Дякуємо, що відвідали Nature.com.Версія браузера, яку ви використовуєте, має обмежену підтримку CSS.Для найкращої роботи радимо використовувати оновлений браузер (або вимкнути режим сумісності в Internet Explorer).Тим часом, щоб забезпечити постійну підтримку, ми відтворюємо сайт без стилів і JavaScript.
Карусель, яка показує три слайди одночасно.Використовуйте кнопки «Попередній» і «Наступний», щоб переходити по трьох слайдах одночасно, або використовуйте кнопки повзунка в кінці, щоб переходити по трьох слайдах одночасно.
Адитивне виробництво змінює спосіб, у який дослідники та промисловці проектують і виготовляють хімічні пристрої для задоволення своїх конкретних потреб.У цій статті ми повідомляємо про перший приклад потокового реактора, сформованого ультразвуковим адитивним виробництвом (UAM) ламінуванням суцільного металевого листа з безпосередньо вбудованими каталітичними частинами та чутливими елементами.Технологія UAM не тільки долає багато обмежень, які зараз пов’язані з адитивним виробництвом хімічних реакторів, але й значно розширює можливості таких пристроїв.Ряд біологічно важливих 1,4-дизаміщених 1,2,3-тріазолових сполук було успішно синтезовано та оптимізовано за допомогою Cu-опосередкованої реакції 1,3-диполярного циклоприєднання Гюїзгена з використанням хімічного обладнання UAM.Використовуючи унікальні властивості UAM і обробку безперервного потоку, пристрій здатний каталізувати поточні реакції, а також забезпечувати зворотний зв’язок у реальному часі для моніторингу та оптимізації реакцій.
Завдяки суттєвим перевагам над масовим аналогом, хімія потоків є важливою галуззю, що розвивається, як в академічних, так і в промислових умовах завдяки своїй здатності підвищувати вибірковість та ефективність хімічного синтезу.Це поширюється від утворення простих органічних молекул1 до фармацевтичних сполук2,3 і природних продуктів4,5,6.Понад 50% реакцій у тонкій хімічній та фармацевтичній промисловості можуть виграти від безперервного потоку7.
Останніми роками зростає тенденція груп, які прагнуть замінити традиційний скляний посуд або обладнання для потокової хімії адаптованими хімічними «реакторами»8.Ітеративний дизайн, швидке виготовлення та тривимірні (3D) можливості цих методів корисні для тих, хто хоче налаштувати свої пристрої для певного набору реакцій, пристроїв або умов.На сьогоднішній день ця робота була зосереджена майже виключно на використанні методів 3D-друку на основі полімерів, таких як стереолітографія (SL)9,10,11, моделювання плавленого осадження (FDM)8,12,13,14 та струменевий друк7,15., 16. Відсутність надійності та здатності таких пристроїв виконувати широкий спектр хімічних реакцій/аналізів 17, 18, 19, 20 є головним обмежуючим фактором для більш широкого застосування АМ у цій галузі 17, 18, 19, 20.
У зв’язку з дедалі більшим використанням потокової хімії та сприятливими властивостями, пов’язаними з АМ, необхідно вивчити кращі методи, які дозволять користувачам виготовляти потокові реакційні судини з покращеною хімією та аналітичними можливостями.Ці методи повинні дозволяти користувачам вибирати з ряду високоміцних або функціональних матеріалів, здатних працювати в широкому діапазоні умов реакції, а також полегшувати різні форми аналітичного виведення з пристрою для забезпечення моніторингу та контролю реакції.
Одним з процесів адитивного виробництва, який можна використовувати для розробки хімічних реакторів на замовлення, є ультразвукове адитивне виробництво (UAM).Цей твердотільний метод ламінування листів застосовує ультразвукові коливання до тонкої металевої фольги, щоб шар за шаром з’єднувати їх разом із мінімальним об’ємним нагріванням і високим ступенем пластичного потоку 21, 22, 23. На відміну від більшості інших технологій AM, UAM можна безпосередньо інтегрувати з субтрактивним виробництвом, відомим як гібридний виробничий процес, у якому періодичне фрезерування на місці з числовим керуванням (CNC) або лазерна обробка визначають чисту форму шару зв’язку. ed material 24, 25. Це означає, що користувач не обмежується проблемами, пов’язаними з видаленням залишків оригінального будівельного матеріалу з малих рідинних каналів, що часто має місце в порошкових і рідких системах AM26,27,28.Ця свобода проектування також поширюється на вибір доступних матеріалів – UAM може склеювати комбінації термічно подібних і різнорідних матеріалів за один етап процесу.Вибір комбінацій матеріалів поза процесом плавлення означає, що механічні та хімічні вимоги конкретних застосувань можуть бути краще задоволені.На додаток до з’єднання твердих речовин, ще одним явищем, яке виникає при ультразвуковому з’єднанні, є висока текучість пластикових матеріалів при відносно низьких температурах29,30,31,32,33.Ця унікальна особливість UAM дозволяє без пошкоджень розміщувати механічні/термічні елементи між металевими шарами.Вбудовані датчики UAM можуть полегшити доставку інформації в реальному часі від пристрою до користувача за допомогою інтегрованої аналітики.
Попередня робота авторів32 продемонструвала здатність процесу UAM створювати металеві тривимірні мікрофлюїдні структури з вбудованими сенсорними можливостями.Цей пристрій призначений лише для моніторингу.У цій статті представлено перший приклад мікрофлюїдного хімічного реактора, виготовленого UAM, активного пристрою, який не тільки контролює, але й індукує хімічний синтез за допомогою структурно інтегрованих каталітичних матеріалів.Пристрій поєднує в собі кілька переваг, пов’язаних з технологією UAM у виробництві 3D-хімічних пристроїв, таких як: здатність перетворювати повний 3D-проект безпосередньо з моделі автоматизованого проектування (CAD) у продукт;виготовлення з багатьох матеріалів для поєднання високої теплопровідності та каталітичних матеріалів, а також теплових датчиків, вбудованих безпосередньо між потоками реагентів для точного контролю та керування температурою реакції.Щоб продемонструвати функціональність реактора, бібліотеку фармацевтично важливих 1,4-дизаміщених 1,2,3-тріазолових сполук було синтезовано за допомогою каталізованого міддю 1,3-диполярного циклоприєднання Гюйсгена.Ця робота підкреслює, як використання матеріалознавства та автоматизованого проектування може відкрити нові можливості та можливості для хімії через міждисциплінарні дослідження.
Усі розчинники та реагенти були придбані у Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI або Fischer Scientific і використані без попереднього очищення.Спектри ЯМР 1Н і 13С, записані при 400 і 100 МГц відповідно, були отримані на спектрометрі JEOL ECS-400 400 МГц або спектрометрі Bruker Avance II 400 МГц з CDCl3 або (CD3)2SO як розчинником.Усі реакції проводили з використанням потокової хімічної платформи Uniqsis FlowSyn.
UAM використовувався для виготовлення всіх пристроїв у цьому дослідженні.Технологія була винайдена в 1999 році, і її технічні деталі, робочі параметри та розробки з моменту винаходу можна вивчити за допомогою наступних опублікованих матеріалів34,35,36,37.Пристрій (рис. 1) було реалізовано за допомогою потужної системи SonicLayer 4000® UAM потужністю 9 кВт (Fabrisonic, Огайо, США).Матеріали, обрані для потокового пристрою, були Cu-110 і Al 6061. Cu-110 має високий вміст міді (мінімум 99,9% міді), що робить його хорошим кандидатом для реакцій, що каталізуються міддю, і тому використовується як «активний шар усередині мікрореактора».В якості «насипного» матеріалу використовується Al 6061 O., а також інтеркаляційний шар, який використовується для аналізу;інтеркаляція допоміжних компонентів сплаву та відпалений стан у поєднанні з шаром Cu-110.виявився хімічно стабільним з реагентами, використаними в цій роботі.Al 6061 O у поєднанні з Cu-110 також вважається сумісною комбінацією матеріалів для UAM і тому є придатним матеріалом для цього дослідження38,42.Ці пристрої перераховані в таблиці 1 нижче.
Етапи виготовлення реактора (1) Підкладка з алюмінієвого сплаву 6061 (2) Виготовлення нижнього каналу з мідної фольги (3) Вставлення термопар між шарами (4) Верхній канал (5) Вхід і вихід (6) Монолітний реактор.
Філософія дизайну рідинного каналу полягає у використанні звивистого шляху для збільшення відстані, яку проходить рідина всередині чіпа, зберігаючи при цьому керований розмір чіпа.Це збільшення відстані є бажаним для збільшення часу контакту каталізатора з реагентом і забезпечення відмінного виходу продукту.Чіпи використовують вигини на 90° на кінцях прямого шляху, щоб викликати турбулентне перемішування всередині пристрою44 та збільшити час контакту рідини з поверхнею (каталізатором).Для подальшого покращення змішування, якого можна досягти, конструкція реактора включає два входи для реагентів, об’єднані Y-подібним з’єднанням перед входом у секцію змішувача.Третій вхід, який перетинає потік на півдорозі через його резиденцію, включений до плану майбутніх реакцій багатоступінчастого синтезу.
Усі канали мають квадратний профіль (без кутів конусності), що є результатом періодичного фрезерування з ЧПУ, що використовується для створення геометрії каналу.Розміри каналів вибираються так, щоб забезпечити високу (для мікрореактора) об’ємну продуктивність, але досить малу, щоб полегшити взаємодію з поверхнею (каталізаторами) для більшості рідин, які він містить.Відповідний розмір ґрунтується на минулому досвіді авторів із пристроями реакції метал-рідина.Внутрішні розміри кінцевого каналу становили 750 мкм х 750 мкм, а загальний об'єм реактора становив 1 мл.Вбудований роз’єм (різьба 1/4″-28 UNF) включений у конструкцію, щоб забезпечити легке підключення пристрою до промислового хімічного обладнання.Розмір каналу обмежений товщиною матеріалу фольги, її механічними властивостями та параметрами з’єднання, які використовуються з ультразвуком.При певній ширині для даного матеріалу матеріал «провисатиме» у створений канал.Наразі немає конкретної моделі для цього розрахунку, тому максимальна ширина каналу для даного матеріалу та конструкції визначається експериментально, у цьому випадку ширина 750 мкм не спричинить провисання.
Форму (квадрат) швелера визначають за допомогою кутника.Форму і розмір каналів можна змінювати на верстатах з ЧПК за допомогою різних різальних інструментів для отримання різних витрат і характеристик.Приклад створення вигнутого каналу за допомогою інструмента 125 мкм можна знайти в Monaghan45.Коли шар фольги накладається рівно, нанесення матеріалу фольги на канали матиме плоску (квадратну) поверхню.У цій роботі для збереження симетрії каналу використовувався квадратний контур.
Під час запрограмованої паузи у виробництві датчики температури термопари (тип К) вбудовані безпосередньо в пристрій між верхньою та нижньою групами каналів (рис. 1 – ступінь 3).Ці термопари можуть контролювати зміни температури від -200 до 1350 °C.
Процес осадження металу здійснюється рупором UAM з використанням металевої фольги шириною 25,4 мм і товщиною 150 мікрон.Ці шари фольги з’єднані в ряд суміжних смуг, щоб покрити всю площу конструкції;розмір нанесеного матеріалу більший, ніж кінцевий продукт, оскільки процес віднімання створює остаточну чисту форму.Обробка з ЧПК використовується для обробки зовнішніх і внутрішніх контурів обладнання, що призводить до обробки поверхні обладнання та каналів, що відповідає обраному інструменту та параметрам процесу ЧПК (у цьому прикладі приблизно 1,6 мкм Ra).Безперервне, безперервне ультразвукове розпилення матеріалу та цикли обробки використовуються протягом усього процесу виробництва пристрою, щоб забезпечити точність розмірів, а готова деталь відповідає рівням точності фрезерування з ЧПК.Ширина каналу, який використовується для цього пристрою, достатньо мала, щоб гарантувати, що матеріал фольги не «провисає» в каналі рідини, тому канал має квадратний поперечний переріз.Можливі розриви в матеріалі фольги та параметри процесу UAM були визначені експериментально партнером-виробником (Fabrisonic LLC, США).
Дослідження показали, що на межі розділу 46, 47 сполуки UAM відбувається незначна дифузія елементів без додаткової термічної обробки, тому для пристроїв у цій роботі шар Cu-110 залишається відмінним від шару Al 6061 і різко змінюється.
Встановіть попередньо відкалібрований регулятор зворотного тиску (BPR) на 250 psi (1724 кПа) за реактором і прокачуйте воду через реактор зі швидкістю від 0,1 до 1 мл хв-1.Тиск у реакторі контролювався за допомогою датчика тиску FlowSyn, вбудованого в систему, щоб гарантувати, що система може підтримувати постійний стабільний тиск.Потенційні температурні градієнти в проточному реакторі перевірялися шляхом виявлення будь-яких відмінностей між термопарами, вбудованими в реактор, і термопарами, вбудованими в нагрівальну пластину чіпа FlowSyn.Це досягається зміною запрограмованої температури конфорки між 100 і 150 °C з кроком 25 °C і моніторингом будь-якої різниці між запрограмованою та записаною температурами.Це було досягнуто за допомогою реєстратора даних tc-08 (PicoTech, Cambridge, UK) і супровідного програмного забезпечення PicoLog.
Оптимізовано умови реакції циклоприєднання фенілацетилену та йодетану (Схема 1-Циклоприєднання фенілацетилену та йодетану, Схема 1-Циклоприєднання фенілацетилену та йодетану).Ця оптимізація була виконана з використанням підходу повного факторного плану експериментів (DOE), використовуючи температуру та час перебування як змінні при фіксації співвідношення алкін:азид на рівні 1:2.
Готували окремі розчини азиду натрію (0,25 М, 4:1 ДМФА:H2O), йодетану (0,25 М, ДМФА) та фенілацетилену (0,125 М, ДМФА).1,5 мл аліквоти кожного розчину змішували і прокачували через реактор при бажаній швидкості потоку і температурі.Відповідь моделі приймали як відношення площі піку продукту триазолу до вихідного матеріалу фенілацетилену та визначали за допомогою високоефективної рідинної хроматографії (ВЕРХ).Для узгодженості аналізу всі реакції проводили відразу після виходу реакційної суміші з реактора.Діапазони параметрів, вибрані для оптимізації, наведені в таблиці 2.
Усі зразки аналізували за допомогою системи ВЕРХ Chromaster (VWR, Пенсильванія, США), що складається з четвертинного насоса, колонкової печі, УФ-детектора зі змінною довжиною хвилі та автосамплера.Колонка представляла собою Equivalence 5 C18 (VWR, PA, США), 4,6 x 100 мм, розмір частинок 5 мкм, підтримували при 40°C.Розчинником був ізократний метанол:вода 50:50 при швидкості потоку 1,5 мл·хв-1.Об'єм ін'єкції становив 5 мкл, а довжина хвилі детектора становила 254 нм.% Площа піку для зразка DOE була розрахована на підставі площі піків лише залишкових алкінів і триазолів.Введення вихідного матеріалу дозволяє ідентифікувати відповідні піки.
Поєднання результатів аналізу реактора з програмним забезпеченням MODDE DOE (Umetrics, Мальме, Швеція) дозволило провести ретельний аналіз тенденцій результатів і визначити оптимальні умови реакції для цього циклоприєднання.Запуск вбудованого оптимізатора та вибір усіх важливих умов моделі створює набір умов реакції, призначених для максимізації площі піку продукту при одночасному зменшенні площі піку для ацетиленової сировини.
Окислення поверхні міді в каталітичній реакційній камері було досягнуто за допомогою розчину перекису водню (36%), що протікає через реакційну камеру (швидкість потоку = 0,4 мл хв-1, час перебування = 2,5 хв) перед синтезом кожної триазолової сполуки.бібліотека.
Після визначення оптимального набору умов їх було застосовано до ряду похідних ацетилену та галогеналканів, щоб створити невелику бібліотеку синтезу, тим самим встановивши можливість застосування цих умов до більш широкого діапазону потенційних реагентів (рис. 1).2).
Приготуйте окремі розчини азиду натрію (0,25 М, 4:1 ДМФА:H2O), галогеналканів (0,25 М, ДМФА) та алкінів (0,125 М, ДМФА).Аликвоти по 3 мл кожного розчину змішували і прокачували через реактор зі швидкістю 75 мкл/хв і температурою 150°C.Весь об'єм збирали у флакон і розбавляли 10 мл етилацетату.Розчин зразка промивали 3 х 10 мл води.Водні шари об'єднували і екстрагували 10 мл етилацетату, потім органічні шари об'єднували, промивали 3×10 мл розсолу, сушили над MgSO 4 і фільтрували, потім розчинник видаляли у вакуумі.Зразки очищали колонковою хроматографією на силікагелі з використанням етилацетату перед аналізом за допомогою комбінації ВЕРХ, 1H ЯМР, 13C ЯМР та мас-спектрометрії високої роздільної здатності (HR-MS).
Усі спектри були отримані з використанням мас-спектрометра Thermofischer Precision Orbitrap з ESI як джерелом іонізації.Усі зразки готували з використанням ацетонітрилу як розчинника.
ТШХ-аналіз проводили на кремнеземних пластинах з алюмінієвою підкладкою.Планшети візуалізували за допомогою УФ-світла (254 нм) або фарбування та нагрівання ваніліном.
Усі зразки аналізували за допомогою системи VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, Великобританія), оснащеної автоматичним пробовідбірником, бінарним насосом із колонковою духовкою та детектором однієї довжини хвилі.Використовували колонку ACE Equivalence 5 C18 (150 x 4,6 мм, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Абердин, Шотландія).
Ін’єкції (5 мкл) робили безпосередньо з розведеної неочищеної реакційної суміші (розведення 1:10) і аналізували за допомогою суміші вода:метанол (50:50 або 70:30), за винятком деяких зразків із використанням системи розчинників 70:30 (позначеної зірочкою) зі швидкістю потоку 1,5 мл/хв.Колонку підтримували при 40°C.Довжина хвилі детектора 254 нм.
Площа піку зразка в % була розрахована з площі піку залишкового алкіну, лише продукту триазолу, а введення вихідного матеріалу дозволило ідентифікувати відповідні піки.
Усі зразки аналізували за допомогою Thermo iCAP 6000 ICP-OES.Усі калібрувальні стандарти були підготовлені з використанням стандартного розчину Cu 1000 ppm у 2% азотній кислоті (SPEX Certi Prep).Усі стандарти готували в розчині 5% DMF і 2% HNO3, і всі зразки розбавляли в 20 разів розчином зразка DMF-HNO3.
UAM використовує ультразвукове зварювання металу як метод з’єднання металевої фольги, яка використовується для створення остаточної збірки.Ультразвукове зварювання металу використовує вібруючий металевий інструмент (званий рупором або ультразвуковим рупором) для застосування тиску до фольги/попередньо зміцненого шару, який потрібно з’єднати/попередньо з’єднати шляхом вібрації матеріалу.Для тривалої роботи сонотрод має циліндричну форму і катається по поверхні матеріалу, склеюючи всю площу.Під час застосування тиску та вібрації оксиди на поверхні матеріалу можуть тріснути.Постійний тиск і вібрація можуть призвести до руйнування шорсткості матеріалу 36 .Тісний контакт із локальним теплом і тиском призводить до твердофазного зв’язку на межах розділу матеріалів;він також може сприяти когезії шляхом зміни поверхневої енергії48.Природа механізму зв’язування долає багато проблем, пов’язаних із змінною температурою розплаву та ефектами високої температури, згаданими в інших технологіях адитивного виробництва.Це дозволяє пряме з'єднання (тобто без модифікації поверхні, наповнювачів або адгезивів) кількох шарів різних матеріалів в єдину консолідовану структуру.
Другим сприятливим фактором для CAM є високий ступінь пластичної течії, що спостерігається в металевих матеріалах навіть при низьких температурах, тобто значно нижче температури плавлення металевих матеріалів.Поєднання ультразвукових коливань і тиску викликає високий рівень локальної міграції меж зерен і рекристалізації без значного підвищення температури, традиційно пов'язаного з сипучими матеріалами.Під час створення кінцевої збірки це явище можна використовувати для вбудовування активних і пасивних компонентів між шарами металевої фольги, шар за шаром.Такі елементи, як оптичне волокно 49, армування 46, електроніка 50 і термопари (ця робота) були успішно інтегровані в структури UAM для створення активних і пасивних композитних вузлів.
У цій роботі для створення ідеального мікрореактора для каталітичного контролю температури використовувалися як різні можливості зв’язування матеріалу, так і можливості інтеркаляції UAM.
Порівняно з паладієм (Pd) та іншими широко використовуваними металевими каталізаторами мідний каталіз має кілька переваг: (i) економічно Cu дешевше, ніж багато інших металів, що використовуються в каталізі, і тому є привабливим варіантом для хімічної промисловості (ii) діапазон реакцій перехресного сполучення, що каталізуються Cu, розширюється і, здається, дещо доповнює методології на основі Pd51, 52, 53 ( iii) Реакції, каталізовані Cu, добре проходять за відсутності інших лігандів.Ці ліганди часто структурно прості і недорогі.за бажанням, тоді як ті, що використовуються в хімії Pd, часто є складними, дорогими та чутливими до повітря (iv) Cu, особливо відома своєю здатністю зв’язувати алкіни в синтезі, наприклад, біметалічне каталізоване з’єднання Соногашири та циклоприєднання з азидами (хімія клацання) (v) Cu також може сприяти арилування деяких нуклеофілів у реакціях типу Ульмана.
Нещодавно були продемонстровані приклади гетерогенізації всіх цих реакцій у присутності Cu(0).Це значною мірою пов’язано з фармацевтичною промисловістю та зростаючою увагою до відновлення та повторного використання металевих каталізаторів55,56.
Реакція 1,3-диполярного циклоприєднання між ацетиленом і азидом до 1,2,3-триазолу, вперше запропонована Гюйсгеном у 1960-х роках57, вважається синергетичною демонстраційною реакцією.Отримані фрагменти 1,2,3 триазолу представляють особливий інтерес як фармакофор у відкритті ліків через їх біологічне застосування та використання в різних терапевтичних агентах 58 .
Ця реакція знову привернула увагу, коли Шарплесс та інші представили концепцію «хімії клацань»59.Термін «хімія кліків» використовується для опису надійного та вибіркового набору реакцій для швидкого синтезу нових сполук і комбінаторних бібліотек з використанням гетероатомного зв’язку (CXC)60.Синтетична привабливість цих реакцій пояснюється пов'язаними з ними високими виходами.умови прості, стійкість до кисню та води, а розділення продукту просте61.
Класичне 1,3-дипольне циклоприєднання Гюїзгена не підпадає під категорію «хімії кліків».Проте Medal і Sharpless продемонстрували, що ця подія сполучення азид-алкін зазнає 107–108 у присутності Cu(I) порівняно зі значним прискоренням швидкості некаталітичного 1,3-диполярного циклоприєднання 62,63.Цей прогресивний механізм реакції не потребує захисних груп або суворих умов реакції та забезпечує майже повне перетворення та селективність до 1,4-дизаміщених 1,2,3-тріазолів (анти-1,2,3-триазолів) з часом (рис. 3).
Ізометричні результати звичайних та каталізованих міддю циклоприєднань Гюїзгена.Каталізовані Cu(I) циклоприєднання Гюїзгена дають лише 1,4-дизаміщені 1,2,3-триазоли, тоді як термічно індуковані циклоприєднання Гюїзгена зазвичай дають 1,4- та 1,5-тріазоли у вигляді 1:1 суміші стереоізомерів азолів.
Більшість протоколів передбачає відновлення стабільних джерел Cu(II), наприклад відновлення CuSO4 або сполуки Cu(II)/Cu(0) у поєднанні з солями натрію.Порівняно з іншими реакціями, що каталізуються металами, використання Cu(I) має основні переваги, оскільки він недорогий і простий у використанні.
Кінетичні та ізотопні дослідження Worrell et al.65 показали, що у випадку кінцевих алкінів два еквіваленти міді беруть участь в активації реакційної здатності кожної молекули щодо азиду.Запропонований механізм протікає через шестичленне мідне металеве кільце, утворене координацією азиду з σ-зв’язаним ацетилидом міді з π-зв’язаною міддю як стабільним донорним лігандом.Похідні триазолілу міді утворюються в результаті скорочення кільця з подальшим розпадом протона з утворенням триазолових продуктів і замиканням каталітичного циклу.
Незважаючи на те, що переваги приладів для хімічного аналізу потоків добре задокументовані, було бажання інтегрувати аналітичні інструменти в ці системи для моніторингу процесу в режимі реального часу на місці66,67.UAM виявився придатним методом для проектування та виробництва дуже складних тривимірних проточних реакторів з каталітично активних, теплопровідних матеріалів із безпосередньо вбудованими чутливими елементами (рис. 4).
Алюмінієво-мідний проточний реактор виробництва ультразвукового адитивного виробництва (UAM) зі складною структурою внутрішнього каналу, вбудованими термопарами та каталітичною реакційною камерою.Для візуалізації внутрішніх шляхів рідини також показано прозорий прототип, виготовлений за допомогою стереолітографії.
Щоб гарантувати, що реактори створені для майбутніх органічних реакцій, розчинники повинні бути безпечно нагріті вище їх точки кипіння;вони проходять випробування тиском і температурою.Опресовування показало, що система підтримує стабільний і постійний тиск навіть при підвищеному тиску в системі (1,7 МПа).Гідростатичні випробування проводили при кімнатній температурі з використанням H2O як рідини.
Підключення вбудованої (рис. 1) термопари до реєстратора даних про температуру показало, що температура термопари була на 6 °C (± 1 °C) нижчою від запрограмованої температури в системі FlowSyn.Як правило, підвищення температури на 10°C подвоює швидкість реакції, тому різниця температур лише в кілька градусів може істотно змінити швидкість реакції.Ця різниця зумовлена ​​втратою температури в RPV через високу температуропровідність матеріалів, які використовуються в процесі виробництва.Цей тепловий дрейф є постійним, і тому його можна враховувати під час налаштування обладнання, щоб забезпечити досягнення та вимірювання точних температур під час реакції.Таким чином, цей онлайн-інструмент моніторингу сприяє жорсткому контролю температури реакції та сприяє точнішій оптимізації процесу та створенню оптимальних умов.Ці датчики також можуть бути використані для виявлення екзотермічних реакцій і запобігання реакцій, що витікають у великомасштабних системах.
Реактор, представлений у цьому документі, є першим прикладом застосування технології UAM для виготовлення хімічних реакторів і усуває кілька основних обмежень, які зараз пов’язані з AM/3D-друком цих пристроїв, наприклад: (i) Подолання зазначених проблем, пов’язаних з обробкою мідних або алюмінієвих сплавів (ii) покращена роздільна здатність внутрішнього каналу порівняно з методами плавлення шару порошку (PBF), такими як селективне лазерне плавлення (SLM)25,69 Поганий потік матеріалу та ro груба текстура поверхні26 (iii) нижча температура обробки, що полегшує пряме підключення датчиків, що неможливо в технології порошкового шару, (v) подолання поганих механічних властивостей і чутливості компонентів на основі полімерів до різних поширених органічних розчинників17,19.
Працездатність реактора була продемонстрована серією реакцій циклоприєднання алкіназиду, каталізованих міддю, в умовах безперервного потоку (рис. 2).Ультразвуковий друкований мідний реактор, показаний на рис.4 був інтегрований з комерційною потоковою системою та використаний для синтезу азидної бібліотеки різних 1,4-дизаміщених 1,2,3-триазолів з використанням реакції з контрольованою температурою ацетилену та галогенідів алкільних груп у присутності хлориду натрію (рис. 3).Використання підходу безперервного потоку зменшує проблеми з безпекою, які можуть виникнути в періодичних процесах, оскільки ця реакція виробляє високореакційноздатні та небезпечні азидні проміжні продукти [317], [318].Спочатку реакцію оптимізували для циклоприєднання фенілацетилену та йодетану (схема 1 – Циклоприєднання фенілацетилену та йодетану) (див. рис. 5).
(Верхній лівий) Схема установки, яка використовується для об’єднання реактора 3DP у проточну систему (верхній правий), отримана з оптимізованої (нижньої) схеми схеми циклоприєднання Huisgen 57 між фенілацетиленом та йодетаном для оптимізації та показує оптимізовані параметри швидкості конверсії реакції.
Контролюючи час перебування реагентів у каталітичній секції реактора та ретельно контролюючи температуру реакції за допомогою безпосередньо вбудованого датчика термопари, умови реакції можна швидко й точно оптимізувати з мінімальними витратами часу та матеріалів.Швидко виявилося, що найвища конверсія була досягнута при використанні часу перебування 15 хвилин і температури реакції 150°C.З графіка коефіцієнтів програмного забезпечення MODDE видно, що як час перебування, так і температура реакції вважаються важливими умовами моделі.Запуск вбудованого оптимізатора з використанням цих вибраних умов створює набір умов реакції, спрямованих на максимізацію площі піків продукту при одночасному зменшенні площ піків вихідного матеріалу.Ця оптимізація дала 53% конверсії продукту триазолу, що точно відповідало прогнозу моделі в 54%.