Salamat sa pagbisita sa Nature.com. Limitado ang suporta sa CSS sa bersyon ng browser na iyong ginagamit. Para sa pinakamahusay na karanasan, inirerekomenda namin na gumamit ka ng updated na browser (o i-disable ang Compatibility Mode sa Internet Explorer). Samantala, upang matiyak ang patuloy na suporta, ire-render namin ang site nang walang mga style at JavaScript.
Isang carousel na nagpapakita ng tatlong slide nang sabay-sabay. Gamitin ang mga button na Nakaraan at Susunod upang lumipat sa tatlong slide nang sabay-sabay, o gamitin ang mga button na slider sa dulo upang lumipat sa tatlong slide nang sabay-sabay.
Binabago ng additive manufacturing ang paraan ng pagdidisenyo at paggawa ng mga kemikal na aparato ng mga mananaliksik at industriyalista upang matugunan ang kanilang mga partikular na pangangailangan. Sa papel na ito, iniuulat namin ang unang halimbawa ng isang flow reactor na nabuo sa pamamagitan ng ultrasonic additive manufacturing (UAM) lamination ng isang solidong metal sheet na may direktang pinagsamang catalytic parts at sensing elements. Hindi lamang nalalampasan ng teknolohiyang UAM ang marami sa mga limitasyong kasalukuyang nauugnay sa additive manufacturing ng mga kemikal na reactor, kundi lubos din nitong pinapalawak ang mga kakayahan ng mga naturang aparato. Maraming biologically important 1,4-disubstituted 1,2,3-triazole compounds ang matagumpay na na-synthesize at na-optimize sa pamamagitan ng isang Cu-mediated 1,3-dipolar Huisgen cycloaddition reaction gamit ang pasilidad ng kimika ng UAM. Gamit ang mga natatanging katangian ng UAM at patuloy na pagproseso ng daloy, nagagawa ng aparato na i-catalyze ang mga patuloy na reaksyon pati na rin magbigay ng real-time na feedback upang masubaybayan at ma-optimize ang mga reaksyon.
Dahil sa mga makabuluhang bentahe nito kumpara sa bulk counterpart nito, ang flow chemistry ay isang mahalaga at lumalagong larangan sa parehong akademiko at industriyal na setting dahil sa kakayahan nitong mapataas ang selektibidad at kahusayan ng chemical synthesis. Ito ay sumasaklaw mula sa pagbuo ng mga simpleng organikong molekula1 hanggang sa mga pharmaceutical compound2,3 at mga natural na produkto4,5,6. Mahigit 50% ng mga reaksyon sa mga industriya ng pinong kemikal at parmasyutiko ay maaaring makinabang mula sa patuloy na daloy7.
Sa mga nakaraang taon, nagkaroon ng lumalaking trend ng mga grupong naghahangad na palitan ang mga tradisyonal na kagamitan sa babasagin o flow chemistry ng mga madaling ibagay na kemikal na "reactor"8. Ang paulit-ulit na disenyo, mabilis na paggawa, at mga three-dimensional (3D) na kakayahan ng mga pamamaraang ito ay kapaki-pakinabang para sa mga gustong i-customize ang kanilang mga device para sa isang partikular na hanay ng mga reaksyon, device, o kondisyon. Sa ngayon, ang gawaing ito ay halos eksklusibong nakatuon sa paggamit ng mga pamamaraan ng polymer-based 3D printing tulad ng stereolithography (SL)9,10,11, Fused Deposition Modeling (FDM)8,12,13,14 at inkjet printing7,15. , 16. Ang kakulangan ng pagiging maaasahan at kakayahan ng mga naturang device na magsagawa ng malawak na hanay ng mga kemikal na reaksyon/pagsusuri17, 18, 19, 20 ay isang pangunahing salik na naglilimita para sa mas malawak na aplikasyon ng AM sa larangang ito17, 18, 19, 20.
Dahil sa pagtaas ng paggamit ng flow chemistry at mga kanais-nais na katangiang nauugnay sa AM, kailangang tuklasin ang mas mahuhusay na pamamaraan na magbibigay-daan sa mga gumagamit na gumawa ng mga flow reaction vessel na may pinahusay na chemistry at analytical capabilities. Ang mga pamamaraang ito ay dapat magbigay-daan sa mga gumagamit na pumili mula sa iba't ibang materyales na may mataas na lakas o functional na kakayahang gumana sa ilalim ng malawak na hanay ng mga kondisyon ng reaksyon, pati na rin mapadali ang iba't ibang anyo ng analytical output mula sa device upang paganahin ang pagsubaybay at pagkontrol sa reaksyon.
Ang isang proseso ng additive manufacturing na maaaring gamitin upang bumuo ng mga custom chemical reactor ay ang Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM). Ang solid-state sheet lamination method na ito ay naglalapat ng ultrasonic vibrations sa manipis na metal foils upang pagdugtungin ang mga ito nang patong-patong na may kaunting volumetric heating at mataas na antas ng plastic flow 21, 22, 23. Hindi tulad ng karamihan sa iba pang mga teknolohiya ng AM, ang UAM ay maaaring direktang isama sa subtractive production, na kilala bilang isang hybrid manufacturing process, kung saan ang pana-panahong in-situ numerical control (CNC) milling o laser processing ay tumutukoy sa net shape ng layer ng bonded material 24, 25. Nangangahulugan ito na ang gumagamit ay hindi limitado sa mga problemang nauugnay sa pag-alis ng natitirang orihinal na materyal sa gusali mula sa maliliit na liquid channel, na kadalasang nangyayari sa mga powder at liquid system AM26,27,28. Ang kalayaan sa disenyo na ito ay umaabot din sa pagpili ng mga magagamit na materyales – ang UAM ay maaaring magdugtungin ng mga kumbinasyon ng mga thermally similar at dissimilar na materyales sa isang hakbang ng proseso. Ang pagpili ng mga kumbinasyon ng materyal na lampas sa proseso ng pagtunaw ay nangangahulugan na ang mga mekanikal at kemikal na kinakailangan ng mga partikular na aplikasyon ay maaaring mas matugunan. Bukod sa solid bonding, isa pang penomeno na nangyayari sa ultrasonic bonding ay ang mataas na fluidity ng mga plastik na materyales sa medyo mababang temperatura29,30,31,32,33. Ang natatanging katangiang ito ng UAM ay nagbibigay-daan sa mga mekanikal/thermal na elemento na mailagay sa pagitan ng mga patong ng metal nang walang pinsala. Ang mga naka-embed na UAM sensor ay maaaring mapadali ang paghahatid ng real-time na impormasyon mula sa device patungo sa user sa pamamagitan ng integrated analytics.
Ipinakita ng mga nakaraang gawain ng mga may-akda32 ang kakayahan ng proseso ng UAM na lumikha ng mga metalikong 3D microfluidic na istruktura na may naka-embed na kakayahan sa pag-detect. Ang aparatong ito ay para lamang sa mga layunin ng pagsubaybay. Inilalahad ng artikulong ito ang unang halimbawa ng isang microfluidic chemical reactor na ginawa ng UAM, isang aktibong aparato na hindi lamang kumokontrol kundi nag-i-induce din ng chemical synthesis gamit ang mga structurally integrated catalytic materials. Pinagsasama ng aparato ang ilang mga bentahe na nauugnay sa teknolohiya ng UAM sa paggawa ng mga 3D chemical device, tulad ng: ang kakayahang i-convert ang isang kumpletong 3D na disenyo nang direkta mula sa isang computer-aided design (CAD) model tungo sa isang produkto; multi-material fabrication para sa isang kumbinasyon ng mataas na thermal conductivity at catalytic materials, pati na rin ang mga thermal sensor na direktang naka-embed sa pagitan ng mga reactant stream para sa tumpak na kontrol at pamamahala ng temperatura ng reaksyon. Upang ipakita ang paggana ng reactor, isang library ng mga pharmaceutically important na 1,4-disubstituted 1,2,3-triazole compounds ang na-synthesize sa pamamagitan ng copper-catalyzed 1,3-dipolar Huisgen cycloaddition. Itinatampok ng gawaing ito kung paano ang paggamit ng agham ng mga materyales at disenyong tinutulungan ng computer ay maaaring magbukas ng mga bagong posibilidad at oportunidad para sa kimika sa pamamagitan ng interdisiplinaryong pananaliksik.
Ang lahat ng solvent at reagent ay binili mula sa Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI, o Fischer Scientific at ginamit nang walang paunang puripikasyon. Ang 1H at 13C NMR spectra na naitala sa 400 at 100 MHz, ayon sa pagkakabanggit, ay nakuha sa isang JEOL ECS-400 400 MHz spectrometer o isang Bruker Avance II 400 MHz spectrometer na may CDCl3 o (CD3)2SO4 bilang solvent. Ang lahat ng reaksyon ay isinagawa gamit ang Uniqsis FlowSyn flow chemistry platform.
Ginamit ang UAM upang gawin ang lahat ng mga aparato sa pag-aaral na ito. Ang teknolohiya ay naimbento noong 1999 at ang mga teknikal na detalye, mga parameter ng pagpapatakbo, at mga pag-unlad nito simula nang imbensyon ay maaaring pag-aralan gamit ang mga sumusunod na nailathalang materyales34,35,36,37. Ang aparato (Larawan 1) ay ipinatupad gamit ang isang heavy duty 9 kW SonicLayer 4000® UAM system (Fabrisonic, Ohio, USA). Ang mga materyales na pinili para sa flow device ay Cu-110 at Al 6061. Ang Cu-110 ay may mataas na nilalaman ng tanso (minimum na 99.9% tanso), kaya isa itong magandang kandidato para sa mga reaksyong na-catalyze ng tanso at samakatuwid ay ginagamit bilang isang "aktibong layer sa loob ng microreactor. Ang Al 6061O ay ginagamit bilang "bulk" na materyal. , pati na rin ang intercalation layer na ginagamit para sa pagsusuri; intercalation ng mga auxiliary alloy component at annealed state kasama ang Cu-110 layer. natagpuang chemically stable sa mga reagents na ginamit sa gawaing ito. Ang Al 6061O kasama ang Cu-110 ay itinuturing ding isang compatible na kombinasyon ng materyal para sa UAM at samakatuwid ay isang angkop na materyal para sa pag-aaral na ito38,42. Ang mga device na ito ay nakalista sa Table 1 sa ibaba.
Mga hakbang sa paggawa ng reaktor (1) 6061 na substrate ng aluminyo na haluang metal (2) Paggawa ng ibabang channel mula sa tansong foil (3) Pagpasok ng mga thermocouple sa pagitan ng mga layer (4) Itaas na channel (5) Pasukan at labasan (6) Monolitikong reaktor.
Ang pilosopiya ng disenyo ng fluid channel ay ang paggamit ng isang paliko-likong landas upang mapataas ang distansyang nilakbay ng fluid sa loob ng chip habang pinapanatili ang isang madaling pamahalaang laki ng chip. Ang pagtaas ng distansyang ito ay kanais-nais upang mapataas ang oras ng pakikipag-ugnayan ng catalyst-reactant at magbigay ng mahusay na ani ng produkto. Ang mga chip ay gumagamit ng 90° na liko sa mga dulo ng isang tuwid na landas upang magdulot ng magulong paghahalo sa loob ng device44 at mapataas ang oras ng pakikipag-ugnayan ng likido sa ibabaw (catalyst). Upang higit pang mapahusay ang paghahalo na maaaring makamit, ang disenyo ng reactor ay may kasamang dalawang pasukan ng reactant na pinagsama sa isang Y-connection bago pumasok sa seksyon ng mixing coil. Ang ikatlong pasukan, na tumatawid sa daloy sa kalagitnaan ng residency nito, ay kasama sa plano para sa mga reaksiyong synthesis sa hinaharap.
Ang lahat ng mga channel ay may parisukat na profile (walang taper angles), na resulta ng pana-panahong CNC milling na ginamit upang lumikha ng geometry ng channel. Ang mga sukat ng channel ay pinili upang magbigay ng mataas (para sa isang microreactor) volumetric yield, ngunit sapat na maliit upang mapadali ang interaksyon sa ibabaw (mga catalyst) para sa karamihan ng mga likidong nilalaman nito. Ang naaangkop na laki ay batay sa nakaraang karanasan ng mga may-akda sa mga metal-liquid reaction device. Ang mga panloob na sukat ng panghuling channel ay 750 µm x 750 µm at ang kabuuang volume ng reactor ay 1 ml. Kasama sa disenyo ang isang built-in na connector (1/4″-28 UNF thread) upang payagan ang madaling pag-interfacing ng device sa mga komersyal na kagamitan sa flow chemistry. Ang laki ng channel ay limitado ng kapal ng foil material, mga mekanikal na katangian nito, at mga bonding parameter na ginagamit sa ultrasonics. Sa isang tiyak na lapad para sa isang partikular na materyal, ang materyal ay "lumuyuko" sa channel na nilikha. Sa kasalukuyan, walang tiyak na modelo para sa kalkulasyong ito, kaya ang pinakamataas na lapad ng channel para sa isang partikular na materyal at disenyo ay tinutukoy sa pamamagitan ng eksperimento, kung saan ang lapad na 750 µm ay hindi magiging sanhi ng paglubog.
Ang hugis (parisukat) ng kanal ay natutukoy gamit ang isang square cutter. Ang hugis at laki ng mga kanal ay maaaring baguhin sa mga makinang CNC gamit ang iba't ibang mga cutting tool upang makakuha ng iba't ibang mga rate ng daloy at mga katangian. Ang isang halimbawa ng paglikha ng isang kurbadong kanal gamit ang isang 125 µm tool ay matatagpuan sa Monaghan45. Kapag ang foil layer ay inilapat nang patag, ang paglalapat ng foil material sa mga kanal ay magkakaroon ng patag (parisukat) na ibabaw. Sa gawaing ito, isang parisukat na contour ang ginamit upang mapanatili ang simetriya ng kanal.
Sa panahon ng nakaprogramang paghinto sa produksyon, ang mga thermocouple temperature sensor (type K) ay direktang itinatayo sa aparato sa pagitan ng mga upper at lower channel group (Fig. 1 – stage 3). Kayang kontrolin ng mga thermocouple na ito ang mga pagbabago sa temperatura mula -200 hanggang 1350 °C.
Ang proseso ng pagdedeposito ng metal ay isinasagawa ng UAM horn gamit ang metal foil na 25.4 mm ang lapad at 150 microns ang kapal. Ang mga patong na ito ng foil ay pinagdugtong sa isang serye ng magkakatabing mga piraso upang matakpan ang buong lugar ng paggawa; ang laki ng idinepositong materyal ay mas malaki kaysa sa huling produkto dahil ang proseso ng pagbabawas ay lumilikha ng pangwakas na malinis na hugis. Ginagamit ang CNC machining upang makinahin ang panlabas at panloob na mga contour ng kagamitan, na nagreresulta sa isang surface finish ng kagamitan at mga channel na naaayon sa napiling tool at mga parameter ng proseso ng CNC (sa halimbawang ito, humigit-kumulang 1.6 µm Ra). Ang tuluy-tuloy, tuluy-tuloy na ultrasonic material spraying at machining cycle ay ginagamit sa buong proseso ng paggawa ng device upang matiyak na ang katumpakan ng dimensional ay pinapanatili at ang natapos na bahagi ay nakakatugon sa mga antas ng katumpakan ng CNC fine milling. Ang lapad ng channel na ginamit para sa device na ito ay sapat na maliit upang matiyak na ang materyal ng foil ay hindi "lumulubog" sa fluid channel, kaya ang channel ay may parisukat na cross section. Ang mga posibleng puwang sa materyal ng foil at ang mga parameter ng proseso ng UAM ay natukoy sa pamamagitan ng eksperimento ng kasosyo sa paggawa (Fabrisonic LLC, USA).
Ipinakita ng mga pag-aaral na sa interface 46, 47 ng UAM compound ay may kaunting pagsasabog ng mga elemento nang walang karagdagang paggamot sa init, kaya para sa mga aparato sa gawaing ito, ang Cu-110 layer ay nananatiling naiiba mula sa Al 6061 layer at lubhang nagbabago.
Magkabit ng pre-calibrated back pressure regulator (BPR) sa 250 psi (1724 kPa) pababa ng reactor at magbomba ng tubig sa reactor sa rate na 0.1 hanggang 1 ml min-1. Ang presyon ng reactor ay minomonitor gamit ang FlowSyn pressure transducer na nakapaloob sa system upang matiyak na mapapanatili ng system ang isang pare-parehong matatag na presyon. Ang mga potensyal na gradient ng temperatura sa flow reactor ay sinubukan sa pamamagitan ng paghahanap ng anumang pagkakaiba sa pagitan ng mga thermocouple na nakapaloob sa reactor at ng mga thermocouple na nakapaloob sa heating plate ng FlowSyn chip. Nakakamit ito sa pamamagitan ng pagbabago ng nakaprogramang temperatura ng hotplate sa pagitan ng 100 at 150 °C sa 25 °C na pagtaas at pagsubaybay sa anumang pagkakaiba sa pagitan ng nakaprograma at naitalang temperatura. Nakamit ito gamit ang tc-08 data logger (PicoTech, Cambridge, UK) at ang kasamang PicoLog software.
Ang mga kondisyon para sa reaksyon ng cycloaddition ng phenylacetylene at iodoethane ay na-optimize (Scheme 1-Cycloaddition ng phenylacetylene at iodoethane, Scheme 1-Cycloaddition ng phenylacetylene at iodoethane). Ang optimization na ito ay isinagawa gamit ang isang full factorial design of experiments (DOE) na pamamaraan, gamit ang temperatura at residence time bilang mga variable habang inaayos ang alkyne:azide ratio sa 1:2.
Inihanda ang magkakahiwalay na solusyon ng sodium azide (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), iodoethane (0.25 M, DMF), at phenylacetylene (0.125 M, DMF). Isang 1.5 ml aliquot ng bawat solusyon ang hinalo at ibinomba sa reactor sa nais na flow rate at temperatura. Ang tugon ng modelo ay kinuha bilang ratio ng peak area ng triazole product sa panimulang materyal ng phenylacetylene at natukoy gamit ang high performance liquid chromatography (HPLC). Para sa consistency ng pagsusuri, lahat ng reaksyon ay kinuha kaagad pagkatapos umalis ang reaction mixture sa reactor. Ang mga parameter range na napili para sa optimization ay ipinapakita sa Table 2.
Ang lahat ng mga sample ay sinuri gamit ang isang Chromaster HPLC system (VWR, PA, USA) na binubuo ng isang quaternary pump, column oven, variable wavelength UV detector at autosampler. Ang column ay isang Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA), 4.6 x 100 mm, 5 µm na laki ng particle, na pinanatili sa 40°C. Ang solvent ay isocratic methanol:water 50:50 sa flow rate na 1.5 ml·min-1. Ang injection volume ay 5 μl at ang wavelength ng detector ay 254 nm. Ang % peak area para sa DOE sample ay kinalkula mula sa mga peak area ng mga natitirang alkyne at triazole product lamang. Ang pagpapakilala ng panimulang materyal ay nagbibigay-daan upang matukoy ang mga kaukulang peak.
Ang pagsasama-sama ng mga resulta ng pagsusuri ng reaktor kasama ang MODDE DOE software (Umetrics, Malmö, Sweden) ay nagbigay-daan sa isang masusing pagsusuri ng trend ng mga resulta at pagtukoy sa pinakamainam na kondisyon ng reaksyon para sa cycloaddition na ito. Ang pagpapatakbo ng built-in na optimizer at pagpili ng lahat ng mahahalagang termino ng modelo ay lumilikha ng isang hanay ng mga kondisyon ng reaksyon na idinisenyo upang ma-maximize ang peak area ng produkto habang binabawasan ang peak area para sa acetylene feedstock.
Ang oksihenasyon ng ibabaw ng tanso sa catalytic reaction chamber ay nakamit gamit ang isang hydrogen peroxide solution (36%) na dumadaloy sa reaction chamber (flow rate = 0.4 ml min-1, residence time = 2.5 min) bago ang synthesis ng bawat triazole compound. library.
Nang matukoy na ang pinakamainam na hanay ng mga kondisyon, inilapat ang mga ito sa iba't ibang acetylene at haloalkane derivatives upang payagan ang pagtitipon ng isang maliit na synthesis library, sa gayon ay nagtatatag ng posibilidad na ilapat ang mga kondisyong ito sa mas malawak na hanay ng mga potensyal na reagents (Fig. 1). 2).
Maghanda ng magkakahiwalay na solusyon ng sodium azide (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), haloalkanes (0.25 M, DMF), at alkynes (0.125 M, DMF). Ang mga aliquot ng 3 ml ng bawat solusyon ay hinalo at ibinomba sa reactor sa bilis na 75 µl/min at temperaturang 150°C. Ang buong volume ay tinipon sa isang vial at diluted na may 10 ml ng ethyl acetate. Ang sample solution ay hinugasan ng 3 x 10 ml ng tubig. Ang mga aqueous layer ay pinagsama at kinuha gamit ang 10 ml ethyl acetate, pagkatapos ay pinagsama ang mga organic layer, hinugasan ng 3 × 10 ml brine, pinatuyo sa ibabaw ng MgSO4 at sinala, pagkatapos ay inalis ang solvent sa vacuum. Ang mga sample ay dinalisa sa pamamagitan ng silica gel column chromatography gamit ang ethyl acetate bago ang pagsusuri sa pamamagitan ng kombinasyon ng HPLC, 1H NMR, 13C NMR at high resolution mass spectrometry (HR-MS).
Ang lahat ng spectra ay nakuha gamit ang isang Thermofischer Precision Orbitrap mass spectrometer na may ESI bilang pinagmumulan ng ionization. Ang lahat ng sample ay inihanda gamit ang acetonitrile bilang solvent.
Isinagawa ang pagsusuri ng TLC sa mga silica plate na may aluminum substrate. Ang mga plate ay tiningnan gamit ang UV light (254 nm) o vanillin staining at pinainit.
Ang lahat ng mga sample ay sinuri gamit ang isang VWR Chromaster system (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) na nilagyan ng autosampler, isang binary pump na may column oven at isang single wavelength detector. Ginamit ang isang ACE Equivalence 5 C18 column (150 x 4.6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Scotland).
Ang mga iniksyon (5 µl) ay direktang ginawa mula sa diluted crude reaction mixture (1:10 dilution) at sinuri gamit ang tubig:methanol (50:50 o 70:30), maliban sa ilang mga sample na gumagamit ng 70:30 solvent system (tinukoy bilang star number) sa flow rate na 1.5 ml/min. Ang column ay pinanatili sa 40°C. Ang wavelength ng detector ay 254 nm.
Ang % peak area ng sample ay kinalkula mula sa peak area ng residual alkyne, ang triazole product lamang, at ang pagpapakilala ng panimulang materyal ay naging posible upang matukoy ang kaukulang mga peak.
Ang lahat ng mga sample ay sinuri gamit ang Thermo iCAP 6000 ICP-OES. Ang lahat ng mga pamantayan sa pagkakalibrate ay inihanda gamit ang isang 1000 ppm Cu standard solution sa 2% nitric acid (SPEX Certi Prep). Ang lahat ng mga pamantayan ay inihanda sa isang solusyon ng 5% DMF at 2% HNO3, at ang lahat ng mga sample ay diluted nang 20 beses gamit ang isang sample solution ng DMF-HNO3.
Gumagamit ang UAM ng ultrasonic metal welding bilang isang paraan ng pagdudugtong sa metal foil na ginagamit upang likhain ang pangwakas na pagsasama-sama. Gumagamit ang ultrasonic metal welding ng isang vibrating metal tool (tinatawag na horn o ultrasonic horn) upang maglagay ng presyon sa foil/dating pinagsama-samang layer na ididikit/dating pinagsama-sama sa pamamagitan ng pag-vibrate ng materyal. Para sa patuloy na operasyon, ang sonotrode ay may hugis na silindro at gumugulong sa ibabaw ng materyal, na nagdidikit sa buong lugar. Kapag inilapat ang presyon at panginginig ng boses, ang mga oxide sa ibabaw ng materyal ay maaaring pumutok. Ang patuloy na presyon at panginginig ng boses ay maaaring humantong sa pagkasira ng pagkamagaspang ng materyal 36. Ang malapit na pakikipag-ugnayan sa lokal na init at presyon ay humahantong sa isang solid phase bond sa mga interface ng materyal; maaari rin nitong itaguyod ang cohesion sa pamamagitan ng pagbabago ng enerhiya sa ibabaw 48. Ang katangian ng mekanismo ng pagbubuklod ay nakakapagtagumpayan sa marami sa mga problemang nauugnay sa pabagu-bagong temperatura ng pagkatunaw at mga epekto ng mataas na temperatura na nabanggit sa iba pang mga teknolohiya ng additive manufacturing. Pinapayagan nito ang direktang koneksyon (ibig sabihin, nang walang pagbabago sa ibabaw, mga filler o adhesive) ng ilang mga layer ng iba't ibang mga materyales sa isang pinagsama-samang istraktura.
Ang pangalawang kanais-nais na salik para sa CAM ay ang mataas na antas ng daloy ng plastik na naobserbahan sa mga materyales na metal kahit na sa mababang temperatura, ibig sabihin, mas mababa sa melting point ng mga materyales na metal. Ang kombinasyon ng ultrasonic vibrations at pressure ay nagdudulot ng mataas na antas ng local grain boundary migration at recrystallization nang walang makabuluhang pagtaas ng temperatura na tradisyonal na iniuugnay sa mga bulk material. Sa panahon ng paglikha ng final assembly, ang phenomenon na ito ay maaaring gamitin upang i-embed ang mga aktibo at passive na bahagi sa pagitan ng mga layer ng metal foil, patong-patong. Ang mga elemento tulad ng optical fiber 49, reinforcement 46, electronics 50 at thermocouples (sa gawaing ito) ay matagumpay na naisama sa mga istruktura ng UAM upang lumikha ng mga aktibo at passive composite assemblies.
Sa gawaing ito, ginamit ang parehong magkakaibang kakayahan sa pagbubuklod ng materyal at kakayahan sa intercalation ng UAM upang lumikha ng isang mainam na microreactor para sa catalytic temperature control.
Kung ikukumpara sa palladium (Pd) at iba pang karaniwang ginagamit na metal catalysts, ang Cu catalysis ay may ilang mga bentahe: (i) Sa matipid na aspeto, ang Cu ay mas mura kaysa sa maraming iba pang mga metal na ginagamit sa catalysis at samakatuwid ay isang kaakit-akit na opsyon para sa industriya ng kemikal (ii) ang saklaw ng mga reaksyon ng cross-coupling na may catalyst ng Cu ay lumalawak at tila medyo komplementaryo sa mga metodolohiyang nakabatay sa Pd51, 52, 53 (iii) Ang mga reaksyon ng Cu-catalyzed ay gumagana nang maayos sa kawalan ng iba pang mga ligand. Ang mga ligand na ito ay kadalasang simple sa istruktura at mura. kung ninanais, samantalang ang mga ginagamit sa kimika ng Pd ay kadalasang kumplikado, mahal, at sensitibo sa hangin (iv) Ang Cu, lalo na kilala sa kakayahang magbigkis ng mga alkyne sa synthesis, tulad ng bimetallic catalyzed coupling ng Sonogashira at cycloaddition na may mga azide (click chemistry) (v) Maaari ring itaguyod ng Cu ang arylation ng ilang nucleophile sa mga reaksyong uri ng Ullmann.
Kamakailan lamang, naipakita na ang mga halimbawa ng heterogenization ng lahat ng mga reaksyong ito sa presensya ng Cu(0). Ito ay higit na dahil sa industriya ng parmasyutiko at sa lumalaking pokus sa pagbawi at muling paggamit ng mga metal catalyst55,56.
Ang 1,3-dipolar cycloaddition reaction sa pagitan ng acetylene at azide sa 1,2,3-triazole, na unang iminungkahi ni Huisgen noong dekada 196057, ay itinuturing na isang synergistic demonstration reaction. Ang mga nagresultang 1,2,3 triazole fragment ay partikular na interesante bilang isang pharmacophore sa pagtuklas ng gamot dahil sa kanilang mga biological na aplikasyon at paggamit sa iba't ibang therapeutic agent 58.
Ang reaksyong ito ay muling binigyang-pansin nang ipakilala nina Sharpless at ng iba pa ang konsepto ng "click chemistry"59. Ang terminong "click chemistry" ay ginagamit upang ilarawan ang isang matatag at piling hanay ng mga reaksyon para sa mabilis na sintesis ng mga bagong compound at combinatorial library gamit ang heteroatomic bonding (CXC)60. Ang sintetikong dating ng mga reaksyong ito ay dahil sa mataas na ani na nauugnay sa mga ito. Ang mga kondisyon ay simple, lumalaban sa oxygen at tubig, at ang paghihiwalay ng produkto ay simple61.
Ang klasikal na 1,3-dipole Huisgen cycloaddition ay hindi nabibilang sa kategoryang "click chemistry". Gayunpaman, ipinakita nina Medal at Sharpless na ang azide-alkyne coupling event na ito ay sumasailalim sa 107–108 sa presensya ng Cu(I) kumpara sa isang makabuluhang pagbilis sa rate ng non-catalytic 1,3-dipolar cycloaddition 62,63. Ang advanced na mekanismo ng reaksyon na ito ay hindi nangangailangan ng mga grupong nagpoprotekta o malupit na mga kondisyon ng reaksyon at nagbibigay ng halos kumpletong conversion at selectivity sa 1,4-disubstituted 1,2,3-triazoles (anti-1,2,3-triazoles) sa paglipas ng panahon (Fig. 3).
Mga resulta ng isometriko ng mga kumbensyonal at copper-catalyzed na Huisgen cycloadditions. Ang mga Cu(I)-catalyzed na Huisgen cycloadditions ay nagbibigay lamang ng 1,4-disubstituted na 1,2,3-triazoles, habang ang mga thermally induced na Huisgen cycloadditions ay karaniwang nagbibigay sa 1,4- at 1,5-triazoles ng 1:1 na halo ng mga azole stereoisomer.
Karamihan sa mga protokol ay kinabibilangan ng pagbawas ng mga matatag na pinagmumulan ng Cu(II), tulad ng pagbawas ng CuSO4 o ng Cu(II)/Cu(0) compound na sinamahan ng sodium salts. Kung ikukumpara sa iba pang mga metal catalyzed reaction, ang paggamit ng Cu(I) ay may pangunahing bentahe ng pagiging mura at madaling gamitin.
Ipinakita ng mga kinetic at isotopic na pag-aaral nina Worrell et al. 65 na sa kaso ng mga terminal alkyne, dalawang katumbas ng tanso ang kasangkot sa pag-activate ng reaktibiti ng bawat molekula kaugnay ng azide. Ang iminungkahing mekanismo ay nagpapatuloy sa pamamagitan ng isang anim na miyembrong singsing na metal na tanso na nabuo sa pamamagitan ng koordinasyon ng azide sa σ-bonded copper acetylide na may π-bonded copper bilang isang matatag na donor ligand. Ang mga derivatives ng copper triazolyl ay nabubuo bilang resulta ng pag-urong ng singsing na sinusundan ng proton decomposition upang bumuo ng mga produktong triazole at isara ang catalytic cycle.
Bagama't naidokumento nang mabuti ang mga benepisyo ng mga aparatong pang-agos ng kimika, may pagnanais na isama ang mga kagamitang analitikal sa mga sistemang ito para sa real-time na pagsubaybay sa proseso in situ66,67. Napatunayan na ang UAM ay isang angkop na pamamaraan para sa pagdidisenyo at paggawa ng mga napakakumplikadong 3D flow reactor mula sa mga catalytically active, thermally conductive na materyales na may direktang naka-embed na mga elemento ng sensing (Larawan 4).
Isang reaktor ng daloy ng aluminyo-tanso na ginawa gamit ang ultrasonic additive manufacturing (UAM) na may kumplikadong istruktura ng panloob na channel, built-in na thermocouple, at isang catalytic reaction chamber. Upang mailarawan ang mga panloob na landas ng likido, ipinapakita rin ang isang transparent na prototype na ginawa gamit ang stereolithography.
Upang matiyak na ang mga reaktor ay ginawa para sa mga organikong reaksyon sa hinaharap, ang mga solvent ay dapat na ligtas na pinainit nang higit sa kanilang kumukulong punto; ang mga ito ay sinusuri sa presyon at temperatura. Ipinakita ng pagsusuri sa presyon na ang sistema ay nagpapanatili ng isang matatag at pare-parehong presyon kahit na sa mataas na presyon sa sistema (1.7 MPa). Ang mga pagsusuri sa hydrostatic ay isinagawa sa temperatura ng silid gamit ang H2O bilang likido.
Ang pagkonekta ng built-in (Larawan 1) na thermocouple sa temperature data logger ay nagpakita na ang temperatura ng thermocouple ay 6 °C (± 1 °C) na mas mababa sa nakaprogramang temperatura sa FlowSyn system. Kadalasan, ang 10°C na pagtaas sa temperatura ay nagdodoble sa reaction rate, kaya ang pagkakaiba ng temperatura na ilang digri lamang ay maaaring makapagpabago nang malaki sa reaction rate. Ang pagkakaibang ito ay dahil sa pagkawala ng temperatura sa buong RPV dahil sa mataas na thermal diffusivity ng mga materyales na ginamit sa proseso ng pagmamanupaktura. Ang thermal drift na ito ay pare-pareho at samakatuwid ay maaaring isaalang-alang kapag inaayos ang kagamitan upang matiyak na ang mga tumpak na temperatura ay naaabot at nasusukat habang nagaganap ang reaksyon. Kaya, ang online monitoring tool na ito ay nagpapadali sa mahigpit na pagkontrol sa temperatura ng reaksyon at nakakatulong sa mas tumpak na pag-optimize ng proseso at pagbuo ng mga pinakamainam na kondisyon. Maaari ding gamitin ang mga sensor na ito upang matukoy ang mga exothermic na reaksyon at maiwasan ang mga biglaang reaksyon sa malalaking sistema.
Ang reaktor na inilahad sa papel na ito ay ang unang halimbawa ng aplikasyon ng teknolohiyang UAM sa paggawa ng mga reaktor ng kemikal at tinutugunan ang ilang pangunahing limitasyon na kasalukuyang nauugnay sa AM/3D printing ng mga aparatong ito, tulad ng: (i) Pagtagumpayan ang mga nabanggit na problema na nauugnay sa pagproseso ng tanso o aluminyo na haluang metal (ii) pinahusay na resolusyon ng panloob na channel kumpara sa mga pamamaraan ng powder bed melting (PBF) tulad ng selective laser melting (SLM)25,69 Mahinang daloy ng materyal at magaspang na tekstura ng ibabaw26 (iii) mas mababang temperatura ng pagproseso, na nagpapadali sa direktang pagkonekta ng mga sensor, na hindi posible sa teknolohiya ng powder bed, (v) pagtagumpayan ang mahinang mekanikal na katangian at sensitivity ng mga bahaging nakabatay sa polymer sa iba't ibang karaniwang organikong solvent17,19.
Ang paggana ng reaktor ay ipinakita sa pamamagitan ng isang serye ng mga reaksiyong cycloaddition ng alkinazide na may catalyst na copper sa ilalim ng mga kondisyon ng tuluy-tuloy na daloy (Larawan 2). Ang ultrasonic printed copper reactor na ipinapakita sa Larawan 4 ay isinama sa isang komersyal na sistema ng daloy at ginamit upang i-synthesize ang isang azide library ng iba't ibang 1,4-disubstituted 1,2,3-triazoles gamit ang isang kontroladong reaksyon ng acetylene at alkyl group halides sa presensya ng sodium chloride (Larawan 3). Ang paggamit ng pamamaraan ng tuluy-tuloy na daloy ay binabawasan ang mga isyu sa kaligtasan na maaaring lumitaw sa mga proseso ng batch, dahil ang reaksiyong ito ay gumagawa ng mga lubos na reaktibo at mapanganib na azide intermediate [317], [318]. Sa una, ang reaksyon ay na-optimize para sa cycloaddition ng phenylacetylene at iodoethane (Scheme 1 – Cycloaddition ng phenylacetylene at iodoethane) (tingnan ang Larawan 5).
(Kaliwang itaas) Eskematiko ng setup na ginamit upang isama ang isang 3DP reactor sa isang flow system (kanang itaas) na nakuha mula sa na-optimize (ibabang) scheme ng Huisgen 57 cycloaddition scheme sa pagitan ng phenylacetylene at iodoethane para sa optimization at pagpapakita ng na-optimize na mga parameter ng conversion rate ng reaksyon.
Sa pamamagitan ng pagkontrol sa oras ng paninirahan ng mga reactant sa catalytic section ng reactor at maingat na pagsubaybay sa temperatura ng reaksyon gamit ang isang direktang integrated thermocouple sensor, ang mga kondisyon ng reaksyon ay maaaring mabilis at tumpak na ma-optimize nang may kaunting oras at mga materyales. Mabilis na natuklasan na ang pinakamataas na conversion ay nakamit gamit ang oras ng paninirahan na 15 minuto at temperatura ng reaksyon na 150°C. Makikita mula sa coefficient plot ng MODDE software na ang parehong oras ng paninirahan at ang temperatura ng reaksyon ay itinuturing na mahahalagang kondisyon ng modelo. Ang pagpapatakbo ng built-in na optimizer gamit ang mga napiling kondisyong ito ay lumilikha ng isang hanay ng mga kondisyon ng reaksyon na idinisenyo upang i-maximize ang mga peak area ng produkto habang binabawasan ang mga peak area ng panimulang materyal. Ang optimization na ito ay nagbunga ng 53% na conversion ng produktong triazole, na eksaktong tumutugma sa hula ng modelo na 54%.