан бо таҷзияи протон барои таъмини маҳсулоти триазол ва бастани давраи каталитикӣ ташкил карда мешаванд.
Гарчанде ки манфиатҳои дастгоҳҳои химияи ҷараён хуб ҳуҷҷатгузорӣ шудаанд, хоҳиши ворид кардани абзорҳои таҳлилӣ ба ин системаҳо барои мониторинги равандҳои дарунӣ, дар ҷойӣ вуҷуд дошт66,67. UAM усули мувофиқ барои тарҳрезӣ ва истеҳсоли реакторҳои ҷараёни сеандозаи хеле мураккаб, ки аз маводҳои фаъоли каталитикӣ ва гармигузарон бо унсурҳои сенсории мустақим ҷойгиршуда сохта шудаанд, будааст (Расми 4).
Реактори ҷараёни алюминий-мис, ки бо истифода аз истеҳсоли иловаҳои ултрасадо (UAM) бо сохтори мураккаби канали дохилӣ, термопараҳои дарунсохт ва камераи реаксияи каталитикӣ сохта шудааст. Барои тасаввур кардани роҳҳои моеъи дохилӣ, прототипи шаффофе низ нишон дода шудааст, ки бо истифода аз стереолитография сохта шудааст.
Барои он ки реакторҳо барои реаксияҳои органикии оянда сохта шаванд, ҳалкунандаҳоро бояд бехатар аз нуқтаи ҷӯшиш гарм кард; онҳо аз фишор ва ҳарорат санҷида мешаванд. Санҷиши фишор нишон дод, ки система ҳатто бо фишори баланди система (1,7 МПа) фишори устувор ва доимиро нигоҳ медорад. Санҷиши гидростатикӣ дар ҳарорати хонагӣ бо истифода аз H2O ҳамчун моеъ анҷом дода шуд.
Пайваст кардани термоҷуфти дарунсохт (Расми 1) ба сабткунандаи маълумоти ҳарорат нишон дод, ки термоҷуфт 6 °C (± 1 °C) нисбат ба ҳарорати барномарезишуда дар системаи FlowSyn пасттар буд. Одатан, афзоиши 10 °C дар ҳарорат боиси ду баробар шудани суръати реаксия мегардад, аз ин рӯ, фарқияти ҳарорат танҳо чанд дараҷа метавонад суръати реаксияро ба таври назаррас тағйир диҳад. Ин фарқият аз сабаби талафоти ҳарорат дар тамоми корпуси реактор аз сабаби паҳншавии баланди гармии маводҳое, ки дар раванди истеҳсолӣ истифода мешаванд, ба вуҷуд меояд. Ин кашиши гармӣ яксон аст ва аз ин рӯ, онро дар танзимоти таҷҳизот ба назар гирифтан мумкин аст, то боварӣ ҳосил шавад, ки ҳангоми реаксия ҳароратҳои дақиқ ба даст оварда ва чен карда мешаванд. Аз ин рӯ, ин абзори мониторинги онлайн назорати қатъии ҳарорати реаксияро осон мекунад ва беҳсозии дақиқтари раванд ва таҳияи шароити оптималиро осон мекунад. Ин сенсорҳоро инчунин барои муайян кардани экзотермҳои реаксия ва пешгирии реаксияҳои фирорӣ дар системаҳои миқёси калон истифода бурдан мумкин аст.
Реактори дар ин асар пешниҳодшуда аввалин мисоли татбиқи технологияи UAM барои истеҳсоли реакторҳои кимиёвӣ мебошад ва якчанд маҳдудиятҳои асосиро, ки айни замон бо чопи AM/3D-и ин дастгоҳҳо алоқаманданд, ҳал мекунад, ба монанди: (i) бартараф кардани мушкилоти гузоришшуда дар бораи коркарди хӯлаи мис ё алюминий (ii) беҳтар кардани ҳалли канали дохилӣ дар муқоиса бо усулҳои омехтаи қабати хока (PBF), ба монанди обшавии лазерии интихобӣ (SLM)25,69 Ҷараёни сусти мавод ва сохтори сатҳи ноҳамвор26 (iii) Паст шудани ҳарорати коркард, ки ба пайвастшавии мустақими сенсорҳо мусоидат мекунад, ки дар технологияи қабати хока имконнопазир аст, (v) хосиятҳои механикии паст ва ҳассосияти ҷузъҳои компонентҳои полимериро ба як қатор ҳалкунандаҳои маъмулии органикӣ бартараф мекунад17,19.
Функсияи реактор бо як қатор реаксияҳои сиклоидшавии алкин азиди бо катализшудаи мис дар шароити ҷараёни пайваста нишон дода шуд (Расми 2). Реактори мисии чопшудаи ултрасадо, ки дар расми 4 муфассал шарҳ дода шудааст, бо системаи ҷараёни тиҷоратӣ муттаҳид карда шуд ва барои синтез кардани азидҳои китобхонаи 1,2,3-триазолҳои гуногуни 1,4-ивазшудаи ивазшуда тавассути реаксияи таҳти назорати ҳарорат аз галогенидҳои ацетилен ва гурӯҳҳои алкил дар ҳузури хлориди натрий истифода шуд (Расми 3). Истифодаи равиши ҷараёни пайваста нигарониҳои бехатариро, ки метавонанд дар равандҳои партиявӣ ба миён оянд, коҳиш медиҳад, зеро ин реаксия миёнаравҳои азидҳои хеле реактивӣ ва хатарнокро ба вуҷуд меорад [317], [318]. Дар аввал, реаксия барои сиклоидшавии фенилацетилен ва йодоэтан оптимизатсия карда шуд (Нақшаи 1 - Сиклоидшавии фенилацетилен ва йодоэтан) (нигаред ба расми 5).
(Чапи боло) Схемаи дастгоҳе, ки барои ворид кардани реактори 3DP ба системаи ҷараён (рости боло) истифода мешавад, ки дар схемаи оптимизатсияшудаи (поён) схемаи сиклои иловакунии Huisgen 57 байни фенилацетилен ва йодоэтан барои оптимизатсия ва нишон додани суръати табдили реаксияи параметрҳои оптимизатсияшуда ба даст оварда шудааст.
Бо назорати вақти будубоши реагентҳо дар қисми каталитикии реактор ва назорати бодиққати ҳарорати реаксия бо зонди термоҷуфти мустақиман муттаҳидшуда, шароити реаксияро бо сарфи ҳадди ақали вақт ва масолеҳ зуд ва дақиқ оптимизатсия кардан мумкин аст. Ба зудӣ муайян карда шуд, ки табдили баландтарин ҳангоми истифодаи вақти будубоши 15 дақиқа ва ҳарорати реаксияи 150 °C ба даст оварда шудааст. Аз графики коэффитсиенти нармафзори MODDE, дидан мумкин аст, ки ҳам вақти будубош ва ҳам ҳарорати реаксия истилоҳоти муҳими моделӣ ҳисобида мешаванд. Иҷрои оптимизатори дарунсохт бо истифода аз ин истилоҳоти интихобшуда маҷмӯи шароити реаксияро ба вуҷуд меорад, ки барои ба ҳадди аксар расонидани минтақаҳои қуллаи маҳсулот ва кам кардани минтақаҳои қуллаи маводи ибтидоӣ тарҳрезӣ шудаанд. Ин оптимизатсия табдили 53% маҳсулоти триазолро ба бор овард, ки бо пешгӯии модели 54% мувофиқат мекард.
Бар асоси адабиёте, ки нишон медиҳанд, ки оксиди мис (I) (Cu2O) метавонад ҳамчун як навъи муассири каталитикӣ дар сатҳҳои мис-сифрвалентӣ дар ин реаксияҳо амал кунад, қобилияти пешакӣ оксид кардани сатҳи реактор пеш аз анҷом додани реаксия дар ҷараён таҳқиқ карда шуд70,71. Сипас реаксияи байни фенилацетилен ва йодоэтан дар шароити оптималӣ дубора анҷом дода шуд ва ҳосил муқоиса карда шуд. Мушоҳида шуд, ки ин омодагӣ боиси афзоиши назарраси табдили маводи ибтидоӣ гардид, ки ҳисоб карда шуд >99%. Аммо, мониторинги HPLC нишон дод, ки ин табдилдиҳӣ вақти тӯлонии аз ҳад зиёди реаксияро то тақрибан 90 дақиқа ба таври назаррас коҳиш дод, ки дар натиҷа фаъолият яксон шуда, ба "ҳолати устувор" расид. Ин мушоҳида нишон медиҳад, ки манбаи фаъолияти каталитикӣ аз оксиди мис дар сатҳи рӯизаминӣ ба даст оварда мешавад, на аз субстрати мис-сифрвалентӣ. Метали Cu дар ҳарорати хонагӣ ба осонӣ оксид мешавад, то CuO ва Cu2O-ро ташкил диҳад, ки қабатҳои худмуҳофизаткунанда нестанд. Ин зарурати илова кардани манбаи ёрирасони мис (II)-ро барои ҳамкомпозитсия бартараф мекунад71.