Salamat sa pagbisita sa Nature.com. Limitado ang suporta para sa CSS sa bersyon ng browser na iyong ginagamit. Para sa pinakamahusay na karanasan, inirerekomenda namin na gumamit ka ng na-update na browser (o i-off ang compatibility mode sa Internet Explorer). Samantala, upang matiyak ang patuloy na suporta, ipapakita namin ang site nang walang mga estilo at JavaScript.
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 gawaing ito, iniuulat namin ang unang halimbawa ng isang flow reactor na nabuo gamit ang solid-state metal sheet lamination technique na Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM) 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 pinapataas ang mga kakayahan ng mga naturang aparato. Isang serye ng mga biologically important 1,4-disubstituted 1,2,3-triazole compound ang matagumpay na na-synthesize at na-optimize ng isang Cu-mediated Huisgen 1,3-dipolar cycloaddition reaction gamit ang isang UAM chemistry set-up. Sa pamamagitan ng paggamit ng mga natatanging katangian ng UAM at patuloy na pagproseso ng daloy, nagagawa ng aparato na ma-catalyze ang mga patuloy na reaksyon habang nagbibigay din ng real-time na feedback para sa pagsubaybay at pag-optimize ng 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 simpleng pagbuo ng organikong molekula1 hanggang sa mga pharmaceutical compound2,3 at mga natural na produkto4,5,6. Mahigit sa 50% ng mga reaksyon sa mga industriya ng pinong kemikal at parmasyutiko ang maaaring makinabang mula sa paggamit ng tuluy-tuloy na pagproseso ng daloy7.
Sa mga nakaraang taon, nagkaroon ng lumalaking trend ng mga grupong naghahangad na palitan ang tradisyonal na kagamitan sa babasagin o flow chemistry ng mga customizable na additive manufacturing (AM) chemistry na "reaction vessels"8. Ang paulit-ulit na disenyo, mabilis na produksyon, at 3-dimensional (3D) na kakayahan ng mga pamamaraang ito ay kapaki-pakinabang para sa mga nais i-customize ang kanilang mga device sa isang partikular na hanay ng mga reaksyon, device, o kondisyon. Sa ngayon, ang gawaing ito ay halos eksklusibong nakatuon sa paggamit ng mga polymer-based na 3D printing techniques tulad ng stereolithography (SL)9,10,11, fused deposition modeling (FDM)8,12,13,14 at inkjet printing7, 15, 16. Ang kakulangan ng katatagan 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 implementasyon 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 advanced na mga pamamaraan na nagbibigay-daan sa mga gumagamit na gumawa ng mga flow reaction vessel na may pinahusay na kemikal at analytical na kakayahan. Ang mga pamamaraang ito ay dapat magbigay-daan sa mga gumagamit na pumili mula sa iba't ibang matibay o functional na materyales na may kakayahang humawak ng malawak na hanay ng mga kondisyon ng reaksyon, habang pinapadali rin ang iba't ibang anyo ng analytical output mula sa device upang payagan ang pagsubaybay at pagkontrol ng reaksyon.
Ang isang proseso ng additive manufacturing na may potensyal na bumuo ng mga custom chemical reactor ay ang Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM). Ang solid-state sheet lamination technique na ito ay naglalapat ng ultrasonic oscillations sa manipis na metal foils upang pagdugtungin ang mga ito nang patong-patong na may kaunting bulk 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 maisama sa subtractive manufacturing, na kilala bilang isang hybrid manufacturing process, kung saan ang in-situ periodic computer numerical control (CNC) milling o laser machining ay tumutukoy sa net shape ng isang layer ng bonded material 24, 25. Nangangahulugan ito na ang gumagamit ay hindi limitado ng mga problemang nauugnay sa pag-alis ng natitirang raw build material mula sa maliliit na fluid channel, na kadalasang nangyayari sa mga powder at liquid AM system 26,27,28. Ang kalayaan sa disenyo na ito ay umaabot din sa mga pagpipilian ng materyal na magagamit - ang UAM ay maaaring mag-bonding ng mga thermally similar at dissimilar na kumbinasyon ng materyal sa isang hakbang ng proseso. Ang pagpili ng mga kumbinasyon ng materyal na lampas sa proseso ng melt ay nangangahulugan na ang mga mekanikal at kemikal na pangangailangan ng mga partikular na aplikasyon ay maaaring mas matugunan. Bilang karagdagan sa solid state bonding, isa pang phenomenon Ang pangunahing 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 katangiang ito ng UAM ay maaaring mapadali ang pag-embed ng mga mekanikal/thermal na elemento sa pagitan ng mga patong ng metal nang walang pinsala. Ang mga naka-embed na sensor ng UAM 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 pinagsamang kakayahan sa pag-detect. Ito ay isang aparatong pang-monitor lamang. Inilalahad ng papel na ito ang unang halimbawa ng isang microfluidic chemical reactor na ginawa ng UAM; isang aktibong aparato na hindi lamang nagmomonitor kundi nag-i-induce din ng chemical synthesis sa pamamagitan ng mga structurally integrated catalyst materials. Pinagsasama ng aparato ang ilang mga bentahe na nauugnay sa teknolohiya ng UAM sa paggawa ng 3D chemical device, tulad ng: ang kakayahang i-convert ang buong 3D na disenyo nang direkta mula sa mga computer-aided design (CAD) na modelo patungo sa mga produkto; multi-material fabrication upang pagsamahin ang mataas na thermal conductivity at catalytic materials; at pag-embed ng mga thermal sensor nang direkta sa pagitan ng mga reagent stream para sa tumpak na pagsubaybay at pagkontrol sa 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 Huisgen 1,3-dipolar cycloaddition. Itinatampok ng gawaing ito kung paano ang paggamit ng materials science at computer-aided design ay maaaring magbukas ng mga bagong pagkakataon at posibilidad para sa kimika sa pamamagitan ng multidisciplinary na 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 MHz at 100 MHz, ayon sa pagkakabanggit, ay nakuha gamit ang isang JEOL ECS-400 400 MHz spectrometer o isang Bruker Avance II 400 MHz spectrometer at 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 sa pamamagitan ng mga sumusunod na nailathalang materyales34,35,36,37. Ang aparato (Larawan 1) ay ipinatupad gamit ang isang ultra-high power, 9kW SonicLayer 4000® UAM system (Fabrisonic, OH, USA). Ang mga materyales na pinili para sa paggawa ng flow device ay Cu-110 at Al 6061. Ang Cu-110 ay may mataas na nilalaman ng tanso (minimum na 99.9% tanso), na ginagawa itong isang mahusay na kandidato para sa mga reaksyon na may catalyst ng tanso, at samakatuwid ay ginagamit bilang isang "aktibong layer sa loob ng isang microreactor. Ang Al 6061O ay ginagamit bilang isang "bulk" na materyal, ginagamit din ang Embedding layer para sa pagsusuri; Ang alloy auxiliary component embedding at annealed condition na sinamahan ng Cu-110 layer. Ang Al 6061O ay isang materyal na ipinakita na lubos na tugma sa mga proseso ng UAM38, 39, 40, 41 at nasubukan na at napatunayang matatag sa kemikal gamit ang mga reagent na ginamit sa gawaing ito. Ang kombinasyon ng Al 6061 O at Cu-110 ay itinuturing ding isang tugmang kombinasyon ng materyal para sa UAM at samakatuwid ay isang angkop na materyal para sa pag-aaral na ito. 38,42 Ang mga aparatong ito ay nakalista sa Talahanayan 1 sa ibaba.
Mga yugto ng paggawa ng reaktor (1) Substrate ng Al 6061 (2) Paggawa ng ilalim na channel na nakalagay sa copper foil (3) Paglalagay ng mga thermocouple sa pagitan ng mga layer (4) Pang-itaas na channel (5) Pasukan at labasan (6) Monolithic reactor.
Ang pilosopiya ng disenyo ng fluid path ay ang paggamit ng isang masalimuot na landas upang mapataas ang distansya ng paglalakbay ng fluid sa loob ng chip, habang pinapanatili ang chip sa isang madaling pamahalaang laki. Ang pagtaas ng distansyang ito ay kanais-nais upang mapataas ang oras ng interaksyon ng catalyst/reagent at magbigay ng mahusay na ani ng produkto. Ang mga chip ay gumagamit ng 90° na liko sa mga dulo ng tuwid na landas upang magdulot ng magulong paghahalo sa loob ng device44 at mapataas ang oras ng pakikipag-ugnayan ng fluid sa ibabaw (catalyst). Upang higit pang mapataas ang 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 tumatawid sa stream sa kalagitnaan ng residency nito, ay kasama sa disenyo ng mga hinaharap na multistep reaction syntheses.
Ang lahat ng mga channel ay may parisukat na profile (walang draft angles), ang resulta ng periodic CNC milling na ginamit upang lumikha ng geometry ng channel. Ang mga sukat ng channel ay pinipili upang matiyak ang isang mataas na volume output (para sa isang microreactor), habang sapat na maliit upang mapadali ang mga interaksyon sa ibabaw (mga catalyst) para sa karamihan ng mga nakapaloob na fluid. Ang naaangkop na laki ay batay sa nakaraang karanasan ng mga may-akda sa mga metal-fluidic device para sa reaksyon. Ang mga panloob na sukat ng pangwakas na channel ay 750 µm x 750 µm at ang kabuuang volume ng reactor ay 1 ml. Isang integrated connector (1/4″—28 UNF thread) ang kasama sa disenyo upang payagan ang simpleng 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 partikular na lapad para sa isang partikular na materyal, ang materyal ay "lumuyuko" sa nilikhang channel. Sa kasalukuyan ay walang partikular na modelo para sa kalkulasyong ito, kaya ang maximum na lapad ng channel para sa isang partikular na materyal at disenyo ay tinutukoy sa pamamagitan ng eksperimento; sa kasong ito, 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 ng mga makinang CNC gamit ang iba't ibang mga tool sa paggupit upang makakuha ng iba't ibang mga rate ng daloy at mga katangian. Ang isang halimbawa ng paglikha ng isang kurbadong kanal gamit ang 125 μm tool ay matatagpuan sa gawa ni Monaghan45. Kapag ang foil layer ay idineposito sa isang patag na paraan, ang overlay ng foil material sa ibabaw ng mga kanal ay magkakaroon ng patag (parisukat) na tapusin. Sa gawaing ito, upang mapanatili ang simetriya ng kanal, isang parisukat na balangkas ang ginamit.
Sa panahon ng paunang naka-program na paghinto sa paggawa, ang mga thermocouple temperature probe (Type K) ay direktang naka-embed sa loob ng aparato sa pagitan ng mga upper at lower channel group (Figure 1 – Stage 3). Kayang subaybayan ng mga thermocouple na ito ang mga pagbabago sa temperatura mula −200 hanggang 1350 °C.
Ang proseso ng pagdedeposito ng metal ay isinasagawa sa pamamagitan ng isang UAM horn gamit ang isang 25.4 mm ang lapad at 150 micron ang kapal na metal foil. Ang mga layer ng foil na ito ay pinagdudugtong sa isang serye ng magkakatabing mga piraso upang masakop ang buong lugar ng paggawa; ang laki ng idinepositong materyal ay mas malaki kaysa sa huling produkto dahil ang proseso ng subtractive ay lumilikha ng pangwakas na hugis ng lambat. Ginagamit ang CNC machining upang makinarya ang panlabas at panloob na mga contour ng kagamitan, na nagreresulta sa isang surface finish ng 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 patuloy, tuluy-tuloy na ultrasonic material deposition at machining cycle ay ginagamit sa buong proseso ng paggawa ng device upang matiyak na napapanatili ang katumpakan ng dimensional at 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 puwang sa materyal ng foil at mga parameter ng proseso ng UAM ay natukoy sa pamamagitan ng eksperimento ng isang kasosyo sa pagmamanupaktura (Fabrisonic LLC, USA).
Ipinakita ng mga pag-aaral na kaunting elemental diffusion ang 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 mula sa Al 6061 layer at biglang nagbabago.
Magkabit ng isang pre-calibrated na 250 psi (1724 kPa) back pressure regulator (BPR) sa labasan ng reactor at magbomba ng tubig sa reactor sa rate na 0.1 hanggang 1 mL/min. Ang presyon ng reactor ay minanmanan gamit ang FlowSyn built-in system pressure sensor upang mapatunayan na kayang mapanatili ng system ang isang pare-parehong matatag na presyon. Ang mga potensyal na gradient ng temperatura sa buong flow reactor ay sinubukan sa pamamagitan ng pagtukoy ng anumang pagkakaiba sa pagitan ng mga thermocouple na naka-embed sa loob ng reactor at ng mga naka-embed sa loob ng FlowSyn chip heating plate. Nakakamit ito sa pamamagitan ng pag-iiba-iba ng programmable hotplate temperature sa pagitan ng 100 at 150 °C sa 25 °C increments at pagpansin sa anumang pagkakaiba sa pagitan ng programmed at recorded na temperatura. Nakamit ito gamit ang isang tc-08 data logger (PicoTech, Cambridge, UK) at kasamang PicoLog 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 ganap na factorial design of experiments (DOE) na pamamaraan, gamit ang temperatura at residence time bilang mga variable na parameter, 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 peak area ratio ng triazole product sa phenylacetylene starting material at tinukoy sa pamamagitan ng high performance liquid chromatography (HPLC). Para sa consistency ng pagsusuri, lahat ng reaksyon ay kinuhanan ng sample pagkatapos umalis ng reaction mixture sa reactor. Ang mga parameter ranges 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 × 100 mm ang laki, 5 µm ang laki ng particle, pinanatili sa 40 °C. Ang solvent ay isocratic 50:50 methanol:water sa flow rate na 1.5 mL.min-1. Ang injection volume ay 5 µL at ang detector wavelength 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 pag-iniksyon ng panimulang materyal ay nagbibigay-daan sa pagtukoy ng mga kaugnay na peak.
Ang pagsasama ng output ng pagsusuri ng reaktor 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 ng lahat ng mahahalagang termino ng modelo ay nagbubunga 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 panimulang materyal ng acetylene.
Ang oksihenasyon ng surface copper 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.
Nang matukoy 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 ng library, sa gayon ay nagtatatag ng kakayahang ilapat ang mga kondisyong ito sa mas malawak na hanay ng mga potensyal na reagent (Larawan 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). 3 mL aliquots ng bawat solusyon ay hinalo at ibinomba sa reactor sa 75 µL.min-1 at 150 °C. Ang kabuuang volume ay tinipon sa isang vial at diluted na may 10 mL ng ethyl acetate. Ang sample solution ay hinugasan ng 3 × 10 mL ng tubig. Ang mga aqueous layer ay pinagsama at kinuha gamit ang 10 mL ng ethyl acetate; ang mga organic layer ay pinagsama, hinugasan ng 3 x 10 mL ng brine, pinatuyo sa ibabaw ng MgSO4 at sinala, pagkatapos ay tinanggal ang solvent sa vacuum. Ang mga sample ay pinadalisay sa pamamagitan ng column chromatography sa silica gel 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 resolution 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 platong silica na may aluminyo. Ang mga plato ay nakita sa pamamagitan ng UV light (254 nm) o paglamlam ng vanillin at pagpapainit.
Ang lahat ng mga sample ay sinuri gamit ang isang VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) na sistema 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 crude reaction mixture (1:10 dilution) at sinuri gamit ang tubig:methanol (50:50 o 70:30), maliban sa ilang sample na gumagamit ng 70:30 solvent system (itinuturing 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, tanging ang triazole product, at ang iniksyon ng panimulang materyal ay nagpapahintulot sa pagkilala sa mga kaugnay na peak.
Ang lahat ng mga sample ay sinuri gamit ang isang 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 5% DMF at 2% HNO3 solution, at lahat ng mga sample ay diluted nang 20 beses sa sample na solusyon ng DMF-HNO3.
Gumagamit ang UAM ng ultrasonic metal welding bilang isang pamamaraan ng pag-bonding para sa materyal na metal foil na ginamit upang bumuo ng pangwakas na assembly. Gumagamit ang ultrasonic metal welding ng isang vibrating metal tool (tinatawag na horn o ultrasonic horn) upang mag-apply ng pressure sa foil layer/dating pinagsama-samang layer na ibo-bond habang binabago ang materyal. Para sa patuloy na operasyon, ang sonotrode ay cylindrical at gumugulong sa ibabaw ng materyal, na nagbo-bonding sa buong lugar. Kapag inilapat ang pressure at vibration, ang mga oxide sa ibabaw ng materyal ay maaaring pumutok. Ang patuloy na pressure at vibration ay maaaring maging sanhi ng pagguho ng materyal 36. Ang malapit na pakikipag-ugnayan sa lokal na dulot ng init at presyon ay humahantong sa solid-state bonding sa mga interface ng materyal; maaari rin itong makatulong sa pagdikit sa pamamagitan ng mga pagbabago sa enerhiya sa ibabaw 48. Ang katangian ng mekanismo ng bonding ay nakakapagtagumpayan sa marami sa mga problemang nauugnay sa variable na temperatura ng pagkatunaw at mga epekto ng mataas na temperatura na nabanggit sa iba pang mga additive manufacturing techniques. Nagbibigay-daan ito para sa direktang bonding (ibig sabihin, nang walang pagbabago sa ibabaw, mga filler o adhesive) ng maraming layer ng iba't ibang materyales sa isang pinagsama-samang istraktura.
Ang pangalawang kanais-nais na salik para sa UAM 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 oscillation at pressure ay nagdudulot ng mataas na antas ng local grain boundary migration at recrystallization nang walang malaking pagtaas ng temperatura na tradisyonal na iniuugnay sa mga bulk material. Sa panahon ng paggawa ng final assembly, maaaring gamitin ang phenomenon na ito 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 fibers 49, reinforcements 46, electronics 50, at thermocouples (sa gawaing ito) ay pawang matagumpay na na-embed sa mga istruktura ng UAM upang lumikha ng mga aktibo at passive composite assemblies.
Sa gawaing ito, ang parehong magkakaibang posibilidad ng material bonding at intercalation ng UAM ay ginamit upang lumikha ng ultimate catalytic temperature monitoring microreactor.
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 pagproseso ng kemikal (ii) Ang hanay ng mga reaksyon ng cross-coupling na may catalyst na Cu ay tumataas 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, Halimbawa, ang bimetallic-catalyzed Sonogashira coupling at cycloaddition na may azides (click chemistry) (v) Ang Cu ay nagagawa ring itaguyod ang arylation ng ilang mga nucleophile sa mga reaksyong uri ng Ullmann.
Ang mga halimbawa ng heterogenization ng lahat ng mga reaksyong ito ay naipakita kamakailan sa presensya ng Cu(0). Ito ay higit na dahil sa industriya ng parmasyutiko at ang lumalaking pokus sa pagbawi at muling paggamit ng metal catalyst55,56.
Pinangunahan ni Huisgen noong dekada 196057, ang 1,3-dipolar cycloaddition reaction sa pagitan ng acetylene at azide sa 1,2,3-triazole ay itinuturing na isang synergistic demonstration reaction. Ang mga nagresultang 1,2,3 triazole moieties ay partikular na interesante bilang pharmacophore sa larangan ng pagtuklas ng gamot dahil sa kanilang mga biological na aplikasyon at paggamit sa iba't ibang therapeutic agent 58.
Muling naging pokus ang reaksyong ito 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, maaasahan, at mapiling hanay ng mga reaksyon para sa mabilis na sintesis ng mga bagong compound at combinatorial library sa pamamagitan ng heteroatom linkage (CXC)60. Ang sintetikong apela ng mga reaksyong ito ay nagmumula sa kaugnay nitong mataas na ani, simple ang mga kondisyon ng reaksyon, resistensya sa oxygen at tubig, at simple ang paghihiwalay ng produkto61.
Ang klasikal na Huisgen 1,3-dipole cycloaddition ay hindi kabilang sa kategorya ng "click chemistry". Gayunpaman, ipinakita nina Medal at Sharpless na ang azide-alkyne coupling event na ito ay sumasailalim sa 107 hanggang 108 sa presensya ng Cu(I) kumpara sa uncatalyzed 1,3-dipolar cycloaddition 62,63 na may makabuluhang rate acceleration. Ang pinahusay na mekanismo ng reaksyon na ito ay hindi nangangailangan ng mga grupong nagpoprotekta o malupit na mga kondisyon ng reaksyon at nagbubunga ng halos kumpletong conversion at selectivity sa 1,4-disubstituted 1,2,3-triazoles (anti-1,2,3-triazole) sa isang time scale (Larawan 3).
Mga resultang isometric ng mga kumbensyonal at copper-catalyzed na Huisgen cycloadditions. Ang mga Cu(I)-catalyzed na Huisgen cycloadditions ay nagbubunga lamang ng 1,4-disubstituted na 1,2,3-triazoles, samantalang ang mga thermally induced na Huisgen cycloadditions ay karaniwang nagbubunga ng 1,4- at 1,5-triazoles na 1:1 na halo ng mga stereoisomer ng mga azole.
Karamihan sa mga protokol ay kinabibilangan ng pagbabawas ng mga matatag na pinagmumulan ng Cu(II), tulad ng pagbabawas ng CuSO4 o Cu(II)/Cu(0) species na pinagsama sa mga sodium salt. Kung ikukumpara sa iba pang mga reaksiyong metal-catalyzed, ang paggamit ng Cu(I) ay may mga pangunahing bentahe ng pagiging mura at madaling gamitin.
Ipinakita ng mga pag-aaral sa kinetic at isotopic labeling 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 patungo sa 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 triazolyl copper derivatives ay nabubuo sa pamamagitan ng ring shrinkage, na sinusundan ng proton decomposition upang magbigay ng mga produktong triazole at isara ang catalytic cycle.
Bagama't mahusay na naidokumento ang mga benepisyo ng mga aparatong flow chemistry, mayroong pagnanais na isama ang mga analytical tool sa mga sistemang ito para sa in-line, in-situ, na pagsubaybay sa proseso66,67. Ang UAM ay napatunayang isang angkop na pamamaraan para sa pagdidisenyo at paggawa ng mga lubos na kumplikadong 3D flow reactor na gawa sa mga catalytically active, thermally conductive na materyales na may direktang naka-embed na mga sensing elements (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, naka-embed na thermocouple, at catalytic reaction chamber. Upang mailarawan ang mga panloob na pathway ng likido, ipinapakita rin ang isang transparent na prototype na ginawa gamit ang stereolithography.
Upang matiyak na ang mga reaktor ay mabubuo para sa mga organikong reaksyon sa hinaharap, ang mga solvent ay kailangang ligtas na painitin nang higit sa kumukulong punto; ang mga ito ay sinusuri sa presyon at temperatura. Ipinakita ng pagsubok sa presyon na ang sistema ay nagpapanatili ng isang matatag at pare-parehong presyon kahit na may mas mataas na presyon ng sistema (1.7 MPa). Ang pagsubok sa hydrostatic ay isinagawa sa temperatura ng silid gamit ang H2O bilang likido.
Ang pagkonekta ng naka-embed (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 pagdoble ng reaction rate, kaya ang pagkakaiba ng temperatura na ilang digri lamang ay maaaring makabuluhang magpabago sa reaction rate. Ang pagkakaibang ito ay dahil sa pagkawala ng temperatura sa buong katawan ng reactor 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 sa pag-setup ng kagamitan upang matiyak na ang mga tumpak na temperatura ay naaabot at nasusukat habang nagaganap ang reaksyon. Samakatuwid, ang online monitoring tool na ito ay nagpapadali sa mahigpit na pagkontrol sa temperatura ng reaksyon at nagpapadali 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 matukoy ang mga reaction exotherm at maiwasan ang mga biglaang reaksyon sa mga malalaking sistema.
Ang reaktor na inilahad sa gawaing 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 naiulat na problema na may kaugnayan sa pagproseso ng tanso o aluminyo na haluang metal (ii) pinahusay na resolusyon ng panloob na channel kumpara sa mga pamamaraan ng powder bed fusion (PBF) tulad ng selective laser melting (SLM)25,69 Mahinang daloy ng materyal at magaspang na tekstura ng ibabaw26 (iii) Nabawasang temperatura ng pagproseso, na nagpapadali sa direktang pag-bonding ng mga sensor, na hindi posible sa teknolohiya ng powder bed, (v) nalalampasan ang mahinang mekanikal na katangian at sensitivity ng mga bahaging nakabatay sa polymer sa iba't ibang karaniwang organic solvents17,19.
Ang paggana ng reaktor ay ipinakita sa pamamagitan ng isang serye ng mga reaksiyong cycloaddition na gawa sa copper-catalyzed alkyne azide sa ilalim ng mga kondisyon ng tuluy-tuloy na daloy (Larawan 2). Ang ultrasonic-printed copper reactor na nakadetalye sa Larawan 4 ay isinama sa isang komersyal na sistema ng daloy at ginamit upang i-synthesize ang mga library azide ng iba't ibang 1,4-disubstituted 1,2,3-triazole sa pamamagitan ng reaksyong kontrolado ang temperatura ng acetylene at alkyl groups halides sa presensya ng sodium chloride (Larawan 3). Ang paggamit ng isang patuloy na daloy na pamamaraan ay nagpapagaan sa mga alalahanin sa kaligtasan na maaaring lumitaw sa mga proseso ng batch, dahil ang reaksyong ito ay gumagawa ng mga 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 – Cycloaddition ng phenylacetylene at iodoethane) (tingnan ang Larawan 5).
(Kaliwang itaas) Eskematiko ng setup na ginamit upang isama ang 3DP reactor sa flow system (kanang itaas) na nakuha sa na-optimize (ibaba) na scheme ng Huisgen cycloaddition 57 scheme sa pagitan ng phenylacetylene at iodoethane para sa optimization at pagpapakita ng na-optimize na parameters reaction conversion rate.
Sa pamamagitan ng pagkontrol sa residence time ng mga reagent sa catalytic na bahagi ng reactor at mahigpit na pagsubaybay sa temperatura ng reaksyon gamit ang isang direktang integrated thermocouple probe, ang mga kondisyon ng reaksyon ay maaaring mabilis at tumpak na ma-optimize nang may kaunting oras at pagkonsumo ng materyal. Mabilis na natukoy na ang pinakamataas na conversion ay nakuha nang gumamit ng residence time na 15 minuto at reaction temperature na 150 °C. Mula sa coefficient plot ng MODDE software, makikita na ang parehong residence time at reaction temperature ay itinuturing na mahahalagang model term. Ang pagpapatakbo ng built-in optimizer gamit ang mga piling terminong ito ay bumubuo 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 triazole product, na halos kapareho ng 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 mga zero-valent na ibabaw ng tanso sa mga reaksyong ito, ang kakayahang mag-pre-oxidize ng ibabaw ng reactor bago isagawa ang reaksyon sa daloy ay siniyasat70,71. Ang reaksyon sa pagitan ng phenylacetylene at iodoethane ay muling isinagawa sa ilalim ng pinakamainam na mga kondisyon at ang mga ani ay inihambing. Naobserbahan na ang paghahandang ito ay nagresulta sa isang makabuluhang pagtaas sa conversion ng panimulang materyal, na kinakalkula na >99%. Gayunpaman, ipinakita ng pagsubaybay sa pamamagitan ng HPLC na ang conversion na ito ay makabuluhang nagbawas sa labis na matagal na oras ng reaksyon hanggang humigit-kumulang 90 minuto, kung saan ang aktibidad ay tila tumataas at umabot sa isang "steady state". Ang obserbasyong ito ay nagmumungkahi na ang pinagmumulan ng catalytic activity ay nakuha mula sa surface copper oxide sa halip na sa zero-valent copper substrate. Ang Cu metal ay madaling ma-oxidize sa temperatura ng silid upang bumuo ng CuO at Cu2O na hindi mga self-protective layer. Inaalis nito ang pangangailangang magdagdag ng auxiliary copper(II) source para sa co-composition71.