Mở rộng hóa học dòng thực hành vào chương trình đào tạo đại học thông qua việc sử dụng hệ thống dòng liên tục 3D in cầm tay giá rẻ

Journal of Flow Chemistry - 2021
Matthew R. Penny1, Natalie Tsui1, Stephen T. Hilton1
1UCL School of Pharmacy, 29-39 Brunswick Square, WC1N 1AX London, UK

Tóm tắt

Tóm tắtHóa học dòng liên tục đang phát triển nhanh chóng và được áp dụng trong ngành dược phẩm nhờ khả năng chuyển đổi nhanh chóng các phát hiện hóa học từ các phòng thí nghiệm hóa học dược phẩm sang các phòng thí nghiệm quy trình. Tầm quan trọng ngày càng tăng của nó có nghĩa là việc giảng dạy và trải nghiệm hóa học dòng là điều cần thiết đối với cả các nhà hóa học tổng hợp đại học và sau đại học. Tuy nhiên, trong khi hóa học dòng đã được ngành công nghiệp áp dụng, vẫn còn thiếu kiến thức và đào tạo thực hành rõ rệt cả ở trình độ đại học và sau đại học. Một thách thức chính liên quan đến việc triển khai của nó là chi phí cao (>25,000 đô la) của các hệ thống này, điều này vượt quá khả năng tài chính của hầu hết các trường đại học và nhóm nghiên cứu, có nghĩa là công nghệ quan trọng này chỉ được tiếp cận bởi một vài nhóm và việc đào tạo liên quan thường mang tính lý thuyết hơn là thực hành. Để tăng cường khả năng tiếp cận hóa học dòng, chúng tôi đã thiết kế và phát triển một hệ thống dòng liên tục cầm tay, giá rẻ và có kích thước nhỏ gọn, có thể được sử dụng để giảng dạy hóa học dòng, nhưng cũng có thể được các nhóm nghiên cứu sử dụng để chuyển sang hóa học dòng liên tục. Một yếu tố quan trọng trong tính hữu dụng của nó tập trung vào tính chất in 3D, vì các bộ phản ứng giá rẻ có thể dễ dàng được tích hợp và sửa đổi để phù hợp với các nhu cầu và yêu cầu giáo dục khác nhau. Trong tài liệu này, chúng tôi chứng minh tính linh hoạt của hệ thống bằng cách sử dụng các bộ phản ứng và chip trộn được thiết kế và in 3D bởi một sinh viên dự án đại học (N.T.) và cho thấy cách mà tính linh hoạt của hệ thống cho phép nghiên cứu các đường dòng khác nhau trên cùng một hệ thống dòng liên tục theo từng cặp.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Mullin R (2019) Off the drawing board. Chemical & Engineering News, Apr 28, 2019, 97, 17 https://cen.acs.org/pharmaceuticals/Off-drawing-board/97/i17. Accessed 28/08/2020

König B, Kreitmeier P, Hilgers P, Wirth T (2013) Flow chemistry in undergraduate organic chemistry education. J Chem Educ 90:934–936

Tabassum T, Iloska M, Scuereb D, Taira N, Jin C, Zaitsev V, Afshar F, Kim T (2018) Development and application of 3D printed mesoreactors in chemical engineering education. J Chem Educ 95:783–790

Leibfarth FA, Russell MG, Langley DM, Seo H, Kelly LP, Carney DW, Sello JK, Jamison TF (2018) Continuous-flow chemistry in undergraduate education: sustainable conversion of reclaimed vegetable oil into biodiesel. J Chem Educ 95:1371–1375

Neumaier JM, Madani A, Klein T, Ziegler T (2019) Low-budget 3D-printed equipment for continuous flow reactions. Beilstein J Org Chem 15:558–566

Penny MR, Rao ZX, Peniche BF, Hilton ST (2019) Modular 3D printed compressed air driven continuous-flow systems for chemical synthesis. Eur J Org Chem 2019:3783–3787

Rao ZX, Patel B, Monaco A, Cao ZJ, Barniol-Xicota M, Pichon E, Ladlow M, Hilton ST (2017) 3D-printed polypropylene continuous-flow column reactors: exploration of reactor utility in snar reactions and the synthesis of bicyclic and tetracyclic heterocycles. Eur J Org Chem 2017:6499–6504

Penny MR, Hilton ST (2020) Design and development of 3D printed catalytically active stirrers for chemical synthesis. React Chem Eng 5:853–858

Penny MR, Rao ZX, Ishaq A, Thavarajah R, Hilton S (2020) 3D printed tetrakis(triphenylphosphine)palladium (0) impregnated stirrer devices for suzuki-miyaura cross-coupling reactions. ChemRxiv Preprint. https://doi.org/10.26434/chemrxiv.12798545.v1

Fekete M, Glasnov T (2014) Technology overview/Overview of the devices. In: Darvas F, Hessel V, Dorman G (eds) Flow Chemistry. Fundamentals, vol 1. De Gruyter, Berlin, pp 95–140

Vangunten MT, Walker UJ, Do HG, Knust KN (2020) 3D-printed microfluidics for hands-on undergraduate laboratory experiments. J Chem Educ 97:178–183

Truzzolillo D, Cipelletti L (2018) Hydrodynamic instabilities in miscible fluids. J Phys: Condens Matter 30:033001

Das S, Gada VH, Sharma A (2015) Analytical and level set method-based numerical study for two-phase stratified flow in a pipe. Numer Heat Transf Part A 67:1253–1281

Yoshida J-I, Kim H, Nagaki A (2017) “Impossible” chemistries based on flow and micro. J Flow Chem 7:60–64

Gutmann B, Kappe CO (2017) Forbidden chemistries — Paths to a sustainable future engaging continuous processing. J Flow Chem 7:65–71

Gobby D, Angeli P, Gavriilidis A (2001) Mixing characteristics of T-type microfluidic mixers. J Micromech Microeng 11:126

Al-Atabi M (2011) Design and assessment of a novel static mixer. Can J Chem Eng 89:550–554

Hsieh S-S, Lin J-W, Chen J-H (2013) Mixing efficiency of Y-type micromixers with different angles. Int J Heat Fluid Flow 44:130–139

Pereiro I, Fomitcheva Khartchenko A, Petrini L, Kaigala GV (2019) Nip the bubble in the bud: a guide to avoid gas nucleation in microfluidics Lab. Chip 19:2296–2314

Brennecke HM, Kobe KA (1956) Mixed acid nitration of toluene. Ind Eng Chem 48:1298–1304

Cantillo D (2015) A pioneering early microreactor concept for ultrafast nitration reactions — Placing the seminal Brennecke and Kobe 1956 contribution into perspective. J Flow Chem 5:195–196

Scotti G, Nilsson SME, Haapala M, Pöhö P, af Gennäs GB, Yli-Kauhaluoma J, Kotiaho T (2017) A miniaturised 3D printed polypropylene reactor for online reaction analysis by mass spectrometry. React Chem Eng 2:299–303

Chapman MR, Kwan MHT, King G, Jolley KE, Hussain M, Hussain S, Salama IE, González Niño C, Thompson LA, Bayana ME, Clayton AD, Nguyen BN, Turner NJ, Kapur N, Blacker AJ (2017) Simple and versatile laboratory scale CSTR for multiphasic continuous-flow chemistry and long residence times. Org Process Res Dev 21:1294–1301

Mensing GA, Pearce TM, Graham MD, Beebe DJ (2004) An externally driven magnetic microstirrer. Phil Trans R Soc Lond A 362:1059–1068

Thông tin
Thông tin xuất bản

Journal of Flow Chemistry

Thông tin tác giả