Nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz.Kullanmakta olduğunuz tarayıcı sürümü sınırlı CSS desteğine sahiptir.En iyi deneyim için güncellenmiş bir tarayıcı kullanmanızı (veya Internet Explorer'da Uyumluluk Modunu devre dışı bırakmanızı) öneririz.Bu arada, sürekli destek sağlamak için siteyi stiller ve JavaScript olmadan yapacağız.
Aynı anda üç slayt gösteren bir döngü.Üç slaytta aynı anda ilerlemek için Önceki ve Sonraki düğmelerini kullanın veya aynı anda üç slaytta ilerlemek için sondaki kaydırma düğmelerini kullanın.
Eklemeli imalat, araştırmacıların ve sanayicilerin kendi özel ihtiyaçlarını karşılamak için kimyasal cihazlar tasarlama ve üretme yöntemlerini değiştiriyor.Bu yazıda, doğrudan entegre katalitik parçalar ve algılama elemanları ile katı bir metal levhanın ultrasonik eklemeli imalat (UAM) laminasyonuyla oluşturulan bir akış reaktörünün ilk örneğini sunuyoruz.UAM teknolojisi, yalnızca şu anda kimyasal reaktörlerin eklemeli imalatıyla ilgili sınırlamaların çoğunun üstesinden gelmekle kalmıyor, aynı zamanda bu tür cihazların yeteneklerini de büyük ölçüde genişletiyor.Biyolojik olarak önemli bir dizi 1,4-disübstitüe 1,2,3-triazol bileşikleri, UAM kimya tesisi kullanılarak bir Cu-aracılı 1,3-dipolar Huisgen siklokatılma reaksiyonu ile başarıyla sentezlendi ve optimize edildi.UAM'nin benzersiz özelliklerini ve sürekli akış işlemeyi kullanan cihaz, devam eden reaksiyonları katalize edebilmenin yanı sıra reaksiyonları izlemek ve optimize etmek için gerçek zamanlı geri bildirim sağlayabilir.
Akış kimyası, toplu eşdeğerine göre önemli avantajları nedeniyle, kimyasal sentezin seçiciliğini ve etkinliğini artırma kabiliyeti nedeniyle hem akademik hem de endüstriyel ortamlarda önemli ve büyüyen bir alandır.Bu, basit organik moleküllerin1 oluşumundan farmasötik bileşiklere2,3 ve doğal ürünlere4,5,6 kadar uzanır.Hassas kimya ve ilaç endüstrilerindeki reaksiyonların %50'den fazlası sürekli akıştan yararlanabilir7.
Son yıllarda, geleneksel cam eşya veya akış kimyası ekipmanlarını uyarlanabilir kimyasal "reaktörler"8 ile değiştirmeye çalışan gruplarda artan bir eğilim olmuştur.Bu yöntemlerin yinelemeli tasarımı, hızlı üretimi ve üç boyutlu (3D) yetenekleri, cihazlarını belirli bir dizi reaksiyon, cihaz veya koşul için özelleştirmek isteyenler için kullanışlıdır.Bugüne kadar, bu çalışma neredeyse tamamen stereolitografi (SL)9,10,11, Fused Deposition Modeling (FDM)8,12,13,14 ve inkjet baskı7,15 gibi polimer bazlı 3D baskı tekniklerinin kullanımına odaklanmıştır., 16. Bu tür cihazların çok çeşitli kimyasal reaksiyonları/analizleri17, 18, 19, 20 gerçekleştirme konusundaki güvenilirliğinin ve yeteneğinin olmaması, bu alanda AM'nin daha geniş uygulaması için önemli bir sınırlayıcı faktördür17, 18, 19, 20.
Akış kimyasının artan kullanımı ve AM ile ilişkili olumlu özellikler nedeniyle, kullanıcıların gelişmiş kimya ve analitik yeteneklere sahip akış reaksiyon kapları üretmelerine olanak sağlayacak daha iyi tekniklerin keşfedilmesi gerekmektedir.Bu yöntemler, kullanıcıların çok çeşitli reaksiyon koşulları altında çalışabilen bir dizi yüksek mukavemetli veya fonksiyonel malzeme arasından seçim yapmasına izin vermeli ve ayrıca reaksiyonun izlenmesini ve kontrolünü sağlamak için cihazdan çeşitli analitik çıktı biçimlerini kolaylaştırmalıdır.
Özel kimyasal reaktörler geliştirmek için kullanılabilecek bir eklemeli üretim süreci, Ultrasonik Eklemeli Üretimdir (UAM).Bu katı hal sac laminasyon yöntemi, ince metal folyolara ultrasonik titreşimler uygulayarak bunları minimum hacimsel ısıtma ve yüksek derecede plastik akışla katman katman birbirine bağlar 21, 22, 23. Diğer AM teknolojilerinin aksine, UAM, hibrit üretim süreci olarak bilinen, periyodik yerinde sayısal kontrol (CNC) frezeleme veya lazer işlemenin bağlı malzeme katmanının net şeklini belirlediği 24, 25 çıkarmalı üretimle doğrudan entegre edilebilir. toz ve sıvı sistemlerde sıklıkla görülen küçük sıvı kanallarından artık orijinal yapı malzemesinin çıkarılmasıyla ilgili problemler AM26,27,28.Bu tasarım özgürlüğü, mevcut malzemelerin seçimine de uzanır - UAM, termal olarak benzer ve farklı malzemelerin kombinasyonlarını tek bir işlem adımında yapıştırabilir.Eritme işleminin ötesinde malzeme kombinasyonlarının seçimi, belirli uygulamaların mekanik ve kimyasal gereksinimlerinin daha iyi karşılanabileceği anlamına gelir.Katı bağlamaya ek olarak, ultrasonik bağlama ile ortaya çıkan başka bir olgu, nispeten düşük sıcaklıklarda29,30,31,32,33plastik malzemelerin yüksek akışkanlığıdır.UAM'nin bu benzersiz özelliği, mekanik/termal elemanların metal katmanlar arasına zarar vermeden yerleştirilmesine olanak tanır.Gömülü UAM sensörleri, entegre analitik aracılığıyla cihazdan kullanıcıya gerçek zamanlı bilgilerin iletilmesini kolaylaştırabilir.
Yazarlar tarafından yapılan önceki çalışma32, UAM işleminin gömülü algılama yeteneklerine sahip metalik 3D mikroakışkan yapılar oluşturma yeteneğini göstermiştir.Bu cihaz yalnızca izleme amaçlıdır.Bu makale, yapısal olarak entegre edilmiş katalitik malzemelerle kimyasal sentezi yalnızca kontrol etmekle kalmayıp aynı zamanda indükleyen aktif bir cihaz olan UAM tarafından üretilen bir mikroakışkan kimyasal reaktörün ilk örneğini sunmaktadır.Cihaz, 3D kimyasal cihazların imalatında UAM teknolojisi ile ilişkili çeşitli avantajları bir araya getirir, örneğin: eksiksiz bir 3D tasarımı doğrudan bilgisayar destekli tasarım (CAD) modelinden bir ürüne dönüştürme yeteneği;yüksek termal iletkenlik ve katalitik malzemelerin bir kombinasyonu için çoklu malzeme üretimi ve ayrıca reaksiyon sıcaklığının hassas kontrolü ve yönetimi için doğrudan reaktan akışları arasına yerleştirilmiş termal sensörler.Reaktörün işlevselliğini göstermek için, farmasötik açıdan önemli 1,4-disübstitüe 1,2,3-triazol bileşiklerinden oluşan bir kitaplık, bakır katalizli 1,3-dipolar Huisgen siklo ilavesiyle sentezlendi.Bu çalışma, malzeme bilimi ve bilgisayar destekli tasarımın kullanımının disiplinler arası araştırma yoluyla kimya için nasıl yeni olasılıklar ve fırsatlar açabileceğini vurgulamaktadır.
Tüm solventler ve reaktifler Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI veya Fischer Scientific'ten satın alındı ​​ve önceden saflaştırılmadan kullanıldı.Sırasıyla 400 ve 100 MHz'de kaydedilen 1H ve 13C NMR spektrumları, solvent olarak CDCl3 veya (CD3)2SO ile bir JEOL ECS-400 400 MHz spektrometre veya bir Bruker Avance II 400 MHz spektrometre üzerinde elde edildi.Tüm reaksiyonlar, Uniqsis FlowSyn akış kimyası platformu kullanılarak gerçekleştirildi.
UAM, bu çalışmadaki tüm cihazları imal etmek için kullanıldı.Teknoloji 1999'da icat edildi ve buluşundan bu yana teknik detayları, çalışma parametreleri ve gelişmeleri aşağıdaki yayınlanmış materyaller kullanılarak incelenebilir34,35,36,37.Cihaz (Şekil 1), ağır hizmet tipi 9 kW SonicLayer 4000® UAM sistemi (Fabrisonic, Ohio, ABD) kullanılarak uygulandı.Akış cihazı için seçilen malzemeler Cu-110 ve Al 6061'dir. Cu-110, yüksek bakır içeriğine sahiptir (minimum %99,9 bakır), bu da onu bakır katalizli reaksiyonlar için iyi bir aday yapar ve bu nedenle "mikro reaktör içinde aktif bir katman" olarak kullanılır.Al 6061 O “dökme” malzeme olarak kullanılır., analiz için kullanılan interkalasyon katmanının yanı sıra;Cu-110 tabakası ile birlikte yardımcı alaşım bileşenlerinin ve tavlanmış halin birleştirilmesi.Bu çalışmada kullanılan reaktiflerle kimyasal olarak kararlı olduğu bulundu.Al 6061 O, Cu-110 ile birlikte UAM için uyumlu bir malzeme kombinasyonu olarak kabul edilir ve bu nedenle bu çalışma için uygun bir malzemedir38,42.Bu cihazlar aşağıdaki Tablo 1'de listelenmiştir.
Reaktör imalat adımları (1) 6061 alüminyum alaşımlı substrat (2) Bakır folyodan alt kanalın imalatı (3) Katmanlar arasına termokuplların yerleştirilmesi (4) Üst kanal (5) Giriş ve çıkış (6) Monolitik reaktör.
Akışkan kanalı tasarım felsefesi, yönetilebilir bir çip boyutunu korurken çip içindeki sıvının kat ettiği mesafeyi artırmak için dolambaçlı bir yol kullanmaktır.Mesafedeki bu artış, katalizör-tepken temas süresini artırmak ve mükemmel ürün verimleri sağlamak için arzu edilir.Çipler, cihaz44 içinde türbülanslı karıştırmayı başlatmak ve sıvının yüzeyle (katalizör) temas süresini artırmak için düz bir yolun uçlarında 90°'lik kıvrımlar kullanır.Elde edilebilecek karıştırmayı daha da geliştirmek için, reaktörün tasarımı, karıştırma bobini bölümüne girmeden önce bir Y bağlantısında birleştirilmiş iki reaktan girişi içerir.Akışı yarı yolda kesen üçüncü giriş, gelecekteki çok aşamalı sentez reaksiyonları planına dahil edilmiştir.
Tüm kanallar, kanal geometrisini oluşturmak için kullanılan periyodik CNC frezelemenin sonucu olan kare bir profile sahiptir (konik açılar yoktur).Kanal boyutları, yüksek (bir mikro reaktör için) hacimsel verim sağlayacak, ancak içerdiği sıvıların çoğu için yüzey (katalizörler) ile etkileşimi kolaylaştıracak kadar küçük olacak şekilde seçilir.Uygun boyut, yazarların metal-sıvı reaksiyon cihazlarıyla ilgili geçmiş deneyimlerine dayanmaktadır.Nihai kanalın iç boyutları 750 um x 750 um idi ve toplam reaktör hacmi 1 ml idi.Cihazın ticari akış kimyası ekipmanıyla kolay arabirim oluşturmasını sağlamak için tasarıma yerleşik bir konektör (1/4 "-28 UNF dişli) dahil edilmiştir.Kanal boyutu, folyo malzemesinin kalınlığı, mekanik özellikleri ve ultrasonik ile kullanılan birleştirme parametreleri ile sınırlıdır.Belirli bir malzeme için belirli bir genişlikte, malzeme oluşturulan kanala "sarkacaktır".Şu anda bu hesaplama için belirli bir model yoktur, bu nedenle belirli bir malzeme ve tasarım için maksimum kanal genişliği deneysel olarak belirlenir, bu durumda 750 µm'lik bir genişlik sarkmaya neden olmaz.
Kanalın şekli (kare) bir kare kesici kullanılarak belirlenir.Kanalların şekli ve boyutu, farklı akış hızları ve özellikleri elde etmek için farklı kesici takımlar kullanılarak CNC tezgahlarında değiştirilebilir.125 µm'lik bir araçla kavisli bir kanal oluşturmanın bir örneği Monaghan45'te bulunabilir.Folyo tabakası düz uygulandığında, folyo malzemesinin kanallara uygulanması düz (kare) bir yüzeye sahip olacaktır.Bu çalışmada kanal simetrisini korumak için kare bir kontur kullanılmıştır.
Üretimde programlanmış bir duraklama sırasında, termokupl sıcaklık sensörleri (K tipi) doğrudan cihazın içine üst ve alt kanal grupları arasına yerleştirilmiştir (Şekil 1 – aşama 3).Bu termokupllar -200 ile 1350 °C arasındaki sıcaklık değişimlerini kontrol edebilir.
Metal biriktirme işlemi, 25,4 mm genişliğinde ve 150 mikron kalınlığında metal folyo kullanılarak UAM boynuzu tarafından gerçekleştirilir.Bu folyo katmanları, tüm yapı alanını kaplamak için bir dizi bitişik şerit halinde birleştirilir;çıkarma işlemi nihai temiz şekli oluşturduğundan, biriken malzemenin boyutu nihai üründen daha büyüktür.CNC işleme, ekipmanın dış ve iç konturlarını işlemek için kullanılır; bu, ekipmanın ve kanalların seçilen alete ve CNC işlem parametrelerine (bu örnekte yaklaşık 1,6 µm Ra) karşılık gelen bir yüzey kalitesiyle sonuçlanır.Boyutsal doğruluğun korunmasını ve bitmiş parçanın CNC ince frezeleme hassasiyet seviyelerini karşılamasını sağlamak için cihazın üretim süreci boyunca sürekli, sürekli ultrasonik malzeme püskürtme ve işleme döngüleri kullanılır.Bu cihaz için kullanılan kanalın genişliği, folyo malzemesinin sıvı kanalında "sarkmamasını" sağlayacak kadar küçüktür, bu nedenle kanal kare bir kesite sahiptir.Folyo malzemesindeki olası boşluklar ve UAM işleminin parametreleri, imalat ortağı (Fabrisonic LLC, ABD) tarafından deneysel olarak belirlendi.
Çalışmalar, UAM bileşiğinin arayüzünde (46, 47), ek ısıl işlem olmaksızın elementlerin çok az difüzyonu olduğunu göstermiştir, dolayısıyla bu çalışmadaki cihazlar için Cu-110 katmanı, Al 6061 katmanından farklı kalır ve önemli ölçüde değişir.
Reaktörün akış yönüne 250 psi'de (1724 kPa) önceden kalibre edilmiş bir karşı basınç regülatörü (BPR) takın ve reaktörden 0,1 ila 1 ml dk-1 oranında su pompalayın.Reaktör basıncı, sistemin sabit bir sabit basıncı koruyabilmesini sağlamak için sisteme yerleşik FlowSyn basınç transdüseri kullanılarak izlendi.Akış reaktöründeki potansiyel sıcaklık gradyanları, reaktöre yerleştirilmiş termokupllar ile FlowSyn çipinin ısıtma plakasına yerleştirilmiş termokupllar arasındaki farklar aranarak test edildi.Bu, programlanan ocak gözü sıcaklığını 25 °C'lik artışlarla 100 ve 150 °C arasında değiştirerek ve programlanan ve kaydedilen sıcaklıklar arasındaki farkları izleyerek elde edilir.Bu, tc-08 veri kaydedici (PicoTech, Cambridge, UK) ve beraberindeki PicoLog yazılımı kullanılarak sağlandı.
Fenilasetilen ve iyodoetanın siklokatılma reaksiyonu için koşullar optimize edilmiştir (Şema 1-fenilasetilen ve iyodoetanın siklokatılması, Şema 1-fenilasetilen ve iyodoetanın siklokatılması).Bu optimizasyon, alkin:azid oranını 1:2'de sabitlerken sıcaklık ve kalma süresini değişkenler olarak kullanan tam faktöriyel deney tasarımı (DOE) yaklaşımı kullanılarak gerçekleştirildi.
Ayrı ayrı sodyum azit (0.25 M, 4:1 DMF:H20), iyodoetan (0.25 M, DMF) ve fenilasetilen (0.125 M, DMF) çözeltileri hazırlandı.Her solüsyondan 1.5 ml'lik bir alikot karıştırıldı ve istenen akış hızı ve sıcaklıkta reaktörden pompalandı.Modelin tepkisi, triazol ürününün pik alanının fenilasetilenin başlangıç ​​maddesine oranı olarak alınmış ve yüksek performanslı sıvı kromatografisi (HPLC) kullanılarak belirlenmiştir.Analiz tutarlılığı için tüm reaksiyonlar, reaksiyon karışımı reaktörden çıktıktan hemen sonra alınmıştır.Optimizasyon için seçilen parametre aralıkları Tablo 2'de gösterilmektedir.
Tüm numuneler, bir dörtlü pompa, kolon fırını, değişken dalga boylu UV detektörü ve otomatik numune alıcıdan oluşan bir Chromaster HPLC sistemi (VWR, PA, ABD) kullanılarak analiz edildi.Sütun, 40°C'de muhafaza edilen bir Eşdeğerlik 5 C18 (VWR, PA, ABD), 4.6 x 100 mm, 5 um parçacık boyutuydu.Çözücü izokratik metanol:su 50:50, 1.5 ml/dak-1 akış hızındaydı.Enjeksiyon hacmi 5 ul idi ve detektör dalga boyu 254 nm idi.DOE numunesi için pik alanı yüzdesi, yalnızca kalıntı alkin ve triazol ürünlerinin pik alanlarından hesaplandı.Başlangıç ​​malzemesinin eklenmesi, karşılık gelen piklerin tanımlanmasını mümkün kılar.
Reaktör analizinin sonuçlarının MODDE DOE yazılımı (Umetrics, Malmö, İsveç) ile birleştirilmesi, sonuçların kapsamlı bir trend analizine ve bu döngüsel ekleme için en uygun reaksiyon koşullarının belirlenmesine olanak sağlamıştır.Yerleşik optimize ediciyi çalıştırmak ve tüm önemli model terimlerini seçmek, asetilen besleme stoğu için pik alanını azaltırken ürünün pik alanını en üst düzeye çıkarmak için tasarlanmış bir dizi reaksiyon koşulu oluşturur.
Katalitik reaksiyon odasındaki bakır yüzeyinin oksidasyonu, her bir triazol bileşiğinin sentezinden önce reaksiyon odasından akan bir hidrojen peroksit çözeltisi (%36) kullanılarak sağlandı (akış hızı = 0.4 ml dk-1, kalma süresi = 2.5 dk).kütüphane.
Optimum koşullar belirlendikten sonra, küçük bir sentez kitaplığının derlenmesine izin vermek için bir dizi asetilen ve haloalkan türevlerine uygulandılar, böylece bu koşulları daha geniş bir potansiyel reaktifler yelpazesine uygulama olasılığı oluşturuldu (Şekil 1).2).
Sodyum azid (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), haloalkanlar (0,25 M, DMF) ve alkinler (0,125 M, DMF) için ayrı çözeltiler hazırlayın.Her çözeltiden 3 ml'lik alikotlar karıştırıldı ve 75 ul/dk'lık bir hızla ve 150°C'lik bir sıcaklıkta reaktörden pompalandı.Hacmin tamamı bir şişe içinde toplandı ve 10 ml etil asetat ile seyreltildi.Numune solüsyonu 3 x 10 ml su ile yıkandı.Sulu katmanlar birleştirildi ve 10 ml etil asetat ile özümlendi, ardından organik katmanlar birleştirildi, 3x10 ml tuzlu su ile yıkandı, MgS04 üzerinde kurutuldu ve süzüldü, sonra solvent vakumla çıkarıldı.Numuneler, HPLC, 1H NMR, 13C NMR ve yüksek çözünürlüklü kütle spektrometresi (HR-MS) kombinasyonu ile analizden önce etil asetat kullanılarak silika jel kolon kromatografisiyle saflaştırıldı.
Tüm spektrumlar, iyonizasyon kaynağı olarak ESI ile bir Thermofischer Precision Orbitrap kütle spektrometresi kullanılarak elde edildi.Tüm numuneler çözücü olarak asetonitril kullanılarak hazırlandı.
TLC analizi, bir alüminyum substrat ile silika plakalar üzerinde gerçekleştirildi.Plakalar, UV ışığı (254 nm) veya vanilin boyama ve ısıtma ile görselleştirildi.
Tüm örnekler, otomatik örnekleyici, kolon fırınlı ikili pompa ve tek dalga boyu detektörü ile donatılmış bir VWR Chromaster sistemi (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, UK) kullanılarak analiz edildi.Bir ACE Equivalence 5 C18 kolonu (150 x 4.6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, İskoçya) kullanıldı.
Enjeksiyonlar (5 ul) doğrudan seyreltilmiş ham reaksiyon karışımından (1:10 seyreltme) yapıldı ve 1.5 ml/dk akış hızında 70:30 solvent sistemi (yıldız sayısı olarak belirtilir) kullanan bazı örnekler dışında su:metanol (50:50 veya 70:30) ile analiz edildi.Kolon 40°C'de tutuldu.Dedektörün dalga boyu 254 nm'dir.
Numunenin pik alanı yüzdesi, yalnızca triazol ürünü olan artık alkinin pik alanından hesaplandı ve başlangıç ​​malzemesinin eklenmesi, karşılık gelen piklerin tanımlanmasını mümkün kıldı.
Tüm örnekler Thermo iCAP 6000 ICP-OES kullanılarak analiz edildi.Tüm kalibrasyon standartları, %2 nitrik asit (SPEX Certi Prep) içinde 1000 ppm Cu standart çözeltisi kullanılarak hazırlandı.Tüm standartlar %5 DMF ve %2 HNO3 çözeltisinde hazırlandı ve tüm örnekler DMF-HNO3 örnek çözeltisi ile 20 kez seyreltildi.
UAM, son montajı oluşturmak için kullanılan metal folyoyu birleştirme yöntemi olarak ultrasonik metal kaynağı kullanır.Ultrasonik metal kaynağı, malzemeyi titreterek yapıştırılacak/önceden sağlamlaştırılacak folyoya/önceden birleştirilmiş katmana basınç uygulamak için titreşimli bir metal alet (korna veya ultrasonik boynuz olarak adlandırılır) kullanır.Sürekli çalışma için, sonotrode silindirik bir şekle sahiptir ve tüm alanı yapıştırarak malzemenin yüzeyi üzerinde yuvarlanır.Basınç ve vibrasyon uygulandığında malzemenin yüzeyindeki oksitler çatlayabilir.Sabit basınç ve titreşim, malzemenin 36 pürüzlülüğünün bozulmasına yol açabilir.Lokalize ısı ve basınçla yakın temas daha sonra malzeme arayüzlerinde katı faz bağına yol açar;ayrıca yüzey enerjisini48değiştirerek kohezyonu teşvik edebilir.Bağlama mekanizmasının doğası, diğer eklemeli imalat teknolojilerinde bahsedilen değişken eriyik sıcaklığı ve yüksek sıcaklık etkileri ile ilgili problemlerin birçoğunun üstesinden gelir.Bu, farklı malzemelerin birkaç katmanının tek bir konsolide yapı halinde doğrudan bağlanmasına (yani yüzey modifikasyonu, dolgu maddeleri veya yapıştırıcılar olmadan) izin verir.
CAM için ikinci elverişli faktör, metalik malzemelerde düşük sıcaklıklarda, yani metalik malzemelerin erime noktasının çok altında bile gözlemlenen yüksek derecede plastik akışıdır.Ultrasonik titreşimlerin ve basıncın kombinasyonu, geleneksel olarak dökme malzemelerle ilişkilendirilen önemli sıcaklık artışı olmadan yüksek düzeyde yerel tane sınırı göçüne ve yeniden kristalleşmeye neden olur.Nihai montajın oluşturulması sırasında, bu fenomen aktif ve pasif bileşenleri metal folyo katmanları arasına katman katman gömmek için kullanılabilir.Optik fiber 49, takviye 46, elektronik 50 ve termokupllar (bu çalışma) gibi unsurlar, aktif ve pasif kompozit düzenekler oluşturmak için UAM yapılarına başarıyla entegre edilmiştir.
Bu çalışmada, katalitik sıcaklık kontrolü için ideal bir mikroreaktör oluşturmak için hem farklı malzeme bağlama yetenekleri hem de UAM interkalasyon yetenekleri kullanılmıştır.
Paladyum (Pd) ve diğer yaygın olarak kullanılan metal katalizörlerle karşılaştırıldığında, Cu katalizinin birkaç avantajı vardır: (i) Ekonomik olarak Cu, katalizde kullanılan diğer birçok metalden daha ucuzdur ve bu nedenle kimya endüstrisi için çekici bir seçenektir (ii) Cu katalizli çapraz bağlanma reaksiyonlarının aralığı genişlemektedir ve Pd51, 52, 53 tabanlı metodolojileri bir şekilde tamamlayıcı görünmektedir (iii) Cu katalizli reaksiyonlar diğer ligandların yokluğunda iyi çalışır .Bu ligandlar genellikle yapısal olarak basit ve ucuzdur.istenirse, Pd kimyasında kullanılanlar genellikle karmaşık, pahalı ve havaya duyarlı (iv) Cu'dur, özellikle Sonogashira'nın bimetalik katalizli birleştirme ve azitlerle siklokatılma (tıklama kimyası) gibi sentezdeki alkinleri bağlama kabiliyetiyle bilinir (v) Cu ayrıca Ullmann tipi reaksiyonlarda bazı nükleofillerin arilasyonunu da teşvik edebilir.
Son zamanlarda, tüm bu reaksiyonların Cu(0) varlığında heterojenizasyon örnekleri gösterilmiştir.Bu, büyük ölçüde ilaç endüstrisi ve metal katalizörlerin geri kazanılması ve yeniden kullanılmasına yönelik artan odaklanmadan kaynaklanmaktadır55,56.
İlk olarak 1960'larda57 Huisgen tarafından önerilen, asetilen ve azidin 1,2,3-triazole dönüştüğü 1,3-dipolar siklokatılma reaksiyonu, sinerjistik bir gösteri reaksiyonu olarak kabul edilir.Elde edilen 1,2,3 triazol fragmanları, biyolojik uygulamaları ve çeşitli terapötik ajanlarda kullanımları nedeniyle ilaç keşfinde bir farmakofor olarak özellikle ilgi çekicidir 58 .
Bu reaksiyon, Sharpless ve diğerleri "tıklama kimyası"59 kavramını tanıttığında yeniden ilgi gördü."Klik kimyası" terimi, heteroatomik bağlanma (CXC)60 kullanılarak yeni bileşiklerin ve kombinatoryal kitaplıkların hızlı sentezi için sağlam ve seçici bir dizi reaksiyonu tanımlamak için kullanılır.Bu reaksiyonların sentetik çekiciliği, bunlarla ilişkili yüksek verimden kaynaklanmaktadır.koşullar basittir, oksijene ve suya dayanıklıdır ve ürün ayrımı basittir61.
Klasik 1,3-dipol Huisgen siklo ilavesi, "tıklama kimyası" kategorisine girmez.Bununla birlikte, Medal ve Sharpless, bu azit-alkin eşleşme olayının, katalitik olmayan 1,3-dipolar siklokatılma oranındaki önemli bir hızlanmaya kıyasla Cu(I) varlığında 107-108'e uğradığını gösterdi 62,63.Bu gelişmiş reaksiyon mekanizması, koruma grupları veya sert reaksiyon koşulları gerektirmez ve zaman içinde 1,4-disübstitüe 1,2,3-triazollere (anti-1,2,3-triazoller) neredeyse tam dönüşüm ve seçicilik sağlar (Şekil 3).
Geleneksel ve bakır katalizli Huisgen sikloeklemelerinin izometrik sonuçları.Cu(I) katalizli Huisgen siklo ilaveleri yalnızca 1,4-diikameli 1,2,3-triazoller verirken, termal olarak indüklenen Huisgen siklo ilaveleri tipik olarak 1:1 azol stereoizomer karışımı 1,4- ve 1,5-triazoller verir.
Çoğu protokol, sodyum tuzları ile kombinasyon halinde CuS04 veya Cu(II)/Cu(0) bileşiğinin indirgenmesi gibi kararlı Cu(II kaynaklarının indirgenmesini içerir.Diğer metal katalizli reaksiyonlarla karşılaştırıldığında, Cu(I) kullanımının ucuz olması ve kullanımı kolay olması gibi temel avantajları vardır.
Worrell ve diğerleri tarafından yapılan kinetik ve izotopik çalışmalar.65, terminal alkinler söz konusu olduğunda, her molekülün azite göre reaktivitesini aktive etmede iki eşdeğer bakırın yer aldığını göstermiştir.Önerilen mekanizma, kararlı bir donör ligand olarak azidin σ-bağlı bakır asetilide π-bağlı bakır ile koordinasyonu ile oluşturulan altı üyeli bir bakır metal halka yoluyla ilerler.Bakır triazolil türevleri, triazol ürünlerini oluşturmak ve katalitik döngüyü kapatmak için halka büzülmesi ve ardından proton ayrışmasının bir sonucu olarak oluşur.
Akış kimyası cihazlarının faydaları iyi bir şekilde belgelenmiş olsa da, yerinde gerçek zamanlı süreç izleme için analitik araçları bu sistemlere entegre etme isteği olmuştur66,67.UAM'nin, doğrudan gömülü algılama elemanlarına sahip katalitik olarak aktif, termal olarak iletken malzemelerden çok karmaşık 3D akış reaktörlerini tasarlamak ve üretmek için uygun bir yöntem olduğu kanıtlanmıştır (Şekil 4).
Karmaşık bir iç kanal yapısı, yerleşik termokupllar ve bir katalitik reaksiyon odası ile ultrasonik eklemeli imalat (UAM) tarafından üretilen alüminyum-bakır akış reaktörü.Dahili sıvı yollarını görselleştirmek için stereolitografi kullanılarak yapılan şeffaf bir prototip de gösterilmiştir.
Gelecekteki organik reaksiyonlar için reaktörlerin yapıldığından emin olmak için çözücüler güvenli bir şekilde kaynama noktalarının üzerinde ısıtılmalıdır;basınç ve sıcaklık testine tabi tutulurlar.Basınç testi, sistemin sistemdeki yüksek basınçta (1,7 MPa) bile kararlı ve sabit bir basıncı koruduğunu gösterdi.Hidrostatik testler, sıvı olarak H2O kullanılarak oda sıcaklığında gerçekleştirildi.
Dahili (Şekil 1) termokuplun sıcaklık veri kaydediciye bağlanması, termokupl sıcaklığının FlowSyn sisteminde programlanan sıcaklığın 6 °C (± 1 °C) altında olduğunu gösterdi.Tipik olarak, sıcaklıktaki 10°C'lik bir artış, reaksiyon hızını iki katına çıkarır, dolayısıyla sadece birkaç derecelik bir sıcaklık farkı, reaksiyon hızını önemli ölçüde değiştirebilir.Bu fark, üretim sürecinde kullanılan malzemelerin yüksek termal yayılımından dolayı RPV boyunca sıcaklık kaybından kaynaklanmaktadır.Bu termal kayma sabittir ve bu nedenle, reaksiyon sırasında doğru sıcaklıklara ulaşıldığından ve ölçüldüğünden emin olmak için ekipman kurulurken dikkate alınabilir.Bu nedenle, bu çevrimiçi izleme aracı, reaksiyon sıcaklığının sıkı kontrolünü kolaylaştırır ve daha hassas proses optimizasyonuna ve optimum koşulların geliştirilmesine katkıda bulunur.Bu sensörler ayrıca ekzotermik reaksiyonları tespit etmek ve büyük ölçekli sistemlerde kaçak reaksiyonları önlemek için de kullanılabilir.
Bu belgede sunulan reaktör, UAM teknolojisinin kimyasal reaktörlerin imalatına uygulanmasının ilk örneğidir ve şu anda bu cihazların AM/3D baskısı ile ilişkili bazı önemli sınırlamaları ele alır, örneğin: (i) Bakır veya alüminyum alaşımın işlenmesiyle ilgili belirtilen sorunların üstesinden gelinmesi (ii) seçici lazer eritme (SLM)25,69 gibi toz yatağı eritme (PBF) yöntemlerine kıyasla geliştirilmiş dahili kanal çözünürlüğü25,69 Zayıf malzeme akışı ve pürüzlü yüzey dokusu26 (iii) sensörlerin doğrudan bağlanmasını kolaylaştıran daha düşük işlem sıcaklığı toz yatağı teknolojisinde mümkün, (v) polimer bazlı bileşenlerin zayıf mekanik özelliklerinin ve çeşitli yaygın organik çözücülere duyarlılığının üstesinden gelmek17,19.
Reaktörün işlevselliği, sürekli akış koşulları altında bir dizi bakır katalizli alkinazid siklokatılma reaksiyonları ile gösterildi (Şekil 2).Şekil l'de gösterilen ultrasonik baskılı bakır reaktör.4, ticari bir akış sistemi ile entegre edildi ve sodyum klorür varlığında asetilen ve alkil grubu halojenürlerin sıcaklık kontrollü bir reaksiyonu kullanılarak çeşitli 1,4-disübstitüe 1,2,3-triazollerin bir azit kitaplığını sentezlemek için kullanıldı (Şekil 3).Sürekli akış yaklaşımının kullanılması, kesikli işlemlerde ortaya çıkabilecek güvenlik sorunlarını azaltır, çünkü bu reaksiyon oldukça reaktif ve tehlikeli azit ara maddeleri üretir [317], [318].Başlangıçta reaksiyon, fenilasetilen ve iyodoetanın sikloeklenmesi için optimize edildi (Şema 1 – fenilasetilen ve iyodoetanın siklik yüklenmesi) (bkz. Şekil 5).
(Sol üst) Optimizasyon için fenilasetilen ve iyodoetan arasındaki Huisgen 57 sikloekleme şemasının optimize edilmiş (alt) şemasından elde edilen ve reaksiyonun optimize edilmiş dönüşüm oranı parametrelerini gösteren bir akış sistemine (sağ üst) bir 3DP reaktörü dahil etmek için kullanılan kurulumun şeması.
Tepkime maddelerinin reaktörün katalitik bölümünde kalma süresinin kontrol edilmesi ve doğrudan entegre edilmiş bir termokupl sensörüyle reaksiyon sıcaklığının dikkatli bir şekilde izlenmesi yoluyla, reaksiyon koşulları minimum zaman ve malzeme ile hızlı ve doğru bir şekilde optimize edilebilir.En yüksek dönüşümün, 15 dakikalık kalma süresi ve 150°C reaksiyon sıcaklığı kullanılarak elde edildiği hemen bulundu.MODDE yazılımının katsayı grafiğinden hem kalış süresinin hem de reaksiyon sıcaklığının modelin önemli koşulları olarak kabul edildiği görülebilir.Yerleşik optimize ediciyi bu seçili koşullar kullanarak çalıştırmak, başlangıç ​​malzemesi pik alanlarını azaltırken ürün pik alanlarını en üst düzeye çıkarmak için tasarlanmış bir dizi reaksiyon koşulu oluşturur.Bu optimizasyon, triazol ürününün %53'lük bir dönüşümünü sağladı ve bu, modelin %54'lük öngörüsüne tam olarak uyuyordu.