ขอบคุณที่เข้าชม Nature.com เบราว์เซอร์ที่คุณใช้อยู่มีการรองรับ CSS อย่างจำกัด เพื่อประสบการณ์การใช้งานที่ดีที่สุด เราขอแนะนำให้คุณใช้เบราว์เซอร์เวอร์ชันล่าสุด (หรือปิดโหมดความเข้ากันได้ใน Internet Explorer) ในระหว่างนี้ เพื่อให้มั่นใจว่าเว็บไซต์จะยังคงได้รับการสนับสนุนต่อไป เราจะแสดงเว็บไซต์โดยไม่มีสไตล์และ JavaScript
การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing) กำลังเปลี่ยนแปลงวิธีการที่นักวิจัยและนักอุตสาหกรรมออกแบบและผลิตอุปกรณ์ทางเคมีเพื่อตอบสนองความต้องการเฉพาะของพวกเขา ในงานวิจัยนี้ เราได้รายงานตัวอย่างแรกของเครื่องปฏิกรณ์แบบไหลที่เกิดขึ้นจากเทคนิคการเคลือบแผ่นโลหะของแข็งด้วยคลื่นอัลตราโซนิค (Ultrasonic Additive Manufacturing: UAM) โดยมีการรวมชิ้นส่วนเร่งปฏิกิริยาและองค์ประกอบตรวจจับเข้าไว้ด้วยกันโดยตรง เทคโนโลยี UAM ไม่เพียงแต่เอาชนะข้อจำกัดหลายประการที่เกี่ยวข้องกับการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุของเครื่องปฏิกรณ์ทางเคมีในปัจจุบันเท่านั้น แต่ยังเพิ่มขีดความสามารถของอุปกรณ์ดังกล่าวอย่างมีนัยสำคัญอีกด้วย สารประกอบ 1,4-disubstituted 1,2,3-triazole ที่มีความสำคัญทางชีวภาพหลายชนิดได้รับการสังเคราะห์และปรับให้เหมาะสมอย่างประสบความสำเร็จโดยปฏิกิริยา Huisgen 1,3-dipolar cycloaddition ที่ใช้ Cu เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาโดยใช้ชุดอุปกรณ์เคมี UAM ด้วยการใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติเฉพาะของ UAM และกระบวนการไหลอย่างต่อเนื่อง อุปกรณ์นี้สามารถเร่งปฏิกิริยาที่กำลังดำเนินอยู่พร้อมทั้งให้ข้อมูลป้อนกลับแบบเรียลไทม์สำหรับการตรวจสอบและปรับปฏิกิริยาให้เหมาะสม
เนื่องจากมีข้อดีมากมายเหนือกว่าวิธีการแบบดั้งเดิม เคมีแบบไหลจึงเป็นสาขาที่สำคัญและกำลังเติบโตทั้งในแวดวงวิชาการและอุตสาหกรรม เนื่องจากความสามารถในการเพิ่มความเลือกสรรและประสิทธิภาพของการสังเคราะห์ทางเคมี ซึ่งครอบคลุมตั้งแต่การสร้างโมเลกุลอินทรีย์อย่างง่าย¹ ไปจนถึงสารประกอบทางเภสัชกรรม²⁻³ และผลิตภัณฑ์จากธรรมชาติ⁴⁻⁶ ปฏิกิริยามากกว่า 50% ในอุตสาหกรรมเคมีภัณฑ์ชั้นดีและเภสัชกรรมสามารถได้รับประโยชน์จากการใช้กระบวนการไหลต่อเนื่อง⁷
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีแนวโน้มที่เพิ่มขึ้นของกลุ่มที่ต้องการทดแทนเครื่องแก้วแบบดั้งเดิมหรืออุปกรณ์เคมีแบบไหลเวียนด้วย “ภาชนะปฏิกิริยา” ทางเคมีที่สามารถปรับแต่งได้โดยใช้การผลิตแบบเติมแต่ง (AM)8 การออกแบบแบบวนซ้ำ การผลิตที่รวดเร็ว และความสามารถแบบ 3 มิติ (3D) ของเทคนิคเหล่านี้เป็นประโยชน์สำหรับผู้ที่ต้องการปรับแต่งอุปกรณ์ของตนให้เข้ากับชุดปฏิกิริยา อุปกรณ์ หรือเงื่อนไขเฉพาะ จนถึงปัจจุบัน งานนี้มุ่งเน้นไปที่การใช้เทคนิคการพิมพ์ 3 มิติแบบโพลีเมอร์เป็นหลัก เช่น สเตอริโอลิโทกราฟี (SL)9,10,11 การสร้างแบบจำลองการสะสมแบบหลอมเหลว (FDM)8,12,13,14 และการพิมพ์อิงค์เจ็ท 7, 15, 16 การขาดความทนทานและความสามารถของอุปกรณ์ดังกล่าวในการดำเนินการปฏิกิริยา/การวิเคราะห์ทางเคมีที่หลากหลาย17, 18, 19, 20 เป็นปัจจัยจำกัดที่สำคัญสำหรับการนำ AM ไปใช้ในวงกว้างในสาขานี้17, 18, 19, 20
เนื่องจากการใช้งานเคมีแบบไหลเวียนเพิ่มมากขึ้นและคุณสมบัติที่เอื้ออำนวยของเทคโนโลยีการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing: AM) จึงมีความจำเป็นต้องสำรวจเทคนิคขั้นสูงเพิ่มเติมที่ช่วยให้ผู้ใช้สามารถผลิตภาชนะปฏิกิริยาแบบไหลเวียนที่มีความสามารถทางเคมีและการวิเคราะห์ที่ดียิ่งขึ้น เทคนิคเหล่านี้ควรช่วยให้ผู้ใช้สามารถเลือกใช้วัสดุที่มีความทนทานสูงหรือวัสดุที่มีคุณสมบัติเฉพาะที่สามารถรองรับสภาวะปฏิกิริยาได้หลากหลาย ในขณะเดียวกันก็อำนวยความสะดวกในการวิเคราะห์ผลลัพธ์ต่างๆ จากอุปกรณ์เพื่อให้สามารถตรวจสอบและควบคุมปฏิกิริยาได้
กระบวนการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing: AM) ที่มีศักยภาพในการพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์เคมีแบบกำหนดเองได้ คือ การผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุด้วยคลื่นอัลตราโซนิค (Ultrasonic Additive Manufacturing: UAM) เทคนิคการเคลือบแผ่นแบบโซลิดสเตทนี้ใช้การสั่นสะเทือนของคลื่นอัลตราโซนิคกับแผ่นฟอยล์โลหะบางๆ เพื่อเชื่อมต่อกันทีละชั้นด้วยความร้อนน้อยที่สุดและการไหลของพลาสติกในระดับสูง 21, 22, 23 แตกต่างจากเทคโนโลยี AM อื่นๆ ส่วนใหญ่ UAM สามารถบูรณาการโดยตรงกับการผลิตแบบลดเนื้อวัสดุ (Subtractive Manufacturing: AM) ซึ่งเรียกว่ากระบวนการผลิตแบบไฮบริด โดยที่การกัดด้วยเครื่อง CNC หรือการตัดเฉือนด้วยเลเซอร์เป็นระยะๆ จะกำหนดรูปร่างสุทธิของชั้นวัสดุที่เชื่อมต่อกัน 24, 25 หมายความว่าผู้ใช้จะไม่ถูกจำกัดด้วยปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการกำจัดวัสดุดิบที่เหลือจากช่องของเหลวขนาดเล็ก ซึ่งมักเกิดขึ้นกับระบบ AM แบบผงและของเหลว 26, 27, 28 อิสรภาพในการออกแบบนี้ยังขยายไปถึงตัวเลือกวัสดุที่มีอยู่ – UAM สามารถเชื่อมต่อวัสดุที่มีคุณสมบัติทางความร้อนคล้ายกันและแตกต่างกันได้ในขั้นตอนเดียว ตัวเลือกของวัสดุที่นอกเหนือจากกระบวนการหลอมหมายความว่าความต้องการทางกลและทางเคมีของการใช้งานเฉพาะสามารถตอบสนองความต้องการได้ เพื่อตอบสนองความต้องการได้ดียิ่งขึ้น นอกจากการเชื่อมประสานแบบโซลิดสเตทแล้ว ปรากฏการณ์อีกอย่างหนึ่งที่พบระหว่างการเชื่อมประสานด้วยคลื่นอัลตราโซนิคคือการไหลของวัสดุพลาสติกในปริมาณมากที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำ29,30,31,32,33 คุณสมบัติเฉพาะนี้ของ UAM สามารถอำนวยความสะดวกในการฝังองค์ประกอบทางกล/ความร้อนระหว่างชั้นโลหะโดยไม่เกิดความเสียหาย เซ็นเซอร์ที่ฝังใน UAM สามารถอำนวยความสะดวกในการส่งข้อมูลแบบเรียลไทม์จากอุปกรณ์ไปยังผู้ใช้ผ่านการวิเคราะห์แบบบูรณาการ
งานวิจัยก่อนหน้านี้ของผู้เขียน32 แสดงให้เห็นถึงความสามารถของกระบวนการ UAM ในการสร้างโครงสร้างไมโครฟลูอิดิก 3 มิติโลหะที่มีความสามารถในการตรวจจับแบบบูรณาการ อย่างไรก็ตาม นี่เป็นอุปกรณ์สำหรับการตรวจสอบเท่านั้น บทความนี้นำเสนอตัวอย่างแรกของเครื่องปฏิกรณ์เคมีไมโครฟลูอิดิกที่ผลิตโดย UAM ซึ่งเป็นอุปกรณ์แอคทีฟที่ไม่เพียงแต่ตรวจสอบ แต่ยังกระตุ้นการสังเคราะห์ทางเคมีผ่านวัสดุตัวเร่งปฏิกิริยาที่รวมอยู่ในโครงสร้าง อุปกรณ์นี้รวมข้อดีหลายประการที่เกี่ยวข้องกับเทคโนโลยี UAM ในการผลิตอุปกรณ์เคมี 3 มิติ เช่น ความสามารถในการแปลงการออกแบบ 3 มิติทั้งหมดโดยตรงจากแบบจำลองการออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วย (CAD) ไปเป็นผลิตภัณฑ์ การผลิตวัสดุหลายชนิดเพื่อรวมวัสดุที่มีการนำความร้อนสูงและวัสดุตัวเร่งปฏิกิริยา และการฝังเซ็นเซอร์ความร้อนโดยตรงระหว่างกระแสของสารตั้งต้นเพื่อตรวจสอบและควบคุมอุณหภูมิปฏิกิริยาอย่างแม่นยำ เพื่อแสดงให้เห็นถึงการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์ จึงได้สังเคราะห์สารประกอบ 1,4-disubstituted 1,2,3-triazole ที่มีความสำคัญทางเภสัชกรรมจำนวนมากโดยใช้ปฏิกิริยา Huisgen 1,3-dipolar cycloaddition ที่เร่งปฏิกิริยาด้วยทองแดง งานวิจัยนี้เน้นให้เห็นว่าการใช้ประโยชน์จากวิทยาศาสตร์วัสดุและการออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วยสามารถเปิดโอกาสและความเป็นไปได้ใหม่ๆ สำหรับวิชาเคมีผ่านการวิจัยแบบสหสาขาวิชา
ตัวทำละลายและสารเคมีทั้งหมดซื้อจาก Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI หรือ Fischer Scientific และใช้โดยไม่ต้องทำการทำให้บริสุทธิ์ก่อน สเปกตรัม 1H และ 13C NMR ที่บันทึกที่ 400 MHz และ 100 MHz ตามลำดับ ได้รับโดยใช้เครื่องสเปกโทรเมตร JEOL ECS-400 400 MHz หรือเครื่องสเปกโทรเมตร Bruker Avance II 400 MHz และ CDCl3 หรือ (CD3)2SO เป็นตัวทำละลาย ปฏิกิริยาทั้งหมดดำเนินการโดยใช้แพลตฟอร์มเคมีแบบไหล Uniqsis FlowSyn
UAM ถูกใช้ในการผลิตอุปกรณ์ทั้งหมดในงานวิจัยนี้ เทคโนโลยีนี้ถูกคิดค้นขึ้นในปี 1999 และรายละเอียดทางเทคนิค พารามิเตอร์การทำงาน และการพัฒนาต่างๆ นับตั้งแต่การคิดค้น สามารถศึกษาได้จากเอกสารที่ตีพิมพ์ต่อไปนี้34,35,36,37 อุปกรณ์ (รูปที่ 1) ถูกสร้างขึ้นโดยใช้ระบบ UAM SonicLayer 4000® กำลังสูงพิเศษ 9 กิโลวัตต์ (Fabrisonic, OH, USA) วัสดุที่เลือกใช้ในการผลิตอุปกรณ์ไหลคือ Cu-110 และ Al 6061 Cu-110 มีปริมาณทองแดงสูง (อย่างน้อย 99.9%) ทำให้เป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาด้วยทองแดง และจึงถูกใช้เป็น "ชั้นแอคทีฟ" ภายในไมโครรีแอคเตอร์ Al 6061 O ถูกใช้เป็นวัสดุ "หลัก" หรือชั้นฝังตัวที่ใช้สำหรับการวิเคราะห์ ส่วนประกอบเสริมของโลหะผสมถูกฝังและอยู่ในสภาวะอบอ่อนร่วมกับชั้น Cu-110 Al 6061 O เป็นวัสดุที่แสดงให้เห็นว่า มีความเข้ากันได้สูงกับกระบวนการ UAM38, 39, 40, 41 และได้รับการทดสอบและพบว่ามีความเสถียรทางเคมีกับสารเคมีที่ใช้ในงานวิจัยนี้ การผสมผสานระหว่าง Al 6061 O กับ Cu-110 ยังถือเป็นการผสมผสานวัสดุที่เข้ากันได้กับ UAM และจึงเป็นวัสดุที่เหมาะสมสำหรับการศึกษาในครั้งนี้ 38,42 อุปกรณ์เหล่านี้แสดงอยู่ในตารางที่ 1 ด้านล่าง
ขั้นตอนการผลิตเครื่องปฏิกรณ์ (1) แผ่นรองพื้น Al 6061 (2) การผลิตชุดช่องด้านล่างบนแผ่นฟอยล์ทองแดง (3) การฝังเทอร์โมคัปเปิลระหว่างชั้น (4) ช่องด้านบน (5) ทางเข้าและทางออก (6) เครื่องปฏิกรณ์แบบโมโนลิธิก
ปรัชญาการออกแบบเส้นทางของของเหลวคือการใช้เส้นทางที่คดเคี้ยวเพื่อเพิ่มระยะทางที่ของเหลวไหลผ่านภายในชิป ในขณะที่ยังคงขนาดของชิปให้สามารถจัดการได้ การเพิ่มระยะทางนี้เป็นที่ต้องการเพื่อเพิ่มเวลาการปฏิสัมพันธ์ระหว่างตัวเร่งปฏิกิริยา/สารตั้งต้น และให้ผลผลิตของผลิตภัณฑ์ที่ดีเยี่ยม ชิปใช้การโค้งงอ 90° ที่ปลายของเส้นทางตรงเพื่อกระตุ้นการผสมแบบปั่นป่วนภายในอุปกรณ์44 และเพิ่มเวลาการสัมผัสของของเหลวกับพื้นผิว (ตัวเร่งปฏิกิริยา) เพื่อเพิ่มการผสมให้มากยิ่งขึ้น การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์จึงมีทางเข้าของสารตั้งต้นสองทางที่รวมกันที่จุดเชื่อมต่อรูปตัว Y ก่อนที่จะเข้าสู่ส่วนผสมแบบคดเคี้ยว ทางเข้าที่สามซึ่งตัดกับกระแสในช่วงครึ่งทางของการไหลเวียนนั้นรวมอยู่ในการออกแบบการสังเคราะห์ปฏิกิริยาหลายขั้นตอนในอนาคต
ช่องทั้งหมดมีรูปทรงสี่เหลี่ยมจัตุรัส (ไม่มีมุมเอียง) ซึ่งเป็นผลมาจากการกัด CNC แบบเป็นช่วงๆ ที่ใช้ในการสร้างรูปทรงเรขาคณิตของช่อง ขนาดของช่องถูกเลือกเพื่อให้แน่ใจว่ามีปริมาตรการไหลออกสูง (สำหรับไมโครรีแอคเตอร์) ในขณะเดียวกันก็มีขนาดเล็กพอที่จะอำนวยความสะดวกในการปฏิสัมพันธ์ของพื้นผิว (ตัวเร่งปฏิกิริยา) สำหรับของเหลวส่วนใหญ่ที่บรรจุอยู่ ขนาดที่เหมาะสมนั้นอิงจากประสบการณ์ในอดีตของผู้เขียนเกี่ยวกับอุปกรณ์โลหะ-ของเหลวสำหรับการทำปฏิกิริยา ขนาดภายในของช่องสุดท้ายคือ 750 µm x 750 µm และปริมาตรรีแอคเตอร์ทั้งหมดคือ 1 มล. มีตัวเชื่อมต่อแบบรวม (เกลียว 1/4″—28 UNF) รวมอยู่ในแบบเพื่อช่วยให้การเชื่อมต่ออุปกรณ์กับอุปกรณ์เคมีไหลเชิงพาณิชย์ทำได้ง่าย ขนาดของช่องถูกจำกัดโดยความหนาของวัสดุฟอยล์ คุณสมบัติทางกล และพารามิเตอร์การยึดติดที่ใช้กับอัลตราโซนิกส์ ที่ความกว้างเฉพาะสำหรับวัสดุที่กำหนด วัสดุจะ "หย่อน" เข้าไปในช่องที่สร้างขึ้น ปัจจุบันยังไม่มีแบบจำลองเฉพาะสำหรับการคำนวณนี้ ดังนั้นความกว้างของช่องสูงสุดสำหรับวัสดุและการออกแบบที่กำหนดจึงถูกกำหนดโดยการทดลอง ในกรณีนี้ ความกว้าง 750 ไมโครเมตรจะไม่ทำให้เกิดการหย่อนคล้อย
รูปทรง (สี่เหลี่ยมจัตุรัส) ของช่องถูกกำหนดโดยใช้เครื่องตัดสี่เหลี่ยม รูปทรงและขนาดของช่องสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยใช้เครื่อง CNC โดยใช้เครื่องมือตัดที่แตกต่างกันเพื่อให้ได้อัตราการไหลและคุณลักษณะที่แตกต่างกัน ตัวอย่างของการสร้างช่องรูปทรงโค้งโดยใช้เครื่องมือขนาด 125 μm สามารถพบได้ในงานของ Monaghan45 เมื่อชั้นฟอยล์ถูกวางในลักษณะระนาบ การวางซ้อนของวัสดุฟอยล์บนช่องจะมีพื้นผิวเรียบ (สี่เหลี่ยมจัตุรัส) ในงานนี้ เพื่อรักษาความสมมาตรของช่อง จึงใช้โครงร่างสี่เหลี่ยมจัตุรัส
ในระหว่างการหยุดการผลิตตามโปรแกรมที่ตั้งไว้ล่วงหน้า หัววัดอุณหภูมิแบบเทอร์โมคัปเปิล (ชนิด K) จะถูกฝังไว้ภายในอุปกรณ์โดยตรงระหว่างกลุ่มช่องสัญญาณด้านบนและด้านล่าง (รูปที่ 1 – ขั้นตอนที่ 3) เทอร์โมคัปเปิลเหล่านี้สามารถตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิได้ตั้งแต่ −200 ถึง 1350 °C
กระบวนการขึ้นรูปโลหะด้วยคลื่นอัลตราโซนิค (UAM) นั้นดำเนินการโดยใช้หัว UAM ที่มีแผ่นฟอยล์โลหะกว้าง 25.4 มม. หนา 150 ไมครอน แผ่นฟอยล์เหล่านี้จะถูกเชื่อมติดกันเป็นแถบต่อเนื่องเพื่อครอบคลุมพื้นที่การสร้างทั้งหมด ขนาดของวัสดุที่ขึ้นรูปจะมีขนาดใหญ่กว่าผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย เนื่องจากกระบวนการตัดเฉือนจะสร้างรูปร่างสุดท้าย การตัดเฉือนด้วยเครื่อง CNC ถูกใช้ในการขึ้นรูปขอบด้านนอกและด้านในของอุปกรณ์ ส่งผลให้พื้นผิวของอุปกรณ์และช่องต่างๆ มีความเรียบเนียนเท่ากับพารามิเตอร์ของเครื่องมือและกระบวนการ CNC ที่เลือก (ประมาณ 1.6 μm Ra ในตัวอย่างนี้) มีการใช้กระบวนการขึ้นรูปวัสดุด้วยคลื่นอัลตราโซนิคและการตัดเฉือนอย่างต่อเนื่องตลอดกระบวนการผลิตอุปกรณ์ เพื่อให้มั่นใจได้ว่าความแม่นยำของขนาดจะคงที่ และชิ้นส่วนที่เสร็จสมบูรณ์จะตรงตามระดับความแม่นยำของการกัดขึ้นรูปด้วยเครื่อง CNC ความกว้างของช่องที่ใช้สำหรับอุปกรณ์นี้มีขนาดเล็กพอที่จะทำให้มั่นใจได้ว่าวัสดุฟอยล์จะไม่ "หย่อน" ลงไปในช่องของเหลว ดังนั้นช่องจึงยังคงมีรูปทรงสี่เหลี่ยมจัตุรัส ช่องว่างที่เป็นไปได้ในวัสดุฟอยล์และพารามิเตอร์กระบวนการ UAM ถูกกำหนดโดยการทดลองโดยพันธมิตรผู้ผลิต (Fabrisonic LLC, สหรัฐอเมริกา)
จากการศึกษาพบว่าการแพร่กระจายของธาตุเกิดขึ้นน้อยมากที่ส่วนต่อประสาน UAM 46, 47 หากไม่มีการบำบัดด้วยความร้อนเพิ่มเติม ดังนั้นสำหรับอุปกรณ์ในงานวิจัยนี้ ชั้น Cu-110 จึงยังคงแยกออกจากชั้น Al 6061 และมีการเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลัน
ติดตั้งตัวควบคุมแรงดันย้อนกลับ (BPR) ที่ปรับเทียบไว้ล่วงหน้าแล้วขนาด 250 psi (1724 kPa) ที่ทางออกของเครื่องปฏิกรณ์ และปั๊มน้ำผ่านเครื่องปฏิกรณ์ในอัตรา 0.1 ถึง 1 มล. ต่อนาที ตรวจสอบแรงดันของเครื่องปฏิกรณ์โดยใช้เซ็นเซอร์วัดแรงดันระบบในตัวของ FlowSyn เพื่อตรวจสอบว่าระบบสามารถรักษาแรงดันให้คงที่ได้ ทดสอบการไล่ระดับอุณหภูมิที่อาจเกิดขึ้นทั่วเครื่องปฏิกรณ์โดยการระบุความแตกต่างระหว่างเทอร์โมคัปเปิลที่ฝังอยู่ภายในเครื่องปฏิกรณ์และเทอร์โมคัปเปิลที่ฝังอยู่ภายในแผ่นทำความร้อนของชิป FlowSyn ทำได้โดยการปรับอุณหภูมิของแผ่นทำความร้อนที่ตั้งโปรแกรมได้ระหว่าง 100 ถึง 150 °C โดยเพิ่มขึ้นทีละ 25 °C และสังเกตความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิที่ตั้งโปรแกรมไว้และอุณหภูมิที่บันทึกไว้ ทำได้โดยใช้เครื่องบันทึกข้อมูล tc-08 (PicoTech, Cambridge, UK) และซอฟต์แวร์ PicoLog ที่มาพร้อมกัน
ได้ทำการปรับเงื่อนไขปฏิกิริยาไซโคลแอดดิชันของฟีนิลอะเซทิลีนและไอโอโดอีเทนให้เหมาะสมที่สุด (แผนภาพที่ 1 - ปฏิกิริยาไซโคลแอดดิชันของฟีนิลอะเซทิลีนและไอโอโดอีเทน) การปรับให้เหมาะสมนี้ดำเนินการโดยใช้วิธีการออกแบบการทดลองแบบแฟคทอเรียลเต็มรูปแบบ (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 มิลลิลิตร มาผสมและปั๊มผ่านเครื่องปฏิกรณ์ด้วยอัตราการไหลและอุณหภูมิที่ต้องการ ค่าตอบสนองของแบบจำลองคืออัตราส่วนพื้นที่พีคของผลิตภัณฑ์ไตรอะโซลต่อสารตั้งต้นฟีนิลอะเซทิลีน ซึ่งวิเคราะห์โดยใช้โครมาโทกราฟีของเหลวประสิทธิภาพสูง (HPLC) เพื่อให้การวิเคราะห์มีความสม่ำเสมอ จึงเก็บตัวอย่างปฏิกิริยาทั้งหมดทันทีหลังจากที่สารละลายออกจากเครื่องปฏิกรณ์ ช่วงพารามิเตอร์ที่เลือกสำหรับการปรับให้เหมาะสมแสดงในตารางที่ 2
ตัวอย่างทั้งหมดได้รับการวิเคราะห์โดยใช้ระบบ Chromaster HPLC (VWR, PA, USA) ซึ่งประกอบด้วยปั๊มควอเทอร์นารี เตาอบคอลัมน์ เครื่องตรวจจับ UV ที่ปรับความยาวคลื่นได้ และเครื่องป้อนตัวอย่างอัตโนมัติ คอลัมน์ที่ใช้คือ Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA) ขนาด 4.6 × 100 มม. ขนาดอนุภาค 5 µm รักษาอุณหภูมิไว้ที่ 40 °C ตัวทำละลายเป็นแบบไอโซแครติก เมทานอล:น้ำ 50:50 ที่อัตราการไหล 1.5 มล./นาที ปริมาตรการฉีดคือ 5 µL และความยาวคลื่นของเครื่องตรวจจับคือ 254 นาโนเมตร เปอร์เซ็นต์พื้นที่พีคสำหรับตัวอย่าง DOE คำนวณจากพื้นที่พีคของผลิตภัณฑ์อัลไคน์และไตรอะโซลที่เหลืออยู่เท่านั้น การฉีดสารตั้งต้นช่วยให้สามารถระบุพีคที่เกี่ยวข้องได้
การเชื่อมโยงผลลัพธ์การวิเคราะห์เครื่องปฏิกรณ์เข้ากับซอฟต์แวร์ MODDE DOE (Umetrics, Malmö, สวีเดน) ทำให้สามารถวิเคราะห์แนวโน้มของผลลัพธ์ได้อย่างละเอียดและกำหนดสภาวะปฏิกิริยาที่เหมาะสมที่สุดสำหรับปฏิกิริยาไซโคลแอดดิชันนี้ได้ การเรียกใช้ตัวเพิ่มประสิทธิภาพในตัวและเลือกเงื่อนไขแบบจำลองที่สำคัญทั้งหมดจะให้ชุดเงื่อนไขปฏิกิริยาที่ออกแบบมาเพื่อเพิ่มพื้นที่พีคของผลิตภัณฑ์ให้สูงสุดในขณะที่ลดพื้นที่พีคของสารตั้งต้นอะเซทิลีน
การออกซิเดชันของทองแดงบนพื้นผิวภายในห้องปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาเกิดขึ้นโดยใช้สารละลายไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (36%) ไหลผ่านห้องปฏิกิริยา (อัตราการไหล = 0.4 มล./นาที, เวลาอยู่ในระบบ = 2.5 นาที) ก่อนการสังเคราะห์สารประกอบไตรอะโซลแต่ละชนิด
เมื่อระบุชุดเงื่อนไขที่เหมาะสมที่สุดแล้ว ก็ได้นำเงื่อนไขเหล่านั้นไปใช้กับอนุพันธ์ของอะเซทิลีนและฮาโลอัลเคนหลายชนิด เพื่อให้สามารถรวบรวมชุดสังเคราะห์ขนาดเล็กได้ ซึ่งจะช่วยให้สามารถนำเงื่อนไขเหล่านี้ไปใช้กับรีเอเจนต์ที่มีศักยภาพได้หลากหลายมากขึ้น (รูปที่ 1)2)
เตรียมสารละลายโซเดียมอะไซด์ (0.25 M, DMF:H2O อัตราส่วน 4:1), ฮาโลอัลเคน (0.25 M, DMF) และอัลไคน์ (0.125 M, DMF) แยกกัน นำสารละลายแต่ละชนิดปริมาตร 3 มล. มาผสมและปั๊มผ่านเครื่องปฏิกรณ์ที่อัตรา 75 µL/min และอุณหภูมิ 150 °C รวบรวมปริมาตรทั้งหมดลงในขวดและเจือจางด้วยเอทิลอะซิเตต 10 มล. ล้างสารละลายตัวอย่างด้วยน้ำ 3 × 10 มล. รวมชั้นน้ำและสกัดด้วยเอทิลอะซิเตต 10 มล. จากนั้นจึงนำชั้นสารอินทรีย์มารวมกัน ล้างด้วยสารละลายเกลือ 3 ครั้ง ครั้งละ 10 มิลลิลิตร ทำให้แห้งด้วย MgSO4 และกรอง จากนั้นจึงกำจัดตัวทำละลายออกด้วยระบบสุญญากาศ ตัวอย่างจะถูกทำให้บริสุทธิ์โดยโครมาโทกราฟีแบบคอลัมน์บนซิลิกาเจลโดยใช้เอทิลอะซิเตตก่อนการวิเคราะห์โดยใช้การผสมผสานระหว่าง HPLC, 1H NMR, 13C NMR และสเปกโทรเมตรีมวลความละเอียดสูง (HR-MS)
สเปกตรัมทั้งหมดได้มาจากการใช้เครื่องสเปกโทรเมตรมวลความละเอียดสูง Thermofischer Orbitrap โดยใช้ ESI เป็นแหล่งกำเนิดไอออนไนเซชัน ตัวอย่างทั้งหมดเตรียมโดยใช้อะซีโตไนไตรล์เป็นตัวทำละลาย
ทำการวิเคราะห์ TLC บนแผ่นซิลิกาที่มีแผ่นอะลูมิเนียมรองรับ ตรวจสอบแผ่นด้วยแสง UV (254 นาโนเมตร) หรือการย้อมสีด้วยวานิลลินและการให้ความร้อน
ตัวอย่างทั้งหมดได้รับการวิเคราะห์โดยใช้ระบบ VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, สหราชอาณาจักร) ซึ่งประกอบด้วยเครื่องป้อนตัวอย่างอัตโนมัติ เตาอบคอลัมน์ ปั๊มไบนารี และเครื่องตรวจจับความยาวคลื่นเดียว คอลัมน์ที่ใช้คือ ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4.6 มม., Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, สกอตแลนด์)
ทำการฉีดสารตัวอย่าง (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 เฉพาะผลิตภัณฑ์ไตรอะโซลเท่านั้น และการฉีดสารตั้งต้นทำให้สามารถระบุพีคที่เกี่ยวข้องได้
ตัวอย่างทั้งหมดได้รับการวิเคราะห์โดยใช้เครื่อง Thermo iCAP 6000 ICP-OES สารมาตรฐานสำหรับการสอบเทียบทั้งหมดเตรียมโดยใช้สารละลายมาตรฐาน Cu 1000 ppm ในกรดไนตริก 2% (SPEX Certi Prep) สารมาตรฐานทั้งหมดเตรียมในสารละลาย DMF 5% และ HNO3 2% และตัวอย่างทั้งหมดถูกเจือจาง 20 เท่าในสารละลาย DMF-HNO3 ของตัวอย่าง
UAM ใช้การเชื่อมโลหะด้วยคลื่นอัลตราโซนิคเป็นเทคนิคการยึดติดสำหรับวัสดุฟอยล์โลหะที่ใช้ในการสร้างชิ้นส่วนประกอบขั้นสุดท้าย การเชื่อมโลหะด้วยคลื่นอัลตราโซนิคใช้เครื่องมือโลหะที่สั่น (เรียกว่าฮอร์นหรือฮอร์นอัลตราโซนิค) เพื่อใช้แรงกดกับชั้นฟอยล์/ชั้นที่แข็งตัวแล้วที่จะทำการเชื่อมติด ในขณะที่วัสดุสั่น สำหรับการทำงานอย่างต่อเนื่อง โซโนโทรดจะมีรูปทรงกระบอกและกลิ้งไปบนพื้นผิวของวัสดุ ทำให้เกิดการเชื่อมติดทั่วทั้งพื้นที่ เมื่อมีการใช้แรงกดและการสั่นสะเทือน ออกไซด์บนพื้นผิวของวัสดุอาจแตกได้ แรงกดและการสั่นสะเทือนอย่างต่อเนื่องอาจทำให้ส่วนที่ขรุขระของวัสดุยุบตัวลง 36 การสัมผัสอย่างใกล้ชิดด้วยความร้อนและแรงกดที่เกิดขึ้นเฉพาะที่ จะนำไปสู่การยึดติดแบบของแข็งที่ส่วนต่อประสานของวัสดุ นอกจากนี้ยังสามารถช่วยในการยึดเกาะผ่านการเปลี่ยนแปลงพลังงานพื้นผิวได้อีกด้วย48 ลักษณะของกลไกการยึดติดนี้ช่วยเอาชนะปัญหาหลายประการที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิหลอมเหลวที่แปรผันและผลกระทบจากอุณหภูมิสูงที่กล่าวถึงในเทคนิคการผลิตแบบเติมแต่งอื่นๆ ซึ่งทำให้สามารถยึดติดโดยตรง (เช่น โดยไม่ต้องดัดแปลงพื้นผิว เติมสารตัวเติม หรือกาว) ของวัสดุหลายชั้นที่แตกต่างกันเข้าด้วยกันเป็นโครงสร้างเดียวที่รวมกันได้
ปัจจัยสนับสนุนประการที่สองสำหรับ UAM คือการไหลของพลาสติกในระดับสูงที่พบในวัสดุโลหะ แม้ในอุณหภูมิต่ำ กล่าวคือต่ำกว่าจุดหลอมเหลวของวัสดุโลหะมาก การรวมกันของการสั่นสะเทือนอัลตราโซนิกและแรงดันทำให้เกิดการเคลื่อนย้ายและการตกผลึกใหม่ของขอบเกรนในระดับท้องถิ่นในระดับสูงโดยไม่มีการเพิ่มอุณหภูมิอย่างมากซึ่งมักเกี่ยวข้องกับวัสดุที่เป็นก้อน ในระหว่างการสร้างชิ้นส่วนประกอบขั้นสุดท้าย ปรากฏการณ์นี้สามารถนำมาใช้เพื่อฝังส่วนประกอบแอคทีฟและพาสซีฟระหว่างชั้นของฟอยล์โลหะทีละชั้น องค์ประกอบต่างๆ เช่น เส้นใยนำแสง 49 การเสริมแรง 46 อิเล็กทรอนิกส์ 50 และเทอร์โมคัปเปิล (งานวิจัยนี้) ล้วนได้รับการฝังลงในโครงสร้าง UAM ได้สำเร็จเพื่อสร้างชิ้นส่วนประกอบคอมโพสิตแอคทีฟและพาสซีฟ
ในงานวิจัยนี้ ได้มีการนำความเป็นไปได้ในการเชื่อมต่อและการแทรกสอดของวัสดุที่แตกต่างกันของ UAM มาใช้ในการสร้างไมโครรีแอคเตอร์สำหรับตรวจสอบอุณหภูมิแบบเร่งปฏิกิริยาขั้นสูงสุด
เมื่อเปรียบเทียบกับแพลเลเดียม (Pd) และตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะอื่นๆ ที่ใช้กันทั่วไป การเร่งปฏิกิริยาด้วย Cu มีข้อดีหลายประการ: (i) ในด้านเศรษฐกิจ Cu มีราคาถูกกว่าโลหะอื่นๆ หลายชนิดที่ใช้ในการเร่งปฏิกิริยา จึงเป็นตัวเลือกที่น่าสนใจสำหรับอุตสาหกรรมการแปรรูปทางเคมี (ii) ขอบเขตของปฏิกิริยาครอสคัปปลิงที่เร่งปฏิกิริยาด้วย Cu กำลังเพิ่มขึ้นและดูเหมือนว่าจะเสริมวิธีการที่ใช้ Pd ได้บ้าง51,52,53 (iii) ปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาด้วย Cu ทำงานได้ดีแม้ไม่มีลิแกนด์อื่นๆ ลิแกนด์เหล่านี้มักมีโครงสร้างที่เรียบง่ายและราคาไม่แพงหากต้องการ ในขณะที่ลิแกนด์ที่ใช้ในเคมีของ Pd มักซับซ้อน ราคาแพง และไวต่ออากาศ (iv) Cu เป็นที่รู้จักโดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านความสามารถในการจับกับอัลไคน์ในการสังเคราะห์ ตัวอย่างเช่น การเชื่อมต่อ Sonogashira ที่เร่งปฏิกิริยาด้วยโลหะคู่และการเติมไซโคลกับอะไซด์ (เคมีคลิก) (v) Cu ยังสามารถส่งเสริมการอะริเลชันของนิวคลีโอไฟล์หลายชนิดในปฏิกิริยาประเภท Ullmann ได้อีกด้วย
ตัวอย่างของการทำให้ปฏิกิริยาทั้งหมดเหล่านี้กลายเป็นเฮเทอโรจีไนซ์เพิ่งได้รับการสาธิตในที่ที่มี Cu(0) ซึ่งส่วนใหญ่เป็นผลมาจากอุตสาหกรรมยาและการมุ่งเน้นที่เพิ่มขึ้นในการกู้คืนและนำตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะกลับมาใช้ใหม่55,56
ปฏิกิริยาการเติมไซโคล 1,3-ไดโพลาร์ระหว่างอะเซทิลีนและอะไซด์กับ 1,2,3-ไตรอะโซล ซึ่งริเริ่มโดย Huisgen ในช่วงทศวรรษ 196057 ถือเป็นปฏิกิริยาสาธิตแบบเสริมฤทธิ์กัน โมเลกุล 1,2,3-ไตรอะโซลที่ได้นั้นมีความน่าสนใจเป็นพิเศษในฐานะฟาร์มาโคฟอร์ในสาขาการค้นพบยา เนื่องจากมีการประยุกต์ใช้ทางชีวภาพและการใช้ในตัวแทนบำบัดต่างๆ 58
ปฏิกิริยานี้กลับมาเป็นที่สนใจอีกครั้งเมื่อ Sharpless และคนอื่นๆ ได้นำเสนอแนวคิดของ “เคมีคลิก”59 คำว่า “เคมีคลิก” ใช้เพื่ออธิบายชุดปฏิกิริยาที่แข็งแกร่ง เชื่อถือได้ และเลือกได้สำหรับการสังเคราะห์สารประกอบใหม่และไลบรารีแบบผสมผสานอย่างรวดเร็วผ่านการเชื่อมโยงเฮเทอโรอะตอม (CXC)60 ข้อดีของการสังเคราะห์ของปฏิกิริยาเหล่านี้มาจากผลผลิตที่สูง สภาวะของปฏิกิริยาง่าย ทนต่อออกซิเจนและน้ำ และการแยกผลิตภัณฑ์ทำได้ง่าย61
ปฏิกิริยาไซโคลแอดดิชัน 1,3-ไดโพลแบบคลาสสิกของ Huisgen ไม่จัดอยู่ในหมวดหมู่ของ “เคมีคลิก” อย่างไรก็ตาม Medal และ Sharpless ได้แสดงให้เห็นว่าเหตุการณ์การเชื่อมต่ออะไซด์-อัลไคน์นี้เกิดขึ้น 107 ถึง 108 ในที่ที่มี Cu(I) เมื่อเปรียบเทียบกับปฏิกิริยาไซโคลแอดดิชัน 1,3-ไดโพลาร์ที่ไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยา 62,63 ซึ่งทำให้เกิดการเร่งอัตราอย่างมีนัยสำคัญ กลไกปฏิกิริยาที่ได้รับการปรับปรุงนี้ไม่จำเป็นต้องใช้กลุ่มป้องกันหรือสภาวะปฏิกิริยาที่รุนแรง และให้ผลการแปลงสภาพและคัดเลือกเกือบสมบูรณ์เป็น 1,4-ไดซับสติทิวเตด 1,2,3-ไตรอะโซล (แอนติ-1,2,3-ไตรอะโซล) ในช่วงเวลาหนึ่ง (รูปที่ 3)
ผลลัพธ์ไอโซเมตริกของปฏิกิริยาไซโคลแอดดิชันของฮุยส์เกนแบบดั้งเดิมและแบบเร่งปฏิกิริยาด้วยทองแดง ปฏิกิริยาไซโคลแอดดิชันของฮุยส์เกนที่เร่งปฏิกิริยาด้วย Cu(I) จะให้ผลผลิตเป็น 1,4-ไดซับสติทิวเตด 1,2,3-ไตรอะโซลเท่านั้น ในขณะที่ปฏิกิริยาไซโคลแอดดิชันของฮุยส์เกนที่เหนี่ยวนำด้วยความร้อนโดยทั่วไปจะให้ผลผลิตเป็น 1,4- และ 1,5-ไตรอะโซล ซึ่งเป็นส่วนผสมของสเตอริโอไอโซเมอร์ของอะโซลในอัตราส่วน 1:1
โปรโตคอลส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการลดแหล่งกำเนิด Cu(II) ที่เสถียร เช่น การลด CuSO4 หรือการรวมตัวของสารประกอบ Cu(II)/Cu(0) กับเกลือโซเดียม เมื่อเปรียบเทียบกับปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาด้วยโลหะอื่นๆ การใช้ Cu(I) มีข้อดีหลักๆ คือราคาไม่แพงและจัดการได้ง่าย
การศึกษาจลนศาสตร์และการติดฉลากไอโซโทปโดย Worrell et al. 65 แสดงให้เห็นว่า ในกรณีของอัลไคน์ปลายทาง ทองแดงสองโมลมีส่วนเกี่ยวข้องในการกระตุ้นปฏิกิริยาของแต่ละโมเลกุลต่ออะไซด์ กลไกที่เสนอจะดำเนินไปผ่านวงแหวนโลหะทองแดงหกเหลี่ยมที่เกิดจากการประสานงานของอะไซด์กับทองแดงอะเซทิลิดที่เชื่อมต่อด้วยพันธะ σ โดยมีทองแดงที่เชื่อมต่อด้วยพันธะ π เป็นลิแกนด์ผู้ให้ที่เสถียร อนุพันธ์ของไตรอะโซลิลทองแดงเกิดขึ้นจากการหดตัวของวงแหวน ตามด้วยการสลายตัวของโปรตอนเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ไตรอะโซลและปิดวงจรเร่งปฏิกิริยา
แม้ว่าประโยชน์ของอุปกรณ์เคมีแบบไหลเวียนจะได้รับการบันทึกไว้อย่างดี แต่ก็มีความต้องการที่จะบูรณาการเครื่องมือวิเคราะห์เข้ากับระบบเหล่านี้เพื่อการตรวจสอบกระบวนการแบบอินไลน์และในสถานที่66,67 UAM พิสูจน์แล้วว่าเป็นวิธีการที่เหมาะสมสำหรับการออกแบบและผลิตเครื่องปฏิกรณ์แบบไหลเวียน 3 มิติที่ซับซ้อนสูงซึ่งทำจากวัสดุที่มีฤทธิ์เร่งปฏิกิริยาและนำความร้อนได้ดี โดยมีองค์ประกอบการตรวจจับฝังอยู่ภายในโดยตรง (รูปที่ 4)
เครื่องปฏิกรณ์แบบไหลเวียนอะลูมิเนียม-ทองแดงที่ผลิตด้วยเทคโนโลยีการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุด้วยคลื่นอัลตราโซนิค (UAM) พร้อมโครงสร้างช่องทางภายในที่ซับซ้อน เทอร์โมคัปเปิลแบบฝัง และห้องปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยา เพื่อแสดงภาพเส้นทางของของเหลวภายใน จึงได้แสดงต้นแบบโปร่งใสที่ผลิตโดยใช้เทคนิคสเตอริโอลิโทกราฟีด้วย
เพื่อให้แน่ใจว่าเครื่องปฏิกรณ์ได้รับการผลิตขึ้นเพื่อใช้ในปฏิกิริยาอินทรีย์ในอนาคต ตัวทำละลายจะต้องได้รับการให้ความร้อนอย่างปลอดภัยเหนือจุดเดือด โดยจะต้องผ่านการทดสอบความดันและอุณหภูมิ การทดสอบความดันแสดงให้เห็นว่าระบบรักษาความดันให้คงที่และเสถียรแม้ว่าความดันของระบบจะเพิ่มขึ้น (1.7 MPa) การทดสอบไฮโดรสแตติกดำเนินการที่อุณหภูมิห้องโดยใช้ H2O เป็นของเหลว
การเชื่อมต่อเทอร์โมคัปเปิลแบบฝังตัว (รูปที่ 1) เข้ากับเครื่องบันทึกข้อมูลอุณหภูมิแสดงให้เห็นว่าเทอร์โมคัปเปิลมีอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิที่ตั้งโปรแกรมไว้ในระบบ FlowSyn 6 °C (± 1 °C) โดยทั่วไป การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ 10 °C จะส่งผลให้ปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า ดังนั้นความแตกต่างของอุณหภูมิเพียงไม่กี่องศาก็สามารถเปลี่ยนแปลงอัตราการเกิดปฏิกิริยาได้อย่างมาก ความแตกต่างนี้เกิดจากการสูญเสียอุณหภูมิตลอดตัวเครื่องปฏิกรณ์เนื่องจากค่าการแพร่ความร้อนสูงของวัสดุที่ใช้ในกระบวนการผลิต การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมินี้มีความสม่ำเสมอและสามารถนำมาพิจารณาในการตั้งค่าอุปกรณ์เพื่อให้แน่ใจว่าอุณหภูมิที่แม่นยำจะถูกวัดได้ในระหว่างการเกิดปฏิกิริยา ดังนั้นเครื่องมือตรวจสอบออนไลน์นี้จึงช่วยให้ควบคุมอุณหภูมิของปฏิกิริยาได้อย่างแม่นยำและช่วยให้การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการและการพัฒนาสภาวะที่เหมาะสมมีความแม่นยำยิ่งขึ้น เซ็นเซอร์เหล่านี้ยังสามารถใช้เพื่อระบุปฏิกิริยาคายความร้อนและป้องกันปฏิกิริยาที่ควบคุมไม่ได้ในระบบขนาดใหญ่ได้อีกด้วย
เครื่องปฏิกรณ์ที่นำเสนอในงานวิจัยนี้เป็นตัวอย่างแรกของการประยุกต์ใช้เทคโนโลยี UAM ในการผลิตเครื่องปฏิกรณ์เคมี และแก้ไขข้อจำกัดสำคัญหลายประการที่เกี่ยวข้องกับการพิมพ์ AM/3D ของอุปกรณ์เหล่านี้ในปัจจุบัน เช่น: (i) การเอาชนะปัญหาที่รายงานเกี่ยวกับการแปรรูปโลหะผสมทองแดงหรืออะลูมิเนียม (ii) การปรับปรุงความละเอียดของช่องภายในเมื่อเทียบกับเทคนิคการหลอมผง (PBF) เช่น การหลอมด้วยเลเซอร์แบบเลือก (SLM)25,69 (iii) การไหลของวัสดุที่ไม่ดีและพื้นผิวที่หยาบ26 (iv) อุณหภูมิการประมวลผลที่ลดลง ซึ่งช่วยให้สามารถยึดติดเซ็นเซอร์โดยตรง ซึ่งเป็นไปไม่ได้ในเทคโนโลยีผง (v) การเอาชนะคุณสมบัติทางกลที่ไม่ดีและความไวของส่วนประกอบที่ทำจากพอลิเมอร์ต่อตัวทำละลายอินทรีย์ทั่วไปหลายชนิด17,19
การทำงานของเครื่องปฏิกรณ์ได้รับการสาธิตโดยชุดปฏิกิริยาการเติมไซโคลของอัลไคน์อะไซด์ที่เร่งปฏิกิริยาด้วยทองแดงภายใต้สภาวะการไหลต่อเนื่อง (รูปที่ 2) เครื่องปฏิกรณ์ทองแดงที่พิมพ์ด้วยอัลตราโซนิกซึ่งมีรายละเอียดในรูปที่ 4 ได้รับการบูรณาการเข้ากับระบบการไหลเชิงพาณิชย์และใช้ในการสังเคราะห์ไลบรารีอะไซด์ของ 1,4-ไดซับสติทิวเตด 1,2,3-ไตรอะโซลต่างๆ ผ่านปฏิกิริยาควบคุมอุณหภูมิของอะเซทิลีนและกลุ่มอัลคิลเฮไลด์ในที่ที่มีโซเดียมคลอไรด์ (รูปที่ 3) การใช้แนวทางการไหลต่อเนื่องช่วยลดความกังวลด้านความปลอดภัยที่อาจเกิดขึ้นในกระบวนการแบบแบทช์ เนื่องจากปฏิกิริยานี้สร้างสารตัวกลางอะไซด์ที่มีปฏิกิริยาสูงและเป็นอันตราย [317], [318] ในขั้นต้น ปฏิกิริยาได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการเติมไซโคลของฟีนิลอะเซทิลีนและไอโอโดอีเทน (แผนภาพที่ 1 – การเติมไซโคลของฟีนิลอะเซทิลีนและไอโอโดอีเทน) (ดูรูปที่ 5)
(ซ้ายบน) แผนผังแสดงการจัดวางที่ใช้ในการรวมเครื่องปฏิกรณ์ 3DP เข้ากับระบบการไหล (ขวาบน) ที่ได้จากแผนการปรับให้เหมาะสม (ด้านล่าง) ของแผนการปฏิกิริยาไซโคลแอดดิชันของ Huisgen 57 ระหว่างฟีนิลอะเซทิลีนและไอโอโดอีเทนเพื่อการปรับให้เหมาะสม และแสดงพารามิเตอร์ที่ปรับให้เหมาะสม อัตราการแปลงปฏิกิริยา
ด้วยการควบคุมระยะเวลาที่สารตั้งต้นอยู่ในส่วนเร่งปฏิกิริยาของเครื่องปฏิกรณ์ และการตรวจสอบอุณหภูมิปฏิกิริยาอย่างใกล้ชิดด้วยหัววัดเทอร์โมคัปเปิลที่ติดตั้งอยู่ภายใน ทำให้สามารถปรับเงื่อนไขปฏิกิริยาให้เหมาะสมได้อย่างรวดเร็วและแม่นยำ โดยใช้เวลาและวัสดุน้อยที่สุด จากการทดลองพบว่าอัตราการแปลงสูงสุดเกิดขึ้นเมื่อระยะเวลาที่สารตั้งต้นอยู่ในเครื่องปฏิกรณ์ 15 นาที และอุณหภูมิปฏิกิริยา 150 °C จากกราฟสัมประสิทธิ์ของซอฟต์แวร์ MODDE จะเห็นได้ว่าทั้งระยะเวลาที่สารตั้งต้นอยู่ในเครื่องปฏิกรณ์และอุณหภูมิปฏิกิริยาเป็นตัวแปรสำคัญในแบบจำลอง การใช้ตัวปรับค่าที่เหมาะสมที่สุดในโปรแกรมโดยใช้ตัวแปรที่เลือกเหล่านี้ จะสร้างชุดเงื่อนไขปฏิกิริยาที่ออกแบบมาเพื่อเพิ่มพื้นที่พีคของผลิตภัณฑ์ให้สูงสุด ในขณะที่ลดพื้นที่พีคของสารตั้งต้น การปรับค่าให้เหมาะสมนี้ทำให้ได้อัตราการแปลงของผลิตภัณฑ์ไตรอะโซล 53% ซึ่งใกล้เคียงกับค่าที่แบบจำลองคาดการณ์ไว้ที่ 54%
จากเอกสารที่แสดงให้เห็นว่าคอปเปอร์(I) ออกไซด์ (Cu2O) สามารถทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพบนพื้นผิวทองแดงศูนย์วาเลนซ์ในปฏิกิริยาเหล่านี้ จึงได้มีการศึกษาความสามารถในการออกซิไดซ์พื้นผิวของเครื่องปฏิกรณ์ก่อนที่จะดำเนินการปฏิกิริยาในระบบไหล70,71 จากนั้นจึงทำการทดลองปฏิกิริยาระหว่างฟีนิลอะเซทิลีนและไอโอโดอีเทนอีกครั้งภายใต้สภาวะที่เหมาะสม และเปรียบเทียบผลผลิต พบว่าการเตรียมการนี้ส่งผลให้การแปลงสารตั้งต้นเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งคำนวณได้มากกว่า 99% อย่างไรก็ตาม การตรวจสอบโดย HPLC แสดงให้เห็นว่าการแปลงนี้ช่วยลดเวลาปฏิกิริยาที่ยาวนานเกินไปลงอย่างมากจนเหลือประมาณ 90 นาที หลังจากนั้นกิจกรรมดูเหมือนจะคงที่และถึง "สภาวะสมดุล" การสังเกตนี้ชี้ให้เห็นว่าแหล่งที่มาของกิจกรรมเร่งปฏิกิริยาได้มาจากคอปเปอร์ออกไซด์บนพื้นผิวมากกว่าพื้นผิวทองแดงศูนย์วาเลนซ์ โลหะ Cu ถูกออกซิไดซ์ได้ง่ายที่อุณหภูมิห้องเพื่อสร้าง CuO และ Cu2O ซึ่งไม่ใช่ชั้นป้องกันตัวเอง ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องเพิ่มแหล่งคอปเปอร์(II) เสริมสำหรับ การร่วมแต่งเพลง 71.