Salamat sa pagbisita sa Nature.com.Ang bersyon ng browser na iyong ginagamit ay may limitadong suporta sa CSS.Para sa pinakamagandang karanasan, inirerekomenda namin na gumamit ka ng na-update na browser (o huwag paganahin ang Compatibility Mode sa Internet Explorer).Pansamantala, upang matiyak ang patuloy na suporta, ire-render namin ang site nang walang mga istilo at JavaScript.
Isang carousel na nagpapakita ng tatlong slide sa parehong oras.Gamitin ang Nakaraang at Susunod na mga pindutan upang lumipat sa tatlong mga slide sa isang pagkakataon, o gamitin ang mga pindutan ng slider sa dulo upang lumipat sa tatlong mga slide sa isang pagkakataon.
Binabago ng additive manufacturing ang paraan ng pagdidisenyo at paggawa ng mga mananaliksik at industriyalista ng mga kemikal na device 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 solid metal sheet na may direktang pinagsamang mga catalytic parts at sensing elements.Ang teknolohiya ng UAM ay hindi lamang nagtagumpay sa marami sa mga limitasyon na kasalukuyang nauugnay sa mga additive na pagmamanupaktura ng mga chemical reactor, ngunit lubos ding nagpapalawak ng mga kakayahan ng mga naturang device.Ang isang bilang ng mga biologically mahalagang 1,4-disubstituted 1,2,3-triazole compound ay matagumpay na na-synthesize at na-optimize ng isang Cu-mediated 1,3-dipolar Huisgen cycloaddition reaction gamit ang pasilidad ng chemistry ng UAM.Gamit ang mga natatanging katangian ng UAM at tuluy-tuloy na pagpoproseso ng daloy, nagagawa ng device 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 pakinabang nito sa maramihang katapat nito, ang flow chemistry ay isang mahalaga at lumalagong larangan sa parehong pang-akademiko at pang-industriya na mga setting dahil sa kakayahan nitong pataasin ang selectivity at kahusayan ng chemical synthesis.Ito ay umaabot mula sa pagbuo ng mga simpleng organikong molekula1 hanggang sa mga compound ng parmasyutiko2,3 at mga natural na produkto4,5,6.Mahigit sa 50% ng mga reaksyon sa mahuhusay na industriya ng kemikal at parmasyutiko ay maaaring makinabang mula sa tuluy-tuloy na daloy7.
Sa nakalipas na mga taon, nagkaroon ng lumalaking trend ng mga grupong naghahangad na palitan ang tradisyunal na kagamitang babasagin o flow chemistry ng mga naaangkop na kemikal na "reactors"8.Ang umuulit na disenyo, mabilis na pagmamanupaktura, at tatlong-dimensional (3D) na mga 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 kundisyon.Sa ngayon, halos eksklusibong nakatuon ang gawaing ito sa paggamit ng mga diskarte sa pag-print na nakabatay sa polimer na 3D 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 paggamit ng AM sa larangang ito17, 18, 19, 20.
Dahil sa dumaraming paggamit ng flow chemistry at sa mga paborableng katangian na nauugnay sa AM, kailangang tuklasin ang mas mahuhusay na diskarte na magbibigay-daan sa mga user na gumawa ng mga flow reaction vessel na may pinahusay na chemistry at analytical na kakayahan.Ang mga pamamaraang ito ay dapat magpapahintulot sa mga user na pumili mula sa isang hanay ng mataas na lakas o functional na materyales na may kakayahang gumana sa ilalim ng malawak na hanay ng mga kondisyon ng reaksyon, gayundin upang mapadali ang iba't ibang anyo ng analytical na output mula sa device upang paganahin ang pagsubaybay at kontrol ng reaksyon.
Ang isang additive na proseso ng pagmamanupaktura na maaaring magamit upang bumuo ng mga custom na kemikal na reactor ay Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM).Ang solid-state sheet lamination method na ito ay naglalapat ng mga ultrasonic vibrations sa manipis na metal foil upang pagsama-samahin ang mga ito sa bawat layer na may kaunting volumetric heating at isang mataas na antas ng plastic flow 21, 22, 23. Hindi tulad ng karamihan sa iba pang mga AM na teknolohiya, ang UAM ay maaaring direktang isama sa subtractive na produksyon, na kilala bilang isang hybrid na proseso ng pagmamanupaktura, kung saan ang panaka-nakang in-situ na numerical control (CNC) ay tumutukoy sa net na pagpoproseso ng materyal (CNC)2 na ito ang 5 layer ng net na pagpoproseso ng numerical control (CNC). nangangahulugan na ang gumagamit ay hindi limitado sa mga problema na nauugnay sa pag-alis ng natitirang orihinal na materyal ng gusali mula sa maliliit na likidong channel, na kadalasang nangyayari sa mga sistema ng pulbos at likido AM26,27,28.Ang kalayaan sa disenyo na ito ay umaabot din sa pagpili ng mga magagamit na materyales - ang UAM ay maaaring mag-bond ng mga kumbinasyon ng mga thermally similar at dissimilar na materyales sa isang hakbang sa proseso.Ang pagpili ng mga kumbinasyon ng materyal na lampas sa proseso ng pagtunaw ay nangangahulugan na ang mekanikal at kemikal na mga kinakailangan ng mga partikular na aplikasyon ay maaaring mas mahusay na matugunan.Bilang karagdagan sa solid bonding, ang isa pang phenomenon na nangyayari sa ultrasonic bonding ay ang mataas na pagkalikido ng mga plastic na materyales sa medyo mababang temperatura29,30,31,32,33.Ang natatanging tampok na ito ng UAM ay nagbibigay-daan sa mga mekanikal/thermal na elemento na mailagay sa pagitan ng mga layer 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.
Ang nakaraang gawain ng mga may-akda32 ay nagpakita ng kakayahan ng proseso ng UAM na lumikha ng mga metal na 3D microfluidic na istruktura na may naka-embed na mga kakayahan sa sensing.Ang device na ito ay para lamang sa pagsubaybay.Ang artikulong ito ay nagpapakita ng unang halimbawa ng isang microfluidic chemical reactor na ginawa ng UAM, isang aktibong device na hindi lamang kumokontrol ngunit nag-uudyok din ng chemical synthesis na may structurally integrated catalytic na materyales.Pinagsasama ng device ang ilang mga pakinabang na nauugnay sa teknolohiya ng UAM sa paggawa ng mga 3D chemical device, tulad ng: ang kakayahang mag-convert ng kumpletong 3D na disenyo nang direkta mula sa isang computer-aided design (CAD) na modelo sa isang produkto;multi-material na katha para sa kumbinasyon ng mataas na thermal conductivity at catalytic na materyales, 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 pag-andar ng reaktor, isang library ng mahalagang parmasyutiko na 1,4-disubstituted 1,2,3-triazole compound ay na-synthesize ng copper-catalyzed 1,3-dipolar Huisgen cycloaddition.Itinatampok ng gawaing ito kung paano maaaring magbukas ng mga bagong posibilidad at pagkakataon para sa kimika ang paggamit ng mga materyales sa agham at disenyong tinutulungan ng computer sa pamamagitan ng interdisciplinary na pananaliksik.
Ang lahat ng mga solvents at reagents ay binili mula sa Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI, o Fischer Scientific at ginamit nang walang paunang paglilinis.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)2SO bilang solvent.Ang lahat ng mga reaksyon ay isinagawa gamit ang Uniqsis FlowSyn flow chemistry platform.
Ang UAM ay ginamit upang gumawa ng lahat ng mga aparato sa pag-aaral na ito.Ang teknolohiya ay naimbento noong 1999 at ang mga teknikal na detalye nito, mga parameter ng pagpapatakbo at mga pag-unlad dahil ang pag-imbento nito ay maaaring pag-aralan gamit ang mga sumusunod na nai-publish na materyales34,35,36,37.Ang aparato (Larawan 1) ay ipinatupad gamit ang isang mabigat na tungkulin na 9 kW SonicLayer 4000® UAM system (Fabrisonic, Ohio, USA).Ang mga materyales na pinili para sa aparato ng daloy ay Cu-110 at Al 6061. Ang Cu-110 ay may mataas na nilalaman ng tanso (minimum na 99.9% na tanso), na ginagawa itong isang mahusay na kandidato para sa mga reaksyong na-catalyze ng tanso at samakatuwid ay ginagamit bilang isang "aktibong layer sa loob ng microreactor.Ginagamit ang Al 6061 O bilang "bulk" na materyal., pati na rin ang intercalation layer na ginagamit para sa pagsusuri;intercalation ng auxiliary alloy components at annealed state kasama ng Cu-110 layer.natagpuang chemically stable sa mga reagents na ginamit sa gawaing ito.Ang Al 6061 O kasama ang Cu-110 ay itinuturing din na isang katugmang kumbinasyon 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 Talahanayan 1 sa ibaba.
Mga hakbang sa paggawa ng reactor (1) 6061 aluminum alloy substrate (2) Fabrication ng lower channel mula sa copper foil (3) Pagpapasok ng mga thermocouples sa pagitan ng mga layer (4) Upper channel (5) Inlet at outlet (6) Monolithic reactor.
Ang pilosopiya ng disenyo ng fluid channel ay ang paggamit ng isang paikot-ikot na landas upang mapataas ang distansya na nilakbay ng fluid sa loob ng chip habang pinapanatili ang isang napapamahalaang laki ng chip.Ang pagtaas ng distansya na ito ay kanais-nais upang madagdagan ang oras ng pakikipag-ugnay sa catalyst-reactant at magbigay ng mahusay na mga ani ng produkto.Gumagamit ang mga chips ng 90° na baluktot sa mga dulo ng isang tuwid na daan upang mahikayat ang magulong paghahalo sa loob ng device44 at pataasin ang oras ng pagdikit ng likido sa ibabaw (catalyst).Upang higit na mapahusay ang paghahalo na maaaring makamit, ang disenyo ng reactor ay kinabibilangan ng dalawang reactant inlets na pinagsama sa isang Y-koneksyon bago pumasok sa mixing coil section.Ang ikatlong pasukan, na tumatawid sa daloy sa kalagitnaan ng paninirahan nito, ay kasama sa plano para sa hinaharap na multi-stage synthesis reactions.
Ang lahat ng mga channel ay may parisukat na profile (walang taper na anggulo), na resulta ng pana-panahong paggiling ng CNC na ginamit upang lumikha ng geometry ng channel.Ang mga sukat ng channel ay pinili upang magbigay ng isang mataas (para sa isang microreactor) volumetric na ani, ngunit sapat na maliit upang mapadali ang pakikipag-ugnayan 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 panloob na sukat ng huling channel ay 750 µm x 750 µm at ang kabuuang dami ng reactor ay 1 ml.Ang isang built-in na connector (1/4″-28 UNF thread) ay kasama sa disenyo upang payagan ang madaling interfacing ng device na may commercial flow chemistry equipment.Ang laki ng channel ay nalilimitahan ng kapal ng materyal ng foil, ang mga mekanikal na katangian nito, at ang mga parameter ng pagbubuklod na ginamit sa mga ultrasonic.Sa isang tiyak na lapad para sa ibinigay na materyal, ang materyal ay "lumulubog" sa ginawang channel.Kasalukuyang walang partikular na modelo para sa pagkalkula na ito, kaya ang maximum na lapad ng channel para sa isang partikular na materyal at disenyo ay tinutukoy nang eksperimental, kung saan ang lapad na 750 µm ay hindi magiging sanhi ng sag.
Ang hugis (parisukat) ng channel ay tinutukoy gamit ang isang square cutter.Ang hugis at sukat ng mga channel ay maaaring baguhin sa CNC machine gamit ang iba't ibang mga tool sa pagputol upang makakuha ng iba't ibang mga rate ng daloy at katangian.Ang isang halimbawa ng paggawa ng curved channel na may 125 µm tool ay makikita sa Monaghan45.Kapag ang layer ng foil ay inilapat nang patag, ang paglalagay ng materyal na foil sa mga channel ay magkakaroon ng isang patag (parisukat) na ibabaw.Sa gawaing ito, ginamit ang isang parisukat na tabas upang mapanatili ang simetrya ng channel.
Sa panahon ng naka-program na pag-pause sa produksyon, ang mga thermocouple temperature sensor (uri K) ay direktang binuo sa device sa pagitan ng upper at lower channel group (Fig. 1 – stage 3).Makokontrol ng mga thermocouple na ito ang mga pagbabago sa temperatura mula -200 hanggang 1350 °C.
Ang proseso ng pag-deposito ng metal ay isinasagawa ng sungay ng UAM gamit ang metal foil na 25.4 mm ang lapad at 150 microns ang kapal.Ang mga layer ng foil na ito ay konektado sa isang serye ng mga katabing piraso upang masakop ang buong lugar ng pagtatayo;ang laki ng nakadeposito na materyal ay mas malaki kaysa sa huling produkto dahil ang proseso ng pagbabawas ay lumilikha ng panghuling malinis na hugis.Ginagamit ang CNC machining upang makina 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, mga 1.6 µm Ra).Ang tuluy-tuloy, tuluy-tuloy na ultrasonic material spraying at machining cycle ay ginagamit sa buong proseso ng pagmamanupaktura ng device upang matiyak na ang dimensional na katumpakan ay pinananatili at ang natapos na bahagi ay nakakatugon sa mga antas ng katumpakan ng fine milling ng CNC.Ang lapad ng channel na ginamit para sa device na ito ay sapat na maliit upang matiyak na ang materyal ng foil ay hindi "lumubog" sa fluid channel, kaya ang channel ay may square cross section.Ang mga posibleng gaps sa materyal ng foil at ang mga parameter ng proseso ng UAM ay natukoy nang eksperimento ng kasosyo sa pagmamanupaktura (Fabrisonic LLC, USA).
Ipinakita ng mga pag-aaral na sa interface 46, 47 ng tambalang UAM mayroong maliit na pagsasabog ng mga elemento nang walang karagdagang paggamot sa init, kaya para sa mga aparato sa gawaing ito ang layer ng Cu-110 ay nananatiling naiiba mula sa layer ng Al 6061 at kapansin-pansing nagbabago.
Mag-install ng pre-calibrated back pressure regulator (BPR) sa 250 psi (1724 kPa) sa ibaba ng agos ng reactor at mag-bomba ng tubig sa pamamagitan ng reactor sa bilis na 0.1 hanggang 1 ml min-1.Ang presyon ng reactor ay sinusubaybayan gamit ang FlowSyn pressure transducer na nakapaloob sa system upang matiyak na ang system ay maaaring mapanatili ang isang pare-parehong steady pressure.Ang mga potensyal na gradient ng temperatura sa flow reactor ay nasubok sa pamamagitan ng paghahanap ng anumang pagkakaiba sa pagitan ng mga thermocouples na binuo sa reactor at ng mga thermocouples na binuo sa heating plate ng FlowSyn chip.Ito ay makakamit sa pamamagitan ng pagpapalit ng naka-program na temperatura ng hotplate sa pagitan ng 100 at 150 °C sa 25 °C na mga pagtaas at pagsubaybay sa anumang pagkakaiba sa pagitan ng naka-program at naitala na mga 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 pag-optimize na ito ay isinagawa gamit ang isang buong factorial na disenyo ng mga eksperimento (DOE) na diskarte, gamit ang temperatura at oras ng paninirahan bilang mga variable habang inaayos ang alkyne:azide ratio sa 1:2.
Ang mga hiwalay na solusyon ng sodium azide (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), iodoethane (0.25 M, DMF), at phenylacetylene (0.125 M, DMF) ay inihanda.Ang isang 1.5 ML aliquot ng bawat solusyon ay pinaghalo at pumped sa pamamagitan ng reactor sa nais na rate ng daloy at temperatura.Ang tugon ng modelo ay kinuha bilang ratio ng peak area ng produkto ng triazole sa panimulang materyal ng phenylacetylene at natukoy gamit ang high performance liquid chromatography (HPLC).Para sa pagkakapare-pareho ng pagsusuri, ang lahat ng mga reaksyon ay kinuha kaagad pagkatapos umalis ang pinaghalong reaksyon sa reaktor.Ang mga hanay ng parameter na pinili para sa pag-optimize ay ipinapakita sa Talahanayan 2.
Ang lahat ng mga sample ay nasuri 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 Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA), 4.6 x 100 mm, 5 µm particle size, na pinananatili sa 40°C.Ang solvent ay isocratic methanol:water 50:50 sa bilis ng daloy na 1.5 ml·min-1.Ang dami ng iniksyon ay 5 μl at ang wavelength ng detector ay 254 nm.Ang % peak area para sa sample ng DOE ay kinakalkula mula sa mga peak area ng natitirang alkyne at triazole na mga produkto lamang.Ang pagpapakilala ng panimulang materyal ay ginagawang posible upang makilala ang kaukulang mga taluktok.
Ang pagsasama-sama ng mga resulta ng pagsusuri ng reaktor sa software ng MODDE DOE (Umetrics, Malmö, Sweden) ay nagpapahintulot sa isang masusing pagsusuri ng trend ng mga resulta at pagpapasiya ng 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 i-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 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.aklatan.
Kapag natukoy na ang pinakamainam na hanay ng mga kundisyon, inilapat ang mga ito sa isang hanay ng mga derivatives ng acetylene at haloalkane upang payagan ang pagsasama-sama ng isang maliit na library ng synthesis, sa gayon ay nagtatatag ng posibilidad na ilapat ang mga kundisyong ito sa isang 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 na 3 ml ng bawat solusyon ay pinaghalo at ibinomba sa pamamagitan ng reaktor sa bilis na 75 µl/min at temperatura na 150°C.Ang buong dami ay nakolekta sa isang maliit na bote at sinipsip ng 10 ml ng ethyl acetate.Ang sample na solusyon ay hugasan ng 3 x 10 ml ng tubig.Ang mga may tubig na layer ay pinagsama at nakuha na may 10 ml ethyl acetate, pagkatapos ay pinagsama ang mga organikong layer, hugasan ng 3 × 10 ml brine, pinatuyo sa MgSO 4 at sinala, pagkatapos ay tinanggal ang solvent sa vacuo.Ang mga sample ay nalinis ng silica gel column chromatography gamit ang ethyl acetate bago ang pagsusuri sa pamamagitan ng kumbinasyon 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 pinagmulan ng ionization.Ang lahat ng mga sample ay inihanda gamit ang acetonitrile bilang solvent.
Ang pagsusuri ng TLC ay isinagawa sa mga silica plate na may isang aluminyo na substrate.Ang mga plato ay na-visualize gamit ang UV light (254 nm) o vanillin staining at heating.
Sinuri ang lahat ng sample 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 solong wavelength detector.Isang column ng ACE Equivalence 5 C18 (150 x 4.6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Scotland) ang ginamit.
Ang mga iniksyon (5 µl) ay direktang ginawa mula sa diluted na crude reaction mixture (1:10 dilution) at sinuri gamit ang water:methanol (50:50 o 70:30), maliban sa ilang sample na gumagamit ng 70:30 solvent system (na tinukoy bilang star number ) sa rate ng daloy na 1.5 ml/min.Ang haligi ay pinanatili sa 40°C.Ang wavelength ng detector ay 254 nm.
Ang % peak area ng sample ay kinakalkula mula sa peak area ng natitirang alkyne, ang triazole na produkto lamang, at ang pagpapakilala ng panimulang materyal ay naging posible upang makilala ang kaukulang mga taluktok.
Ang lahat ng mga sample ay nasuri gamit ang Thermo iCAP 6000 ICP-OES.Ang lahat ng mga pamantayan sa pagkakalibrate ay inihanda gamit ang isang 1000 ppm Cu standard na solusyon sa 2% nitric acid (SPEX Certi Prep).Ang lahat ng mga pamantayan ay inihanda sa isang solusyon ng 5% DMF at 2% HNO3, at lahat ng mga sample ay natunaw ng 20 beses na may isang sample na solusyon ng DMF-HNO3.
Gumagamit ang UAM ng ultrasonic metal welding bilang isang paraan ng pagsali sa metal foil na ginamit upang lumikha ng panghuling pagpupulong.Gumagamit ang ultrasonic metal welding ng vibrating metal tool (tinatawag na sungay o ultrasonic horn) upang ilapat ang presyon sa foil/dating pinagsama-samang layer na ibubuklod/dati nang pinagsama-sama sa pamamagitan ng pag-vibrate ng materyal.Para sa tuluy-tuloy na operasyon, ang sonotrode ay may cylindrical na hugis at gumulong sa ibabaw ng materyal, na nakadikit 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-ugnay sa naisalokal na init at presyon pagkatapos ay humahantong sa isang solidong phase bond sa mga materyal na interface;maaari rin itong magsulong ng pagkakaisa sa pamamagitan ng pagpapalit ng enerhiya sa ibabaw48.Ang likas na katangian ng mekanismo ng pagbubuklod ay nagtagumpay sa marami sa mga problemang nauugnay sa variable na temperatura ng pagkatunaw at mga epekto ng mataas na temperatura na binanggit sa iba pang mga additive na teknolohiya sa pagmamanupaktura.Ito ay nagbibigay-daan sa 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 solong pinagsama-samang istraktura.
Ang pangalawang kanais-nais na kadahilanan para sa CAM ay ang mataas na antas ng daloy ng plastik na sinusunod sa mga metal na materyales kahit na sa mababang temperatura, ibig sabihin ay mas mababa sa punto ng pagkatunaw ng mga metal na materyales.Ang kumbinasyon ng mga ultrasonic vibrations at pressure ay nagdudulot ng mataas na antas ng lokal na paglilipat ng hangganan ng butil at recrystallization nang walang makabuluhang pagtaas ng temperatura na tradisyonal na nauugnay sa mga bulk na materyales.Sa panahon ng paglikha ng panghuling pagpupulong, ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay maaaring gamitin upang i-embed ang aktibo at passive na mga bahagi sa pagitan ng mga layer ng metal foil, layer by layer.Ang mga elemento tulad ng optical fiber 49, reinforcement 46, electronics 50 at thermocouples (trabahong ito) ay matagumpay na naisama sa mga istruktura ng UAM upang lumikha ng mga aktibo at passive na composite assemblies.
Sa gawaing ito, parehong magkakaibang mga kakayahan sa pagbubuklod ng materyal at mga kakayahan sa intercalation ng UAM ay ginamit upang lumikha ng isang perpektong microreactor para sa kontrol ng temperatura ng catalytic.
Kung ikukumpara sa palladium (Pd) at iba pang karaniwang ginagamit na mga metal catalyst, ang Cu catalysis ay may ilang mga pakinabang: (i) Sa ekonomiya, 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 hanay ng Cu-catalyzed cross-coupling na mga reaksyon ay lumalawak at lumilitaw na medyo complementary51es51es3-52z) ang mga reaksyon 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 Pd chemistry ay kadalasang kumplikado, mahal, at air sensitive (iv) Cu, lalo na kilala sa kakayahang mag-bonding ng mga alkynes sa synthesis, tulad ng bimetallic catalyzed coupling ng Sonogashira at cycloaddition na may azides (click chemistry) (v) Maaari ding isulong ng Cu ang arylation ng ilang nucleophiles.
Kamakailan lamang, ang mga halimbawa ng heterogenization ng lahat ng mga reaksyong ito sa pagkakaroon ng Cu(0) ay ipinakita.Ito ay higit sa lahat dahil sa industriya ng parmasyutiko at ang lumalagong pagtuon sa pagbawi at muling paggamit ng mga metal catalyst55,56.
Ang 1,3-dipolar cycloaddition na reaksyon sa pagitan ng acetylene at azide sa 1,2,3-triazole, na unang iminungkahi ni Huisgen noong 1960s57, ay itinuturing na isang synergistic demonstration reaction.Ang nagreresultang 1,2,3 triazole fragment ay partikular na interes bilang isang pharmacophore sa pagtuklas ng gamot dahil sa kanilang biological na aplikasyon at paggamit sa iba't ibang therapeutic agent 58 .
Ang reaksyong ito ay nakatanggap ng panibagong atensyon nang ipakilala ni Sharpless at ng iba pa ang konsepto ng "click chemistry"59.Ang terminong "click chemistry" ay ginagamit upang ilarawan ang isang matatag at pumipili na hanay ng mga reaksyon para sa mabilis na synthesis ng mga bagong compound at combinatorial library gamit ang heteroatomic bonding (CXC)60.Ang sintetikong apela ng mga reaksyong ito ay dahil sa mataas na ani na nauugnay sa kanila.simple ang mga kondisyon, paglaban sa oxygen at tubig, at simple ang paghihiwalay ng produkto61.
Ang klasikal na 1,3-dipole Huisgen cycloaddition ay hindi nabibilang sa kategoryang “click chemistry”.Gayunpaman, ipinakita ng Medal at Sharpless na ang azide-alkyne coupling event na ito ay sumasailalim sa 107–108 sa pagkakaroon ng Cu(I) kumpara sa isang makabuluhang acceleration sa rate ng non-catalytic 1,3-dipolar cycloaddition 62,63.Ang advanced na mekanismo ng reaksyon na ito ay hindi nangangailangan ng pagprotekta sa mga grupo o malupit na 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).
Isometric na mga resulta ng conventional at copper-catalyzed Huisgen cycloadditions.Ang Cu(I)-catalyzed Huisgen cycloadditions ay nagbibigay lamang ng 1,4-disubstituted 1,2,3-triazoles, habang ang thermally induced Huisgen cycloadditions ay karaniwang nagbibigay ng 1,4- at 1,5-triazoles ng 1:1 mixture ng azole stereoisomers.
Karamihan sa mga protocol ay nagsasangkot ng pagbabawas ng mga matatag na pinagmumulan ng Cu(II), tulad ng pagbabawas ng CuSO4 o ang Cu(II)/Cu(0) na tambalan kasama ng mga sodium salt.Kung ikukumpara sa iba pang metal catalyzed reactions, ang paggamit ng Cu(I) ay may pangunahing bentahe ng pagiging mura at madaling hawakan.
Kinetic at isotopic na pag-aaral ni Worrell et al.65 ay nagpakita na sa kaso ng mga terminal alkynes, dalawang katumbas ng tanso ang kasangkot sa pag-activate ng reaktibiti ng bawat molekula na may paggalang sa azide.Ang iminungkahing mekanismo ay nagpapatuloy sa pamamagitan ng isang anim na miyembro na tansong metal na singsing na nabuo sa pamamagitan ng koordinasyon ng azide sa σ-bonded copper acetylide na may π-bonded na tanso bilang isang matatag na donor ligand.Ang mga tansong triazolyl derivatives ay nabuo bilang isang resulta ng pag-urong ng singsing na sinusundan ng proton decomposition upang bumuo ng mga produktong triazole at isara ang catalytic cycle.
Habang ang mga benepisyo ng flow chemistry device ay mahusay na dokumentado, nagkaroon ng pagnanais na isama ang analytical tool sa mga system na ito para sa real-time na pagsubaybay sa proseso sa situ66,67.Ang UAM ay napatunayang angkop na paraan para sa pagdidisenyo at paggawa ng napakakomplikadong 3D flow reactor mula sa catalytically active, thermally conductive na materyales na may direktang naka-embed na sensing elements (Fig. 4).
Aluminum-copper flow reactor na ginawa ng ultrasonic additive manufacturing (UAM) na may kumplikadong internal channel structure, built-in na thermocouples at catalytic reaction chamber.Upang mailarawan ang panloob na mga landas ng likido, ipinapakita din ang isang transparent na prototype na ginawa gamit ang stereolithography.
Upang matiyak na ang mga reactor ay ginawa para sa hinaharap na mga organikong reaksyon, ang mga solvent ay dapat na ligtas na pinainit sa ibabaw ng kanilang kumukulo;ang mga ito ay nasubok sa presyon at temperatura.Ang pagsubok sa presyon ay nagpakita na ang sistema ay nagpapanatili ng isang matatag at pare-pareho ang presyon kahit na sa mataas na presyon sa system (1.7 MPa).Ang mga pagsusuri sa hydrostatic ay isinagawa sa temperatura ng silid gamit ang H2O bilang likido.
Ang pagkonekta sa built-in (Figure 1) thermocouple sa temperatura ng data logger ay nagpakita na ang thermocouple na temperatura ay 6 °C (± 1 °C) sa ibaba ng naka-program na temperatura sa FlowSyn system.Karaniwan, ang pagtaas ng 10°C sa temperatura ay nagdodoble sa bilis ng reaksyon, kaya ang pagkakaiba ng temperatura na ilang degrees lamang ay maaaring magbago nang malaki sa bilis ng reaksyon.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 nagse-set up ng kagamitan upang matiyak na ang mga tumpak na temperatura ay naabot at nasusukat sa panahon ng reaksyon.Kaya, ang online monitoring tool na ito ay nagpapadali ng mahigpit na kontrol sa temperatura ng reaksyon at nag-aambag sa mas tumpak na pag-optimize ng proseso at pagbuo ng mga pinakamainam na kondisyon.Ang mga sensor na ito ay maaari ding gamitin upang makita ang mga exothermic na reaksyon at maiwasan ang mga runaway na reaksyon sa malalaking sistema.
Ang reaktor na ipinakita sa papel na ito ay ang unang halimbawa ng aplikasyon ng teknolohiya ng UAM sa paggawa ng mga kemikal na reactor at tinutugunan ang ilang pangunahing limitasyon na kasalukuyang nauugnay sa AM/3D na pag-print ng mga device na ito, tulad ng: (i) Pagtagumpayan ang mga nabanggit na problema na nauugnay sa pagproseso ng tanso o aluminyo na haluang metal (ii) pinabuting panloob na resolution ng channel kumpara sa powder bed melting (PBF) na mga pamamaraan ng surface (PBF) na may pagkatunaw ng ibabaw (Selective LM2); 6 (iii) mas mababang temperatura sa pagpoproseso, na nagpapadali sa direktang pagkonekta ng mga sensor, na hindi posible sa teknolohiya ng powder bed, (v) pagtagumpayan ang mahihirap na mekanikal na katangian at sensitivity ng polymer-based na mga bahagi sa iba't ibang karaniwang organic solvents17,19.
Ang pag-andar ng reaktor ay ipinakita sa pamamagitan ng isang serye ng mga copper-catalyzed alkinazide cycloaddition reaksyon sa ilalim ng tuluy-tuloy na mga kondisyon ng daloy (Larawan 2).Ang ultrasonic printed copper reactor na ipinapakita sa fig.4 ay isinama sa isang komersyal na sistema ng daloy at ginamit upang synthesize ang isang azide library ng iba't ibang 1,4-disubstituted 1,2,3-triazoles gamit ang temperatura na kinokontrol na reaksyon ng acetylene at alkyl group halides sa pagkakaroon ng sodium chloride (Fig. 3).Ang paggamit ng tuluy-tuloy na diskarte sa daloy ay binabawasan ang mga isyu sa kaligtasan na maaaring lumitaw sa mga proseso ng batch, dahil ang reaksyong ito ay gumagawa ng lubos na reaktibo at mapanganib na mga intermediate ng azide [317], [318].Sa una, ang reaksyon ay na-optimize para sa cycloaddition ng phenylacetylene at iodoethane (Scheme 1 - Cyclloaddition ng phenylacetylene at iodoethane) (tingnan ang Fig. 5).
(Upper left) Schematic ng setup na ginamit para isama ang isang 3DP reactor sa isang flow system (itaas sa kanan) na nakuha mula sa optimized (lower) scheme ng Huisgen 57 cycloaddition scheme sa pagitan ng phenylacetylene at iodoethane para sa pag-optimize at pagpapakita ng mga optimized na conversion rate parameter 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 na may direktang pinagsamang thermocouple sensor, ang mga kondisyon ng reaksyon ay maaaring mabilis at tumpak na ma-optimize na may pinakamababang oras at materyales.Mabilis na nalaman 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 oras ng paninirahan at temperatura ng reaksyon ay itinuturing na mahalagang kondisyon ng modelo.Ang pagpapatakbo ng built-in na optimizer gamit ang mga napiling kundisyon na ito ay lumilikha ng isang hanay ng mga kundisyon ng reaksyon na idinisenyo upang i-maximize ang mga lugar ng peak ng produkto habang binabawasan ang mga lugar na peak ng panimulang materyal.Ang pag-optimize na ito ay nagbunga ng 53% na conversion ng produktong triazole, na eksaktong tumugma sa hula ng modelo na 54%.