Nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz. Kullandığınız tarayıcı sürümünün CSS desteği sınırlıdır. En iyi deneyim için, güncel bir tarayıcı kullanmanızı (veya Internet Explorer'da Uyumluluk Modunu devre dışı bırakmanızı) öneririz. Bu süre zarfında, desteğin devamlılığını sağlamak için siteyi stiller ve JavaScript olmadan görüntüleyeceğiz.
Aynı anda üç slayt gösteren bir döner slayt. Önceki ve Sonraki düğmelerini kullanarak üç slayt arasında aynı anda ilerleyebilir veya sondaki kaydırma düğmelerini kullanarak üç slayt arasında aynı anda ilerleyebilirsiniz.
Eklemeli imalat, araştırmacıların ve endüstricilerin özel ihtiyaçlarını karşılamak üzere kimyasal cihazlar tasarlama ve üretme biçimini değiştiriyor. Bu makalede, doğrudan entegre edilmiş katalitik parçalar ve algılama elemanlarına sahip katı bir metal levhanın ultrasonik eklemeli imalat (UAM) laminasyonu ile oluşturulan bir akış reaktörünün ilk örneğini sunuyoruz. UAM teknolojisi, kimyasal reaktörlerin eklemeli imalatıyla ilgili mevcut birçok sınırlamanın 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 bileşiği, UAM kimya tesisi kullanılarak Cu aracılı 1,3-dipolar Huisgen sikloekleme reaksiyonu ile başarıyla sentezlendi ve optimize edildi. UAM'nin benzersiz özelliklerini ve sürekli akış işlemini kullanarak, cihaz devam eden reaksiyonları katalize edebiliyor ve reaksiyonları izlemek ve optimize etmek için gerçek zamanlı geri bildirim sağlayabiliyor.
Akış kimyası, kütle halindeki muadiline göre önemli avantajları nedeniyle, kimyasal sentezin seçiciliğini ve verimliliğini artırma yeteneği sayesinde hem akademik hem de endüstriyel ortamlarda önemli ve büyüyen bir alandır. Bu, basit organik moleküllerin oluşumundan¹ farmasötik bileşiklere²,³ ve doğal ürünlere⁴,⁵,⁶ kadar uzanmaktadır. İnce kimya ve ilaç endüstrilerindeki reaksiyonların %50'sinden fazlası sürekli akıştan faydalanabilir⁷.
Son yıllarda, geleneksel cam eşyaları veya akış kimyası ekipmanlarını uyarlanabilir kimyasal “reaktörlerle” değiştirmeyi amaçlayan grupların sayısında artan bir eğilim gözlemlenmektedir.8 Bu yöntemlerin yinelemeli tasarım, hızlı üretim ve üç boyutlu (3D) yetenekleri, cihazlarını belirli bir dizi reaksiyon, cihaz veya koşul için özelleştirmek isteyenler için faydalıdır. Bugüne kadar bu çalışma neredeyse tamamen stereolitografi (SL)9,10,11, Erimiş Katmanlı Modelleme (FDM)8,12,13,14 ve inkjet baskı7,15, 16 gibi polimer bazlı 3D baskı tekniklerinin kullanımına odaklanmıştır. Bu tür cihazların güvenilirliğinin ve geniş bir yelpazede kimyasal reaksiyon/analiz gerçekleştirme yeteneğinin olmaması17, 18, 19, 20, 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 üretmelerini sağlayacak daha iyi tekniklerin araştırılması gerekmektedir. Bu yöntemler, kullanıcıların geniş bir reaksiyon koşulları yelpazesi altında çalışabilen yüksek mukavemetli veya fonksiyonel malzemeler arasından seçim yapmalarına olanak sağlamalı ve reaksiyonun izlenmesi ve kontrolünü sağlamak için cihazdan çeşitli analitik çıktılar elde edilmesini kolaylaştırmalıdır.
Özel kimyasal reaktörlerin geliştirilmesinde kullanılabilecek bir eklemeli imalat süreci, Ultrasonik Eklemeli İmalat (UAM)'dır. Bu katı hal levha laminasyon yöntemi, ince metal folyoları katman katman birleştirmek için ultrasonik titreşimler uygular ve bu işlem minimum hacimsel ısıtma ve yüksek derecede plastik akış sağlar 21, 22, 23. Diğer birçok AM teknolojisinin aksine, UAM, periyodik yerinde sayısal kontrol (CNC) frezeleme veya lazer işleme ile birleştirilmiş malzeme katmanının net şeklini belirleyen hibrit bir imalat süreci olarak bilinen, talaşlı imalatla doğrudan entegre edilebilir 24, 25. Bu, kullanıcının, toz ve sıvı sistemlerde sıklıkla karşılaşılan küçük sıvı kanallarından artık orijinal yapı malzemesinin çıkarılmasıyla ilgili sorunlarla sınırlı olmadığı anlamına gelir 26, 27, 28. Bu tasarım özgürlüğü, mevcut malzemelerin seçimine de uzanır – UAM, tek bir işlem adımında termal olarak benzer ve farklı malzemelerin kombinasyonlarını birleştirebilir. Erime işleminin ötesindeki malzeme kombinasyonlarının seçimi, belirli uygulamaların mekanik ve kimyasal gereksinimlerinin daha iyi karşılanabileceği anlamına gelir. Sağlam bağlamaya ek olarak, ultrasonik bağlamada meydana gelen bir diğer olgu da plastik malzemelerin nispeten düşük sıcaklıklarda yüksek akışkanlığıdır29,30,31,32,33. UAM'nin bu benzersiz özelliği, mekanik/termal elemanların metal katmanlar arasına hasar vermeden yerleştirilmesine olanak tanır. Gömülü UAM sensörleri, entegre analizler aracılığıyla cihazdan kullanıcıya gerçek zamanlı bilgi aktarımını kolaylaştırabilir.
Yazarların daha önceki çalışmaları32, UAM sürecinin gömülü algılama yeteneklerine sahip metalik 3 boyutlu mikroakışkan yapılar oluşturma yeteneğini göstermiştir. Bu cihaz yalnızca izleme amaçlıdır. Bu makale, UAM ile üretilen ilk mikroakışkan kimyasal reaktör örneğini sunmaktadır; bu aktif cihaz, yalnızca kimyasal sentezi kontrol etmekle kalmaz, aynı zamanda yapısal olarak entegre edilmiş katalitik malzemelerle kimyasal sentezi de tetikler. Cihaz, 3 boyutlu kimyasal cihazların üretiminde UAM teknolojisiyle ilişkili çeşitli avantajları bir araya getirir; bunlar arasında: tam bir 3 boyutlu tasarımı doğrudan bilgisayar destekli tasarım (CAD) modelinden bir ürüne dönüştürme yeteneği; yüksek termal iletkenlik ve katalitik malzemelerin birleşimi için çok malzemeli üretim ve reaksiyon sıcaklığının hassas kontrolü ve yönetimi için reaktan akışları arasına doğrudan yerleştirilmiş termal sensörler yer almaktadır. Reaktörün işlevselliğini göstermek için, farmasötik açıdan önemli 1,4-disübstitüe 1,2,3-triazol bileşiklerinden oluşan bir kütüphane, bakır katalizli 1,3-dipolar Huisgen sikloekleme reaksiyonu ile sentezlendi. Bu çalışma, malzeme bilimi ve bilgisayar destekli tasarımın disiplinlerarası araştırmalar yoluyla kimya için nasıl yeni olanaklar ve fırsatlar yaratabileceğini vurgulamaktadır.
Tüm çözücüler ve reaktifler Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI veya Fischer Scientific'ten satın alındı ​​ve önceden saflaştırılmadan kullanıldı. 400 ve 100 MHz'de kaydedilen 1H ve 13C NMR spektrumları, çözücü olarak CDCl3 veya (CD3)2SO kullanılarak 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.
Bu çalışmada kullanılan tüm cihazların imalatında UAM kullanılmıştır. Teknoloji 1999 yılında icat edilmiş olup, icadından 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 üretilmiştir. Akış cihazı için seçilen malzemeler Cu-110 ve Al 6061'dir. Cu-110, yüksek bakır içeriğine (minimum %99,9 bakır) sahip olduğundan bakır katalizli reaksiyonlar için iyi bir adaydır ve bu nedenle mikro reaktör içindeki "aktif katman" olarak kullanılır. Al 6061 O, "ana" malzeme olarak ve ayrıca analiz için kullanılan ara katman olarak kullanılır; yardımcı alaşım bileşenlerinin ara katmanı ve Cu-110 katmanı ile birlikte tavlanmış durum, bu çalışmada kullanılan reaktiflerle kimyasal olarak kararlı bulunmuştur. Al 6061 O, Cu-110 ile birlikte UAM için uyumlu bir malzeme kombinasyonu olarak da kabul edilir ve bu nedenle bu çalışma için uygun bir malzemedir38,42. Bu cihazlar aşağıdaki Tablo 1'de listelenmiştir.
Reaktör imalat aşamaları (1) 6061 alüminyum alaşımlı alt tabaka (2) Bakır folyodan alt kanalın imalatı (3) Katmanlar arasına termokuplların yerleştirilmesi (4) Üst kanal (5) Giriş ve çıkış (6) Monolitik reaktör.
Akışkan kanal tasarım felsefesi, yönetilebilir bir çip boyutunu korurken, çip içindeki akışkanın kat ettiği mesafeyi artırmak için dolambaçlı bir yol kullanmaktır. Bu mesafe artışı, katalizör-reaktan temas süresini artırmak ve mükemmel ürün verimi sağlamak için arzu edilir. Çipler, cihaz içinde türbülanslı karıştırmayı sağlamak ve sıvının yüzeyle (katalizör) temas süresini artırmak için düz bir yolun uçlarında 90°'lik bükümler kullanır. Elde edilebilecek karıştırmayı daha da geliştirmek için, reaktör tasarımı, karıştırma bobini bölümüne girmeden önce bir Y bağlantısında birleştirilmiş iki reaktan girişini içerir. Akışın kalış süresinin ortasında akışı kesen üçüncü giriş, gelecekteki çok aşamalı sentez reaksiyonları için plana dahil edilmiştir.
Tüm kanallar, kanal geometrisini oluşturmak için kullanılan periyodik CNC frezeleme sonucu kare bir profile (konik açılar yok) sahiptir. Kanal boyutları, yüksek (bir mikro reaktör için) hacimsel verim sağlamak üzere seçilmiştir, ancak içerdiği sıvıların çoğu için yüzeyle (katalizörlerle) etkileşimi kolaylaştıracak kadar küçüktür. Uygun boyut, yazarların metal-sıvı reaksiyon cihazlarıyla ilgili geçmiş deneyimlerine dayanmaktadır. Son kanalın iç boyutları 750 µm x 750 µm ve toplam reaktör hacmi 1 ml idi. Cihazın ticari akış kimyası ekipmanıyla kolayca arayüz oluşturmasını sağlamak için tasarıma entegre bir konektör (1/4″-28 UNF dişli) dahil edilmiştir. Kanal boyutu, folyo malzemesinin kalınlığı, mekanik özellikleri ve ultrasoniklerle kullanılan yapıştırma parametreleri ile sınırlıdır. Belirli bir malzeme için belirli bir genişlikte, malzeme oluşturulan kanala "sarkacaktır". Şu anda bu hesaplama için belirli bir model bulunmamaktadır, 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), kare kesici kullanılarak belirlenir. Kanalların şekli ve boyutu, farklı akış hızları ve özellikler elde etmek için CNC makinelerinde farklı kesici takımlar kullanılarak değiştirilebilir. 125 µm'lik bir takımla kavisli bir kanal oluşturma örneği Monaghan45'te bulunabilir. Folyo tabakası düz olarak uygulandığında, folyo malzemesinin kanallara uygulanması düz (kare) bir yüzeye sahip olacaktır. Bu çalışmada, kanal simetrisini korumak için kare bir kontur kullanılmıştır.
Üretimde programlı bir duraklama sırasında, termokupl sıcaklık sensörleri (K tipi) doğrudan cihazın üst ve alt kanal grupları arasına yerleştirilir (Şekil 1 – aşama 3). Bu termokupllar -200 ile 1350 °C arasındaki sıcaklık değişimlerini kontrol edebilir.
Metal kaplama işlemi, 25,4 mm genişliğinde ve 150 mikron kalınlığında metal folyo kullanılarak UAM boynuzu ile gerçekleştirilir. Bu folyo katmanları, tüm üretim alanını kaplamak için bir dizi bitişik şerit halinde birbirine bağlanır; kaplama malzemesinin boyutu, nihai üründen daha büyüktür çünkü çıkarma işlemi nihai temiz şekli oluşturur. Ekipmanın dış ve iç konturlarının işlenmesi için CNC işleme kullanılır ve bu da seçilen takım ve CNC işlem parametrelerine karşılık gelen ekipman ve kanalların yüzey kalitesini sağlar (bu örnekte, yaklaşık 1,6 µm Ra). Cihazın üretim süreci boyunca, boyutsal doğruluğun korunmasını ve bitmiş parçanın CNC hassas frezeleme hassasiyet seviyelerine ulaşmasını sağlamak için sürekli, kesintisiz ultrasonik malzeme püskürtme ve işleme döngüleri kullanılır. Bu cihaz için kullanılan kanalın genişliği, folyo malzemesinin sıvı kanalında "sarkmamasını" sağlamak için yeterince küçüktür, bu nedenle kanal kare kesitlidir. Folyo malzemesindeki olası boşluklar ve UAM işleminin parametreleri, üretim ortağı (Fabrisonic LLC, ABD) tarafından deneysel olarak belirlenmiştir.
Yapılan çalışmalar, UAM bileşiğinin 46, 47 arayüzünde ek ısı işlemi uygulanmadığı takdirde elementlerin çok az difüzyonunun gerçekleştiğini göstermiştir; bu nedenle bu çalışmadaki cihazlar için Cu-110 katmanı Al 6061 katmanından farklıdır ve önemli ölçüde değişir.
Reaktörün çıkışına 250 psi (1724 kPa) basınçta önceden kalibre edilmiş bir geri basınç regülatörü (BPR) yerleştirin ve reaktörden dakikada 0,1 ila 1 ml su pompalayın. Sistemin sabit bir basıncı koruyabildiğinden emin olmak için reaktör basıncı, sisteme entegre edilmiş FlowSyn basınç dönüştürücüsü kullanılarak izlendi. Akış reaktöründeki potansiyel sıcaklık gradyanları, reaktöre entegre edilmiş termokupllar ile FlowSyn çipinin ısıtma plakasına entegre edilmiş termokupllar arasındaki farklar incelenerek test edildi. Bu, programlanmış ısıtma plakası sıcaklığının 100 ile 150 °C arasında 25 °C'lik artışlarla değiştirilmesi ve programlanmış ve kaydedilen sıcaklıklar arasındaki farkların izlenmesiyle gerçekleştirildi. Bu işlem, tc-08 veri kaydedici (PicoTech, Cambridge, İngiltere) ve beraberindeki PicoLog yazılımı kullanılarak yapıldı.
Fenilasetilen ve iyodoetanın sikloekleme reaksiyonu için koşullar optimize edilmiştir (Şema 1 - Fenilasetilen ve iyodoetanın sikloeklemesi). Bu optimizasyon, sıcaklık ve kalış süresini değişken olarak kullanarak ve alkin:azit oranını 1:2'de sabit tutarak, tam faktöriyel deney tasarımı (DOE) yaklaşımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir.
Sodyum azit (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), iyodoetan (0,25 M, DMF) ve fenilasetilen (0,125 M, DMF) ayrı ayrı çözeltileri hazırlandı. Her çözeltiden 1,5 ml'lik bir kısım karıştırıldı ve istenen akış hızı ve sıcaklıkta reaktörden geçirildi. Modelin yanıtı, triazol ürününün pik alanının fenilasetilen başlangıç ​​maddesine oranı olarak alındı ​​ve yüksek performanslı sıvı kromatografisi (HPLC) kullanılarak belirlendi. Analiz tutarlılığı için, tüm reaksiyonlar reaksiyon karışımı reaktörden çıktıktan hemen sonra alındı. Optimizasyon için seçilen parametre aralıkları Tablo 2'de gösterilmiştir.
Tüm numuneler, dörtlü pompa, kolon fırını, değişken dalga boylu UV dedektörü ve otomatik numuneleyici içeren bir Chromaster HPLC sistemi (VWR, PA, ABD) kullanılarak analiz edildi. Kolon, 4,6 x 100 mm, 5 µm partikül boyutunda ve 40°C'de tutulan bir Equivalence 5 C18 (VWR, PA, ABD) idi. Çözücü, 1,5 ml·min-1 akış hızında izokratik metanol:su 50:50 idi. Enjeksiyon hacmi 5 μl ve dedektör dalga boyu 254 nm idi. DOE numunesi için % pik alanı, yalnızca artık alkin ve triazol ürünlerinin pik alanlarından hesaplandı. Başlangıç ​​maddesinin eklenmesi, karşılık gelen piklerin tanımlanmasını mümkün kılar.
Reaktör analizinin sonuçlarını MODDE DOE yazılımıyla (Umetrics, Malmö, İsveç) birleştirmek, sonuçların kapsamlı bir eğilim analizini ve bu sikloekleme için en uygun reaksiyon koşullarının belirlenmesini sağladı. Dahili optimizasyon aracını çalıştırmak ve tüm önemli model terimlerini seçmek, asetilen hammaddesinin tepe alanını azaltırken ürünün tepe alanını maksimize etmek için tasarlanmış bir dizi reaksiyon koşulu oluşturur.
Her bir triazol bileşiğinin sentezinden önce, katalitik reaksiyon odasındaki bakır yüzeyinin oksidasyonu, reaksiyon odasından akan bir hidrojen peroksit çözeltisi (%36) kullanılarak gerçekleştirildi (akış hızı = 0,4 ml min-1, kalış süresi = 2,5 min).
En uygun koşullar belirlendikten sonra, bu koşullar bir dizi asetilen ve haloalkan türevine uygulanarak küçük bir sentez kütüphanesi oluşturuldu ve böylece bu koşulların daha geniş bir potansiyel reaktif yelpazesine uygulanabilme olasılığı ortaya kondu (Şekil 1). 2).
Sodyum azit (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 kısımlar karıştırıldı ve 150°C sıcaklıkta ve 75 µl/dk hızında reaktörden geçirildi. Tüm hacim bir şişeye toplandı ve 10 ml etil asetat ile seyreltildi. Numune çözeltisi 3 x 10 ml su ile yıkandı. Sulu katmanlar birleştirildi ve 10 ml etil asetat ile ekstrakte edildi, ardından organik katmanlar birleştirildi, 3 x 10 ml tuzlu su ile yıkandı, MgSO4 üzerinde kurutuldu ve süzüldü, daha sonra çözücü vakum altında uzaklaştırıldı. Numuneler, HPLC, 1H NMR, 13C NMR ve yüksek çözünürlüklü kütle spektrometrisi (HR-MS) kombinasyonu ile analiz edilmeden önce etil asetat kullanılarak silika jel kolon kromatografisi ile saflaştırıldı.
Tüm spektrumlar, iyonizasyon kaynağı olarak ESI kullanılan bir Thermofischer Precision Orbitrap kütle spektrometresi ile elde edilmiştir. Tüm numuneler çözücü olarak asetonitril kullanılarak hazırlanmıştır.
TLC analizi, alüminyum alt tabakalı silika plakalar üzerinde gerçekleştirildi. Plakalar UV ışığı (254 nm) veya vanilin boyama ve ısıtma ile görselleştirildi.
Tüm numuneler, otomatik numuneleyici, kolon fırınlı ikili pompa ve tek dalga boylu dedektör ile donatılmış bir VWR Chromaster sistemi (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, İngiltere) kullanılarak analiz edildi. ACE Equivalence 5 C18 kolonu (150 x 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, İskoçya) kullanıldı.
Seyreltilmiş ham reaksiyon karışımından (1:10 seyreltme) doğrudan enjeksiyonlar (5 µl) yapıldı ve bazı örnekler hariç (yıldız numarasıyla belirtilenler) 70:30 çözücü sistemi kullanılarak 1,5 ml/dakika akış hızında su:metanol (50:50 veya 70:30) ile analiz edildi. Kolon 40°C'de tutuldu. Dedektörün dalga boyu 254 nm'dir.
Numunenin tepe alanının yüzdesi, yalnızca kalan alkinin, triazol ürününün tepe alanından hesaplandı ve başlangıç ​​maddesinin eklenmesi, ilgili tepelerin tanımlanmasını mümkün kıldı.
Tüm numuneler Thermo iCAP 6000 ICP-OES kullanılarak analiz edildi. Tüm kalibrasyon standartları, %2 nitrik asit içinde 1000 ppm Cu standart çözeltisi (SPEX Certi Prep) kullanılarak hazırlandı. Tüm standartlar %5 DMF ve %2 HNO3 çözeltisinde hazırlandı ve tüm numuneler DMF-HNO3 numune çözeltisi ile 20 kat seyreltildi.
UAM, son montajı oluşturmak için kullanılan metal folyoyu birleştirme yöntemi olarak ultrasonik metal kaynağı kullanır. Ultrasonik metal kaynağı, titreşimli bir metal alet (boynuz veya ultrasonik boynuz olarak adlandırılır) kullanarak, yapıştırılacak/önceden birleştirilmiş folyoya/katmana basınç uygular ve malzemeyi titreştirir. Sürekli çalışma için, sonotrod silindirik bir şekle sahiptir ve malzemenin yüzeyinde yuvarlanarak tüm alanı yapıştırır. Basınç ve titreşim uygulandığında, malzemenin yüzeyindeki oksitler çatlayabilir. Sürekli basınç ve titreşim, malzemenin pürüzlülüğünün bozulmasına yol açabilir 36. Lokalize ısı ve basınçla yakın temas, malzeme arayüzlerinde katı faz bağına yol açar; ayrıca yüzey enerjisini değiştirerek kohezyonu da teşvik edebilir 48. Bağlama mekanizmasının doğası, diğer eklemeli imalat teknolojilerinde bahsedilen değişken erime sıcaklığı ve yüksek sıcaklık etkileriyle ilgili birçok sorunun üstesinden gelir. Bu, farklı malzemelerin birkaç katmanının tek bir birleştirilmiş yapıya doğrudan bağlanmasına (yani yüzey modifikasyonu, dolgu maddeleri veya yapıştırıcılar olmadan) olanak tanır.
CAM için ikinci olumlu faktör, metalik malzemelerde düşük sıcaklıklarda, yani metalik malzemelerin erime noktasının çok altında bile gözlemlenen yüksek derecede plastik akıştır. Ultrasonik titreşimler ve basıncın birleşimi, geleneksel olarak yığın malzemelerle ilişkilendirilen önemli sıcaklık artışı olmadan yüksek düzeyde yerel tane sınırı göçüne ve yeniden kristalleşmeye neden olur. Son montajın oluşturulması sırasında, bu fenomen, aktif ve pasif bileşenleri metal folyo katmanları arasına, katman katman yerleştirmek için kullanılabilir. Optik fiber 49, takviye 46, elektronik 50 ve termokupllar (bu çalışma) gibi elemanlar, aktif ve pasif kompozit montajlar oluşturmak için UAM yapılarına başarıyla entegre edilmiştir.
Bu çalışmada, katalitik sıcaklık kontrolü için ideal bir mikroreaktör oluşturmak amacıyla hem farklı malzeme bağlama yetenekleri hem de UAM ara katmanlama yetenekleri kullanılmıştır.
Paladyum (Pd) ve yaygın olarak kullanılan diğer metal katalizörlerle karşılaştırıldığında, Cu katalizi çeşitli avantajlara sahiptir: (i) Ekonomik olarak, Cu, katalizde kullanılan diğer birçok metalden daha ucuzdur ve bu nedenle kimya endüstrisi için cazip bir seçenektir. (ii) Cu katalizli çapraz bağlama reaksiyonlarının yelpazesi genişlemektedir ve Pd51, 52, 53 tabanlı metodolojilere bir miktar tamamlayıcı görünmektedir. (iii) Cu katalizli reaksiyonlar, diğer ligandların yokluğunda iyi çalışır. Bu ligandlar genellikle yapısal olarak basittir ve istenirse ucuzdur, oysa Pd kimyasında kullanılanlar genellikle karmaşık, pahalı ve havaya duyarlıdır. (iv) Cu, özellikle Sonogashira'nın bimetalik katalizli bağlama ve azitlerle sikloekleme (klik kimyası) gibi sentezde alkinleri bağlama yeteneğiyle bilinir. (v) Cu ayrıca Ullmann tipi reaksiyonlarda bazı nükleofillerin arilasyonunu da teşvik edebilir.
Son zamanlarda, Cu(0) varlığında tüm bu reaksiyonların heterojenleştirilmesine dair örnekler gösterilmiştir. Bu durum büyük ölçüde ilaç endüstrisine ve metal katalizörlerin geri kazanılması ve yeniden kullanılmasına yönelik artan ilgiye bağlıdır55,56.
Asetilen ve azit arasındaki 1,2,3-triazol oluşumuna yönelik 1,3-dipolar sikloekleme reaksiyonu, ilk olarak 1960'larda Huisgen tarafından önerilmiş olup, sinerjik bir gösterim reaksiyonu olarak kabul edilmektedir. Elde edilen 1,2,3-triazol parçaları, biyolojik uygulamaları ve çeşitli terapötik ajanlarda kullanımları nedeniyle ilaç keşfinde farmakofor olarak özellikle ilgi çekicidir.
Sharpless ve diğerlerinin “klik kimyası”59 kavramını ortaya koymasıyla bu reaksiyon yeniden ilgi gördü. “Klik kimyası” terimi, heteroatomik bağ (CXC)60 kullanılarak yeni bileşiklerin ve kombinatoryal kütüphanelerin hızlı sentezi için sağlam ve seçici bir dizi reaksiyonu tanımlamak için kullanılır. Bu reaksiyonların sentetik çekiciliği, yüksek verimlerle ilişkili olmaları, koşulların basit olması, oksijen ve suya karşı dirençli olmaları ve ürün ayrımının kolay olması61'den kaynaklanmaktadır.
Klasik 1,3-dipol Huisgen sikloekleme reaksiyonu “tıklama kimyası” kategorisine girmez. Bununla birlikte, Medal ve Sharpless, bu azid-alkin birleşme olayının Cu(I) varlığında 107–108 numaralı reaksiyona girdiğini ve katalitik olmayan 1,3-dipol sikloekleme reaksiyonunun 62,63 numaralı reaksiyonunda önemli bir hızlanma olduğunu göstermiştir. Bu gelişmiş reaksiyon mekanizması, koruyucu gruplar 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 sikloeklemeleri yalnızca 1,4-disübstitüe 1,2,3-triazoller verirken, termal olarak indüklenen Huisgen sikloeklemeleri tipik olarak 1,4- ve 1,5-triazoller ile azol stereoizomerlerinin 1:1 karışımını verir.
Çoğu protokol, CuSO4'ün veya sodyum tuzlarıyla birlikte Cu(II)/Cu(0) bileşiğinin indirgenmesi gibi kararlı Cu(II) kaynaklarının indirgenmesini içerir. Diğer metal katalizli reaksiyonlarla karşılaştırıldığında, Cu(I) kullanımının başlıca avantajları ucuz ve kolay işlenebilir olmasıdır.
Worrell ve diğerleri tarafından yapılan kinetik ve izotopik çalışmalar 65, terminal alkinler durumunda, her bir molekülün azit ile ilgili reaktivitesini aktive etmede iki bakır eşdeğerinin rol oynadığını göstermiştir. Önerilen mekanizma, azitin σ-bağlı bakır asetilide koordinasyonu ile oluşan altı üyeli bir bakır metal halkası üzerinden ilerler; burada π-bağlı bakır kararlı bir donör ligand görevi görür. Halka daralması sonucu bakır triazolil türevleri oluşur, ardından proton ayrışmasıyla triazol ürünleri oluşur ve katalitik döngü tamamlanır.
Akış kimyası cihazlarının faydaları iyi belgelenmiş olsa da, gerçek zamanlı proses izleme için bu sistemlere analitik araçların entegre edilmesi yönünde bir istek vardı66,67. UAM, katalitik olarak aktif, termal olarak iletken malzemelerden, doğrudan gömülü algılama elemanlarına sahip çok karmaşık 3 boyutlu akış reaktörlerinin tasarlanması ve üretilmesi için uygun bir yöntem olduğunu kanıtlamıştır (Şekil 4).
Karmaşık iç kanal yapısına, dahili termokupllara ve katalitik reaksiyon odasına sahip, ultrasonik katkılı imalat (UAM) yöntemiyle üretilmiş alüminyum-bakır akış reaktörü. İç akışkan yollarını görselleştirmek için, stereolitografi kullanılarak yapılmış şeffaf bir prototip de gösterilmiştir.
Reaktörlerin gelecekteki organik reaksiyonlar için uygun olmasını sağlamak amacıyla, çözücüler kaynama noktalarının üzerinde güvenli bir şekilde ısıtılmalıdır; basınç ve sıcaklık testlerinden geçirilirler. Basınç testleri, sistemin yüksek basınçta (1,7 MPa) bile kararlı ve sabit bir basıncı koruduğunu göstermiştir. Hidrostatik testler, sıvı olarak H2O kullanılarak oda sıcaklığında gerçekleştirilmiştir.
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, bu nedenle sadece birkaç derecelik bir sıcaklık farkı reaksiyon hızını önemli ölçüde değiştirebilir. Bu fark, üretim sürecinde kullanılan malzemelerin yüksek termal yayılımı nedeniyle RPV boyunca meydana gelen sıcaklık kaybından kaynaklanmaktadır. Bu termal kayma sabittir ve bu nedenle, reaksiyon sırasında doğru sıcaklıklara ulaşılmasını ve ölçülmesini sağlamak için ekipman kurulurken dikkate alınabilir. Böylece, bu çevrimiçi izleme aracı, reaksiyon sıcaklığının sıkı kontrolünü kolaylaştırır ve daha hassas süreç optimizasyonuna ve optimum koşulların geliştirilmesine katkıda bulunur. Bu sensörler ayrıca ekzotermik reaksiyonları tespit etmek ve büyük ölçekli sistemlerde kontrolsüz reaksiyonları önlemek için de kullanılabilir.
Bu makalede sunulan reaktör, UAM teknolojisinin kimyasal reaktörlerin imalatına uygulanmasının ilk örneğidir ve bu cihazların AM/3D baskısında şu anda karşılaşılan çeşitli önemli sınırlamaları ele almaktadır: (i) Bakır veya alüminyum alaşımının işlenmesiyle ilgili belirtilen sorunların üstesinden gelmek, (ii) seçici lazer eritme (SLM)25,69 gibi toz yataklı eritme (PBF) yöntemlerine kıyasla iyileştirilmiş iç kanal çözünürlüğü, (iii) toz yataklı teknolojide mümkün olmayan, sensörlerin doğrudan bağlanmasını kolaylaştıran daha düşük işlem sıcaklığı, (v) polimer bazlı bileşenlerin zayıf mekanik özelliklerinin ve çeşitli yaygın organik çözücülere karşı hassasiyetinin üstesinden gelmek17,19.
Reaktörün işlevselliği, sürekli akış koşulları altında bir dizi bakır katalizli alkinazit sikloekleme reaksiyonu ile gösterilmiştir (Şekil 2). Şekil 4'te gösterilen ultrasonik baskılı bakır reaktör, ticari bir akış sistemiyle entegre edilmiş ve sodyum klorür varlığında asetilen ve alkil grubu halojenürlerin sıcaklık kontrollü reaksiyonu kullanılarak çeşitli 1,4-disübstitüe 1,2,3-triazollerin bir azit kütüphanesini sentezlemek için kullanılmıştır (Şekil 3). Sürekli akış yaklaşımının kullanımı, bu reaksiyonun son derece reaktif ve tehlikeli azit ara ürünleri üretmesi nedeniyle toplu işlemlerde ortaya çıkabilecek güvenlik sorunlarını azaltır [317], [318]. Başlangıçta, reaksiyon fenilasetilen ve iyodoetanın sikloeklemesi için optimize edilmiştir (Şema 1 – Fenilasetilen ve iyodoetanın sikloeklemesi) (bkz. Şekil 5).
(Sol üst) Fenilasetilen ve iyodoetan arasındaki Huisgen 57 sikloekleme şemasının optimize edilmiş (alt) şemasından elde edilen bir akış sistemine (sağ üst) 3D baskı reaktörünün entegre edilmesinde kullanılan düzenek şeması ve reaksiyonun optimize edilmiş dönüşüm oranı parametreleri gösterilmektedir.
Reaktörün katalitik bölümündeki reaktanların kalış süresini kontrol ederek ve doğrudan entegre edilmiş bir termokupl sensörü ile reaksiyon sıcaklığını dikkatlice izleyerek, reaksiyon koşulları minimum zaman ve malzeme ile hızlı ve doğru bir şekilde optimize edilebilir. En yüksek dönüşümün 15 dakikalık kalış süresi ve 150°C reaksiyon sıcaklığı kullanılarak elde edildiği hızla tespit edildi. MODDE yazılımının katsayı grafiğinden, hem kalış süresinin hem de reaksiyon sıcaklığının modelin önemli koşulları olarak kabul edildiği görülebilir. Seçilen bu koşullar kullanılarak yerleşik optimizasyon programının çalıştırılması, başlangıç ​​maddesi tepe alanlarını azaltırken ürün tepe alanlarını maksimize etmek için tasarlanmış bir dizi reaksiyon koşulu oluşturur. Bu optimizasyon, triazol ürününün %53'lük bir dönüşümünü sağladı ve bu da modelin %54'lük tahminine tam olarak uydu.