Nature.com saytiga tashrif buyurganingiz uchun tashakkur. Siz foydalanayotgan brauzer versiyasida CSS qo'llab-quvvatlashi cheklangan. Eng yaxshi tajriba uchun sizga yangilangan brauzerdan foydalanishingizni tavsiya qilamiz (yoki Internet Explorer-da moslik rejimini o'chirib qo'ying). Shu bilan birga, uzluksiz qo'llab-quvvatlashni ta'minlash uchun biz saytni uslublar va JavaScriptsiz renderlaymiz.
Bir vaqtning o'zida uchta slaydni ko'rsatuvchi karusel. Bir vaqtning o'zida uchta slayd bo'ylab harakatlanish uchun "Oldingi" va "Keyingi" tugmalaridan foydalaning yoki bir vaqtning o'zida uchta slayd bo'ylab harakatlanish uchun oxiridagi slayder tugmalaridan foydalaning.
Qo'shimcha ishlab chiqarish tadqiqotchilar va sanoatchilarning o'ziga xos ehtiyojlarini qondirish uchun kimyoviy qurilmalarni loyihalash va ishlab chiqarish usulini o'zgartirmoqda. Ushbu maqolada biz to'g'ridan-to'g'ri integratsiyalashgan katalitik qismlar va sezgir elementlarga ega qattiq metall listni ultratovushli qo'shimcha ishlab chiqarish (UAM) laminatsiyasi orqali hosil qilingan oqim reaktorining birinchi misolini taqdim etamiz. UAM texnologiyasi nafaqat kimyoviy reaktorlarni qo'shimcha ishlab chiqarish bilan bog'liq bo'lgan ko'plab cheklovlarni yengib chiqadi, balki bunday qurilmalarning imkoniyatlarini ham sezilarli darajada kengaytiradi. Bir qator biologik ahamiyatga ega 1,4-almashtirilgan 1,2,3-triazol birikmalari UAM kimyo zavodidan foydalangan holda Cu vositachiligidagi 1,3-dipol Huisgen sikloqo'shilish reaksiyasi orqali muvaffaqiyatli sintez qilindi va optimallashtirildi. UAM va uzluksiz oqimni qayta ishlashning noyob xususiyatlaridan foydalangan holda, qurilma davom etayotgan reaksiyalarni katalizlash, shuningdek, reaksiyalarni kuzatish va optimallashtirish uchun real vaqt rejimida fikr-mulohazalarni taqdim etishga qodir.
Oqim kimyosi oʻzining ommaviy analogiga nisbatan sezilarli afzalliklari tufayli, kimyoviy sintezning selektivligi va samaradorligini oshirish qobiliyati tufayli akademik va sanoat sharoitida muhim va rivojlanayotgan soha hisoblanadi. Bu oddiy organik molekulalarning hosil boʻlishidan1 farmatsevtik birikmalargacha2,3 va tabiiy mahsulotlargacha4,5,6 davom etadi. Nozik kimyo va farmatsevtika sanoatidagi reaksiyalarning 50% dan ortigʻi uzluksiz oqimdan foyda koʻrishi mumkin7.
So'nggi yillarda an'anaviy shisha idishlar yoki oqim kimyosi uskunalarini moslashuvchan kimyoviy "reaktorlar" bilan almashtirishga intilayotgan guruhlarning tobora ko'payib borayotgan tendentsiyasi kuzatilmoqda8. Ushbu usullarning takroriy dizayni, tezkor ishlab chiqarishi va uch o'lchovli (3D) imkoniyatlari o'z qurilmalarini ma'lum bir reaksiyalar, qurilmalar yoki sharoitlar to'plamiga moslashtirmoqchi bo'lganlar uchun foydalidir. Bugungi kunga qadar ushbu ish deyarli faqat stereolitografiya (SL)9,10,11, eritilgan cho'kma modellashtirish (FDM)8,12,13,14 va inkjet bosib chiqarish7,15 kabi polimer asosidagi 3D bosib chiqarish texnikalaridan foydalanishga qaratilgan. , 16. Bunday qurilmalarning ishonchliligi va keng ko'lamli kimyoviy reaksiyalar/tahlillarni amalga oshirish qobiliyatining yo'qligi17, 18, 19, 20 bu sohada AMni kengroq qo'llash uchun asosiy cheklovchi omil hisoblanadi17, 18, 19, 20.
Oqim kimyosidan tobora ko'proq foydalanish va AM bilan bog'liq ijobiy xususiyatlar tufayli, foydalanuvchilarga yaxshilangan kimyo va analitik imkoniyatlarga ega oqim reaksiya idishlarini ishlab chiqarish imkonini beradigan yaxshiroq texnikalarni o'rganish kerak. Ushbu usullar foydalanuvchilarga turli xil reaksiya sharoitlarida ishlashga qodir bo'lgan yuqori mustahkamlikdagi yoki funktsional materiallar qatoridan tanlash imkonini beradi, shuningdek, reaksiyani kuzatish va boshqarish imkonini berish uchun qurilmadan turli xil analitik chiqishlarni osonlashtiradi.
Maxsus kimyoviy reaktorlarni ishlab chiqish uchun ishlatilishi mumkin bo'lgan qo'shimcha ishlab chiqarish jarayonlaridan biri bu Ultrasonik Qo'shimcha Ishlab Chiqarish (UAM). Ushbu qattiq holatdagi varaq laminatsiyasi usuli ultratovush tebranishlarini yupqa metall folgalarga minimal hajmli isitish va yuqori darajadagi plastik oqim bilan qatlamma-qavat bog'lash uchun qo'llaydi 21, 22, 23. Ko'pgina boshqa AM texnologiyalaridan farqli o'laroq, UAM to'g'ridan-to'g'ri subtraktiv ishlab chiqarish bilan integratsiya qilinishi mumkin, bu gibrid ishlab chiqarish jarayoni deb nomlanadi, bunda davriy in-situ raqamli boshqaruv (CNC) frezalash yoki lazer bilan ishlov berish bog'langan material qatlamining aniq shaklini aniqlaydi 24, 25. Bu shuni anglatadiki, foydalanuvchi kichik suyuqlik kanallaridan qoldiq asl qurilish materialini olib tashlash bilan bog'liq muammolar bilan cheklanib qolmaydi, bu ko'pincha kukun va suyuqlik tizimlarida uchraydi AM26,27,28. Ushbu dizayn erkinligi mavjud materiallarni tanlashga ham tegishli - UAM termik jihatdan o'xshash va o'xshash bo'lmagan materiallarning kombinatsiyalarini bitta jarayon bosqichida bog'lashi mumkin. Erish jarayonidan tashqarida material kombinatsiyalarini tanlash ma'lum ilovalarning mexanik va kimyoviy talablarini yaxshiroq qondirish mumkinligini anglatadi. Qattiq bog'lanishdan tashqari, ultratovush bog'lanishi bilan sodir bo'ladigan yana bir hodisa nisbatan past haroratlarda plastik materiallarning yuqori suyuqligidir29,30,31,32,33. UAM ning bu noyob xususiyati mexanik/termal elementlarni metall qatlamlar orasiga shikast yetkazmasdan joylashtirish imkonini beradi. O'rnatilgan UAM sensorlari qurilmadan foydalanuvchiga integratsiyalashgan analitika orqali real vaqt rejimida ma'lumot yetkazib berishni osonlashtirishi mumkin.
Mualliflarning oldingi ishlari32 UAM jarayonining o'rnatilgan sensor imkoniyatlariga ega metall 3D mikrofluidik tuzilmalarni yaratish qobiliyatini namoyish etdi. Ushbu qurilma faqat monitoring maqsadlari uchun mo'ljallangan. Ushbu maqolada UAM tomonidan ishlab chiqarilgan mikrofluidik kimyoviy reaktorning birinchi namunasi keltirilgan, bu nafaqat strukturaviy integratsiyalashgan katalitik materiallar bilan kimyoviy sintezni boshqaradigan, balki induktsiya qiladigan faol qurilma. Qurilma 3D kimyoviy qurilmalarni ishlab chiqarishda UAM texnologiyasi bilan bog'liq bir qancha afzalliklarni birlashtiradi, masalan: to'liq 3D dizaynni to'g'ridan-to'g'ri kompyuter yordamida loyihalash (CAD) modelidan mahsulotga aylantirish qobiliyati; yuqori issiqlik o'tkazuvchanligi va katalitik materiallarning kombinatsiyasi uchun ko'p materialli ishlab chiqarish, shuningdek, reaksiya haroratini aniq boshqarish va boshqarish uchun reaktiv oqimlari orasiga to'g'ridan-to'g'ri o'rnatilgan issiqlik sensorlari. Reaktorning funksionalligini namoyish etish uchun mis katalizlangan 1,3-dipol Huisgen sikloqo'shilishi bilan farmatsevtik jihatdan muhim 1,4-o'rnini bosuvchi 1,2,3-triazol birikmalari kutubxonasi sintez qilindi. Ushbu ish materialshunoslik va kompyuter yordamida loyihalashdan foydalanish fanlararo tadqiqotlar orqali kimyo uchun yangi imkoniyatlar va imkoniyatlarni qanday ochishi mumkinligini ta'kidlaydi.
Barcha erituvchilar va reagentlar Sigma-Aldrich, Alfa Aesar, TCI yoki Fischer Scientific dan sotib olindi va oldindan tozalashsiz ishlatildi. Mos ravishda 400 va 100 MGts chastotada qayd etilgan 1H va 13C NMR spektrlari JEOL ECS-400 400 MGts spektrometrida yoki erituvchi sifatida CDCl3 yoki (CD3)2SO qo'llanilgan Bruker Avance II 400 MGts spektrometrida olindi. Barcha reaksiyalar Uniqsis FlowSyn oqim kimyosi platformasi yordamida amalga oshirildi.
Ushbu tadqiqotda barcha qurilmalarni ishlab chiqarish uchun UAM ishlatilgan. Texnologiya 1999-yilda ixtiro qilingan va uning texnik tafsilotlari, ish parametrlari va ixtirodan keyingi rivojlanishi quyidagi nashr etilgan materiallar yordamida o'rganilishi mumkin34,35,36,37. Qurilma (1-rasm) og'ir yuk ko'taradigan 9 kVt SonicLayer 4000® UAM tizimi (Fabrisonic, Ogayo, AQSh) yordamida amalga oshirildi. Oqim qurilmasi uchun tanlangan materiallar Cu-110 va Al 6061 edi. Cu-110 tarkibida mis miqdori yuqori (minimal 99,9% mis), bu uni mis katalizlangan reaksiyalar uchun yaxshi nomzod qiladi va shuning uchun mikroreaktor ichidagi "faol qatlam" sifatida ishlatiladi. Al 6061O "quyma" material sifatida ishlatiladi. , shuningdek, tahlil qilish uchun ishlatiladigan interkalatsiya qatlami; yordamchi qotishma komponentlarining interkalatsiyasi va Cu-110 qatlami bilan birgalikda tavlangan holat. ushbu ishda ishlatilgan reagentlar bilan kimyoviy jihatdan barqaror ekanligi aniqlandi. Cu-110 bilan birgalikda Al 6061O ham UAM uchun mos material kombinatsiyasi hisoblanadi va shuning uchun ushbu tadqiqot uchun mos materialdir38,42. Ushbu qurilmalar quyidagi 1-jadvalda keltirilgan.
Reaktorni ishlab chiqarish bosqichlari (1) 6061 alyuminiy qotishmasidan yasalgan substrat (2) Mis folgadan pastki kanalni ishlab chiqarish (3) Qatlamlar orasiga termojuftlarni kiritish (4) Yuqori kanal (5) Kirish va chiqish (6) Monolit reaktor.
Suyuqlik kanalini loyihalash falsafasi chip ichidagi suyuqlik bosib o'tadigan masofani boshqarish mumkin bo'lgan chip hajmini saqlab qolish uchun egri-bugri yo'ldan foydalanishdan iborat. Masofani bu oshirish katalizator-reaktiv aloqa vaqtini oshirish va ajoyib mahsulot hosildorligini ta'minlash uchun maqsadga muvofiqdir. Chipslar qurilma44 ichida turbulent aralashtirishni keltirib chiqarish va suyuqlikning sirt (katalizator) bilan aloqa vaqtini oshirish uchun to'g'ri yo'lning uchlarida 90° burilishlardan foydalanadi. Erishilishi mumkin bo'lgan aralashtirish jarayonini yanada yaxshilash uchun reaktor dizayni aralashtirish bobini qismiga kirishdan oldin Y-ulanishda birlashtirilgan ikkita reaktiv kirish joyini o'z ichiga oladi. Oqimni o'z yashash joyining yarmida kesib o'tadigan uchinchi kirish kelajakdagi ko'p bosqichli sintez reaksiyalari rejasiga kiritilgan.
Barcha kanallar kvadrat profilga ega (konussimon burchaklar yo'q), bu kanal geometriyasini yaratish uchun ishlatiladigan davriy CNC frezalash natijasidir. Kanal o'lchamlari yuqori (mikroreaktor uchun) hajmli hosilni ta'minlash uchun tanlangan, ammo tarkibidagi suyuqliklarning aksariyati uchun sirt (katalizatorlar) bilan o'zaro ta'sirni osonlashtirish uchun etarlicha kichik. Tegishli o'lcham mualliflarning metall-suyuqlik reaksiya qurilmalari bilan oldingi tajribasiga asoslangan. Yakuniy kanalning ichki o'lchamlari 750 µm x 750 µm va reaktorning umumiy hajmi 1 ml ni tashkil etdi. Qurilmani tijorat oqim kimyosi uskunalari bilan oson ulash imkonini berish uchun dizaynga o'rnatilgan ulagich (1/4″-28 UNF tish) kiritilgan. Kanal o'lchami folga materialining qalinligi, uning mexanik xususiyatlari va ultratovush bilan ishlatiladigan bog'lash parametrlari bilan cheklangan. Berilgan material uchun ma'lum bir kenglikda material yaratilgan kanalga "cho'kadi". Hozirda bu hisoblash uchun maxsus model mavjud emas, shuning uchun ma'lum bir material va dizayn uchun maksimal kanal kengligi eksperimental ravishda aniqlanadi, bu holda 750 µm kenglik sarkma keltirib chiqarmaydi.
Kanalning shakli (kvadrat) kvadrat kesgich yordamida aniqlanadi. Kanallarning shakli va o'lchami turli xil kesish asboblari yordamida CNC mashinalarida turli oqim tezligi va xususiyatlarini olish uchun o'zgartirilishi mumkin. 125 µm asbob bilan egri kanal yaratish misolini Monaghan45 da topish mumkin. Folga qatlami tekis qo'llanilganda, folga materialini kanallarga qo'llash tekis (kvadrat) yuzaga ega bo'ladi. Ushbu ishda kanal simmetriyasini saqlab qolish uchun kvadrat kontur ishlatilgan.
Ishlab chiqarishda dasturlashtirilgan pauza paytida, termojuft harorat sensorlari (K turi) to'g'ridan-to'g'ri qurilmaga yuqori va pastki kanal guruhlari orasiga o'rnatiladi (1-rasm – 3-bosqich). Ushbu termojuftlar harorat o'zgarishini -200 dan 1350 °C gacha boshqarishi mumkin.
Metallni cho'ktirish jarayoni UAM shoxi orqali 25,4 mm kenglikdagi va 150 mikron qalinlikdagi metall folga yordamida amalga oshiriladi. Ushbu folga qatlamlari butun qurilish maydonini qoplash uchun bir qator qo'shni chiziqlarga ulangan; cho'ktirilgan materialning o'lchami yakuniy mahsulotdan kattaroq, chunki ayirish jarayoni yakuniy toza shaklni yaratadi. CNC ishlov berish uskunaning tashqi va ichki konturlarini ishlov berish uchun ishlatiladi, natijada tanlangan asbob va CNC jarayoni parametrlariga mos keladigan uskuna va kanallarning sirt qoplamasi olinadi (bu misolda taxminan 1,6 µm Ra). O'lchov aniqligi saqlanishini va tayyor qism CNC nozik frezalash aniqlik darajalariga javob berishini ta'minlash uchun qurilmaning ishlab chiqarish jarayonida uzluksiz, uzluksiz ultratovushli material purkash va ishlov berish sikllari qo'llaniladi. Ushbu qurilma uchun ishlatiladigan kanalning kengligi folga materialining suyuqlik kanalida "cho'kmasligini" ta'minlash uchun etarlicha kichik, shuning uchun kanal kvadrat kesimga ega. Folga materialidagi mumkin bo'lgan bo'shliqlar va UAM jarayonining parametrlari ishlab chiqarish hamkori (Fabrisonic LLC, AQSh) tomonidan eksperimental ravishda aniqlandi.
Tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, UAM birikmasining 46, 47 chegarasida qo'shimcha issiqlik bilan ishlov bermasdan elementlarning diffuziyasi kam bo'ladi, shuning uchun bu ishdagi qurilmalar uchun Cu-110 qatlami Al 6061 qatlamidan farq qiladi va keskin o'zgaradi.
Reaktordan keyin 250 psi (1724 kPa) bosimda oldindan kalibrlangan orqa bosim regulyatorini (BPR) o'rnating va suvni reaktor orqali 0,1 dan 1 ml min-1 gacha tezlikda pompalang. Reaktor bosimi tizimning doimiy barqaror bosimni saqlab turishini ta'minlash uchun tizimga o'rnatilgan FlowSyn bosim o'tkazgichi yordamida kuzatildi. Oqim reaktoridagi potentsial harorat gradiyentlari reaktorga o'rnatilgan termojuftlar va FlowSyn chipining isitish plitasiga o'rnatilgan termojuftlar orasidagi har qanday farqni qidirish orqali sinovdan o'tkazildi. Bunga dasturlashtirilgan issiq plita haroratini 25 °C bosqichlarida 100 va 150 °C oralig'ida o'zgartirish va dasturlashtirilgan va qayd etilgan haroratlar orasidagi har qanday farqni kuzatish orqali erishiladi. Bunga tc-08 ma'lumotlar jurnali (PicoTech, Kembrij, Buyuk Britaniya) va unga qo'shilgan PicoLog dasturi yordamida erishildi.
Fenilatsetilen va yodoetanning sikloqo'shilish reaksiyasi uchun shartlar optimallashtirilgan (1-sxema - Fenilatsetilen va yodoetanning sikloqo'shilishi, 1-sxema - Fenilatsetilen va yodoetanning sikloqo'shilishi). Ushbu optimallashtirish alkin:azid nisbatini 1:2 da o'rnatgan holda harorat va yashash vaqtidan foydalanib, tajribalarning to'liq faktorial dizayni (DOE) yondashuvi yordamida amalga oshirildi.
Natriy azid (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), yodoetan (0,25 M, DMF) va fenilatsetilen (0,125 M, DMF) ning alohida eritmalari tayyorlandi. Har bir eritmaning 1,5 ml alikvotasi aralashtirildi va reaktor orqali kerakli oqim tezligi va haroratda pompalandi. Modelning javobi triazol mahsulotining cho'qqi maydonining fenilatsetilenning boshlang'ich materialiga nisbati sifatida olindi va yuqori samarali suyuqlik xromatografiyasi (HPLC) yordamida aniqlandi. Tahlil izchilligi uchun barcha reaksiyalar reaksiya aralashmasi reaktordan chiqqandan so'ng darhol olindi. Optimallashtirish uchun tanlangan parametr diapazonlari 2-jadvalda ko'rsatilgan.
Barcha namunalar to'rtlamchi nasos, ustunli pech, o'zgaruvchan to'lqin uzunligidagi UV detektori va avtosamplerdan iborat Chromaster HPLC tizimi (VWR, PA, AQSh) yordamida tahlil qilindi. Ustun 40°C da saqlanadigan 4,6 x 100 mm, 5 µm zarracha o'lchamidagi Equivalence 5 C18 (VWR, PA, AQSh) edi. Erituvchi 1,5 ml·min-1 oqim tezligida izokratik metanol: suv 50:50 edi. In'ektsiya hajmi 5 mkl va detektor to'lqin uzunligi 254 nm edi. DOE namunasi uchun % cho'qqi maydoni faqat qoldiq alkin va triazol mahsulotlarining cho'qqi maydonlaridan hisoblab chiqildi. Boshlang'ich materialning kiritilishi mos keladigan cho'qqilarni aniqlash imkonini beradi.
Reaktor tahlili natijalarini MODDE DOE dasturiy ta'minoti (Umetrics, Malmö, Shvetsiya) bilan birlashtirish natijalarni batafsil trend tahlil qilish va ushbu sikloqo'shilish uchun optimal reaksiya sharoitlarini aniqlash imkonini berdi. O'rnatilgan optimizatorni ishga tushirish va barcha muhim model atamalarini tanlash asetilen xom ashyosi uchun eng yuqori maydonni kamaytirish bilan birga mahsulotning eng yuqori maydonini maksimal darajada oshirish uchun mo'ljallangan reaksiya sharoitlari to'plamini yaratadi.
Katalitik reaksiya kamerasida mis yuzasining oksidlanishi har bir triazol birikmasini sintez qilishdan oldin reaksiya kamerasi orqali oqib o'tadigan vodorod peroksid eritmasi (36%) (oqim tezligi = 0,4 ml min-1, yashash vaqti = 2,5 daqiqa) yordamida amalga oshirildi. kutubxona.
Optimal sharoitlar to'plami aniqlangandan so'ng, ular kichik sintez kutubxonasini tuzish imkonini berish uchun bir qator asetilen va galoalkan hosilalariga qo'llanildi va shu bilan bu sharoitlarni kengroq potentsial reagentlarga qo'llash imkoniyati yaratildi (1-rasm).
Natriy azid (0,25 M, 4:1 DMF:H2O), galoalkanlar (0,25 M, DMF) va alkinlarning (0,125 M, DMF) alohida eritmalarini tayyorlang. Har bir eritmaning 3 ml dan iborat alikvotalari aralashtirildi va reaktor orqali 75 µl/min tezlikda va 150°C haroratda pompalandi. Butun hajm flakonda to'plandi va 10 ml etil asetat bilan suyultirildi. Namuna eritmasi 3 x 10 ml suv bilan yuvildi. Suvli qatlamlar birlashtirildi va 10 ml etil asetat bilan ekstraktsiya qilindi, so'ngra organik qatlamlar birlashtirildi, 3 × 10 ml sho'r suv bilan yuvildi, MgSO4 ustida quritildi va filtrlandi, so'ngra erituvchi vakuumda olib tashlandi. Namunalar HPLC, 1H NMR, 13C NMR va yuqori aniqlikdagi mass-spektrometriya (HR-MS) kombinatsiyasi yordamida tahlil qilishdan oldin etil asetat yordamida silika geli ustunli xromatografiya yordamida tozalandi.
Barcha spektrlar ionlanish manbai sifatida ESI bo'lgan Thermofischer Precision Orbitrap mass-spektrometri yordamida olingan. Barcha namunalar asetonitril erituvchi sifatida ishlatilgan.
TLC tahlili alyuminiy substratli kremniy plitalarida o'tkazildi. Plitalar UB nurlari (254 nm) yoki vanillin bilan bo'yash va qizdirish orqali vizualizatsiya qilindi.
Barcha namunalar avtosampler, ustunli pechga ega ikkilik nasos va bitta to'lqin uzunligi detektori bilan jihozlangan VWR Chromaster tizimi (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, Buyuk Britaniya) yordamida tahlil qilindi. ACE Equivalence 5 C18 ustuni (150 x 4,6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Shotlandiya) ishlatilgan.
Inyeksiyalar (5 µl) to'g'ridan-to'g'ri suyultirilgan xom reaksiya aralashmasidan (1:10 suyultirish) amalga oshirildi va suv:metanol (50:50 yoki 70:30) bilan tahlil qilindi, ba'zi namunalar bundan mustasno, 70:30 erituvchi tizimidan (yulduzcha raqami sifatida belgilanadi) 1,5 ml/min oqim tezligida foydalanilgan. Ustun 40°C da saqlangan. Detektorning to'lqin uzunligi 254 nm.
Namunaning % cho'qqi maydoni faqat triazol mahsuloti bo'lgan qoldiq alkinning cho'qqi maydonidan hisoblab chiqildi va boshlang'ich materialning kiritilishi mos keladigan cho'qqilarni aniqlash imkonini berdi.
Barcha namunalar Thermo iCAP 6000 ICP-OES yordamida tahlil qilindi. Barcha kalibrlash standartlari 2% nitrat kislotada (SPEX Certi Prep) 1000 ppm Cu standart eritmasi yordamida tayyorlandi. Barcha standartlar 5% DMF va 2% HNO3 eritmasida tayyorlandi va barcha namunalar DMF-HNO3 namunaviy eritmasi bilan 20 marta suyultirildi.
UAM yakuniy yig'ishni yaratish uchun ishlatiladigan metall folgani birlashtirish usuli sifatida ultratovushli metall payvandlashdan foydalanadi. Ultratovushli metall payvandlash materialni tebratish orqali bog'lanadigan/avval konsolidatsiyalangan folga/avval konsolidatsiyalangan qatlamga bosim o'tkazish uchun tebranuvchi metall asbobdan (shox yoki ultratovushli shox deb ataladi) foydalanadi. Uzluksiz ishlash uchun sonotrod silindrsimon shaklga ega va material yuzasi bo'ylab dumalab, butun maydonni yopishtiradi. Bosim va tebranish qo'llanilganda, material yuzasidagi oksidlar yorilishi mumkin. Doimiy bosim va tebranish materialning pürüzlülüğünün yo'q qilinishiga olib kelishi mumkin 36. Mahalliy issiqlik va bosim bilan yaqin aloqa material interfeyslarida qattiq fazali bog'lanishga olib keladi; u shuningdek, sirt energiyasini o'zgartirish orqali birlashishni kuchaytirishi mumkin48. Bog'lanish mexanizmining tabiati boshqa qo'shimcha ishlab chiqarish texnologiyalarida aytib o'tilgan o'zgaruvchan erish harorati va yuqori harorat effektlari bilan bog'liq ko'plab muammolarni yengib chiqadi. Bu turli materiallarning bir nechta qatlamlarini bitta konsolidatsiyalangan tuzilishga to'g'ridan-to'g'ri ulash imkonini beradi (ya'ni sirt modifikatsiyasi, plomba moddalari yoki yopishtiruvchi moddalarsiz).
CAM uchun ikkinchi qulay omil - bu metall materiallarda past haroratlarda ham, ya'ni metall materiallarning erish nuqtasidan ancha pastda ham kuzatiladigan yuqori darajadagi plastik oqimdir. Ultratovush tebranishlari va bosimning kombinatsiyasi an'anaviy ravishda ommaviy materiallar bilan bog'liq bo'lgan sezilarli harorat oshmasdan yuqori darajadagi mahalliy don chegarasi migratsiyasi va qayta kristallanishga olib keladi. Yakuniy yig'ishni yaratish jarayonida bu hodisa metall folga qatlamlari orasiga qatlamma-qavat faol va passiv komponentlarni joylashtirish uchun ishlatilishi mumkin. Optik tola 49, armatura 46, elektronika 50 va termojuftlar (bu ish) kabi elementlar faol va passiv kompozit yig'ilishlarni yaratish uchun UAM tuzilmalariga muvaffaqiyatli integratsiya qilingan.
Ushbu ishda katalitik haroratni boshqarish uchun ideal mikroreaktor yaratish maqsadida turli xil materiallarni bog'lash qobiliyatlari va UAM interkalatsiya imkoniyatlari qo'llanildi.
Palladiy (Pd) va boshqa keng tarqalgan metall katalizatorlari bilan taqqoslaganda, Cu katalizining bir qator afzalliklari bor: (i) Iqtisodiy jihatdan, Cu katalizda ishlatiladigan boshqa ko'plab metallarga qaraganda arzonroq va shuning uchun kimyo sanoati uchun jozibador variant hisoblanadi (ii) Cu-katalizlangan o'zaro bog'lanish reaksiyalari doirasi kengayib bormoqda va Pd51, 52, 53 ga asoslangan metodologiyalarni biroz to'ldiradigan ko'rinadi (iii) Cu-katalizlangan reaksiyalar boshqa ligandlarsiz yaxshi ishlaydi. Bu ligandlar ko'pincha strukturaviy jihatdan sodda va arzon. Agar xohlasangiz, Pd kimyosida ishlatiladiganlar ko'pincha murakkab, qimmat va havoga sezgir. (iv) Cu, ayniqsa, Sonogashiraning bimetallik katalizlangan birikmasi va azidlar bilan sikloqo'shilishi (klik kimyosi) kabi sintezda alkinlarni bog'lash qobiliyati bilan mashhur. (v) Cu shuningdek, Ullmann tipidagi reaksiyalarda ba'zi nukleofillarning arillanishini rag'batlantirishi mumkin.
Yaqinda Cu(0) ishtirokida ushbu reaksiyalarning barchasining heterojenizatsiyasiga misollar ko'rsatildi. Bu asosan farmatsevtika sanoati va metall katalizatorlarni qayta tiklash va qayta ishlatishga tobora ko'proq e'tibor qaratilishi bilan bog'liq55,56.
1960-yillarda Xyuzgen tomonidan birinchi marta taklif qilingan asetilen va azidning 1,2,3-triazolga 1,3-dipolyar sikloqo'shilish reaksiyasi57 sinergetik namoyish reaksiyasi hisoblanadi. Natijada hosil bo'lgan 1,2,3 triazol fragmentlari biologik qo'llanilishi va turli terapevtik vositalarda qo'llanilishi tufayli dori vositalarini kashf etishda farmakofor sifatida alohida qiziqish uyg'otadi58.
Sharpless va boshqalar "bosish kimyosi" tushunchasini kiritganlarida bu reaksiyaga yangicha e'tibor qaratildi59. "Bosish kimyosi" atamasi heteroatomik bog'lanish (CXC)60 yordamida yangi birikmalar va kombinatorial kutubxonalarni tez sintez qilish uchun mustahkam va tanlab reaksiyalar to'plamini tavsiflash uchun ishlatiladi. Bu reaksiyalarning sintetik jozibadorligi ular bilan bog'liq yuqori hosildorlik bilan bog'liq. sharoitlar oddiy, kislorod va suvga chidamlilik va mahsulotni ajratish oson61.
Klassik 1,3-dipolli Huisgen sikloqo'shilishi "bosish kimyosi" toifasiga kirmaydi. Biroq, Medal va Sharpless ushbu azid-alkin birikish hodisasi Cu(I) ishtirokida 107–108 ga uchrashini, katalitik bo'lmagan 1,3-dipolli sikloqo'shilish tezligining sezilarli tezlashishiga nisbatan ekanligini ko'rsatdilar 62,63. Ushbu rivojlangan reaksiya mexanizmi himoya guruhlarini yoki qattiq reaksiya sharoitlarini talab qilmaydi va vaqt o'tishi bilan 1,4-almashtirilgan 1,2,3-triazollarga (anti-1,2,3-triazollar) deyarli to'liq konversiya va selektivlikni ta'minlaydi (3-rasm).
An'anaviy va mis katalizlangan Huisgen sikloqo'shimchalarining izometrik natijalari. Cu(I)-katalizlangan Huisgen sikloqo'shimchalari faqat 1,4-o'rinbosarlangan 1,2,3-triazollarni beradi, termik induktsiyalangan Huisgen sikloqo'shimchalari esa odatda 1,4- va 1,5-triazollarni 1:1 nisbatda azol stereoizomerlari aralashmasi bilan beradi.
Ko'pgina protokollar Cu(II) ning barqaror manbalarini, masalan, CuSO4 ni yoki Cu(II)/Cu(0) birikmasini natriy tuzlari bilan birgalikda qayta tiklashni o'z ichiga oladi. Boshqa metall katalizlangan reaksiyalar bilan solishtirganda, Cu(I) dan foydalanish arzon va oson ishlov beriladigan asosiy afzalliklarga ega.
Worrell va boshqalar tomonidan olib borilgan kinetik va izotopik tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, terminal alkinlar holatida, har bir molekulaning azidga nisbatan reaktivligini faollashtirishda misning ikkita ekvivalenti ishtirok etadi. Taklif qilingan mexanizm azidning σ-bog'langan mis atsetilid bilan barqaror donor ligand sifatida π-bog'langan mis bilan koordinatsiyasi natijasida hosil bo'lgan olti a'zoli mis metall halqasi orqali davom etadi. Mis triazolil hosilalari halqaning qisqarishi va protonning parchalanishi natijasida hosil bo'ladi, bu esa triazol mahsulotlarini hosil qiladi va katalitik siklni yopadi.
Oqim kimyosi qurilmalarining afzalliklari yaxshi hujjatlashtirilgan bo'lsa-da, real vaqt rejimida jarayonlarni kuzatish uchun ushbu tizimlarga analitik vositalarni integratsiya qilish istagi paydo bo'ldi66,67. UAM to'g'ridan-to'g'ri o'rnatilgan sezgir elementlarga ega katalitik faol, issiqlik o'tkazuvchan materiallardan juda murakkab 3D oqim reaktorlarini loyihalash va ishlab chiqarish uchun mos usul ekanligi isbotlangan (4-rasm).
Murakkab ichki kanal tuzilishi, o'rnatilgan termojuftlar va katalitik reaksiya kamerasiga ega ultratovushli qo'shimchalar ishlab chiqarish (UAM) usulida ishlab chiqarilgan alyuminiy-mis oqim reaktori. Ichki suyuqlik yo'llarini vizualizatsiya qilish uchun stereolitografiya yordamida tayyorlangan shaffof prototip ham ko'rsatilgan.
Reaktorlarning kelajakdagi organik reaksiyalar uchun tayyorlanishini ta'minlash uchun erituvchilarni qaynash haroratidan yuqori darajada xavfsiz qizdirish kerak; ular bosim va harorat sinovidan o'tkaziladi. Bosim sinovlari shuni ko'rsatdiki, tizim tizimdagi yuqori bosimda ham (1,7 MPa) barqaror va doimiy bosimni saqlab turadi. Gidrostatik sinovlar xona haroratida suyuqlik sifatida H2O yordamida o'tkazildi.
O'rnatilgan (1-rasm) termojuftni harorat ma'lumotlarini qayd etuvchi qurilmaga ulash shuni ko'rsatdiki, termojuft harorati FlowSyn tizimidagi dasturlashtirilgan haroratdan 6 °C (± 1 °C) pastroq edi. Odatda, haroratning 10 °C ga oshishi reaksiya tezligini ikki baravar oshiradi, shuning uchun harorat farqi bir necha daraja reaksiya tezligini sezilarli darajada o'zgartirishi mumkin. Bu farq ishlab chiqarish jarayonida ishlatiladigan materiallarning yuqori issiqlik diffuziyasi tufayli RPV davomida harorat yo'qotilishi bilan bog'liq. Bu issiqlik siljishi doimiy va shuning uchun reaksiya davomida aniq haroratga erishish va o'lchashni ta'minlash uchun uskunani sozlashda hisobga olinishi mumkin. Shunday qilib, ushbu onlayn monitoring vositasi reaksiya haroratini qat'iy nazorat qilishni osonlashtiradi va jarayonni yanada aniqroq optimallashtirish va optimal sharoitlarni ishlab chiqishga hissa qo'shadi. Ushbu sensorlardan ekzotermik reaksiyalarni aniqlash va keng ko'lamli tizimlarda qochib ketadigan reaksiyalarning oldini olish uchun ham foydalanish mumkin.
Ushbu maqolada taqdim etilgan reaktor kimyoviy reaktorlarni ishlab chiqarishda UAM texnologiyasini qo'llashning birinchi namunasidir va hozirgi vaqtda ushbu qurilmalarni AM/3D bosib chiqarish bilan bog'liq bo'lgan bir qancha asosiy cheklovlarni hal qiladi, masalan: (i) Mis yoki alyuminiy qotishmasini qayta ishlash bilan bog'liq qayd etilgan muammolarni bartaraf etish (ii) selektiv lazerli eritish (SLM) kabi kukun qatlamini eritish (PBF) usullariga nisbatan ichki kanal aniqligini yaxshilash25,69 Yomon material oqimi va qo'pol sirt teksturasi26 (iii) pastroq ishlov berish harorati, bu esa sensorlarni to'g'ridan-to'g'ri ulashga yordam beradi, bu esa kukun qatlami texnologiyasida mumkin emas, (v) polimer asosidagi komponentlarning turli xil keng tarqalgan organik erituvchilarga nisbatan yomon mexanik xususiyatlari va sezgirligini bartaraf etish17,19.
Reaktorning funksionalligi uzluksiz oqim sharoitida mis-katalizlangan alkinazid sikloqo'shilish reaksiyalari seriyasi bilan namoyish etildi (2-rasm). 4-rasmda ko'rsatilgan ultratovushli bosilgan mis reaktori tijorat oqim tizimi bilan birlashtirildi va natriy xlorid ishtirokida asetilen va alkil guruhi galogenidlarining harorat nazorati reaksiyasidan foydalanib, turli 1,4-disstitutsiyalangan 1,2,3-triazollarning azid kutubxonasini sintez qilish uchun ishlatildi (3-rasm). Uzluksiz oqim yondashuvidan foydalanish partiyaviy jarayonlarda yuzaga kelishi mumkin bo'lgan xavfsizlik muammolarini kamaytiradi, chunki bu reaksiya yuqori reaktiv va xavfli azid oraliq mahsulotlarini hosil qiladi [317], [318]. Dastlab, reaksiya fenilatsetilen va yodoetanning sikloqo'shilishi uchun optimallashtirilgan (1-sxema – Fenilatsetilen va yodoetanning sikloqo'shilishi) (5-rasmga qarang).
(Yuqori chapda) Reaksiyaning optimallashtirilgan konversiya tezligi parametrlarini ko'rsatish va optimallashtirish uchun fenilatsetilen va yodoetan o'rtasidagi Huisgen 57 sikloqo'shilish sxemasining optimallashtirilgan (pastki) sxemasidan olingan oqim tizimiga (yuqori o'ngda) 3DP reaktorni qo'shish uchun ishlatiladigan sozlamaning sxemasi.
Reaktorning katalitik qismida reaktivlarning qolish vaqtini boshqarish va to'g'ridan-to'g'ri integratsiyalashgan termojuft sensori yordamida reaksiya haroratini diqqat bilan kuzatib borish orqali reaksiya sharoitlarini minimal vaqt va materiallar bilan tez va aniq optimallashtirish mumkin. Tez orada eng yuqori konversiya 15 daqiqalik qolish vaqti va 150°C reaksiya harorati yordamida erishilganligi aniqlandi. MODDE dasturining koeffitsient grafigidan ko'rinib turibdiki, qolish vaqti ham, reaksiya harorati ham modelning muhim shartlari hisoblanadi. Ushbu tanlangan sharoitlardan foydalangan holda o'rnatilgan optimizatorni ishga tushirish mahsulot cho'qqilarini maksimal darajada oshirish va boshlang'ich material cho'qqilarini kamaytirish uchun mo'ljallangan reaksiya sharoitlari to'plamini yaratadi. Ushbu optimallashtirish triazol mahsulotining 53% konversiyasini berdi, bu modelning 54% bashoratiga to'liq mos keldi.