Salamat sa pagbisita sa Nature.com. Ang bersyon ng browser na iyong ginagamit ay may limitadong suporta para sa CSS. Para sa pinakamahusay na karanasan, inirerekomenda namin na gumamit ka ng na-update na browser (o i-off ang compatibility mode sa Internet Explorer). Pansamantala, upang matiyak ang patuloy na suporta, ipapakita namin ang site nang walang mga istilo at JavaScript.
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 gawaing ito, iniuulat namin ang unang halimbawa ng flow reactor na nabuo ng solid-state metal sheet lamination technique na Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM) na may direktang pinagsamang mga catalytic parts at sensing elements. pinapataas ang mga kakayahan ng mga naturang device. Ang isang serye ng biologically important 1,4-disubstituted 1,2,3-triazole compound ay matagumpay na na-synthesize at na-optimize ng isang Cu-mediated Huisgen 1,3-dipolar cycloaddition reaction gamit ang isang UAM chemistry set-up. para sa pagsubaybay at pag-optimize ng reaksyon.
Dahil sa mga makabuluhang pakinabang nito sa bulk counterpart 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 simpleng organic molecule formation1 hanggang pharmaceutical compounds2,3 at natural na mga produkto4,5,6. Mahigit sa 50% ng mga reaksyon sa pinong industriya ng kemikal at parmasyutiko ay maaaring makinabang mula sa paggamit ng tuluy-tuloy na pagproseso ng daloy7.
Sa nakalipas na mga taon, nagkaroon ng lumalaking trend ng mga grupong naghahanap na palitan ang tradisyonal na kagamitang babasagin o flow chemistry na may nako-customize na additive manufacturing (AM) chemistry na "reaction vessels" 8. Ang umuulit na disenyo, mabilis na produksyon, at 3-dimensional (3D) na mga kakayahan ng mga diskarteng ito ay kapaki-pakinabang para sa mga gustong i-customize ang kanilang mga device sa isang partikular na hanay ng mga reaksyon, mga device, o mga kundisyon na halos nakabatay sa halos lahat ng polymer na ito. 3D printing techniques tulad ng stereolithography (SL)9,10,11, fused deposition modeling (FDM)8,12,13,14 at inkjet printing 7, 15, 16. Ang kawalan ng tibay at kakayahan ng mga device na ito na magsagawa ng malawak na hanay ng mga kemikal na reaksyon/pagsusuri17, 18, 19 ay isang mas malawak, limitasyon sa pagpapatupad ng AM na ito. field17, 18, 19, 20 .
Dahil sa dumaraming paggamit ng flow chemistry at sa mga paborableng katangian na nauugnay sa AM, kailangang mag-explore ng mas advanced na mga diskarte na nagbibigay-daan sa mga user na gumawa ng mga flow reaction vessel na may pinahusay na kemikal at analytical na kakayahan.
Ang isang additive na proseso ng pagmamanupaktura na may potensyal na bumuo ng mga custom na chemical reactor ay ang Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM). Ang solid-state sheet lamination technique na ito ay naglalapat ng mga ultrasonic oscillations sa manipis na metal foil upang pagsamahin ang mga ito nang magkakasunod na layer na may minimal na bulk heating at isang mataas na antas ng plastic flow 21 , 22 , 23 . proseso, kung saan tinutukoy ng in-situ na periodic computer numerical control (CNC) milling o laser machining ang net na hugis ng isang layer ng bonded material 24, 25. Nangangahulugan ito na ang user ay hindi limitado sa mga problemang nauugnay sa pag-alis ng natitirang raw build material mula sa maliliit na fluid channel, na kadalasang nangyayari sa powder at liquid AM system26,27,28. hindi magkatulad na mga kumbinasyon ng materyal 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 hinihingi ng mga partikular na aplikasyon ay maaaring mas mahusay na matugunan. Bilang karagdagan sa solid state bonding, isa pang phenomenon na nakatagpo sa panahon ng ultrasonic bonding ay ang mataas na daloy ng mga plastik na materyales sa medyo mababang temperatura29,30,31,32,33. Ang natatanging tampok na ito ng UAM na layer ng sensor ay maaaring mapadali ang pag-embed ng mga elemento ng metal/thermal na naka-embed. 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 na istrukturang microfluidic na may pinagsamang mga kakayahan sa sensing. Ito ay isang aparato lamang sa pagsubaybay. Ang papel na ito ay nagpapakita ng unang halimbawa ng isang microfluidic chemical reactor na gawa ng UAM; isang aktibong device na hindi lamang sumusubaybay ngunit nag-uudyok din ng chemical synthesis sa pamamagitan ng structurally integrated catalyst materials. Pinagsasama ng device ang ilang mga pakinabang na nauugnay sa teknolohiya ng UAM sa 3D chemical device manufacturing, gaya ng: ang kakayahang direktang i-convert ang buong 3D na disenyo mula sa mga modelo ng computer-aided design (CAD) sa mga produkto; multi-materyal na katha upang pagsamahin ang mataas na thermal conductivity at catalytic na materyales; at pag-embed ng mga thermal sensor nang direkta sa pagitan ng mga stream ng reagent para sa tumpak na pagsubaybay at kontrol sa temperatura ng reaksyon. Para ipakita ang functionality ng reactor, isang library ng mahalagang pharmaceutically 1,4-disubstituted 1,2,3-triazole compounds ay na-synthesize ng copper-catalyzed Huisgen 1,3-dipolar work cycloaddition ng computer kung paano ito magagamit sa disenyo ng cycloadization ng computer. up ng mga bagong pagkakataon at posibilidad para sa chemistry sa pamamagitan ng multidisciplinary research.
Ang lahat ng mga solvent at reagents ay binili mula sa Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI o Fischer Scientific at ginamit nang walang paunang purification.1H at 13C NMR spectra na naitala sa 400 MHz at 100 MHz, ayon sa pagkakabanggit, ay nakuha gamit ang isang JEOL ECS-400 400 MHz MHz spectrometer II 400 MHz Avancemeter II o aspectrometer 400 MHz Avancemeter II 400 MHz. (CD3)2SO bilang solvent. Ang lahat ng mga reaksyon ay isinagawa gamit ang Uniqsis FlowSyn flow chemistry platform.
Ginamit ang UAM sa paggawa ng lahat ng device sa pag-aaral na ito. Naimbento ang teknolohiya noong 1999, at ang mga teknikal na detalye nito, mga parameter ng pagpapatakbo at mga pag-unlad mula noong pag-imbento nito ay maaaring pag-aralan sa pamamagitan ng mga sumusunod na nai-publish na materyales34,35,36,37. Ang aparato (Larawan 1) ay ipinatupad gamit ang isang ultra-high power, 9kW SonicLayer 4000® UAM, system para sa tela ng USA. Ang flow device 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 reaksyon na naka-catalyzed ng tanso, at samakatuwid ay ginagamit bilang isang "aktibong layer sa loob ng microreactor. Ang Al 6061 O ay ginagamit bilang isang "bulk" na materyal, na may naka-embed na sangkap na pinagsama-samang patong na ginagamit para sa pagsusuri; Ang layer ng Cu-110. Al 6061 O ay isang materyal na napatunayang lubos na katugma sa mga proseso ng UAM38, 39, 40, 41 at nasubok at natagpuang matatag sa kemikal sa mga reagent na ginamit sa gawaing ito Ang kumbinasyon ng Al 6061 O sa Cu-110 ay itinuturing din na isang tugmang materyal na ito para sa 3, samakatuwid, ang mga materyal na ito ay isang kumbinasyon para sa 3 1 sa ibaba.
Mga yugto ng paggawa ng reactor (1) Al 6061 substrate (2) Fabrication ng bottom channel na nakatakda sa copper foil (3) Pag-embed ng mga thermocouples sa pagitan ng mga layer (4) Top channel (5) Inlet at outlet (6) Monolithic reactor.
Ang pilosopiya ng disenyo ng fluid path ay ang paggamit ng convoluted path upang mapataas ang distansiyang dinadaanan ng fluid sa loob ng chip, habang pinapanatili ang chip sa isang mapapamahalaang laki. Ang pagtaas ng distansya na ito ay kanais-nais na pataasin ang oras ng pakikipag-ugnayan ng catalyst/reagent at magbigay ng mahusay na mga ani ng produkto. Gumagamit ang mga chip ng 90° na baluktot sa mga dulo ng tuwid na daan upang mahikayat ang magulong paghahalo sa ibabaw ng device44. paghahalo na maaaring makamit, ang disenyo ng reactor ay nagtatampok ng dalawang reagent inlet na pinagsama sa Y-junction bago pumasok sa serpentine mixing section. Ang ikatlong inlet, na nagsalubong sa stream sa kalagitnaan ng residency nito, ay kasama sa disenyo ng hinaharap na multistep reaction syntheses.
Ang lahat ng mga channel ay may parisukat na profile (walang draft angles), ang resulta ng panaka-nakang paggiling ng CNC na ginamit upang lumikha ng channel geometry. Pinili ang mga dimensyon ng channel upang matiyak ang isang mataas na (para sa isang microreactor) na output ng volume, habang ito ay sapat na maliit upang mapadali ang mga interaksyon sa ibabaw (mga catalyst) para sa karamihan ng mga nilalamang likido. Ang naaangkop na sukat ay batay sa nakaraang karanasan ng mga may-akda sa metal-fluidic na mga aparato para sa mga panloob na dimensyon m µ µ µ ang channel ng panghuling channel. 750 µm at ang kabuuang volume ng reactor ay 1 ml. Isang pinagsamang connector (1/4″—28 UNF thread) ang kasama sa disenyo upang payagan ang simpleng interfacing ng device na may commercial flow chemistry equipment. Ang laki ng channel ay nalilimitahan ng kapal ng materyal na 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 isang naibigay 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 sa eksperimentong paraan; sa kasong ito, ang lapad na 750 μm ay hindi magiging sanhi ng sag.
Natutukoy ang hugis (parisukat) ng channel sa pamamagitan ng paggamit ng square cutter. Ang hugis at sukat ng mga channel ay maaaring baguhin ng mga CNC machine gamit ang iba't ibang cutting tool upang makakuha ng iba't ibang mga rate at katangian ng daloy. Ang isang halimbawa ng paggawa ng curved shape channel gamit ang 125 μm tool ay makikita sa gawa ng Monaghan45. Kapag ang foil layer ay nadeposito sa ibabaw ng isang planar na materyal, magkakaroon ng overlay na materyal na foil, tapusin.Sa gawaing ito, upang mapanatili ang simetrya ng channel, ginamit ang isang parisukat na balangkas.
Sa panahon ng pre-programmed pause sa paggawa, ang thermocouple temperature probe (Type K) ay direktang naka-embed sa loob ng device sa pagitan ng upper at lower channel group (Figure 1 – Stage 3).
Ang proseso ng pag-deposito ng metal ay ginagawa ng isang sungay ng UAM gamit ang isang 25.4 mm ang lapad, 150 micron na makapal na metal foil. Ang mga layer ng foil na ito ay pinagsasama sa isang serye ng mga katabing strip upang masakop ang buong lugar ng pagtatayo; ang laki ng idinepositong materyal ay mas malaki kaysa sa huling produkto dahil ang subtractive na proseso ay gumagawa ng panghuling hugis ng net. Ang CNC machining ay ginagamit upang makina ang panlabas at panloob na mga contour ng kagamitan, na nagreresulta sa isang surface finish ng mga kagamitan at mga channel na katumbas ng napiling tool at mga parameter ng proseso ng CNC (humigit-kumulang 1.6 μm Ra sa halimbawang ito). Ang tuluy-tuloy, tuluy-tuloy, tuluy-tuloy na pagdeposito ng materyal sa ultrasonic at matiyak na ang proseso ng pagmamanupaktura ay ginagamit sa buong proseso ng pagmamanupaktura at machining. ang natapos na bahagi ay makakatugon sa mga antas ng katumpakan ng CNC finish 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 nagpapanatili ng isang parisukat na cross-section. Ang mga posibleng gaps sa foil material at mga parameter ng proseso ng UAM ay natukoy nang eksperimental ng isang manufacturing partner (Fabrisonic LLC, USA).
Ipinakita ng mga pag-aaral na ang maliit na elemental diffusion ay nangyayari sa UAM bonding interface 46, 47 nang walang karagdagang thermal treatment, kaya para sa mga device sa gawaing ito, ang Cu-110 layer ay nananatiling naiiba sa Al 6061 layer at biglang nagbabago.
Mag-install ng pre-calibrated 250 psi (1724 kPa) back pressure regulator (BPR) sa labasan 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 built-in na system pressure sensor upang ma-verify na ang system ay maaaring magpanatili ng isang pare-parehong steady na regradient ng temperatura. mga pagkakaiba sa pagitan ng mga thermocouples na naka-embed sa loob ng reactor at ng mga naka-embed sa loob ng FlowSyn chip heating plate. Ito ay nakakamit sa pamamagitan ng pag-iiba-iba ng programmable hotplate na temperatura sa pagitan ng 100 at 150 °C sa 25 °C increments at pagpuna sa anumang pagkakaiba sa pagitan ng mga naka-program at naitala na temperatura. Ito ay nakamit gamit ang isang tc-08 na data ng Cambridge, Loccog, at Cambridge. software.
Ang mga kondisyon ng 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 sa pamamagitan ng isang buong factorial na disenyo ng mga eksperimento (DOE) na diskarte, habang ginagamit ang ratio ng temperatura at residential na oras ng pag-aayos. 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. Isang 1.5 mL aliquot ng bawat solusyon ang pinaghalo at ibinomba sa pamamagitan ng reactor sa nais na rate ng daloy at temperatura ng produkto. phenylacetylene na panimulang materyal at tinutukoy ng high performance liquid chromatography (HPLC). Para sa pare-pareho ng pagsusuri, ang lahat ng mga reaksyon ay na-sample pagkatapos lamang umalis ang reaction mixture sa reactor. Ang mga hanay ng parameter na pinili para sa optimization ay ipinapakita sa Talahanayan 2.
Sinuri ang lahat ng sample gamit ang Chromaster HPLC system (VWR, PA, USA) na binubuo ng quaternary pump, column oven, variable wavelength UV detector at autosampler. Ang column ay Equivalence 5 C18 (VWR, PA, USA), 4.6 × 100 mm ang laki, 5 µm particle size, na pinanatili sa 40:water 5 °C. sa rate 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 pag-iniksyon ng panimulang materyal ay nagbibigay-daan sa pagtukoy ng mga nauugnay na peak.
Ang pagsasama sa output ng pagsusuri ng reactor sa software ng MODDE DOE (Umetrics, Malmö, Sweden) ay nagbigay-daan sa masusing pagsusuri ng mga trend ng resulta at pagtukoy ng pinakamainam na kondisyon ng reaksyon para sa cycloaddition na ito. Ang pagpapatakbo ng built-in na optimizer at pagpili sa lahat ng mahahalagang termino ng modelo ay magbubunga ng isang hanay ng mga kondisyon ng reaksyon na idinisenyo upang i-maximize ang peak area ng produkto habang binabawasan ang lugar ng pagsisimula ng peak para sa acetylene.
Ang oksihenasyon ng ibabaw na tanso sa loob ng catalytic reaction chamber ay nakamit gamit ang isang solusyon ng hydrogen peroxide (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.
Kapag natukoy 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 synthesis ng library, sa gayon ay nagtatatag ng kakayahang ilapat ang mga kundisyong ito sa isang mas malawak na hanay ng mga potensyal na reagents (Larawan 1).2).
Maghanda ng hiwalay na mga solusyon ng sodium azide (0.25 M, 4:1 DMF:H2O), haloalkanes (0.25 M, DMF) at alkynes (0.125 M, DMF).3 mL aliquots ng bawat solusyon ang pinaghalo at ipinobomba sa reaktor sa 75 µL.min-1 at 150 °C ang kabuuang volume na nakolekta sa isang vial at 150 °C. ng ethyl acetate. Ang sample na solusyon ay hinugasan ng 3 × 10 mL ng tubig. Ang may tubig na mga layer ay pinagsama at nakuha na may 10 mL ng ethyl acetate; pagkatapos ay pinagsama ang mga organikong layer, hinugasan ng 3 x 10 mL ng brine, pinatuyo sa ibabaw ng MgSO4 at sinala, pagkatapos ay tinanggal ang solvent sa vacuo. Ang mga sample ay dinalisay ng column chromatography sa silica gel gamit ang ethyl acetate bago ang pagsusuri sa pamamagitan ng kumbinasyon ng HPLC,1H NMR,13C NMR at high resolution mass spectrometry (HR.
Ang lahat ng spectra ay nakuha gamit ang isang Thermofischer precision Orbitrap resolution mass spectrometer na may ESI bilang ionization source. Ang lahat ng sample ay inihanda gamit ang acetonitrile bilang solvent.
Ang pagsusuri sa TLC ay isinagawa sa aluminum-backed na silica plates. Ang mga plate ay na-visualize sa pamamagitan ng UV light (254 nm) o vanillin staining at heating.
Sinuri ang lahat ng sample gamit ang VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) system na nilagyan ng autosampler, column oven binary pump at single wavelength detector. Ang column na ginamit ay isang ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4.6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Scotland).
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 column ay pinananatiling 40 °C sa nm.40 °C.
Ang % peak area ng sample ay kinakalkula mula sa peak area ng natitirang alkyne, tanging ang triazole na produkto, at ang pag-iniksyon ng panimulang materyal ay nagpapahintulot sa pagkakakilanlan ng mga nauugnay na peak.
Sinuri ang lahat ng sample gamit ang Thermo iCAP 6000 ICP-OES. Inihanda ang lahat ng pamantayan sa pagkakalibrate gamit ang 1000 ppm Cu standard solution sa 2% nitric acid (SPEX Certi Prep). Inihanda ang lahat ng standard sa 5% DMF at 2% HNO3 solution, at lahat ng sample ay natunaw ng 20-fold sa sample na DMF.
Gumagamit ang UAM ng ultrasonic metal welding bilang isang bonding technique para sa metal foil material na ginamit sa pagbuo ng final assembly. Ultrasonic metal welding ay gumagamit ng vibrating metal tool (tinatawag na sungay o ultrasonic horn) upang ilapat ang pressure sa foil layer/dating pinagsama-samang layer na ibubuklod habang vibrating ang materyal. Para sa tuluy-tuloy na operasyon, ang sonotrode at roll na materyal ay cylindrical sa ibabaw ng ibabaw ng pressure. at ang vibration ay inilapat, ang mga oxide sa ibabaw ng materyal ay maaaring pumutok. Ang patuloy na pressure at vibration ay maaaring maging sanhi ng mga asperity ng materyal upang gumuho 36 . Ang matalik na pakikipag-ugnay sa lokal na sapilitan na init at presyon pagkatapos ay humahantong sa solid-state bonding sa mga materyal na interface; maaari din itong tumulong sa pagdirikit sa pamamagitan ng mga pagbabago sa 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 mataas na temperatura pagkatapos ng mga epekto na binanggit sa iba pang mga additive na pamamaraan sa pagmamanupaktura.
Ang pangalawang kanais-nais na salik para sa UAM ay ang mataas na antas ng daloy ng plastik na sinusunod sa mga metal na materyales, kahit na sa mababang temperatura, ibig sabihin, mas mababa sa punto ng pagkatunaw ng mga metal na materyales. foil, layer by layer. Ang mga elemento tulad ng optical fibers 49, reinforcements 46, electronics 50, at thermocouples (trabahong ito) ay matagumpay na nai-embed sa mga istruktura ng UAM upang lumikha ng aktibo at passive na composite assemblies.
Sa gawaing ito, ang magkaibang materyal na bonding at intercalation na mga posibilidad ng UAM ay ginamit upang lumikha ng ultimate catalytic temperature monitoring microreactor.
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 pagpoproseso ng kemikal (ii) Ang hanay ng mga Cu-catalyzed cross-coupling na mga reaksyon ay tumataas at mukhang medyo nakabatay sa P5,53 na pamamaraan (25) Ang mga reaksyong na-catalyzed ng Cu 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 sensitibo sa hangin (iv) Cu, lalo na kilala sa kakayahang magbigkis ng mga alkynes sa synthesis, Halimbawa, bimetallic-catalyzed na Sonogas chemistry (co-catalyzed na Sonogas) (v) Nagagawa rin ng Cu na isulong ang pag-arylation ng ilang mga nucleophile sa mga reaksyong uri ng Ullmann.
Ang mga halimbawa ng heterogenization ng lahat ng mga reaksyong ito ay ipinakita kamakailan sa pagkakaroon ng Cu(0). Ito ay higit sa lahat dahil sa industriya ng parmasyutiko at ang lumalagong pagtuon sa pagbawi at muling paggamit ng metal catalyst55,56.
Pinangunahan ni Huisgen noong 1960s57, ang 1,3-dipolar cycloaddition na reaksyon sa pagitan ng acetylene at azide sa 1,2,3-triazole ay itinuturing na isang synergistic na demonstration reaction.
Ang reaksyong ito ay muling napagtuunan ng pansin 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, maaasahan at pumipili na hanay ng mga reaksyon para sa mabilis na synthesis ng mga bagong compound at combinatorial library sa pamamagitan ng heteroatom linkage (CXC)60 Ang sintetikong apela ng mga reaksyong ito ay nagmumula sa kanilang nauugnay na mataas na yields ng tubig, mga kundisyon ng reaksyon at mga produkto. simple61.
Ang klasikal na Huisgen 1,3-dipole cycloaddition ay hindi kabilang sa kategorya ng "click chemistry".Gayunpaman, ipinakita ng Medal at Sharpless na ang azide-alkyne coupling event na ito ay sumasailalim sa 107 hanggang 108 sa pagkakaroon ng Cu(I) kumpara sa uncatalyzed 1,3-dipolar cycload3 na mekanismong ito ay makabuluhang nagpapabuti ng reaction rate 62,66 na mekanismo ng reaction na ito. hindi nangangailangan ng pagprotekta sa mga grupo o malupit na kondisyon ng reaksyon at magbubunga ng malapit sa kumpletong conversion at selectivity sa 1,4-disubstituted 1,2,3-triazoles (anti-1,2,3-triazole) sa isang sukat ng oras (Figure 3).
Isometric na mga resulta ng conventional at copper-catalyzed Huisgen cycloadditions. Cu(I)-catalyzed Huisgen cycloadditions ay nagbubunga lamang ng 1,4-disubstituted 1,2,3-triazoles, samantalang ang thermally induced Huisgen cycloadditions ay karaniwang nagbubunga ng 1,154-triazoles stereoisomer ng azoles.
Karamihan sa mga protocol ay nagsasangkot ng pagbabawas ng mga stable na Cu(II) na pinagmumulan, tulad ng pagbabawas ng CuSO4 o Cu(II)/Cu(0) species na pinagsama-sama ng sodium salts. Kung ikukumpara sa iba pang metal-catalyzed na reaksyon, ang paggamit ng Cu(I) ay may mga pangunahing bentahe ng pagiging mura at madaling hawakan.
Mga pag-aaral ng kinetic at isotopic labeling ni Worrell et al. Ipinakita ng 65 na, sa kaso ng mga terminal alkynes, dalawang katumbas ng tanso ang kasangkot sa pag-activate ng reaktibiti ng bawat molekula patungo 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 na tansong acetylide na may π-bonded na tanso bilang isang stable na de-singsing na ligand. pag-urong, na sinusundan ng proton decomposition upang magbigay ng mga produktong triazole at isara ang catalytic cycle.
Bagama't ang mga benepisyo ng mga flow chemistry device ay mahusay na dokumentado, nagkaroon ng pagnanais na isama ang mga analytical na tool sa mga system na ito para sa in-line, in-situ, process monitoring66,67. Napatunayan na ang UAM ay isang angkop na paraan para sa pagdidisenyo at paggawa ng napakakomplikadong 3D flow reactor na gawa sa catalytically active, thermally conductive na materyales na may direktang naka-embed na sensing element4 (Figure sensing elements).
Aluminum-copper flow reactor na gawa ng ultrasonic additive manufacturing (UAM) na may kumplikadong internal channel structure, naka-embed na thermocouples at catalytic reaction chamber. Para makita ang mga internal fluid pathways, ipinapakita rin ang isang transparent na prototype na gawa gamit ang stereolithography.
Upang matiyak na ang mga reactor ay gawa-gawa para sa hinaharap na mga organikong reaksyon, ang mga solvent ay kailangang ligtas na pinainit sa itaas ng kumukulong punto; 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 may tumaas na presyon ng sistema (1.7 MPa). Ang hydrostatic test ay isinagawa sa temperatura ng silid gamit ang H2O bilang likido.
Ang pagkonekta sa naka-embed na (Figure 1) thermocouple sa temperature data logger ay nagpakita na ang thermocouple ay 6 °C (± 1 °C) na mas malamig kaysa sa naka-program na temperatura sa FlowSyn system. Kadalasan, ang 10 °C na pagtaas sa temperatura ay nagreresulta sa pagdodoble ng rate ng reaksyon, kaya ang pagkakaiba ng temperatura na ilang degree lamang ay maaaring makabuluhang baguhin ang temperatura ng pagbabago sa buong temperatura dahil sa rate ng reaksyon ng katawan. diffusivity ng mga materyales na ginamit sa proseso ng pagmamanupaktura. Ang thermal drift na ito ay pare-pareho at samakatuwid ay maaaring isaalang-alang sa pag-setup ng kagamitan upang matiyak na ang mga tumpak na temperatura ay naabot at nasusukat sa panahon ng reaksyon. Samakatuwid, ang online na tool sa pagsubaybay na ito ay nagpapadali sa mahigpit na kontrol sa temperatura ng reaksyon at pinapadali ang mas tumpak na pag-optimize ng proseso at pagbuo ng mga pinakamainam na kondisyon. Ang mga sensor na ito ay maaari ding gamitin upang makilala ang mga reaction exotherms at maiwasan ang mga runaway na sistema sa malalaking reaksyon.
Ang reaktor na ipinakita sa gawaing 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 Naiulat na problema na may kaugnayan sa pagpoproseso ng tanso o aluminyo na haluang metal (ii) pinabuting internal channel resolution kumpara sa powder bed fusion (PBF) na pamamaraan ng pagtunaw ng materyal tulad ng (699) laser flow, selective fusion (PBF) at mga pamamaraan ng pagtunaw ng powder bed fusion (PBF). texture sa ibabaw26 (iii) Nabawasan ang temperatura sa pagpoproseso, na nagpapadali sa direktang pagbubuklod ng mga sensor, na hindi posible sa teknolohiya ng powder bed, (v) nagtagumpay sa mahihirap na mekanikal na katangian at sensitivity ng mga bahagi na nakabatay sa polimer na bahagi sa iba't ibang mga karaniwang organikong solvent17,19.
Ang pag-andar ng reaktor ay ipinakita sa pamamagitan ng isang serye ng mga copper-catalyzed alkyne azide cycloaddition reactions sa ilalim ng tuluy-tuloy na mga kondisyon ng daloy (Fig. 2). Ang mga pangkat ng alkyl ay halides sa pagkakaroon ng sodium chloride (Larawan 3). phenylacetylene at iodoethane) (tingnan ang Larawan 5).
(Kaliwa sa itaas) Schematic ng setup na ginamit para isama ang 3DP reactor sa flow system (kanang itaas) na nakuha sa optimized (ibaba) scheme ng Huisgen cycloaddition 57 scheme sa pagitan ng phenylacetylene at iodoethane para sa pag-optimize at pagpapakita ng mga na-optimize na parameter na rate ng conversion ng reaksyon.
Sa pamamagitan ng pagkontrol sa oras ng paninirahan ng mga reagents sa catalytic na bahagi ng reactor at malapit na pagsubaybay sa temperatura ng reaksyon na may direktang pinagsamang thermocouple probe, ang mga kondisyon ng reaksyon ay maaaring ma-optimize nang mabilis at tumpak na may kaunting oras at pagkonsumo ng materyal. Mabilis na natukoy na ang pinakamataas na conversion ay nakuha kapag ang tagal ng paninirahan na 15 minuto at temperatura ng reaksyon na 150 °C ay maaaring makita na ang parehong software ay maaaring makita mula sa koepisyent ng MOD.F. ang oras ng paninirahan at temperatura ng reaksyon ay itinuturing na mahahalagang termino ng modelo. Ang pagpapatakbo ng built-in na optimizer gamit ang mga napiling terminong ito ay bumubuo ng isang hanay ng mga kondisyon ng reaksyon na idinisenyo upang i-maximize ang mga lugar ng peak ng produkto habang binabawasan ang panimulang lugar ng peak na materyal. Ang pag-optimize na ito ay nagbunga ng 53% na conversion ng produktong triazole, na malapit na tumugma sa hula ng modelo na 54%.
Batay sa mga literatura na nagpapakita na ang copper(I) oxide (Cu2O) ay maaaring kumilos bilang isang epektibong catalytic species sa zero-valent na ibabaw ng tanso sa mga reaksyong ito, ang kakayahang mag-pre-oxidize sa ibabaw ng reactor bago isagawa ang reaksyon sa daloy ay sinisiyasat70,71. Ang reaksyon sa pagitan ng phenylacetylene at iodoethane ay ginawang muli sa ilalim ng pinakamainam na mga kondisyon. makabuluhang pagtaas sa conversion ng panimulang materyal, na kung saan ay kinakalkula na> 99%.Gayunpaman, ang pagsubaybay ng HPLC ay nagpakita na ang conversion na ito ay makabuluhang nabawasan ang labis na matagal na oras ng reaksyon hanggang sa humigit-kumulang 90 minuto, kung saan ang aktibidad ay lumitaw sa level off at umabot sa isang "steady state". bumubuo ng CuO at Cu2O na hindi mga patong na protektahan sa sarili.