Nature.com saytiga tashrif buyurganingiz uchun tashakkur. Siz foydalanayotgan brauzer versiyasida CSS uchun cheklangan qo'llab-quvvatlash mavjud. Eng yaxshi tajriba uchun sizga yangilangan brauzerdan foydalanishingizni tavsiya qilamiz (yoki Internet Explorer-da moslik rejimini o'chirib qo'ying). Shu bilan birga, doimiy qo'llab-quvvatlashni ta'minlash uchun biz saytni uslublar va JavaScriptsiz namoyish qilamiz.
Qo'shimcha ishlab chiqarish tadqiqotchilar va sanoatchilarning o'ziga xos ehtiyojlarini qondirish uchun kimyoviy qurilmalarni loyihalash va ishlab chiqarish usulini o'zgartirmoqda. Ushbu ishda biz to'g'ridan-to'g'ri integratsiyalashgan katalitik qismlar va sezgir elementlarga ega qattiq holatdagi metall varaq laminatsiya texnikasi bilan ultratovushli qo'shimcha ishlab chiqarish (UAM) orqali hosil qilingan oqim reaktorining birinchi namunasini taqdim etamiz. UAM texnologiyasi nafaqat kimyoviy reaktorlarni qo'shimcha ishlab chiqarish bilan bog'liq bo'lgan ko'plab cheklovlarni yengib o'tadi, balki bunday qurilmalarning imkoniyatlarini sezilarli darajada oshiradi. Bir qator biologik ahamiyatga ega 1,4-almashtirilgan 1,2,3-triazol birikmalari muvaffaqiyatli sintez qilindi va UAM kimyoviy tizimidan foydalangan holda Cu vositachiligidagi Huisgen 1,3-dipol sikloqo'shilish reaksiyasi orqali optimallashtirildi. UAM va uzluksiz oqimni qayta ishlashning noyob xususiyatlaridan foydalangan holda, qurilma davom etayotgan reaksiyalarni katalizlash bilan birga reaksiyalarni monitoring qilish 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 shakllanishidan1 farmatsevtik birikmalargacha2,3 va tabiiy mahsulotlargacha4,5,6 davom etadi. Nozik kimyo va farmatsevtika sanoatidagi reaksiyalarning 50% dan ortigʻi uzluksiz oqimni qayta ishlashdan foydalanishi mumkin7.
So'nggi yillarda an'anaviy shisha idishlar yoki oqim kimyosi uskunalarini moslashtiriladigan qo'shimcha ishlab chiqarish (AM) kimyo "reaktsiya idishlari" bilan almashtirishni istagan guruhlarning tobora ortib borayotgan tendentsiyasi kuzatilmoqda8. Ushbu texnikalarning takroriy dizayni, tezkor ishlab chiqarish va 3 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 chiqarish 7, 15, 16 kabi polimer asosidagi 3D bosib chiqarish texnikalaridan foydalanishga qaratilgan. Bunday qurilmalarning mustahkamligi va keng ko'lamli kimyoviy reaksiyalar/tahlillarni bajarish qobiliyatining yo'qligi17, 18, 19, 20 bu sohada AMni kengroq joriy etish uchun asosiy cheklovchi omil hisoblanadi17, 18, 19, 20.
Oqim kimyosidan tobora ko'proq foydalanish va AM bilan bog'liq ijobiy xususiyatlar tufayli, foydalanuvchilarga kengaytirilgan kimyoviy va analitik imkoniyatlarga ega oqim reaksiya idishlarini yaratishga imkon beradigan yanada ilg'or texnikalarni o'rganish zarurati tug'iladi. Ushbu texnikalar foydalanuvchilarga turli xil reaksiya sharoitlarini boshqarishga qodir bo'lgan yuqori darajada mustahkam yoki funktsional materiallar qatoridan tanlash imkonini beradi, shu bilan birga reaksiya monitoringi va nazoratini ta'minlash uchun qurilmadan turli xil analitik chiqishlarni osonlashtiradi.
Maxsus kimyoviy reaktorlarni ishlab chiqish potentsialiga ega bo'lgan qo'shimcha ishlab chiqarish jarayonidan biri bu Ultrasonik Qo'shimcha Ishlab Chiqarish (UAM) hisoblanadi. Ushbu qattiq holatdagi varaq laminatsiyasi texnikasi ingichka metall folgalarga ultratovush tebranishlarini qo'llaydi, ularni minimal hajmli isitish va yuqori darajadagi plastik oqim bilan qatlamma-qavat birlashtiradi 21, 22, 23. Ko'pgina boshqa AM texnologiyalaridan farqli o'laroq, UAM gibrid ishlab chiqarish jarayoni deb nomlanuvchi subtraktiv ishlab chiqarish bilan to'g'ridan-to'g'ri integratsiya qilinishi mumkin, bunda joyida davriy kompyuter raqamli boshqaruv (CNC) frezalash yoki lazer bilan ishlov berish bog'langan material qatlamining aniq shaklini belgilaydi 24, 25. Bu shuni anglatadiki, foydalanuvchi qoldiq xom qurilish materialini kichik suyuqlik kanallaridan olib tashlash bilan bog'liq muammolar bilan cheklanmaydi, bu ko'pincha kukun va suyuq AM tizimlarida uchraydi 26, 27, 28. Ushbu dizayn erkinligi mavjud material tanlovlariga ham tegishli - UAM termik jihatdan o'xshash va turli xil material kombinatsiyalarini bitta jarayon bosqichida bog'lashi mumkin. Erish jarayonidan tashqari material kombinatsiyalarini tanlash ma'lum ilovalarning mexanik va kimyoviy talablarini yaxshiroq qondirish mumkinligini anglatadi. Qattiq holatdagi bog'lanishdan tashqari, ushbu jarayon davomida duch keladigan yana bir hodisa Ultratovushli bog'lanish - bu nisbatan past haroratlarda plastik materiallarning yuqori oqimidir29,30,31,32,33.UAM ning bu noyob xususiyati mexanik/termal elementlarni metall qatlamlar orasiga shikast yetkazmasdan joylashtirishni osonlashtirishi mumkin.UAM o'rnatilgan sensorlari qurilmadan foydalanuvchiga integratsiyalashgan tahlil orqali real vaqt rejimida ma'lumot yetkazib berishni osonlashtirishi mumkin.
Mualliflarning o'tmishdagi ishlari32 UAM jarayonining integratsiyalashgan sezish qobiliyatiga ega metall 3D mikrofluidik tuzilmalarni yaratish qobiliyatini namoyish etdi. Bu faqat monitoring qurilmasi. Ushbu maqolada UAM tomonidan ishlab chiqarilgan mikrofluidik kimyoviy reaktorning birinchi namunasi keltirilgan; bu nafaqat kuzatuvchi, balki strukturaviy integratsiyalashgan katalizator materiallari orqali kimyoviy sintezni ham keltirib chiqaradigan faol qurilma. Qurilma 3D kimyoviy qurilmalar ishlab chiqarishda UAM texnologiyasi bilan bog'liq bir qancha afzalliklarni birlashtiradi, masalan: to'liq 3D dizaynlarni to'g'ridan-to'g'ri kompyuter yordamida loyihalash (CAD) modellaridan mahsulotlarga aylantirish imkoniyati; yuqori issiqlik o'tkazuvchanligi va katalitik materiallarni birlashtirish uchun ko'p materialli ishlab chiqarish; va reaksiya haroratini aniq monitoring qilish va boshqarish uchun to'g'ridan-to'g'ri reagent oqimlari orasiga termal sensorlarni joylashtirish. Reaktorning funksionalligini namoyish etish uchun mis katalizlangan Huisgen 1,3-dipol sikloqo'shilishi orqali farmatsevtik jihatdan muhim 1,4-o'rinbosarlangan 1,2,3-triazol birikmalari kutubxonasi sintez qilindi. Ushbu ish materialshunoslik va kompyuter yordamida loyihalashdan foydalanish ko'p tarmoqli 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 MGts va 100 MGts chastotada qayd etilgan 1H va 13C NMR spektrlari JEOL ECS-400 400 MGts spektrometri yoki Bruker Avance II 400 MGts spektrometri va erituvchi sifatida CDCl3 yoki (CD3)2SO yordamida 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 ixtiro qilinganidan keyingi rivojlanishi quyidagi nashr etilgan materiallar orqali o'rganilishi mumkin34,35,36,37. Qurilma (1-rasm) ultra yuqori quvvatli, 9 kVt SonicLayer 4000® UAM tizimi (Fabrisonic, OH, AQSh) yordamida amalga oshirildi. Oqim qurilmasini ishlab chiqarish 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 joylashtirish qatlami; Qotishma yordamchi komponentini joylashtirish va Cu-110 qatlami bilan birlashtirilgan tavlangan holat. Al 6061O UAM bilan yuqori darajada mos kelishi isbotlangan materialdir. jarayonlar38, 39, 40, 41 va sinovdan o'tkazildi va ushbu ishda ishlatilgan reagentlar bilan kimyoviy jihatdan barqaror ekanligi aniqlandi. Al 6061 O ning Cu-110 bilan kombinatsiyasi ham UAM uchun mos material kombinatsiyasi hisoblanadi va shuning uchun ushbu tadqiqot uchun mos materialdir. 38,42 Ushbu qurilmalar quyidagi 1-jadvalda keltirilgan.
Reaktorni ishlab chiqarish bosqichlari (1) Al 6061 substrati (2) Mis folgaga o'rnatilgan pastki kanalni ishlab chiqarish (3) Qatlamlar orasiga termojuftlarni joylashtirish (4) Yuqori kanal (5) Kirish va chiqish (6) Monolit reaktor.
Suyuqlik yo'lining dizayn falsafasi chip ichidagi suyuqlikning harakatlanish masofasini oshirish uchun ixcham yo'ldan foydalanishdan iborat bo'lib, chipni boshqariladigan o'lchamda ushlab turadi. Masofani bu oshirish katalizator/reagent o'zaro ta'sir vaqtini oshirish va mahsulotning ajoyib hosildorligini ta'minlash uchun maqsadga muvofiqdir. Chiplar qurilma ichida turbulent aralashtirish44 ni keltirib chiqarish va suyuqlikning sirt (katalizator) bilan aloqa qilish vaqtini oshirish uchun to'g'ri yo'lning uchlarida 90° burilishlardan foydalanadi. Erishilishi mumkin bo'lgan aralashtirishni yanada oshirish uchun reaktor dizayni serpantin aralashtirish bo'limiga kirishdan oldin Y-birikmasida birlashtirilgan ikkita reagent kirish joyiga ega. Oqimni o'z yashash joyining yarmida kesib o'tadigan uchinchi kirish kelajakdagi ko'p bosqichli reaksiya sintezlarini loyihalashga kiritilgan.
Barcha kanallar kvadrat profilga ega (qoralama burchaklari yo'q), bu kanal geometriyasini yaratish uchun ishlatiladigan davriy CNC frezalash natijasidir. Kanal o'lchamlari yuqori (mikroreaktor uchun) hajm chiqishini ta'minlash uchun tanlangan, shu bilan birga tarkibidagi suyuqliklarning ko'pchiligi uchun sirt o'zaro ta'sirini (katalizatorlarni) osonlashtirish uchun etarlicha kichik. Tegishli o'lcham mualliflarning reaksiya uchun metall-suyuqlik 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 oddiy interfeysga ulash imkonini berish uchun dizaynga o'rnatilgan ulagich (1/4″—28 UNF ip) 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 yo'q, shuning uchun berilgan material va dizayn uchun maksimal kanal kengligi eksperimental ravishda aniqlanadi; bu holda, 750 mkm kenglik sarkma hosil qilmaydi.
Kanalning shakli (kvadrat) kvadrat kesgich yordamida aniqlanadi. Kanallarning shakli va o'lchami turli xil oqim tezligi va xususiyatlarini olish uchun turli xil kesish asboblari yordamida CNC mashinalari tomonidan o'zgartirilishi mumkin. 125 mkm asbob yordamida egri shakldagi kanal yaratish misolini Monaghan45 ishida topish mumkin. Folga qatlami tekis shaklda yotqizilganda, kanallar ustidagi folga materialining qoplamasi tekis (kvadrat) qoplamaga ega bo'ladi. Ushbu ishda kanalning simmetriyasini saqlab qolish uchun kvadrat kontur ishlatilgan.
Ishlab chiqarishda oldindan dasturlashtirilgan pauza paytida, termojuft harorat zondlari (K turi) to'g'ridan-to'g'ri qurilma ichiga yuqori va pastki kanal guruhlari orasiga joylashtiriladi (1-rasm - 3-bosqich). Ushbu termojuftlar harorat o'zgarishini -200 dan 1350 °C gacha kuzatishi mumkin.
Metallni cho'ktirish jarayoni 25,4 mm kenglikdagi, 150 mikron qalinlikdagi metall folga yordamida UAM shoxi yordamida amalga oshiriladi. Ushbu folga qatlamlari butun qurilish maydonini qoplash uchun bir qator qo'shni chiziqlarga yopishtirilgan; cho'ktirilgan materialning o'lchami yakuniy mahsulotdan kattaroq, chunki ajratish jarayoni yakuniy to'r shaklini hosil qiladi. CNC ishlov berish uskunaning tashqi va ichki konturlarini ishlov berish uchun ishlatiladi, natijada uskunaning va kanallarning sirt qoplamasi tanlangan asbob va CNC jarayon parametrlariga teng bo'ladi (bu misolda taxminan 1,6 μm Ra). O'lchov aniqligi saqlanishini va tayyor qism CNC pardozlash aniqlik darajalariga javob berishini ta'minlash uchun qurilma ishlab chiqarish jarayonida uzluksiz, uzluksiz ultratovushli materialni cho'ktirish va ishlov berish sikllari qo'llaniladi. Ushbu qurilma uchun ishlatiladigan kanal kengligi folga materialining suyuqlik kanaliga "cho'kmasligini" ta'minlash uchun etarlicha kichik, shuning uchun kanal kvadrat kesimni saqlab qoladi. Folga materiali va UAM jarayon parametrlaridagi mumkin bo'lgan bo'shliqlar ishlab chiqarish hamkori (Fabrisonic LLC, AQSh) tomonidan eksperimental ravishda aniqlandi.
Tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, qo'shimcha issiqlik bilan ishlov bermasdan UAM bog'lanish chegarasi 46, 47 da elementar diffuziya juda kam uchraydi, shuning uchun ushbu ishdagi qurilmalar uchun Cu-110 qatlami Al 6061 qatlamidan farq qiladi va keskin o'zgaradi.
Reaktorning chiqish joyiga oldindan kalibrlangan 250 psi (1724 kPa) orqa bosim regulyatorini (BPR) o'rnating va suvni reaktor orqali 0,1 dan 1 ml min-1 gacha tezlikda pompalang. Tizim doimiy barqaror bosimni saqlab turishini tekshirish uchun reaktor bosimi FlowSyn o'rnatilgan tizim bosim sensori yordamida kuzatildi. Oqim reaktori bo'ylab potentsial harorat gradiyentlari reaktor ichiga o'rnatilgan va FlowSyn chip isitish plitasiga o'rnatilgan termojuftlar orasidagi har qanday farqni aniqlash orqali sinovdan o'tkazildi. Bunga dasturlashtiriladigan issiq plita haroratini 25 °C bosqichlarida 100 va 150 °C oralig'ida o'zgartirish va dasturlashtirilgan va qayd etilgan haroratlar orasidagi har qanday farqni qayd etish orqali erishiladi. Bunga tc-08 ma'lumotlar jurnali (PicoTech, Kembrij, Buyuk Britaniya) va unga hamroh bo'lgan PicoLog dasturi yordamida erishildi.
Fenilatsetilen va yodoetanning sikloqo'shilish reaksiya shartlari optimallashtirildi (1-sxema - Fenilatsetilen va yodoetanning sikloqo'shilishi 1-sxema - Fenilatsetilen va yodoetanning sikloqo'shilishi). Ushbu optimallashtirish alkin:azid nisbatini 1:2 ga o'rnatgan holda, harorat va yashash vaqtidan o'zgaruvchan parametrlar sifatida foydalangan holda tajribalarning to'liq faktorial dizayni (DOE) yondashuvi bilan 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. Model javobi triazol mahsulotining fenilatsetilen boshlang'ich materialiga cho'qqi maydoni nisbati sifatida olindi va yuqori samarali suyuqlik xromatografiyasi (HPLC) yordamida aniqlandi. Tahlilning izchilligi uchun barcha reaksiyalar reaksiya aralashmasi reaktordan chiqqandan so'ng darhol namunalar olindi. Optimallashtirish uchun tanlangan parametr diapazonlari 2-jadvalda keltirilgan.
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 saqlangan, 4,6 × 100 mm o'lchamdagi, 5 µm zarracha hajmiga ega bo'lgan Equivalence 5 C18 (VWR, PA, AQSh) edi. Erituvchi izokratik 50:50 metanol: suv bo'lib, oqim tezligi 1,5 ml.min-1 edi. In'ektsiya hajmi 5 µL 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 materialni in'ektsiya qilish tegishli cho'qqilarni aniqlash imkonini beradi.
Reaktor tahlili natijasini MODDE DOE dasturiy ta'minotiga (Umetrics, Malmö, Shvetsiya) ulash natijalar tendentsiyalarini batafsil 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 boshlang'ich materiali uchun eng yuqori cho'qqi maydonini kamaytirish bilan birga mahsulotning eng yuqori cho'qqi maydonini maksimal darajada oshirish uchun mo'ljallangan reaksiya sharoitlari to'plamini beradi.
Katalitik reaksiya kamerasi ichidagi sirt misining oksidlanishi har bir triazol birikma kutubxonasini sintez qilishdan oldin reaksiya kamerasi orqali oqib o'tadigan vodorod peroksid eritmasi (36%) yordamida amalga oshirildi (oqim tezligi = 0,4 ml min-1, yashash vaqti = 2,5 daqiqa).
Optimal sharoitlar to'plami aniqlangandan so'ng, ular kichik kutubxona sintezini 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).2).
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 alikvotalari aralashtirildi va reaktor orqali 75 µL.min-1 va 150 °C da pompalandi. Umumiy hajm flakonga yig'ildi va 10 ml etil asetat bilan suyultirildi. Namuna eritmasi 3 × 10 ml suv bilan yuvildi. Suvli qatlamlar birlashtirildi va 10 ml etil asetat bilan ekstraktsiya qilindi; keyin organik qatlamlar birlashtirildi, 3 x 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 gelida ustunli xromatografiya orqali tozalandi.
Barcha spektrlar ionlanish manbai sifatida ESI bo'lgan Thermofischer aniqlikdagi Orbitrap o'lchamli mass-spektrometr yordamida olingan. Barcha namunalar asetonitril erituvchi sifatida ishlatilgan.
TLC tahlili alyuminiy asosidagi silika plitalarida o'tkazildi. Plitalar UV nurlari (254 nm) yoki vanillin bilan bo'yash va qizdirish orqali vizualizatsiya qilindi.
Barcha namunalar avtosampler, ustunli pechning ikkilik nasosi va bitta to'lqin uzunligi detektori bilan jihozlangan VWR Chromaster (VWR International Ltd., Leighton Buzzard, Buyuk Britaniya) tizimi yordamida tahlil qilindi. Foydalanilgan ustun ACE Equivalence 5 C18 (150 × 4.6 mm, Advanced Chromatography Technologies Ltd., Aberdeen, Shotlandiya) edi.
Inyeksiyalar (5 µL) to'g'ridan-to'g'ri suyultirilgan xom reaksiya aralashmasidan (1:10 suyultirish) tayyorlandi va suv:metanol (50:50 yoki 70:30) bilan tahlil qilindi, ba'zi namunalar 70:30 erituvchi tizimidan (yulduzcha raqami sifatida belgilangan) 1,5 ml/min oqim tezligida foydalangan holda bundan mustasno. Ustun 40 °C da saqlandi. Detektorning to'lqin uzunligi 254 nm.
Namunaning % cho'qqi maydoni qoldiq alkinning cho'qqi maydonidan hisoblab chiqildi, faqat triazol mahsuloti va boshlang'ich materialning kiritilishi tegishli 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 eritmasida 20 marta suyultirildi.
UAM yakuniy yig'ishni yaratish uchun ishlatiladigan metall folga materialini bog'lash texnikasi sifatida ultratovushli metall payvandlashdan foydalanadi. Ultratovushli metall payvandlash materialni tebratish paytida bog'lanadigan folga qatlamiga/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 bog'laydi. Bosim va tebranish qo'llanilganda, material yuzasidagi oksidlar yorilishi mumkin. Bosim va tebranishning davom etishi materialning notekisliklarining qulashiga olib kelishi mumkin 36. Mahalliy ravishda induktsiyalangan issiqlik va bosim bilan yaqin aloqa material interfeyslarida qattiq holatda bog'lanishga olib keladi; u shuningdek, sirt energiyasining o'zgarishi orqali yopishishga yordam berishi mumkin48. Bog'lash mexanizmining tabiati boshqa qo'shimcha ishlab chiqarish texnikalarida aytib o'tilgan o'zgaruvchan erish harorati va yuqori haroratli oqibatlar bilan bog'liq ko'plab muammolarni yengib chiqadi. Bu turli materiallarning bir nechta qatlamlarini bitta konsolidatsiyalangan tuzilishga to'g'ridan-to'g'ri bog'lash imkonini beradi (ya'ni, sirt modifikatsiyasi, plomba moddalari yoki yopishtiruvchi moddalarsiz).
UAM uchun ikkinchi ijobiy omil - bu metall materiallarda, hatto past haroratlarda ham, ya'ni metall materiallarning erish nuqtasidan ancha pastda kuzatiladigan yuqori darajadagi plastik oqimdir. Ultratovush tebranishi va bosimning kombinatsiyasi an'anaviy ravishda ommaviy materiallar bilan bog'liq bo'lgan katta harorat oshmasdan yuqori darajadagi mahalliy don chegarasi migratsiyasi va qayta kristallanishni keltirib chiqaradi. Yakuniy yig'ishni qurish jarayonida bu hodisadan metall folga qatlamlari orasiga, qatlamma-qavat faol va passiv komponentlarni joylashtirish uchun foydalanish mumkin. Optik tolalar 49, mustahkamlovchi 46, elektronika 50 va termojuftlar (bu ish) kabi elementlarning barchasi faol va passiv kompozit yig'ilishlarni yaratish uchun UAM tuzilmalariga muvaffaqiyatli joylashtirilgan.
Ushbu ishda UAM ning turli xil materiallar bog'lanishi va interkalatsiya imkoniyatlari katalitik haroratni monitoring qilishning eng yaxshi mikroreaktorini yaratish uchun ishlatilgan.
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 kimyoviy qayta ishlash sanoati uchun jozibador variant hisoblanadi (ii) Cu bilan katalizlangan o'zaro bog'lanish reaksiyalarining diapazoni ortib bormoqda va Pd asosidagi metodologiyalarni biroz to'ldiradigan ko'rinadi51,52,53 (iii) Cu bilan katalizlangan reaksiyalar boshqa ligandlarsiz yaxshi ishlaydi, Bu ligandlar ko'pincha strukturaviy jihatdan sodda va agar kerak bo'lsa, arzon, Pd kimyosida ishlatiladiganlar esa ko'pincha murakkab, qimmat va havoga sezgir (iv) Cu, ayniqsa sintezda alkinlarni bog'lash qobiliyati bilan mashhur, Masalan, bimetallik katalizlangan Sonogashira birikmasi va azidlar bilan sikloqo'shilishi (klik kimyosi) (v)Cu shuningdek, Ullmann tipidagi reaksiyalarda bir nechta nukleofillarning arillanishini rag'batlantirishga qodir.
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 Xyuisgen tomonidan kashf etilgan57, asetilen va azid o'rtasidagi 1,2,3-triazolga 1,3-dipol sikloqo'shilish reaksiyasi sinergik namoyish reaksiyasi hisoblanadi. Natijada hosil bo'lgan 1,2,3 triazol qismlari biologik qo'llanilishi va turli terapevtik vositalarda qo'llanilishi tufayli dori vositalarini kashf etish sohasida farmakofor sifatida alohida qiziqish uyg'otadi58.
Sharpless va boshqalar "bosish kimyosi" tushunchasini kiritganlarida bu reaksiya yana diqqat markazida bo'ldi59. "Bosish kimyosi" atamasi geteroatom bog'lanishi (CXC)60 orqali yangi birikmalar va kombinatorial kutubxonalarni tez sintez qilish uchun mustahkam, ishonchli va tanlab reaksiyalar to'plamini tavsiflash uchun ishlatiladi. Bu reaksiyalarning sintetik jozibadorligi ularning yuqori hosildorligi, reaksiya sharoitlari oddiyligi, kislorod va suvga chidamliligi va mahsulotni ajratishning osonligidan kelib chiqadi61.
Klassik Huisgen 1,3-dipol sikloqo'shilishi "bosish kimyosi" toifasiga kirmaydi. Biroq, Medal va Sharpless ushbu azid-alkin birikish hodisasi Cu(I) ishtirokida katalizlanmagan 1,3-dipol sikloqo'shilish 62,63 sezilarli tezlik tezlanishiga nisbatan 107 dan 108 gacha o'tishini ko'rsatdilar. Ushbu takomillashtirilgan reaksiya mexanizmi himoya guruhlarini yoki qattiq reaksiya sharoitlarini talab qilmaydi va vaqt shkalasida 1,4-almashtirilgan 1,2,3-triazollarga (anti-1,2,3-triazol) deyarli to'liq konversiya va selektivlikni beradi (3-rasm).
An'anaviy va mis katalizlangan Huisgen sikloqo'shimchalarining izometrik natijalari. Cu(I) katalizlangan Huisgen sikloqo'shimchalari faqat 1,4-almashtirilgan 1,2,3-triazollarni beradi, termik induktsiyalangan Huisgen sikloqo'shimchalari esa odatda azollarning stereoizomerlarining 1:1 aralashmasidan iborat 1,4- va 1,5-triazollarni beradi.
Ko'pgina protokollar CuSO4 yoki Cu(II)/Cu(0) turlarining natriy tuzlari bilan birgalikda birikmasini kamaytirish kabi barqaror Cu(II) manbalarini kamaytirishni 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 yorliqlash tadqiqotlari shuni ko'rsatdiki, terminal alkinlar holatida, har bir molekulaning azidga nisbatan reaktivligini faollashtirishda ikkita ekvivalent mis 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. Triazolil mis hosilalari halqa qisqarishi, so'ngra proton parchalanishi orqali triazol mahsulotlarini hosil qilish va katalitik siklni yopish orqali hosil bo'ladi.
Oqim kimyosi qurilmalarining afzalliklari yaxshi hujjatlashtirilgan bo'lsa-da, jarayonni in-line, in-situ monitoringi 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 tayyorlangan juda murakkab 3D oqim reaktorlarini loyihalash va ishlab chiqarish uchun mos usul ekanligi isbotlandi (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 ishlab chiqarilgan shaffof prototip ham ko'rsatilgan.
Reaktorlarning kelajakdagi organik reaksiyalar uchun ishlab chiqarilishini ta'minlash uchun erituvchilarni qaynash haroratidan yuqori darajada xavfsiz qizdirish kerak; ular bosim va harorat sinovidan o'tkaziladi. Bosim sinovi shuni ko'rsatdiki, tizim yuqori bosim (1,7 MPa) bilan ham barqaror va doimiy bosimni saqlab turadi. Gidrostatik sinov xona haroratida suyuqlik sifatida H2O yordamida amalga oshirildi.
O'rnatilgan (1-rasm) termojuftni harorat ma'lumotlarini qayd etuvchi qurilmaga ulash shuni ko'rsatdiki, termojuft FlowSyn tizimidagi dasturlashtirilgan haroratdan 6 °C (± 1 °C) pastroq edi. Odatda, haroratning 10 °C ga oshishi reaksiya tezligining ikki baravar oshishiga olib keladi, shuning uchun atigi bir necha daraja harorat farqi reaksiya tezligini sezilarli darajada o'zgartirishi mumkin. Bu farq ishlab chiqarish jarayonida ishlatiladigan materiallarning yuqori issiqlik tarqalishi tufayli reaktor korpusi bo'ylab harorat yo'qotilishi bilan bog'liq. Bu issiqlik siljishi izchil va shuning uchun reaksiya davomida aniq haroratga erishish va o'lchashni ta'minlash uchun uskunani sozlashda hisobga olinishi mumkin. Shuning uchun, ushbu onlayn monitoring vositasi reaksiya haroratini qat'iy nazorat qilishni osonlashtiradi va jarayonni yanada aniqroq optimallashtirish va optimal sharoitlarni ishlab chiqishni osonlashtiradi. Ushbu sensorlardan shuningdek, reaksiya ekzotermlarini aniqlash va keng ko'lamli tizimlarda qochqin reaksiyalarning oldini olish uchun ham foydalanish mumkin.
Ushbu ishda taqdim etilgan reaktor kimyoviy reaktorlarni ishlab chiqarishda UAM texnologiyasini qo'llashning birinchi namunasidir va hozirda 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 xabar qilingan muammolarni bartaraf etish (ii) selektiv lazerli eritish (SLM) kabi kukun qatlamini eritish (PBF) texnikalariga nisbatan ichki kanal aniqligining yaxshilanishi25,69 Yomon material oqimi va qo'pol sirt teksturasi26 (iii) Kukun qatlami texnologiyasida mumkin bo'lmagan sensorlarning to'g'ridan-to'g'ri bog'lanishini osonlashtiradigan ishlov berish haroratining pasayishi (v) polimer asosidagi komponentlar komponentlarining turli xil keng tarqalgan organik erituvchilarga nisbatan yomon mexanik xususiyatlari va sezgirligini bartaraf etadi17,19.
Reaktorning funksionalligi uzluksiz oqim sharoitida mis katalizlangan alkin azid sikloqo'shilish reaksiyalari seriyasi bilan namoyish etildi (2-rasm). 4-rasmda batafsil ko'rsatilgan ultratovushli bosma mis reaktori tijorat oqim tizimi bilan birlashtirildi va natriy xlorid ishtirokida asetilen va alkil guruhlari galogenidlarining harorat nazorati reaksiyasi orqali turli 1,4-disstitutsiyalangan 1,2,3-triazollarning kutubxona azidlarini 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) Optimallashtirish va optimallashtirilgan parametrlar reaksiya konvertatsiya tezligini ko'rsatish uchun fenilatsetilen va yodoetan o'rtasidagi Huisgen sikloqo'shilishi 57 sxemasining optimallashtirilgan (pastki) sxemasida olingan 3DP reaktorini oqim tizimiga (yuqori o'ngda) kiritish uchun ishlatiladigan sozlamaning sxemasi.
Reaktorning katalitik qismida reagentlarning qolish vaqtini nazorat qilish va to'g'ridan-to'g'ri integratsiyalashgan termojuft zond yordamida reaksiya haroratini diqqat bilan kuzatib borish orqali reaksiya sharoitlarini minimal vaqt va material sarfi bilan tez va aniq optimallashtirish mumkin. Eng yuqori konversiyalar 15 daqiqa qolish vaqti va 150 °C reaksiya harorati ishlatilganda olinganligi tezda aniqlandi. MODDE dasturining koeffitsient grafigidan ko'rinib turibdiki, qolish vaqti ham, reaksiya harorati ham muhim model atamalari hisoblanadi. Ushbu tanlangan atamalardan 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 esa 54% model bashoratiga juda mos keladi.
Mis(I) oksidi (Cu2O) bu reaksiyalarda nol valentli mis sirtlarida samarali katalitik tur sifatida harakat qilishi mumkinligini ko'rsatuvchi adabiyotlarga asoslanib, oqimdagi reaksiyani amalga oshirishdan oldin reaktor yuzasini oldindan oksidlash qobiliyati o'rganildi70,71. Keyin fenilatsetilen va yodoetan o'rtasidagi reaksiya optimal sharoitlarda yana amalga oshirildi va hosildorlik taqqoslandi. Ushbu preparat boshlang'ich materialning konversiyasini sezilarli darajada oshirishga olib kelganligi kuzatildi, bu >99% deb hisoblandi. Biroq, HPLC tomonidan monitoring shuni ko'rsatdiki, bu konversiya haddan tashqari cho'zilgan reaksiya vaqtini taxminan 90 daqiqagacha sezilarli darajada qisqartirdi, shundan so'ng faollik tenglashdi va "barqaror holat" ga yetdi. Bu kuzatish katalitik faollik manbai nol valentli mis substratidan emas, balki sirt mis oksididan olinishini ko'rsatadi. Cu metalli xona haroratida o'zini himoya qiluvchi qatlamlar bo'lmagan CuO va Cu2O hosil qilish uchun osongina oksidlanadi. Bu qo'shma tarkib uchun yordamchi mis(II) manbasini qo'shish zaruratini yo'q qiladi71.