Nature.com saýtyna gireniňiz üçin sag boluň. Ulanýan brauzeriňiziň wersiýasynda CSS üçin çäkli goldaw bar. Iň gowy tejribe üçin täzelenen brauzer ulanmagyňyzy maslahat berýäris (ýa-da Internet Explorer-de utgaşyklylyk režimini öçüriň). Şol bir wagtyň özünde, goldawy dowam etdirmegi üpjün etmek üçin saýty stillersiz we JavaScript-siz görkezeris.
Goşundy önümçiligi ylmy işgärleriň we senagatçylaryň özleriniň aýratyn zerurlyklaryny kanagatlandyrmak üçin himiki enjamlary dizaýn etmek we öndürmek usulyny üýtgedýär. Bu işde biz gönüden-göni integrasiýa edilen katalitik bölekleri we duýujy elementleri bolan gaty ýagdaýly metal list laminasiýa tehnikasy bilen döredilen akym reaktorynyň ilkinji mysalyny habar berýäris. UAM tehnologiýasy häzirki wagtda himiki reaktorlaryň goşundy önümçiligi bilen baglanyşykly köp çäklendirmeleri ýeňip geçmek bilen çäklenmän, eýsem şeýle enjamlaryň mümkinçiliklerini hem ep-esli artdyrýar. Biologik taýdan möhüm 1,4-destibusiýa edilen 1,2,3-triazol birleşmeleriniň birnäçesi üstünlikli sintez edildi we UAM himiýa gurluşyny ulanyp, Cu arkaly amala aşyrylýan Huisgen 1,3-dipol siklogoşma reaksiýasy arkaly optimizirlendi. UAM-yň we üznüksiz akym işlemeginiň özboluşly häsiýetlerini ulanmak arkaly enjam dowam edýän reaksiýalary katalizläp bilýär, şeýle hem reaksiýa gözegçiligi we optimizasiýa üçin real wagt režiminde pikir alyşmalary üpjün edip bilýär.
Akym himiýasy, köpçülikleýin kärdeşine garanyňda uly artykmaçlyklary sebäpli, himiki sinteziň selektiwligini we netijeliligini ýokarlandyrmak ukyby sebäpli akademiki we senagat gurşawynda möhüm we ösýän ugur bolup durýar. Bu ýönekeý organiki molekulalaryň emele gelmeginden1 derman birleşmelerine2,3 we tebigy önümlere4,5,6 çenli dowam edýär. Inçe himiýa we derman senagatyndaky reaksiýalaryň 50% -den gowragy üznüksiz akym gaýtadan işlemegini ulanmakdan peýda görüp biler7.
Soňky ýyllarda däp bolan aýna gap-gaçlaryny ýa-da akym himiýa enjamlaryny özleşdirip bolýan goşmaça önümçilik (AM) himiýa "reaksiýa gaplary" bilen çalşyrmak isleýän toparlaryň artýan meýli barha artýar8. Bu usullaryň gaýtalanýan dizaýny, çalt öndürilişi we 3 ölçegli (3D) mümkinçilikleri öz enjamlaryny belli bir reaksiýalar toplumyna, enjamlara ýa-da şertlere görä özleşdirmek isleýänler üçin peýdalydyr. Häzirki güne çenli bu iş diňe stereolitografiýa (SL)9,10,11, ergin çökündi modelirleme (FDM)8,12,13,14 we syýaly çap etmek 7, 15, 16 ýaly polimer esasly 3D çap etmek usullaryny ulanmaga gönükdirilendir. Şeýle enjamlaryň berkliginiň we dürli himiki reaksiýalary/analizleri ýerine ýetirmek ukybynyň ýoklugy17, 18, 19, 20 bu ugurda AM-iň has giň ornaşdyrylmagy üçin esasy çäklendiriji faktordyr17, 18, 19, 20.
Akym himiýasynyň barha köp ulanylmagy we AM bilen baglanyşykly amatly häsiýetler sebäpli, ulanyjylara güýçlendirilen himiki we analitiki mümkinçiliklere eýe bolan akym reaksiýa gaplaryny döretmäge mümkinçilik berýän has ösen usullary öwrenmek zerurdyr. Bu usullar ulanyjylara dürli reaksiýa şertlerini dolandyryp bilýän ýokary derejede berk ýa-da işjeň materiallaryň arasyndan saýlamaga mümkinçilik bermeli, şeýle hem reaksiýa gözegçiligini we gözegçiligini üpjün etmek üçin enjamdan dürli analitik çykyş görnüşlerini ýeňilleşdirmelidir.
Himiki reaktorlary işläp düzmek mümkinçiligine eýe bolan goşmaça önümçilik prosesleriniň biri Ultrases Goşmaça Önümçiligi (UAM)dyr. Bu gaty ýagdaýly list laminasiýa usuly ultrases ylgawlaryny inçe metal folgalara ulanyp, olary gatlak-gatlak minimal köpçülikleýin gyzdyrma we ýokary derejeli plastik akymy bilen birleşdirýär 21, 22, 23. Beýleki AM tehnologiýalarynyň köpüsinden tapawutlylykda, UAM gibrid önümçilik prosesi hökmünde tanalýan subtraktiw önümçilik bilen gönüden-göni integrasiýa edilip bilner, bu prosesde in-situ döwürleýin kompýuter sanly dolandyryş (CNC) frezerleme ýa-da lazer bilen işleme birikdirilen material gatlagynyň arassa görnüşini kesgitleýär 24, 25. Bu ulanyjynyň kiçi suwuklyk kanallaryndan galan çig gurluşyk materialyny aýyrmak bilen baglanyşykly meseleler bilen çäklenmändigini aňladýar, bu köplenç poroşok we suwuk AM ulgamlarynda bolýar 26, 27, 28. Bu dizaýn erkinligi elýeterli material saýlamalaryna hem degişlidir - UAM termiki taýdan meňzeş we tapawutly material kombinasiýalaryny bir proses ädiminde birikdirip bilýär. Ereme prosesinden daşary material kombinasiýalaryny saýlamak, belli bir ulanylyşlaryň mehaniki we himiki talaplarynyň has gowy kanagatlandyrylyp bilinjekdigini aňladýar. Gaty ýagdaýly baglanyşdan başga-da, bu döwürde duş gelýän başga bir hadysa Ultrases baglanyşygy plastik materiallaryň deňeşdirme boýunça pes temperaturada ýokary akymydyr29,30,31,32,33.UAM-yň bu özboluşly aýratynlygy metal gatlaklarynyň arasynda mehaniki/termiki elementleriň zyýansyz ýerleşdirilmegine ýardam berip biler.UAM-yň ýerleşdirilen datçikleri integrasiýa edilen analitika arkaly enjamdan ulanyja hakyky wagt maglumatlarynyň ýetirilmegine ýardam berip biler.
Awtorlaryň öňki işleri32 UAM prosesiniň integrasiýa edilen duýujylyk mümkinçilikleri bilen metal 3D mikrofluid gurluşlaryny döretmek ukybyny görkezdi. Bu diňe gözegçilik enjamydyr. Bu makala UAM tarapyndan öndürilen mikrofluid himiki reaktoryň ilkinji mysalyny görkezýär; diňe gözegçilik etmek bilen çäklenmän, eýsem gurluş taýdan integrasiýa edilen katalizator materiallary arkaly himiki sintezi hem döredýän işjeň enjam. Enjam 3D himiki enjam önümçiliginde UAM tehnologiýasy bilen baglanyşykly birnäçe artykmaçlyklary özünde jemleýär, mysal üçin: doly 3D dizaýnlary kompýuter kömekli dizaýn (CAD) modellerinden önümlere gönüden-göni öwürmek ukyby; ýokary ýylylyk geçirijiligini we katalitik materiallary utgaşdyrmak üçin köp materially önümçilik; we reaksiýanyň temperaturasyny takyk gözegçilikde saklamak we dolandyrmak üçin reagent akymlarynyň arasyna gönüden-göni termal datçikleri goýmak. Reaktoryň funksiýasyny görkezmek üçin, mis katalizlenen Huisgen 1,3-dipol siklogoşulmasy arkaly farmasewtiki taýdan möhüm 1,4-destibusiýa edilen 1,2,3-triazol birleşmeleriniň kitaphanasy sintez edildi. Bu iş material ylmynyň we kompýuter kömegi bilen dizaýnyň ulanylyşynyň köpugurly barlaglar arkaly himiýa üçin täze mümkinçilikleri we mümkinçilikleri nähili açyp biljekdigini görkezýär.
Ähli erginler we reagentler Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI ýa-da Fischer Scientific-den satyn alyndy we öňünden arassalanmazdan ulanyldy. Degişlilikde 400 MHz we 100 MHz-de ýazylan 1H we 13C NMR spektrleri JEOL ECS-400 400 MHz spektrometri ýa-da Bruker Avance II 400 MHz spektrometri we ergin hökmünde CDCl3 ýa-da (CD3)2SO ulanylyp alyndy. Ähli reaksiýalar Uniqsis FlowSyn akym himiýa platformasy ulanylyp geçirildi.
Bu gözlegde ähli enjamlary öndürmek üçin UAM ulanyldy. Tehnologiýa 1999-njy ýylda oýlap tapyldy we onuň tehniki jikme-jiklikleri, işleýiş parametrleri we oýlap tapyşyndan bäri gazanylan ösüşler aşakdaky çap edilen materiallar arkaly öwrenilip bilner34,35,36,37. Enjam (1-nji surat) örän ýokary kuwwatly, 9 kW SonicLayer 4000® UAM ulgamy (Fabrisonic, OH, ABŞ) arkaly amala aşyryldy. Akym enjamynyň öndürilmegi üçin saýlanan materiallar Cu-110 we Al 6061 boldy. Cu-110-yň mis mukdary ýokary (minimum 99,9% mis), bu bolsa ony mis katalizlenen reaksiýalar üçin gowy dalaşgär edýär we şonuň üçin mikroreaktoryň içinde "aktiw gatlak" hökmünde ulanylýar. Al 6061O "köp mukdarda" material hökmünde ulanylýar, şeýle hem analiz üçin gömüji gatlak ulanylýar; Ergin kömekçi komponenti gömüji we Cu-110 gatlagy bilen utgaşdyrylan tawlanan ýagdaý. Al 6061O UAM bilen ýokary derejede gabat gelýändigi subut edilen materialdyr. prosesler38, 39, 40, 41 we synagdan geçirildi we bu işde ulanylan reagentler bilen himiki taýdan durnuklydygy anyklandy. Al 6061 O-nyň Cu-110 bilen utgaşmasy hem UAM üçin gabat gelýän material utgaşmasy hasaplanýar we şonuň üçin bu gözleg üçin amatly materialdyr. 38,42 Bu enjamlar aşakdaky 1-nji tablisada görkezilen.
Reaktoryň öndürilişiniň tapgyrlary (1) Al 6061 substraty (2) Mis folga bilen oturdylan aşaky kanalyň öndürilişi (3) Gatlaklaryň arasynda termoparlaryň ýerleşdirilmegi (4) Ýokarky kanal (5) Giriş we çykyş (6) Monolit reaktor.
Suwuklyk ýolunyň dizaýn filosofiýasy, çipiň içinde suwuklygyň geçýän aralygyny köpeltmek üçin, şol bir wagtyň özünde çipi dolandyryp boljak ululykda saklamak üçin gyrymsy ýoly ulanmakdyr. Aralygyň bu artmagy katalizator/reagent özara täsirleşme wagtyny köpeltmek we ajaýyp önüm çykaryşyny üpjün etmek üçin zerurdyr. Çipler enjamyň içinde turbulent garyşmany döretmek we suwuklygyň ýüz (katalizator) bilen gatnaşygy wagtyny köpeltmek üçin göni ýoluň ujunda 90° egrilikleri ulanýarlar. Gazanyp boljak garyşdyrmany has-da köpeltmek üçin, reaktoryň dizaýnynda serpantin garyşdyryş bölümine girmezden öň Y-birikmesinde birleşdirilen iki reagent girişi bar. Akymyň ýerleşýän ýeriniň ýarysynda kesişýän üçünji giriş geljekki köp basgançakly reaksiýa sintezleriniň dizaýnyna girizildi.
Ähli kanallaryň kwadrat profili bar (çekiş burçlary ýok), bu kanal geometriýasyny döretmek üçin ulanylan döwürleýin CNC frezerlemesiniň netijesidir. Kanal ölçegleri ýokary (mikroreaktor üçin) göwrüm çykyşyny üpjün etmek üçin saýlanýar, şol bir wagtyň özünde içindäki suwuklyklaryň köpüsi üçin ýüz özara täsirlerini (katalizatorlary) ýeňilleşdirmek üçin ýeterlik derejede kiçi bolýar. Degişli ölçeg awtorlaryň reaksiýa üçin metal-suwuk enjamlar bilen öňki tejribesine esaslanýar. Soňky kanalyň içki ölçegleri 750 µm x 750 µm we reaktoryň umumy göwrümi 1 ml boldy. Enjamyň täjirçilik akym himiýa enjamlary bilen ýönekeý aragatnaşyk saklamagy üçin dizaýna integrasiýa edilen birleşdiriji (1/4″—28 UNF sapak) goşuldy. Kanal ölçegi folga materialynyň galyňlygy, onuň mehaniki häsiýetleri we ultrases bilen ulanylýan birikdirme parametrleri bilen çäklendirilýär. Berlen material üçin belli bir giňlikde material döredilen kanala "çöker". Häzirki wagtda bu hasaplama üçin belli bir model ýok, şonuň üçin berlen material we dizaýn üçin kanalyň iň ýokary giňligi tejribe arkaly kesgitlenýär; bu ýagdaýda, 750 μm giňlik çökme döretmez.
Kanalyň görnüşi (kwadrat) kwadrat kesiji arkaly kesgitlenýär. Kanallaryň görnüşi we ölçegi dürli akym tizliklerini we häsiýetlerini almak üçin dürli kesiji gurallary ulanyp CNC maşynlary arkaly üýtgedilip bilner. 125 μm guraly ulanyp egri görnüşli kanal döretmegiň mysalyny Monaghan45 işinden tapyp bolýar. Folga gatlagy tekiz görnüşde ýerleşdirilende, kanallaryň üstünden folga materialynyň örtügi tekiz (kwadrat) örtüge eýe bolar. Bu işde kanalyň simmetriýasyny saklamak üçin kwadrat kontur ulanyldy.
Önümçilikde öňünden programmalaşdyrylan arakesme wagtynda, termopar temperatura zondlary (K görnüşi) enjamyň içine gönüden-göni ýokarky we aşaky kanal toparlarynyň arasynda ýerleşdirilýär (1-nji surat - 3-nji tapgyr). Bu termoparlar temperatura üýtgemelerini -200-den 1350 °C-a çenli gözegçilik edip bilýärler.
Metal çökdürme prosesi 25,4 mm giňlikdäki, 150 mikron galyňlykdaky metal folga ulanyp, UAM şahnasy arkaly ýerine ýetirilýär. Bu folga gatlaklary tutuş gurluşyk meýdanyny örtmek üçin birnäçe goňşy zolaklara birikdirilýär; çökdürilen materialyň ölçegi gutarnykly önümden has uly bolýar, sebäbi aýyrma prosesi gutarnykly tor görnüşini döredýär. CNC işläp bejermek enjamyň daşky we içki konturlaryny işläp bejermek üçin ulanylýar, netijede enjamyň we kanallaryň ýüzi saýlanan gurallara we CNC proses parametrlerine deň bolýar (bu mysalda takmynan 1,6 μm Ra). Ölçeg takyklygynyň saklanmagyny we taýýar bölegiň CNC gutarnykly frezerleme takyklyk derejelerine laýyk gelmegini üpjün etmek üçin enjamyň önümçilik prosesinde üznüksiz, üznüksiz ultrases material çökdürme we işläp bejerme siklleri ulanylýar. Bu enjam üçin ulanylýan kanalyň giňligi folga materialynyň suwuklyk kanalyna "çökmezligini" üpjün etmek üçin ýeterlik derejede kiçi, şonuň üçin kanal kwadrat kesimi saklaýar. Folga materialynda we UAM proses parametrlerinde mümkin bolan boşluklar önümçilik hyzmatdaşy (Fabrisonic LLC, ABŞ) tarapyndan tejribe arkaly kesgitlenildi.
Barlaglar goşmaça termiki işleme bolmazdan UAM baglanyşyk serhedinde 46, 47 elementar diffuziýanyň az bolýandygyny görkezdi, şonuň üçin bu işdäki enjamlar üçin Cu-110 gatlagy Al 6061 gatlagyndan tapawutly bolup galýar we birden üýtgeýär.
Reaktoryň çykyş ýerine öňünden kalibrlenen 250 psi (1724 kPa) basyş regulýatoryny (BPR) gurnaň we suwy reaktordan 0,1-den 1 ml min-1 tizlikde pompalaň. Reaktoryň basyşy FlowSyn gurlan ulgam basyş datçigi arkaly gözegçilik edilip, ulgamyň yzygiderli durnukly basyşy saklap biljekdigine göz ýetirildi. Akym reaktoryndaky mümkin bolan temperatura gradientleri reaktoryň içine ýerleşdirilen termoparlar bilen FlowSyn çip gyzdyryjy plitasynyň içine ýerleşdirilen termoparlaryň arasyndaky islendik tapawutlary anyklamak arkaly synagdan geçirildi. Bu programmalaşdyrylýan gyzdyryjy plitanyň temperaturasyny 25 °C aralyklarda 100 we 150 °C aralygynda üýtgetmek we programmalaşdyrylan we ýazylan temperaturalaryň arasyndaky islendik tapawutlary bellemek arkaly gazanylýar. Bu tc-08 maglumat ýazgy enjamy (PicoTech, Kembrij, Beýik Britaniýa) we oňa degişli PicoLog programma üpjünçiligi arkaly gazanyldy.
Fenilasetileniň we ýodoetanyň siklogoşulyş reaksiýa şertleri optimizirlendi (1-nji shema - Fenilasetileniň we ýodoetanyň siklogoşulyşy 1-nji shema - Fenilasetileniň we ýodoetanyň siklogoşulyşy). Bu optimizasiýa temperatura we ýaşamak wagtyny üýtgeýän parametrler hökmünde ulanyp, alkin:azid gatnaşygyny 1:2 derejesinde kesgitleýän tejribeleriň doly faktorial dizaýny (DOE) usuly bilen amala aşyryldy.
Natriý azidiniň (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), ýodoetanyň (0,25 M, DMF) we fenilasetileniň (0,125 M, DMF) aýry-aýry erginleri taýýarlanyldy. Her erginiň 1,5 ml alikwoty garyşdyryldy we reaktor arkaly islenýän akym tizliginde we temperaturada pompalandy. Model jogaby triazol önüminiň fenilasetilen başlangyç materialyna bolan iň ýokary meýdan gatnaşygy hökmünde alyndy we ýokary öndürijilikli suwuklyk hromatografiýasy (HPLC) arkaly kesgitlenildi. Analiziň yzygiderliligi üçin, ähli reaksiýalar reaksiýa garyndysy reaktordan çykandan soň nusga alyndy. Optimallaşdyrmak üçin saýlanan parametr aralyklary 2-nji tablisada görkezilen.
Ähli nusgalar dörtlük nasosdan, sütun peçden, üýtgeýän tolkun uzynlygyndaky UV detektordan we awtosamplerden ybarat bolan Chromaster HPLC ulgamy (VWR, PA, ABŞ) arkaly seljerildi. Sütun 40 °C-de saklanýan 4.6 × 100 mm ölçegli, 5 µm bölejik ölçegli Ekwivalent 5 C18 (VWR, PA, ABŞ) boldy. Erediji 1.5 ml.min-1 akym tizligindäki izokratik 50:50 metanol: suw boldy. Inýeksiýanyň göwrümi 5 µL we detektoryň tolkun uzynlygy 254 nm boldy. DOE nusgasy üçin pik meýdanynyň % diňe galan alkin we triazol önümleriniň pik meýdanlaryndan hasaplandy. Başlangyç materialyň inýeksiýasy degişli pikleri kesgitlemäge mümkinçilik berýär.
Reaktoryň analiz çykyşyny MODDE DOE programma üpjünçiligine (Umetrics, Malmö, Şwesiýa) birikdirmek, netijeleriň meýillerini düýpli seljermäge we bu siklogoşulyş üçin optimal reaksiýa şertlerini kesgitlemäge mümkinçilik berdi. Içerki optimizatory işletmek we ähli möhüm model şertlerini saýlamak asetilen başlangyç materialy üçin pik meýdanyny azaltmak bilen birlikde önümiň pik meýdanyny iň ýokary derejä çykarmak üçin niýetlenen reaksiýa şertleriniň toplumyny berýär.
Katalitik reaksiýa kamerasynyň içinde misiň ýüzleý oksidlenmegi, her bir triazol birleşme kitaphanasynyň sintezinden öň, reaksiýa kamerasyndan akýan wodorod peroksidiň (36%) ergini (akym tizligi = 0,4 ml min-1, saklanma wagty = 2,5 min) ulanylyp amala aşyryldy.
Optimal şertler toplumy anyklanandan soň, olar kiçi kitaphana sintezini düzmäge mümkinçilik bermek üçin asetilen we galoalkan türewleriniň dürli görnüşlerine ulanyldy we şeýdip bu şertleri has giň mümkin bolan reagentlere ulanmak mümkinçiligi döredildi (1-nji surat).2).
Natriý azidiniň (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), galoalkanlaryň (0,25 M, DMF) we alkinleriň (0,125 M, DMF) aýry erginlerini taýýarlaň. Her erginiň 3 ml alikwotalary garyşdyrylyp, reaktordan 75 µL.min-1 we 150 °C temperaturada pompalandy. Umumy göwrüm flakonda ýygnaldy we 10 ml etil asetat bilen suwuklandyryldy. Nusga ergini 3 × 10 ml suw bilen ýuwuldy. Suw gatlaklary birleşdirildi we 10 ml etil asetat bilen ekstraksiýa edildi; soňra organiki gatlaklar birleşdirildi, 3 x 10 ml duzly suw bilen ýuwuldy, MgSO4 üstünde guradyldy we süzüldi, soňra ergin wakuumda aýryldy. Nusgalar HPLC, 1H NMR, 13C NMR we ýokary çözgütli massa spektrometriýasy (HR-MS) arkaly analizden öň etil asetat ulanyp, silika gelinde sütun hromatografiýasy arkaly arassalandy.
Ähli spektrler ionlaşma çeşmesi hökmünde ESI bolan Thermofischer takyk Orbitrap çözgüdi massa spektrometri arkaly alyndy. Ähli nusgalar asetonitril ergin hökmünde ulanylyp taýýarlanyldy.
TLC analizi alýumin bilen üpjün edilen kwarts plitalarynda geçirildi. Plitalar UV şöhlesi (254 nm) ýa-da wanillin boýagy we gyzdyrylmagy arkaly görkezildi.
Ähli nusgalar awtomatik nusga alyjy, sütunly peç binar nasosy we bir tolkun uzynlygy detektory bilen enjamlaşdyrylan VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, Beýik Britaniýa) ulgamy arkaly seljerildi. Ulanylan sütun ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4.6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Şotlandiýa) boldy.
Inýeksiýalar (5 µL) gönüden-göni suwuklandyrylan çig reaksiýa garyndysyndan (1:10 suwuklandyrma) ýasaldy we suw:metanol (50:50 ýa-da 70:30) bilen seljerildi, käbir nusgalar bolsa 70:30 ergin ulgamyny (ýyldyz sany hökmünde görkezilýär) 1,5 ml/min akym tizliginde ulanyp seljerildi. Sütün 40 °C-de saklandy. Detektoryň tolkun uzynlygy 254 nm.
Nusganyň pik meýdanynyň %-i galyndy alkiniň pik meýdanyndan, diňe triazol önüminden hasaplandy we başlangyç materialyň inýeksiýasy degişli pikleri kesgitlemäge mümkinçilik berdi.
Ähli nusgalar Thermo iCAP 6000 ICP-OES ulanylyp seljerildi. Ähli kalibrleme standartlary 2% azot kislotasynda (SPEX Certi Prep) 1000 ppm Cu standart ergini ulanylyp taýýarlanyldy. Ähli standartlar 5% DMF we 2% HNO3 ergininde taýýarlanyldy we ähli nusgalar DMF-HNO3 nusga ergininde 20 esse suwuklandyryldy.
UAM soňky ýygnamagy gurmak üçin ulanylýan metal folga materialy üçin birikdirme usuly hökmünde ultrases metal kebşirlemesini ulanýar. Ultrases metal kebşirlemesi materialy titredip, birikdiriljek folga gatlagyna/öň berkidilen gatlaga basyş etmek üçin titreýän metal guralyny (gürnük ýa-da ultrases gürnük diýilýär) ulanýar. Yzygiderli işlemek üçin sonotrod silindrik görnüşde bolýar we materialyň ýüzünden aýlanyp, tutuş meýdany birleşdirýär. Basyş we titreme ulanylanda, materialyň ýüzündäki oksidler çatlap biler. Dowamly basyş we titreme materialyň terslikleriniň ýykylmagyna sebäp bolup biler 36. Ýerli induksiýa edilen ýylylyk we basyş bilen ýakyn gatnaşyk material serhetlerinde gaty ýagdaýda birikdirilmegine getirýär; şeýle hem ýüz energiýasyndaky üýtgeşmeler arkaly ýelmeşmäge kömek edip biler 48. Baglanyşyk mehanizminiň tebigaty beýleki goşmaça önümçilik usullarynda agzalýan üýtgeýän ereme temperaturasy we ýokary temperatura täsirleri bilen baglanyşykly köp kynçylyklary ýeňip geçýär. Bu dürli materiallaryň köp gatlaklaryny bir bitewi berkidilen gurluşa gönüden-göni birikdirmäge (ýagny, ýüz üýtgedilmezden, doldurgyçlar ýa-da ýelmeşdirijiler bolmazdan) mümkinçilik berýär.
UAM üçin ikinji bir amatly faktor, hatda pes temperaturada, ýagny metal materiallaryň ereme nokadyndan has aşakda hem metal materiallarda syn edilýän ýokary derejeli plastik akymydyr. Ultrases yrgyldawynyň we basyşyň utgaşmasy, däp boýunça köpçülikleýin materiallar bilen baglanyşykly uly temperatura ýokarlanmazdan, ýerli däne serhetleriniň göçmeginiň we gaýtadan kristallaşmanyň ýokary derejesini döredýär. Soňky gurnamanyň gurluşygy mahalynda, bu hadysany metal folga gatlaklarynyň arasynda gatlak-gatlak aktiw we passiw komponentleri goýmak üçin ulanyp bolýar. Optiki süýümler 49, güýçlendirmeler 46, elektronika 50 we termoparlar (bu iş) ýaly elementler aktiw we passiw kompozit gurluşlary döretmek üçin UAM gurluşlaryna üstünlikli ornaşdyryldy.
Bu işde, UAM-yň dürli materiallaryň baglanyş we interkalasiýa mümkinçilikleriniň ikisi hem katalitik temperatura gözegçilik mikroreaktoryny döretmek üçin ulanyldy.
Palladiý (Pd) we beýleki giňden ulanylýan metal katalizatorlary bilen deňeşdirilende, Cu kataliziniň birnäçe artykmaçlyklary bar: (i) Ykdysady taýdan, Cu katalizde ulanylýan köp sanly beýleki metallara garanyňda arzan we şonuň üçin himiki gaýtadan işlemek senagaty üçin özüne çekiji wariantdyr (ii) Cu bilen katalizlenen özara baglanyşyk reaksiýalarynyň görnüşleri artýar we Pd esasyndaky usullara belli bir derejede goşmaça bolup görünýär51,52,53 (iii) Cu bilen katalizlenen reaksiýalar beýleki ligandlar ýoklugynda gowy işleýär, Bu ligandlar köplenç gurluş taýdan ýönekeý we islense arzan bolýar, Pd himiýasynda ulanylýanlar bolsa köplenç çylşyrymly, gymmat we howa duýgurdyr (iv) Cu, esasanam sintezde alkinleri baglanyşdyrmak ukyby bilen tanalýar, Mysal üçin, bimetallik-katalizlenen Sonogashira birikmesi we azidler bilen siklogoşulmasy (klik himiýasy) (v)Cu şeýle hem Ullmann görnüşli reaksiýalarda birnäçe nukleofilleriň arilleşdirilmegine ýardam berip bilýär.
Bu reaksiýalaryň ählisiniň heterojenleşme mysallary ýakynda Cu(0)-yň gatnaşmagynda görkezildi. Bu, esasan, derman senagaty we metal katalizatorlaryny dikeltmek we gaýtadan ulanmaklyga ünsüň artmagy bilen baglanyşyklydyr55,56.
1960-njy ýyllarda Huisgen tarapyndan ilkinji gezek öňe sürüldi57, asetilen bilen azid arasynda 1,2,3-triazol bilen 1,3-dipolýar siklogoşma reaksiýasy sinergetik demonstrasiýa reaksiýasy hasaplanýar. Netijede dörän 1,2,3 triazol bölekleri biologik ulanylyşy we dürli terapewtik serişdelerde ulanylmagy sebäpli derman serişdelerini açmak ulgamynda farmakofor hökmünde aýratyn gyzyklanma döredýär58.
Bu reaksiýa Şarpless we beýlekiler "klik himiýasy" düşünjesini girizende ýene-de üns merkezinde boldy59. "Klik himiýasy" termini täze birleşmeleriň we geteroatom baglanyşygy (CXC) arkaly kombinator kitaphanalaryň çalt sintezi üçin berk, ygtybarly we selektiw reaksiýalar toplumyny suratlandyrmak üçin ulanylýar60 Bu reaksiýalaryň sintetiki özüne çekijiligi olaryň ýokary hasyllylygyndan, reaksiýa şertleriniň ýönekeýliginden, kisloroda we suwa garşylygyndan we önümleriň bölünmeginiň aňsatlygyndan gelip çykýar61.
Huisgen 1,3-dipol siklogoşulmasy "klik himiýasy" kategoriýasyna degişli däl. Şeýle-de bolsa, Medal we Şarpless bu azid-alkin birleşme hadysasynyň Cu(I)-iň gatnaşmagynda katalizlenmedik 1,3-dipol siklogoşulmasy 62,63 ep-esli tizlenme bilen deňeşdirilende 107-den 108-e çenli dowam edýändigini görkezdiler. Bu gowulandyrylan reaksiýa mehanizmi gorag toparlaryny ýa-da agyr reaksiýa şertlerini talap etmeýär we wagt ölçeginde 1,4-destibusiýa edilen 1,2,3-triazollara (anti-1,2,3-triazol) doly öwrüliş we selektiwlik berýär (3-nji surat).
Adaty we mis katalizlenen Huisgen siklogoşmalarynyň izometrik netijeleri. Cu(I)-katalizlenen Huisgen siklogoşmalary diňe 1,4-destibusiýa edilen 1,2,3-triazollary berýär, termiki taýdan induksiýa edilen Huisgen siklogoşmalary bolsa adatça azollaryň stereoizomerleriniň 1:1 garyndysyny 1,4- we 1,5-triazollary berýär.
Köp protokollar CuSO4 ýa-da Cu(II)/Cu(0) görnüşleriniň natriý duzlary bilen bilelikde birleşmegi ýaly durnukly Cu(II) çeşmeleriniň azaldylmagyny öz içine alýar. Beýleki metal katalizlenen reaksiýalar bilen deňeşdirilende, Cu(I) ulanmagyň arzan we ulanmak aňsat bolmagy ýaly esasy artykmaçlyklary bar.
Worrell we beýlekiler tarapyndan kinetik we izotopiki etiketleme barlaglary, terminal alkinleriň ýagdaýynda, her bir molekulanyň azide garşy reaksiýa ukybyny işjeňleşdirmekde iki ekwiwalent misiň gatnaşýandygyny görkezdi. Teklip edilýän mehanizm azidiň σ-baglanyşykly mis asetilide durnukly donor ligand hökmünde π-baglanyşykly mis bilen utgaşdyrylmagy netijesinde emele gelen alty agzaly mis metal halkasyndan geçýär. Triazolil mis türewleri halka kiçelmegi, soňra proton parçalanmagy arkaly emele gelýär we triazol önümlerini üpjün edýär we katalitik sikli ýapýar.
Akym himiýa enjamlarynyň peýdalary gowy dokumentleşdirilen bolsa-da, prosesleriň yzygiderli, ýerinde gözegçilik edilmegi üçin analitik gurallary bu ulgamlara goşmak islegi döräpdir66,67. UAM katalitik taýdan işjeň, termal geçiriji materiallardan ýasalan we gönüden-göni içine goýlan duýujy elementleri bolan örän çylşyrymly 3D akym reaktorlaryny dizaýn etmek we öndürmek üçin amatly usul bolup çykdy (4-nji surat).
Çylşyrymly içki kanal gurluşy, içine goýlan termoparlar we katalitik reaksiýa kamerasy bolan ultrases goşundy önümçiligi (UAM) arkaly öndürilen alýumin-mis akym reaktory. Içki suwuklyk ýollaryny göz öňüne getirmek üçin stereolitografiýa arkaly öndürilen açyk prototip hem görkezilýär.
Reaktorlaryň geljekki organiki reaksiýalar üçin taýýarlanmagyny üpjün etmek üçin, erginleri gaýnama nokadyndan ýokary derejede howpsuz gyzdyrmak gerek; olar basyş we temperatura synagyndan geçirilýär. Basyş synagy ulgamyň ýokary basyşynda (1,7 MPa) hem durnukly we yzygiderli basyşy saklaýandygyny görkezdi. Gidrostatik synag suwuklyk hökmünde H2O ulanylyp, otag temperaturasynda geçirildi.
Içerki (1-nji surat) termoparyny temperatura maglumatlaryny ýazýan enjama birikdirmek, termoparyň FlowSyn ulgamynda programmalaşdyrylan temperaturadan 6 °C (± 1 °C) sowukdygyny görkezdi. Adatça, temperaturanyň 10 °C ýokarlanmagy reaksiýa tizliginiň iki esse ýokarlanmagyna getirýär, şonuň üçin bary-ýogy birnäçe gradus temperatura tapawudy reaksiýa tizligini düýpli üýtgedip biler. Bu tapawut önümçilik prosesinde ulanylýan materiallaryň ýokary termal diffuziwligi sebäpli reaktoryň göwresindäki temperatura ýitgisi bilen baglanyşyklydyr. Bu termal süýşme yzygiderlidir we şonuň üçin reaksiýa wagtynda takyk temperatura ýetilmegini we ölçelmegini üpjün etmek üçin enjam gurnamasynda hasaba alnyp bilner. Şonuň üçin bu onlaýn gözegçilik guraly reaksiýa temperaturasynyň berk gözegçiligini ýeňilleşdirýär we has takyk proses optimizasiýasyny we optimal şertleriň işlenip düzülmegini ýeňilleşdirýär. Bu sensorlar reaksiýa ekzotermlerini kesgitlemek we uly göwrümli ulgamlarda gaçgak reaksiýalaryň öňüni almak üçin hem ulanylyp bilner.
Bu işde görkezilen reaktor himiki reaktorlary öndürmekde UAM tehnologiýasynyň ulanylyşynyň ilkinji mysalydyr we häzirki wagtda bu enjamlaryň AM/3D çap edilmegi bilen baglanyşykly birnäçe esasy çäklendirmeleri çözýär, mysal üçin: (i) mis ýa-da alýumin erginini gaýtadan işlemek bilen baglanyşykly habar berlen meseleleri ýeňip geçmek (ii) selektiw lazer eremegi (SLM) ýaly poroşok gatlagyny garyşdyrmak (PBF) usullary bilen deňeşdirilende içki kanal çözgüdiniň gowulanmagy25,69 Material akymynyň ýaramazlygy we gödek ýüz teksturasy26 (iii) Poroşok gatlagy tehnologiýasynda mümkin bolmadyk sensorlaryň gönüden-göni baglanyşyny ýeňilleşdirýän gaýtadan işlemegiň temperaturasynyň peselmegi, (v) polimer esasly komponentleriň komponentleriniň dürli umumy organiki erginlere bolan pes mehaniki häsiýetlerini we duýgurlygyny ýeňip geçýär17,19.
Reaktoryň funksiýasy üznüksiz akym şertlerinde mis katalizlenen alkin azid siklogoşma reaksiýalarynyň tapgyry bilen görkezildi (2-nji surat). 4-nji suratda jikme-jik görkezilen ultrases çap edilen mis reaktory täjirçilik akym ulgamy bilen birleşdirildi we asetilen we alkil toparlarynyň galogenidleriniň temperatura gözegçilikli reaksiýasy arkaly dürli 1,4-destibusiýa edilen 1,2,3-triazollaryň kitaphana azidlerini sintezlemek üçin ulanyldy (3-nji surat). Üznüksiz akym usulyny ulanmak tapgyrlaýyn proseslerde ýüze çykyp biljek howpsuzlyk meselelerini azaldýar, sebäbi bu reaksiýa ýokary reaktiv we howply azid aralyklaryny öndürýär [317], [318]. Ilki başda reaksiýa fenilasetileniň we ýodoetanyň siklogoşmasy üçin optimizirlendi (1-nji shema – Fenilasetileniň we ýodoetanyň siklogoşmasy) (5-nji surata serediň).
(Ýokarky çepde) Fenilasetilen bilen ýodoetanyň arasyndaky Huisgen siklogoşulyş 57 shemasynyň optimizirlenen (aşakdaky) shemasynda optimizirlemek we optimizirlenen parametrleriň reaksiýa öwrüliş tizligini görkezmek üçin alnan akym ulgamyna (ýokarky sagda) 3DP reaktoryny goşmak üçin ulanylan gurluşyň shemasy.
Reaktoryň katalitik böleginde reagentleriň saklanýan wagtyny gözegçilikde saklamak we gönüden-göni integrasiýa edilen termopar zondy bilen reaksiýanyň temperaturasyny ýakyndan gözegçilik etmek arkaly reaksiýa şertlerini minimal wagt we material sarp edilişi bilen çalt we takyk optimizirlemek mümkin. Iň ýokary öwrülişikleriň 15 minut saklanýan wagt we 150 °C reaksiýa temperaturasy ulanylanda gazanylandygy çalt kesgitlendi. MODDE programma üpjünçiliginiň koeffisiýent diagrammasyndan, saklanýan wagt we reaksiýa temperaturasynyň möhüm model şertleri hasaplanýandygyny görmek bolýar. Bu saýlanan şertleri ulanyp, gurlan optimizatory işletmek, başlangyç materialyň pik meýdanlaryny azaltmak bilen, önümiň pik meýdanlaryny iň ýokary derejä çykarmak üçin niýetlenen reaksiýa şertleriniň toplumyny döredýär. Bu optimizasiýa triazol önüminiň 53% öwrülişigini berdi, bu bolsa modeliň 54% çaklamasyna ýakyn gabat gelýär.
Bu reaksiýalarda mis (I) oksidiniň (Cu2O) nol walentli mis ýüzlerinde netijeli katalitik görnüş hökmünde hereket edip biljekdigini görkezýän edebiýata esaslanyp, akymda reaksiýany geçirmezden öň reaktoryň ýüzüni öňünden oksidleşdirmek ukyby öwrenildi70,71. Soňra fenilasetilen bilen ýodoetanyň arasyndaky reaksiýa optimal şertlerde ýene-de geçirildi we hasyllar deňeşdirildi. Bu taýýarlanyşyň başlangyç materialyň öwrülişiniň ep-esli artmagyna getirýändigi we onuň >99% hasaplanandygy bellenildi. Şeýle-de bolsa, HPLC arkaly gözegçilik bu öwrülişiň aşa uzaga çeken reaksiýa wagtyny takmynan 90 minuta çenli ep-esli azaltandygyny, şondan soň işjeňligiň deňleşip, "durnukly ýagdaýa" ýetendigini görkezdi. Bu gözegçilik katalitik işjeňligiň çeşmesiniň nol walentli mis substratyndan däl-de, ýerüsti mis oksidinden alynýandygyny görkezýär. Cu metaly otagyň temperaturasynda öz-özüni goraýan gatlaklar bolmadyk CuO we Cu2O emele getirmek üçin aňsatlyk bilen oksidlenýär. Bu bolsa bilelikde düzüliş üçin kömekçi mis (II) çeşmesini goşmak zerurlygyny aradan aýyrýar71.