ขอบคุณที่เข้าชม Nature.com เบราว์เซอร์ที่คุณใช้อยู่มีการรองรับ CSS อย่างจำกัด เพื่อประสบการณ์การใช้งานที่ดีที่สุด เราขอแนะนำให้คุณใช้เบราว์เซอร์เวอร์ชันล่าสุด (หรือปิดโหมดความเข้ากันได้ใน Internet Explorer) ในระหว่างนี้ เพื่อให้มั่นใจว่าเว็บไซต์จะยังคงได้รับการสนับสนุนต่อไป เราจะแสดงผลเว็บไซต์โดยไม่มีสไตล์และ JavaScript
โปรแกรมแสดงภาพสไลด์แบบหมุนเวียน แสดงภาพสามภาพพร้อมกัน ใช้ปุ่ม "ก่อนหน้า" และ "ถัดไป" เพื่อเลื่อนดูสไลด์ทีละสามภาพ หรือใช้ปุ่มเลื่อนที่ด้านท้ายเพื่อเลื่อนดูสไลด์ทีละสามภาพ
การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing) กำลังเปลี่ยนแปลงวิธีการที่นักวิจัยและนักอุตสาหกรรมออกแบบและผลิตอุปกรณ์ทางเคมีเพื่อตอบสนองความต้องการเฉพาะของพวกเขา ในบทความนี้ เราได้รายงานตัวอย่างแรกของเครื่องปฏิกรณ์แบบไหลที่เกิดขึ้นจากการเคลือบแผ่นโลหะแข็งด้วยเทคโนโลยีการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุด้วยคลื่นอัลตราโซนิค (Ultrasonic Additive Manufacturing: UAM) โดยมีการรวมชิ้นส่วนเร่งปฏิกิริยาและองค์ประกอบตรวจจับเข้าไว้ด้วยกันโดยตรง เทคโนโลยี UAM ไม่เพียงแต่เอาชนะข้อจำกัดหลายประการที่เกี่ยวข้องกับการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุของเครื่องปฏิกรณ์ทางเคมีในปัจจุบันเท่านั้น แต่ยังขยายขีดความสามารถของอุปกรณ์ดังกล่าวอย่างมากอีกด้วย สารประกอบ 1,4-disubstituted 1,2,3-triazole ที่มีความสำคัญทางชีวภาพจำนวนหนึ่งได้รับการสังเคราะห์และปรับปรุงให้เหมาะสมที่สุดโดยปฏิกิริยา Huisgen cycloaddition 1,3-dipolar ที่ใช้ Cu เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาโดยใช้สิ่งอำนวยความสะดวกทางเคมี UAM การใช้คุณสมบัติเฉพาะของ UAM และกระบวนการไหลต่อเนื่อง อุปกรณ์นี้สามารถเร่งปฏิกิริยาที่กำลังดำเนินอยู่ได้ รวมถึงให้ข้อมูลป้อนกลับแบบเรียลไทม์เพื่อตรวจสอบและปรับปรุงปฏิกิริยาให้เหมาะสมที่สุด
เนื่องจากมีข้อดีมากมายเหนือกว่าวิธีการสังเคราะห์แบบดั้งเดิม เคมีแบบไหลจึงเป็นสาขาที่สำคัญและกำลังเติบโตทั้งในแวดวงวิชาการและอุตสาหกรรม เนื่องจากความสามารถในการเพิ่มความเลือกสรรและประสิทธิภาพของการสังเคราะห์ทางเคมี ซึ่งครอบคลุมตั้งแต่การสร้างโมเลกุลอินทรีย์อย่างง่าย¹ ไปจนถึงสารประกอบทางเภสัชกรรม²⁻³ และผลิตภัณฑ์จากธรรมชาติ⁴⁻⁶ ปฏิกิริยามากกว่า 50% ในอุตสาหกรรมเคมีภัณฑ์ชั้นดีและเภสัชกรรมสามารถได้รับประโยชน์จากการไหลอย่างต่อเนื่อง⁷
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีแนวโน้มที่เพิ่มขึ้นของกลุ่มต่างๆ ที่พยายามแทนที่เครื่องแก้วแบบดั้งเดิมหรืออุปกรณ์เคมีแบบไหลเวียนด้วย “เครื่องปฏิกรณ์” ทางเคมีที่ปรับเปลี่ยนได้8 การออกแบบแบบวนซ้ำ การผลิตที่รวดเร็ว และความสามารถสามมิติ (3D) ของวิธีการเหล่านี้มีประโยชน์สำหรับผู้ที่ต้องการปรับแต่งอุปกรณ์ของตนสำหรับชุดปฏิกิริยา อุปกรณ์ หรือเงื่อนไขเฉพาะ จนถึงปัจจุบัน งานนี้มุ่งเน้นไปที่การใช้เทคนิคการพิมพ์ 3 มิติแบบโพลีเมอร์เป็นหลัก เช่น สเตอริโอลิโทกราฟี (SL)9,10,11 การสร้างแบบจำลองการสะสมแบบหลอมเหลว (FDM)8,12,13,14 และการพิมพ์อิงค์เจ็ท7,15,16 การขาดความน่าเชื่อถือและความสามารถของอุปกรณ์ดังกล่าวในการดำเนินการปฏิกิริยา/การวิเคราะห์ทางเคมีที่หลากหลาย17,18,19,20 เป็นปัจจัยจำกัดที่สำคัญสำหรับการประยุกต์ใช้ AM ในวงกว้างในสาขานี้17,18,19,20
เนื่องจากการใช้งานเคมีแบบไหลเวียนเพิ่มมากขึ้นและคุณสมบัติที่เอื้ออำนวยของเทคโนโลยีการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing: AM) จึงจำเป็นต้องมีการสำรวจเทคนิคที่ดีกว่าที่จะช่วยให้ผู้ใช้สามารถผลิตภาชนะปฏิกิริยาแบบไหลเวียนที่มีประสิทธิภาพทางเคมีและการวิเคราะห์ที่ดีขึ้น วิธีการเหล่านี้ควรช่วยให้ผู้ใช้สามารถเลือกวัสดุที่มีความแข็งแรงสูงหรือวัสดุใช้งานเฉพาะทางที่สามารถทำงานได้ภายใต้สภาวะปฏิกิริยาที่หลากหลาย ตลอดจนอำนวยความสะดวกในการส่งผลการวิเคราะห์ในรูปแบบต่างๆ จากอุปกรณ์เพื่อช่วยในการตรวจสอบและควบคุมปฏิกิริยา
กระบวนการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing: AM) อย่างหนึ่งที่สามารถนำมาใช้พัฒนาเครื่องปฏิกรณ์เคมีแบบกำหนดเองได้คือ การผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุด้วยคลื่นอัลตราโซนิค (Ultrasonic Additive Manufacturing: UAM) วิธีการเคลือบแผ่นแบบโซลิดสเตทนี้ใช้การสั่นสะเทือนของคลื่นอัลตราโซนิคกับแผ่นฟอยล์โลหะบางๆ เพื่อเชื่อมติดกันทีละชั้น โดยมีการให้ความร้อนปริมาตรน้อยที่สุดและมีการไหลของพลาสติกสูง 21, 22, 23 แตกต่างจากเทคโนโลยี AM อื่นๆ ส่วนใหญ่ UAM สามารถบูรณาการโดยตรงกับการผลิตแบบลดเนื้อวัสดุ (Subtractive Production: AM) ซึ่งเรียกว่ากระบวนการผลิตแบบไฮบริด โดยที่การกัดด้วยเครื่อง CNC หรือการประมวลผลด้วยเลเซอร์เป็นระยะๆ จะกำหนดรูปร่างสุทธิของชั้นวัสดุที่เชื่อมติดกัน 24, 25 นั่นหมายความว่าผู้ใช้จะไม่ถูกจำกัดด้วยปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการกำจัดวัสดุก่อสร้างเดิมที่เหลืออยู่จากช่องของเหลวขนาดเล็ก ซึ่งมักเกิดขึ้นในระบบ AM แบบผงและของเหลว 26,27,28 อิสระในการออกแบบนี้ยังขยายไปถึงการเลือกวัสดุที่มีอยู่ด้วย – UAM สามารถเชื่อมวัสดุที่มีคุณสมบัติทางความร้อนคล้ายกันและแตกต่างกันได้ในขั้นตอนเดียว การเลือกวัสดุที่หลากหลายนอกเหนือจากกระบวนการหลอมหมายความว่าสามารถตอบสนองความต้องการทางกลและทางเคมีของการใช้งานเฉพาะได้ดียิ่งขึ้น นอกจากการยึดติดที่แข็งแรงแล้ว ปรากฏการณ์อีกอย่างหนึ่งที่เกิดขึ้นกับการยึดติดด้วยคลื่นอัลตราโซนิคคือ ความลื่นไหลสูงของวัสดุพลาสติกที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำ29,30,31,32,33 คุณสมบัติเฉพาะนี้ของ UAM ช่วยให้สามารถวางองค์ประกอบทางกล/ความร้อนระหว่างชั้นโลหะได้โดยไม่เกิดความเสียหาย เซ็นเซอร์ UAM ที่ฝังอยู่สามารถอำนวยความสะดวกในการส่งข้อมูลแบบเรียลไทม์จากอุปกรณ์ไปยังผู้ใช้ผ่านการวิเคราะห์แบบบูรณาการ
งานวิจัยก่อนหน้านี้ของผู้เขียน32 ได้แสดงให้เห็นถึงความสามารถของกระบวนการ UAM ในการสร้างโครงสร้างไมโครฟลูอิดิก 3 มิติที่เป็นโลหะพร้อมความสามารถในการตรวจจับแบบฝังตัว อุปกรณ์นี้มีไว้สำหรับการตรวจสอบเท่านั้น บทความนี้นำเสนอตัวอย่างแรกของเครื่องปฏิกรณ์เคมีไมโครฟลูอิดิกที่ผลิตโดย UAM ซึ่งเป็นอุปกรณ์แอคทีฟที่ไม่เพียงแต่ควบคุม แต่ยังกระตุ้นการสังเคราะห์ทางเคมีด้วยวัสดุเร่งปฏิกิริยาที่รวมอยู่ในโครงสร้าง อุปกรณ์นี้รวมข้อดีหลายประการที่เกี่ยวข้องกับเทคโนโลยี UAM ในการผลิตอุปกรณ์เคมี 3 มิติ เช่น ความสามารถในการแปลงการออกแบบ 3 มิติที่สมบูรณ์โดยตรงจากแบบจำลองการออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วย (CAD) ไปเป็นผลิตภัณฑ์ การผลิตวัสดุหลายชนิดสำหรับการผสมผสานระหว่างวัสดุที่มีการนำความร้อนสูงและวัสดุเร่งปฏิกิริยา ตลอดจนเซ็นเซอร์ความร้อนที่ฝังอยู่ระหว่างกระแสของสารตั้งต้นโดยตรงเพื่อการควบคุมและการจัดการอุณหภูมิปฏิกิริยาอย่างแม่นยำ เพื่อแสดงให้เห็นถึงการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์ ได้มีการสังเคราะห์สารประกอบ 1,4-disubstituted 1,2,3-triazole ที่มีความสำคัญทางเภสัชกรรมโดยใช้ปฏิกิริยาไซโคลแอดดิชัน 1,3-dipolar Huisgen ที่เร่งปฏิกิริยาด้วยทองแดง งานวิจัยนี้เน้นให้เห็นว่าการใช้ศาสตร์ด้านวัสดุและการออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วยสามารถเปิดโอกาสและความเป็นไปได้ใหม่ๆ ให้กับวิชาเคมีผ่านการวิจัยแบบสหวิทยาการได้อย่างไร
ตัวทำละลายและสารเคมีทั้งหมดซื้อจาก Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI หรือ Fischer Scientific และใช้โดยไม่ต้องทำการทำให้บริสุทธิ์ก่อน สเปกตรัม 1H และ 13C NMR ที่บันทึกที่ 400 และ 100 MHz ตามลำดับ ได้รับจากเครื่องสเปกโทรเมตร JEOL ECS-400 400 MHz หรือเครื่องสเปกโทรเมตร Bruker Avance II 400 MHz โดยใช้ CDCl3 หรือ (CD3)2SO เป็นตัวทำละลาย ปฏิกิริยาทั้งหมดดำเนินการโดยใช้แพลตฟอร์มเคมีแบบไหล Uniqsis FlowSyn
ในงานวิจัยนี้ใช้ UAM ในการผลิตอุปกรณ์ทั้งหมด เทคโนโลยีนี้ถูกคิดค้นขึ้นในปี 1999 รายละเอียดทางเทคนิค พารามิเตอร์การทำงาน และการพัฒนาต่างๆ นับตั้งแต่การคิดค้น สามารถศึกษาได้จากเอกสารที่ตีพิมพ์ต่อไปนี้34,35,36,37 อุปกรณ์ (รูปที่ 1) ถูกสร้างขึ้นโดยใช้ระบบ UAM SonicLayer 4000® ขนาด 9 กิโลวัตต์ (Fabrisonic, โอไฮโอ, สหรัฐอเมริกา) วัสดุที่เลือกใช้สำหรับอุปกรณ์การไหลคือ Cu-110 และ Al 6061 Cu-110 มีปริมาณทองแดงสูง (อย่างน้อย 99.9%) ทำให้เป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาด้วยทองแดง และจึงถูกใช้เป็น “ชั้นแอคทีฟ” ภายในไมโครรีแอคเตอร์ ส่วน Al 6061 O ใช้เป็นวัสดุ “หลัก” รวมถึงชั้นแทรกที่ใช้สำหรับการวิเคราะห์ การแทรกส่วนประกอบโลหะผสมเสริมและสถานะอบอ่อนร่วมกับชั้น Cu-110 พบว่ามีความเสถียรทางเคมีกับสารเคมีที่ใช้ในงานวิจัยนี้ นอกจากนี้ Al 6061 O ร่วมกับ Cu-110 ยังถือว่าเป็นวัสดุที่เข้ากันได้ดีสำหรับ UAM และจึงเป็นวัสดุที่เหมาะสมสำหรับการศึกษาในครั้งนี้38,42 อุปกรณ์เหล่านี้แสดงอยู่ในตารางที่ 1 ด้านล่าง
ขั้นตอนการผลิตเครื่องปฏิกรณ์ (1) แผ่นรองพื้นอลูมิเนียมอัลลอยด์ 6061 (2) การผลิตช่องด้านล่างจากแผ่นฟอยล์ทองแดง (3) การใส่เทอร์โมคัปเปิลระหว่างชั้น (4) ช่องด้านบน (5) ทางเข้าและทางออก (6) เครื่องปฏิกรณ์แบบโมโนลิธิก
ปรัชญาการออกแบบช่องทางการไหลของของเหลวคือการใช้เส้นทางที่คดเคี้ยวเพื่อเพิ่มระยะทางที่ของเหลวไหลผ่านภายในชิป ในขณะที่ยังคงรักษาขนาดของชิปให้สามารถจัดการได้ การเพิ่มระยะทางนี้เป็นที่ต้องการเพื่อเพิ่มเวลาสัมผัสระหว่างตัวเร่งปฏิกิริยากับสารตั้งต้น และให้ผลผลิตที่ดีเยี่ยม ชิปใช้การโค้งงอ 90° ที่ปลายของเส้นทางตรงเพื่อกระตุ้นการผสมแบบปั่นป่วนภายในอุปกรณ์44 และเพิ่มเวลาสัมผัสของของเหลวกับพื้นผิว (ตัวเร่งปฏิกิริยา) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการผสมให้ดียิ่งขึ้น การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์จึงรวมทางเข้าของสารตั้งต้นสองทางที่เชื่อมต่อกันเป็นรูปตัว Y ก่อนที่จะเข้าสู่ส่วนขดลวดผสม ทางเข้าที่สามซึ่งตัดผ่านการไหลในช่วงครึ่งทางของการทำงานนั้นรวมอยู่ในแผนสำหรับปฏิกิริยาการสังเคราะห์หลายขั้นตอนในอนาคต
ช่องทั้งหมดมีรูปทรงสี่เหลี่ยมจัตุรัส (ไม่มีมุมเรียว) ซึ่งเป็นผลมาจากการกัดขึ้นรูปด้วยเครื่อง CNC เป็นระยะๆ เพื่อสร้างรูปทรงเรขาคณิตของช่อง ขนาดของช่องถูกเลือกเพื่อให้ได้ผลผลิตเชิงปริมาตรสูง (สำหรับไมโครรีแอคเตอร์) แต่มีขนาดเล็กพอที่จะอำนวยความสะดวกในการปฏิสัมพันธ์กับพื้นผิว (ตัวเร่งปฏิกิริยา) สำหรับของเหลวส่วนใหญ่ที่บรรจุอยู่ภายใน ขนาดที่เหมาะสมนั้นอิงจากประสบการณ์ในอดีตของผู้เขียนเกี่ยวกับอุปกรณ์ปฏิกิริยาโลหะ-ของเหลว ขนาดภายในของช่องสุดท้ายคือ 750 µm x 750 µm และปริมาตรรีแอคเตอร์ทั้งหมดคือ 1 มล. มีตัวเชื่อมต่อในตัว (เกลียว 1/4″-28 UNF) รวมอยู่ในดีไซน์เพื่อให้สามารถเชื่อมต่ออุปกรณ์กับอุปกรณ์เคมีแบบไหลเชิงพาณิชย์ได้อย่างง่ายดาย ขนาดของช่องถูกจำกัดด้วยความหนาของวัสดุฟอยล์ คุณสมบัติทางกล และพารามิเตอร์การยึดติดที่ใช้กับอัลตราโซนิกส์ ที่ความกว้างระดับหนึ่งสำหรับวัสดุที่กำหนด วัสดุจะ "หย่อน" เข้าไปในช่องที่สร้างขึ้น ปัจจุบันยังไม่มีแบบจำลองเฉพาะสำหรับการคำนวณนี้ ดังนั้นความกว้างช่องสูงสุดสำหรับวัสดุและการออกแบบที่กำหนดจึงถูกกำหนดโดยการทดลอง ซึ่งในกรณีนี้ความกว้าง 750 ไมโครเมตรจะไม่ทำให้เกิดการหย่อนตัว
รูปร่าง (สี่เหลี่ยมจัตุรัส) ของช่องถูกกำหนดโดยใช้เครื่องตัดสี่เหลี่ยม รูปร่างและขนาดของช่องสามารถเปลี่ยนแปลงได้บนเครื่อง CNC โดยใช้เครื่องมือตัดที่แตกต่างกันเพื่อให้ได้อัตราการไหลและคุณลักษณะที่แตกต่างกัน ตัวอย่างการสร้างช่องโค้งด้วยเครื่องมือขนาด 125 µm สามารถพบได้ใน Monaghan45 เมื่อชั้นฟอยล์ถูกติดแบบเรียบ การติดวัสดุฟอยล์ลงบนช่องจะมีพื้นผิวเรียบ (สี่เหลี่ยมจัตุรัส) ในงานนี้ ใช้รูปทรงสี่เหลี่ยมจัตุรัสเพื่อรักษาความสมมาตรของช่อง
ในระหว่างการหยุดการผลิตตามโปรแกรม เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิแบบเทอร์โมคัปเปิล (ชนิด K) จะถูกติดตั้งโดยตรงในอุปกรณ์ระหว่างกลุ่มช่องสัญญาณด้านบนและด้านล่าง (รูปที่ 1 – ขั้นตอนที่ 3) เทอร์โมคัปเปิลเหล่านี้สามารถควบคุมการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิได้ตั้งแต่ -200 ถึง 1350 °C
กระบวนการขึ้นรูปโลหะด้วยคลื่นอัลตราโซนิค (UAM) ดำเนินการโดยใช้หัวพ่น UAM โดยใช้แผ่นฟอยล์โลหะกว้าง 25.4 มม. และหนา 150 ไมครอน แผ่นฟอยล์เหล่านี้เชื่อมต่อกันเป็นแถบต่อเนื่องเพื่อครอบคลุมพื้นที่การสร้างทั้งหมด ขนาดของวัสดุที่ขึ้นรูปจะมีขนาดใหญ่กว่าผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย เนื่องจากกระบวนการลบออกจะสร้างรูปทรงที่เรียบเนียนในขั้นสุดท้าย การตัดเฉือนด้วยเครื่อง CNC ถูกใช้ในการขึ้นรูปขอบด้านนอกและด้านในของอุปกรณ์ ส่งผลให้พื้นผิวของอุปกรณ์และช่องต่างๆ มีความเรียบเนียนตามพารามิเตอร์ของเครื่องมือและกระบวนการ CNC ที่เลือก (ในตัวอย่างนี้ ประมาณ 1.6 µm Ra) มีการใช้การพ่นวัสดุด้วยคลื่นอัลตราโซนิคและการตัดเฉือนอย่างต่อเนื่องตลอดกระบวนการผลิตของอุปกรณ์ เพื่อให้มั่นใจได้ว่าความแม่นยำของขนาดได้รับการรักษาไว้ และชิ้นส่วนที่เสร็จสมบูรณ์ตรงตามระดับความแม่นยำของการกัดละเอียดด้วยเครื่อง CNC ความกว้างของช่องที่ใช้สำหรับอุปกรณ์นี้มีขนาดเล็กพอที่จะทำให้แน่ใจว่าวัสดุฟอยล์จะไม่ "หย่อน" ในช่องของเหลว ดังนั้นช่องจึงมีหน้าตัดเป็นรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัส ช่องว่างที่เป็นไปได้ในวัสดุฟอยล์และพารามิเตอร์ของกระบวนการ UAM ถูกกำหนดโดยการทดลองโดยพันธมิตรผู้ผลิต (Fabrisonic LLC, สหรัฐอเมริกา)
จากการศึกษาพบว่าที่ส่วนต่อประสาน 46, 47 ของสารประกอบ UAM มีการแพร่กระจายของธาตุน้อยมากหากไม่มีการอบชุความร้อนเพิ่มเติม ดังนั้นสำหรับอุปกรณ์ในงานวิจัยนี้ ชั้น Cu-110 จึงยังคงแตกต่างจากชั้น Al 6061 และมีการเปลี่ยนแปลงอย่างมาก
ติดตั้งตัวควบคุมแรงดันย้อนกลับ (BPR) ที่ปรับเทียบไว้ล่วงหน้าแล้วที่ 250 psi (1724 kPa) หลังเครื่องปฏิกรณ์ และปั๊มน้ำผ่านเครื่องปฏิกรณ์ในอัตรา 0.1 ถึง 1 มล. ต่อนาที ตรวจสอบแรงดันในเครื่องปฏิกรณ์โดยใช้ทรานสดิวเซอร์แรงดัน FlowSyn ที่ติดตั้งอยู่ในระบบ เพื่อให้แน่ใจว่าระบบสามารถรักษาแรงดันให้คงที่ได้ ทดสอบการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่อาจเกิดขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์โดยการตรวจสอบความแตกต่างระหว่างเทอร์โมคัปเปิลที่ติดตั้งอยู่ในเครื่องปฏิกรณ์และเทอร์โมคัปเปิลที่ติดตั้งอยู่ในแผ่นทำความร้อนของชิป FlowSyn ทำได้โดยการเปลี่ยนอุณหภูมิของแผ่นทำความร้อนที่ตั้งโปรแกรมไว้ระหว่าง 100 ถึง 150 °C โดยเพิ่มขึ้นทีละ 25 °C และตรวจสอบความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิที่ตั้งโปรแกรมไว้และอุณหภูมิที่บันทึกไว้ การตรวจสอบนี้ทำได้โดยใช้เครื่องบันทึกข้อมูล tc-08 (PicoTech, Cambridge, UK) และซอฟต์แวร์ PicoLog ที่มาพร้อมกัน
ได้ทำการปรับเงื่อนไขสำหรับปฏิกิริยาไซโคลแอดดิชันของฟีนิลอะเซทิลีนและไอโอโดอีเทนให้เหมาะสมที่สุด (แผนภาพที่ 1 - ปฏิกิริยาไซโคลแอดดิชันของฟีนิลอะเซทิลีนและไอโอโดอีเทน) การปรับเงื่อนไขให้เหมาะสมที่สุดนี้ดำเนินการโดยใช้วิธีการออกแบบการทดลองแบบแฟคทอเรียลเต็มรูปแบบ (DOE) โดยใช้อุณหภูมิและเวลาในการทำปฏิกิริยาเป็นตัวแปร ในขณะที่กำหนดอัตราส่วนของอัลไคน์ต่ออะไซด์ไว้ที่ 1:2
เตรียมสารละลายโซเดียมอะไซด์ (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), ไอโอโดอีเทน (0.25 M, DMF) และฟีนิลอะเซทิลีน (0.125 M, DMF) แยกกัน นำสารละลายแต่ละชนิดปริมาณ 1.5 มล. มาผสมและปั๊มผ่านเครื่องปฏิกรณ์ด้วยอัตราการไหลและอุณหภูมิที่ต้องการ ค่าตอบสนองของแบบจำลองคืออัตราส่วนของพื้นที่พีคของผลิตภัณฑ์ไตรอะโซลต่อสารตั้งต้นฟีนิลอะเซทิลีน และวิเคราะห์โดยใช้โครมาโทกราฟีของเหลวประสิทธิภาพสูง (HPLC) เพื่อให้การวิเคราะห์มีความสม่ำเสมอ ทำการทดสอบปฏิกิริยาทั้งหมดทันทีหลังจากที่สารละลายออกจากเครื่องปฏิกรณ์ ช่วงพารามิเตอร์ที่เลือกสำหรับการปรับให้เหมาะสมแสดงในตารางที่ 2
ตัวอย่างทั้งหมดได้รับการวิเคราะห์โดยใช้ระบบ Chromaster HPLC (VWR, PA, USA) ซึ่งประกอบด้วยปั๊มควอเทอร์นารี เตาอบคอลัมน์ เครื่องตรวจจับ UV ที่ปรับความยาวคลื่นได้ และเครื่องป้อนตัวอย่างอัตโนมัติ คอลัมน์ที่ใช้คือ Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA) ขนาด 4.6 x 100 มม. ขนาดอนุภาค 5 µm รักษาอุณหภูมิไว้ที่ 40°C ตัวทำละลายคือเมทานอล:น้ำ 50:50 แบบไอโซแครติก ที่อัตราการไหล 1.5 มล.·นาที⁻¹ ปริมาตรการฉีดคือ 5 μl และความยาวคลื่นของเครื่องตรวจจับคือ 254 nm พื้นที่พีคเป็นเปอร์เซ็นต์สำหรับตัวอย่าง DOE คำนวณจากพื้นที่พีคของผลิตภัณฑ์อัลไคน์และไตรอะโซลที่เหลืออยู่เท่านั้น การนำสารตั้งต้นมาใช้ทำให้สามารถระบุพีคที่เกี่ยวข้องได้
การนำผลการวิเคราะห์เครื่องปฏิกรณ์มาผสานรวมกับซอฟต์แวร์ MODDE DOE (Umetrics, Malmö, สวีเดน) ทำให้สามารถวิเคราะห์แนวโน้มของผลลัพธ์ได้อย่างละเอียด และกำหนดสภาวะปฏิกิริยาที่เหมาะสมที่สุดสำหรับปฏิกิริยาไซโคลแอดดิชันนี้ได้ การใช้ตัวเพิ่มประสิทธิภาพในตัวและเลือกเงื่อนไขแบบจำลองที่สำคัญทั้งหมด จะสร้างชุดเงื่อนไขปฏิกิริยาที่ออกแบบมาเพื่อเพิ่มพื้นที่พีคของผลิตภัณฑ์ให้สูงสุด ในขณะที่ลดพื้นที่พีคของวัตถุดิบอะเซทิลีนลง
การออกซิเดชันของพื้นผิวทองแดงในห้องปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาทำได้โดยใช้สารละลายไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (36%) ไหลผ่านห้องปฏิกิริยา (อัตราการไหล = 0.4 มล./นาที, เวลาอยู่ในห้อง = 2.5 นาที) ก่อนการสังเคราะห์สารประกอบไตรอะโซลแต่ละชนิด
เมื่อกำหนดชุดเงื่อนไขที่เหมาะสมที่สุดแล้ว ก็ได้นำเงื่อนไขเหล่านั้นไปใช้กับอนุพันธ์ของอะเซทิลีนและฮาโลอัลเคนหลายชนิด เพื่อให้สามารถรวบรวมคลังสังเคราะห์ขนาดเล็กได้ ซึ่งจะช่วยให้สามารถนำเงื่อนไขเหล่านี้ไปใช้กับสารตั้งต้นที่มีศักยภาพในวงกว้างขึ้นได้ (รูปที่ 1) 2)
เตรียมสารละลายโซเดียมอะไซด์ (0.25 M, DMF:H2O อัตราส่วน 4:1), ฮาโลอัลเคน (0.25 M, DMF) และอัลไคน์ (0.125 M, DMF) แยกกัน นำสารละลายแต่ละชนิดปริมาณ 3 มล. มาผสมกัน แล้วปั๊มผ่านเครื่องปฏิกรณ์ด้วยอัตรา 75 µl/นาที และอุณหภูมิ 150°C เก็บสารละลายทั้งหมดลงในขวดทดลอง แล้วเจือจางด้วยเอทิลอะซิเตต 10 มล. ล้างสารละลายตัวอย่างด้วยน้ำ 3 ครั้ง ครั้งละ 10 มล. รวมชั้นน้ำเข้าด้วยกัน แล้วสกัดด้วยเอทิลอะซิเตต 10 มล. จากนั้นรวมชั้นสารอินทรีย์เข้าด้วยกัน ล้างด้วยน้ำเกลือ 3 ครั้ง ครั้งละ 10 มล. ทำให้แห้งด้วย MgSO4 แล้วกรอง จากนั้นกำจัดตัวทำละลายออกด้วยระบบสุญญากาศ ตัวอย่างถูกทำให้บริสุทธิ์โดยใช้คอลัมน์โครมาโทกราฟีซิลิกาเจลโดยใช้เอทิลอะซิเตตก่อนที่จะนำไปวิเคราะห์โดยใช้การผสมผสานระหว่าง HPLC, 1H NMR, 13C NMR และแมสสเปกโทรเมตรีความละเอียดสูง (HR-MS)
สเปกตรัมทั้งหมดได้มาจากการใช้เครื่องแมสสเปกโทรเมตรี Thermofischer Precision Orbitrap โดยใช้ ESI เป็นแหล่งกำเนิดไอออนไนเซชัน ตัวอย่างทั้งหมดเตรียมโดยใช้อะซีโตไนไตรล์เป็นตัวทำละลาย
การวิเคราะห์ TLC ดำเนินการบนแผ่นซิลิกาที่มีพื้นผิวเป็นอะลูมิเนียม ตรวจสอบแผ่นด้วยแสง UV (254 นาโนเมตร) หรือการย้อมสีด้วยวานิลลินและการให้ความร้อน
ตัวอย่างทั้งหมดได้รับการวิเคราะห์โดยใช้ระบบ VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, สหราชอาณาจักร) ซึ่งประกอบด้วยเครื่องป้อนตัวอย่างอัตโนมัติ ปั๊มแบบไบนารีพร้อมเตาอบคอลัมน์ และเครื่องตรวจจับความยาวคลื่นเดียว โดยใช้คอลัมน์ ACE Equivalence 5 C18 (150 x 4.6 มม., Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, สกอตแลนด์)
ทำการฉีดสารละลาย (5 µl) โดยตรงจากส่วนผสมปฏิกิริยาที่ไม่บริสุทธิ์ที่เจือจางแล้ว (เจือจาง 1:10) และวิเคราะห์ด้วยน้ำ:เมทานอล (50:50 หรือ 70:30) ยกเว้นตัวอย่างบางส่วนที่ใช้ระบบตัวทำละลาย 70:30 (ระบุด้วยหมายเลขดาว) ที่อัตราการไหล 1.5 มล./นาที คอลัมน์ถูกควบคุมอุณหภูมิไว้ที่ 40°C ความยาวคลื่นของตัวตรวจจับคือ 254 นาโนเมตร
เปอร์เซ็นต์พื้นที่สูงสุดของตัวอย่างคำนวณจากพื้นที่สูงสุดของอัลไคน์ที่เหลืออยู่ ผลิตภัณฑ์ไตรอะโซลเท่านั้น และการนำสารตั้งต้นกลับมาใช้ทำให้สามารถระบุพีคที่เกี่ยวข้องได้
ตัวอย่างทั้งหมดได้รับการวิเคราะห์โดยใช้เครื่อง Thermo iCAP 6000 ICP-OES สารมาตรฐานสำหรับการสอบเทียบทั้งหมดเตรียมโดยใช้สารละลายมาตรฐาน Cu 1000 ppm ในกรดไนตริก 2% (SPEX Certi Prep) สารมาตรฐานทั้งหมดเตรียมในสารละลาย DMF 5% และ HNO3 2% และตัวอย่างทั้งหมดถูกเจือจาง 20 เท่าด้วยสารละลายตัวอย่างของ DMF-HNO3
UAM ใช้การเชื่อมโลหะด้วยคลื่นอัลตราโซนิคเป็นวิธีการเชื่อมต่อแผ่นฟอยล์โลหะที่ใช้ในการสร้างชิ้นงานประกอบขั้นสุดท้าย การเชื่อมโลหะด้วยคลื่นอัลตราโซนิคใช้เครื่องมือโลหะที่สั่น (เรียกว่าฮอร์นหรือฮอร์นอัลตราโซนิค) เพื่อสร้างแรงกดบนแผ่นฟอยล์/ชั้นที่แข็งตัวแล้วที่จะทำการเชื่อม/โดยการสั่นวัสดุ สำหรับการทำงานอย่างต่อเนื่อง โซโนโทรดจะมีรูปทรงกระบอกและกลิ้งไปบนพื้นผิวของวัสดุ ทำให้เกิดการเชื่อมติดทั่วทั้งพื้นที่ เมื่อมีการใช้แรงกดและการสั่นสะเทือน ออกไซด์บนพื้นผิวของวัสดุอาจแตกได้ แรงกดและการสั่นสะเทือนอย่างต่อเนื่องอาจนำไปสู่การทำลายความหยาบของวัสดุ 36 การสัมผัสใกล้ชิดกับความร้อนและแรงกดเฉพาะจุดจะนำไปสู่การยึดเกาะของเฟสของแข็งที่ส่วนต่อประสานของวัสดุ นอกจากนี้ยังสามารถส่งเสริมการเกาะตัวกันโดยการเปลี่ยนพลังงานพื้นผิว48 ลักษณะของกลไกการเชื่อมนี้เอาชนะปัญหาหลายอย่างที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิหลอมเหลวที่แปรผันและผลกระทบของอุณหภูมิสูงที่กล่าวถึงในเทคโนโลยีการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุอื่นๆ สิ่งนี้ช่วยให้สามารถเชื่อมต่อโดยตรง (เช่น โดยไม่ต้องดัดแปลงพื้นผิว สารเติมแต่ง หรือกาว) ของวัสดุหลายชั้นที่แตกต่างกันเข้าด้วยกันเป็นโครงสร้างที่แข็งตัวเดียว
ปัจจัยสนับสนุนประการที่สองสำหรับ CAM คือการไหลของพลาสติกในระดับสูงที่พบในวัสดุโลหะแม้ในอุณหภูมิต่ำ กล่าวคือต่ำกว่าจุดหลอมเหลวของวัสดุโลหะมาก การรวมกันของการสั่นสะเทือนอัลตราโซนิกและแรงดันทำให้เกิดการเคลื่อนย้ายและการตกผลึกใหม่ของขอบเกรนในระดับท้องถิ่นในระดับสูงโดยไม่มีการเพิ่มอุณหภูมิอย่างมีนัยสำคัญซึ่งมักเกี่ยวข้องกับวัสดุที่เป็นก้อน ในระหว่างการสร้างชิ้นส่วนประกอบขั้นสุดท้าย ปรากฏการณ์นี้สามารถใช้เพื่อฝังส่วนประกอบแอคทีฟและพาสซีฟระหว่างชั้นของฟอยล์โลหะทีละชั้น องค์ประกอบต่างๆ เช่น ใยแก้วนำแสง 49 การเสริมแรง 46 อิเล็กทรอนิกส์ 50 และเทอร์โมคัปเปิล (งานวิจัยนี้) ได้รับการบูรณาการเข้ากับโครงสร้าง UAM เพื่อสร้างชิ้นส่วนประกอบคอมโพสิตแอคทีฟและพาสซีฟได้สำเร็จ
ในงานวิจัยนี้ ได้มีการใช้ความสามารถในการยึดเกาะของวัสดุที่แตกต่างกันและความสามารถในการแทรกตัวของ UAM เพื่อสร้างไมโครรีแอคเตอร์ในอุดมคติสำหรับการควบคุมอุณหภูมิแบบเร่งปฏิกิริยา
เมื่อเปรียบเทียบกับแพลเลเดียม (Pd) และตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะอื่นๆ ที่ใช้กันทั่วไป การเร่งปฏิกิริยาด้วย Cu มีข้อดีหลายประการ: (i) ในด้านเศรษฐกิจ Cu มีราคาถูกกว่าโลหะอื่นๆ หลายชนิดที่ใช้ในการเร่งปฏิกิริยา จึงเป็นตัวเลือกที่น่าสนใจสำหรับอุตสาหกรรมเคมี (ii) ขอบเขตของปฏิกิริยาครอสคัปปลิงที่เร่งปฏิกิริยาด้วย Cu กำลังขยายตัวและดูเหมือนว่าจะเสริมกับวิธีการที่ใช้ Pd51, 52, 53 ได้บ้าง (iii) ปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาด้วย Cu ทำงานได้ดีแม้ไม่มีลิแกนด์อื่นๆ ลิแกนด์เหล่านี้มักมีโครงสร้างที่เรียบง่ายและราคาไม่แพง หากต้องการ ในขณะที่ลิแกนด์ที่ใช้ในเคมีของ Pd มักซับซ้อน ราคาแพง และไวต่ออากาศ (iv) Cu เป็นที่รู้จักโดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านความสามารถในการสร้างพันธะกับอัลไคน์ในการสังเคราะห์ เช่น การเชื่อมต่อแบบไบเมทัลลิกที่เร่งปฏิกิริยาของ Sonogashira และการเติมไซโคลแอดดิชันกับอะไซด์ (เคมีคลิก) (v) Cu ยังสามารถส่งเสริมการอะริเลชันของนิวคลีโอไฟล์บางชนิดในปฏิกิริยาประเภท Ullmann ได้อีกด้วย
เมื่อไม่นานมานี้ ได้มีการสาธิตตัวอย่างของการทำให้ปฏิกิริยาทั้งหมดเหล่านี้กลายเป็นเฮเทอโรจีไนซ์ในที่ที่มี Cu(0) ซึ่งส่วนใหญ่เป็นผลมาจากอุตสาหกรรมยาและการมุ่งเน้นที่เพิ่มมากขึ้นในการกู้คืนและนำตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะกลับมาใช้ใหม่55,56
ปฏิกิริยาการเติมไซโคลแบบ 1,3-ไดโพลาร์ระหว่างอะเซทิลีนและอะไซด์กับ 1,2,3-ไตรอะโซล ซึ่งเสนอครั้งแรกโดย Huisgen ในช่วงทศวรรษ 196057 ถือเป็นปฏิกิริยาสาธิตแบบเสริมฤทธิ์กัน ชิ้นส่วน 1,2,3 ไตรอะโซลที่ได้นั้นมีความน่าสนใจเป็นพิเศษในฐานะฟาร์มาโคฟอร์ในการค้นพบยา เนื่องจากมีการประยุกต์ใช้ทางชีวภาพและการใช้ในตัวแทนบำบัดต่างๆ 58
ปฏิกิริยานี้ได้รับความสนใจอีกครั้งเมื่อ Sharpless และคนอื่นๆ นำเสนอแนวคิดของ “เคมีคลิก”59 คำว่า “เคมีคลิก” ใช้เพื่ออธิบายชุดปฏิกิริยาที่แข็งแกร่งและเลือกได้สำหรับการสังเคราะห์สารประกอบใหม่และไลบรารีแบบผสมผสานอย่างรวดเร็วโดยใช้พันธะเฮเทอโรอะตอม (CXC)60 ข้อดีของการสังเคราะห์ของปฏิกิริยาเหล่านี้คือให้ผลผลิตสูง สภาวะไม่ซับซ้อน ทนต่อออกซิเจนและน้ำ และการแยกผลิตภัณฑ์ทำได้ง่าย61
ปฏิกิริยาไซโคลแอดดิชันแบบ 1,3-ไดโพลฮุยส์เกนแบบคลาสสิกไม่จัดอยู่ในหมวดหมู่ “เคมีคลิก” อย่างไรก็ตาม เมดัลและชาร์เพลสได้แสดงให้เห็นว่าเหตุการณ์การเชื่อมต่ออะไซด์-อัลไคน์นี้เกิดขึ้น 107–108 ในที่ที่มี Cu(I) เมื่อเทียบกับการเร่งอย่างมีนัยสำคัญในอัตราของปฏิกิริยาไซโคลแอดดิชันแบบ 1,3-ไดโพลาร์ที่ไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยา 62,63 กลไกปฏิกิริยาขั้นสูงนี้ไม่จำเป็นต้องใช้หมู่ป้องกันหรือสภาวะปฏิกิริยาที่รุนแรง และให้การแปลงสภาพและการเลือกสรรเกือบสมบูรณ์ไปยัง 1,4-ไดซับสติทิวเตด 1,2,3-ไตรอะโซล (แอนติ-1,2,3-ไตรอะโซล) เมื่อเวลาผ่านไป (รูปที่ 3)
ผลไอโซเมตริกของปฏิกิริยาไซโคลแอดดิชันของฮุยส์เกนแบบดั้งเดิมและแบบเร่งปฏิกิริยาด้วยทองแดง ปฏิกิริยาไซโคลแอดดิชันของฮุยส์เกนที่เร่งปฏิกิริยาด้วย Cu(I) จะให้เฉพาะ 1,4-ไดซับสติทิวเตด 1,2,3-ไตรอะโซลเท่านั้น ในขณะที่ปฏิกิริยาไซโคลแอดดิชันของฮุยส์เกนที่เหนี่ยวนำด้วยความร้อนโดยทั่วไปจะให้ 1,4- และ 1,5-ไตรอะโซล ซึ่งเป็นส่วนผสมของสเตอริโอไอโซเมอร์ของอะโซลในอัตราส่วน 1:1
โปรโตคอลส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการลดแหล่งกำเนิด Cu(II) ที่เสถียร เช่น การลด CuSO4 หรือสารประกอบ Cu(II)/Cu(0) ร่วมกับเกลือโซเดียม เมื่อเปรียบเทียบกับปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาด้วยโลหะอื่นๆ การใช้ Cu(I) มีข้อดีหลักคือราคาไม่แพงและจัดการได้ง่าย
การศึกษาจลนศาสตร์และไอโซโทปโดย Worrell et al. 65 แสดงให้เห็นว่าในกรณีของอัลไคน์ปลายทาง ทองแดงสองโมลมีส่วนเกี่ยวข้องในการกระตุ้นปฏิกิริยาของแต่ละโมเลกุลเมื่อเทียบกับอะไซด์ กลไกที่เสนอจะดำเนินไปผ่านวงแหวนโลหะทองแดงหกเหลี่ยมที่เกิดจากการประสานงานของอะไซด์กับทองแดงอะเซทิลิดที่เชื่อมต่อด้วยพันธะ σ โดยมีทองแดงที่เชื่อมต่อด้วยพันธะ π เป็นลิแกนด์ผู้ให้ที่เสถียร อนุพันธ์ของทองแดงไตรอะโซลิลเกิดขึ้นจากการหดตัวของวงแหวนตามด้วยการสลายตัวของโปรตอนเพื่อสร้างผลิตภัณฑ์ไตรอะโซลและปิดวงจรเร่งปฏิกิริยา
แม้ว่าประโยชน์ของอุปกรณ์เคมีแบบไหลเวียนจะได้รับการบันทึกไว้อย่างดีแล้ว แต่ก็มีความต้องการที่จะบูรณาการเครื่องมือวิเคราะห์เข้ากับระบบเหล่านี้เพื่อการตรวจสอบกระบวนการแบบเรียลไทม์ในสถานที่66,67 UAM ได้พิสูจน์แล้วว่าเป็นวิธีการที่เหมาะสมสำหรับการออกแบบและผลิตเครื่องปฏิกรณ์แบบไหลเวียน 3 มิติที่ซับซ้อนมากจากวัสดุที่มีฤทธิ์เร่งปฏิกิริยาและนำความร้อนได้ดี โดยมีองค์ประกอบการตรวจจับฝังอยู่ภายในโดยตรง (รูปที่ 4)
เครื่องปฏิกรณ์แบบไหลเวียนอะลูมิเนียม-ทองแดงที่ผลิตด้วยเทคโนโลยีการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุด้วยคลื่นอัลตราโซนิค (UAM) มีโครงสร้างช่องทางภายในที่ซับซ้อน เทอร์โมคัปเปิลในตัว และห้องปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยา เพื่อแสดงภาพเส้นทางของของเหลวภายใน จึงได้แสดงต้นแบบโปร่งใสที่สร้างขึ้นโดยใช้เทคโนโลยีสเตอริโอลิโทกราฟีด้วย
เพื่อให้มั่นใจว่าเครื่องปฏิกรณ์จะเหมาะสมสำหรับการทำปฏิกิริยาอินทรีย์ในอนาคต ตัวทำละลายจะต้องได้รับความร้อนสูงกว่าจุดเดือดอย่างปลอดภัย โดยจะต้องผ่านการทดสอบความดันและอุณหภูมิ การทดสอบความดันแสดงให้เห็นว่าระบบรักษาความดันให้คงที่และเสถียรแม้ในสภาวะความดันสูง (1.7 MPa) การทดสอบไฮโดรสแตติกดำเนินการที่อุณหภูมิห้องโดยใช้น้ำเป็นของเหลว
เมื่อเชื่อมต่อเทอร์โมคัปเปิลแบบติดตั้งในตัว (รูปที่ 1) เข้ากับเครื่องบันทึกข้อมูลอุณหภูมิ พบว่าอุณหภูมิของเทอร์โมคัปเปิลต่ำกว่าอุณหภูมิที่ตั้งโปรแกรมไว้ในระบบ FlowSyn อยู่ 6 °C (± 1 °C) โดยทั่วไป การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ 10 °C จะทำให้ปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า ดังนั้นความแตกต่างของอุณหภูมิเพียงไม่กี่องศาก็สามารถเปลี่ยนแปลงอัตราการเกิดปฏิกิริยาได้อย่างมาก ความแตกต่างนี้เกิดจากการสูญเสียอุณหภูมิตลอดทั้งถังปฏิกรณ์เนื่องจากค่าการแพร่ความร้อนสูงของวัสดุที่ใช้ในกระบวนการผลิต การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมินี้คงที่และสามารถนำมาพิจารณาได้เมื่อตั้งค่าอุปกรณ์เพื่อให้แน่ใจว่าได้อุณหภูมิที่แม่นยำและวัดได้ในระหว่างการเกิดปฏิกิริยา ดังนั้น เครื่องมือตรวจสอบออนไลน์นี้จึงช่วยให้ควบคุมอุณหภูมิของปฏิกิริยาได้อย่างแม่นยำยิ่งขึ้น และมีส่วนช่วยในการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการและการพัฒนาสภาวะที่เหมาะสมได้อย่างแม่นยำยิ่งขึ้น เซ็นเซอร์เหล่านี้ยังสามารถใช้ตรวจจับปฏิกิริยาคายความร้อนและป้องกันปฏิกิริยาที่ควบคุมไม่ได้ในระบบขนาดใหญ่ได้อีกด้วย
เครื่องปฏิกรณ์ที่นำเสนอในบทความนี้เป็นตัวอย่างแรกของการประยุกต์ใช้เทคโนโลยี UAM ในการผลิตเครื่องปฏิกรณ์เคมี และแก้ไขข้อจำกัดที่สำคัญหลายประการที่เกี่ยวข้องกับการพิมพ์ AM/3D ของอุปกรณ์เหล่านี้ในปัจจุบัน เช่น: (i) การเอาชนะปัญหาที่พบเกี่ยวกับการแปรรูปโลหะผสมทองแดงหรืออะลูมิเนียม (ii) การปรับปรุงความละเอียดของช่องภายในเมื่อเทียบกับวิธีการหลอมผง (PBF) เช่น การหลอมด้วยเลเซอร์แบบเลือก (SLM)25,69 (iii) การไหลของวัสดุที่ไม่ดีและพื้นผิวที่หยาบ26 (iv) อุณหภูมิการประมวลผลที่ต่ำลง ซึ่งช่วยให้สามารถเชื่อมต่อเซ็นเซอร์ได้โดยตรง ซึ่งเป็นไปไม่ได้ในเทคโนโลยีการหลอมผง (v) การเอาชนะคุณสมบัติทางกลที่ไม่ดีและความไวของส่วนประกอบที่ทำจากพอลิเมอร์ต่อตัวทำละลายอินทรีย์ทั่วไปต่างๆ17,19
ได้มีการสาธิตการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์โดยชุดปฏิกิริยาการเติมไซโคลของอัลคินาไซด์ที่เร่งปฏิกิริยาด้วยทองแดงภายใต้สภาวะการไหลต่อเนื่อง (รูปที่ 2) เครื่องปฏิกรณ์ทองแดงที่พิมพ์ด้วยคลื่นอัลตราโซนิคที่แสดงในรูปที่ 4 ได้ถูกรวมเข้ากับระบบการไหลเชิงพาณิชย์และใช้ในการสังเคราะห์ไลบรารีของอะไซด์ของ 1,4-ไดซับสติทิวเตด 1,2,3-ไตรอะโซลต่างๆ โดยใช้ปฏิกิริยาควบคุมอุณหภูมิของอะเซทิลีนและเฮไลด์ของกลุ่มอัลคิลในที่ที่มีโซเดียมคลอไรด์ (รูปที่ 3) การใช้แนวทางการไหลต่อเนื่องช่วยลดปัญหาด้านความปลอดภัยที่อาจเกิดขึ้นในกระบวนการแบบแบทช์ เนื่องจากปฏิกิริยานี้สร้างสารตัวกลางอะไซด์ที่มีปฏิกิริยาสูงและเป็นอันตราย [317], [318] ในขั้นต้น ปฏิกิริยาได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการเติมไซโคลของฟีนิลอะเซทิลีนและไอโอโดอีเทน (แผนภาพที่ 1 – การเติมไซโคลของฟีนิลอะเซทิลีนและไอโอโดอีเทน) (ดูรูปที่ 5)
(ซ้ายบน) แผนผังแสดงการจัดวางอุปกรณ์ที่ใช้ในการรวมเครื่องปฏิกรณ์ 3DP เข้ากับระบบการไหล (ขวาบน) ซึ่งได้มาจากแผนผังที่ปรับให้เหมาะสมที่สุด (ด้านล่าง) ของแผนการเติมไซโคลของ Huisgen 57 ระหว่างฟีนิลอะเซทิลีนและไอโอโดอีเทน เพื่อการปรับให้เหมาะสม และแสดงพารามิเตอร์อัตราการแปลงที่เหมาะสมที่สุดของปฏิกิริยา
ด้วยการควบคุมระยะเวลาที่สารตั้งต้นอยู่ในส่วนเร่งปฏิกิริยาของเครื่องปฏิกรณ์ และการตรวจสอบอุณหภูมิปฏิกิริยาอย่างละเอียดด้วยเซ็นเซอร์เทอร์โมคัปเปิลที่ติดตั้งอยู่ภายใน จึงสามารถปรับเงื่อนไขปฏิกิริยาได้อย่างรวดเร็วและแม่นยำ โดยใช้เวลาและวัสดุน้อยที่สุด พบว่าอัตราการแปลงสูงสุดเกิดขึ้นเมื่อใช้เวลาอยู่ในส่วนเร่งปฏิกิริยา 15 นาที และอุณหภูมิปฏิกิริยา 150°C จากกราฟสัมประสิทธิ์ของซอฟต์แวร์ MODDE จะเห็นได้ว่าทั้งระยะเวลาอยู่ในส่วนเร่งปฏิกิริยาและอุณหภูมิปฏิกิริยาเป็นเงื่อนไขสำคัญของแบบจำลอง การเรียกใช้ตัวปรับค่าที่เหมาะสมที่สุดในตัวโปรแกรมโดยใช้เงื่อนไขที่เลือกเหล่านี้ จะสร้างชุดเงื่อนไขปฏิกิริยาที่ออกแบบมาเพื่อเพิ่มพื้นที่พีคของผลิตภัณฑ์ให้สูงสุด ในขณะที่ลดพื้นที่พีคของสารตั้งต้น การปรับค่าที่เหมาะสมนี้ให้ผลการแปลงผลิตภัณฑ์ไตรอะโซล 53% ซึ่งตรงกับค่าที่แบบจำลองคาดการณ์ไว้ที่ 54% อย่างแม่นยำ