JP5598952B2 - マイクロリアクター、およびマイクロリアクターを利用した液相化学反応方法 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロリアクター、およびマイクロリアクターを利用した液相化学反応方法に関する。より詳細には、本発明は、高率で化学反応させることができるマイクロリアクター、およびマイクロリアクターを利用した高収率の液相化学反応方法に関する。
本願は、２００７年１０月１２日に、日本に出願された特願２００７−２６７１４８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

マイクロリアクターは、一辺あたり１ｍｍ以下の大きさの空間（マイクロチャネル）で化学反応を行うフロー型反応装置である。マイクロリアクターは、従来の大きなスケールの反応装置に比べ、熱交換効率が高いので、発熱反応における熱の除去が迅速で、温度分布の偏りが生じにくい。また、工業過程にスケールアップする場合は、マイクロチャネルの数を増やすことによって対応するので、工業生産への拡張が容易である。

マイクロリアクターは、例えば、平らな基板にフォトリソグラフ法などによって流路となる溝を形成し、該溝が形成された基板に、原料導入口と生成物排出口とを有する平板で蓋をすることによって製造される（特許文献１など）。流路は、その形状によって、Ｔ字型、Ｊ字型、Ｙ字型、サイクロン型、ピラー型などに分類されている。そして、該流路が水平になるようにマイクロリアクターは設置され、その水平流路（マイクロチャンバー）内で化学反応させる。

一方、気相化学反応におけるマイクロリアクターの利用は、歴史が長く、多くの研究がなされている。しかしながら、液相化学反応へのマイクロリアクターの利用は、まだ歴史が浅く、課題も多い。例えば、マイクロリアクターによる液相化学反応では、圧力損失が大きく、目詰まりを起こすことがある。また、反応によって気体が発生する反応系では、気体が内容物を押し出してしまうために想定した反応時間を確保できなくなったり、気体が触媒表面に付着し液体原料と触媒との接触を阻害したりして、反応率を高くすることができない場合があった。

化学反応器内での、触媒と反応原料との接触面積を大きくするために、比表面積の大きい触媒が一般に用いられる。例えば、化学反応器の内径よりも小さい大きさの粒状の担体に金属触媒を担持したものが挙げられる。ところが、マイクロチャンバー内に粒状の固体触媒を充填し、液相反応を行うと、チャネリング（触媒充てん層に太い流路が予期せずして出来て、その流路にのみ原料液が流れ、流路以外のところに原料液が流れなくなる現象）が起きて、反応原料と触媒との接触面積が設計値よりも小さくなり、反応率が低くなる場合があった。
特開２００７−１３６３４５号公報

本発明の目的は、高率で化学反応させることができるマイクロリアクター、およびマイクロリアクターを利用した高収率の液相化学反応方法を提供することにある。

本発明者は、前記目的を達成するために鋭意検討した結果、 マイクロチャンバーの中に、固体触媒をチャンバー長手方向に一列に並べて充填してなる、マイクロリアクターを用いて、化学反応を行うと、反応率が高くなることを見出した。本発明はこの知見に基づいてさらに検討した結果完成したものである。

すなわち、本発明は、以下の態様を含む。
（１）原料導入口および生成物排出口を備えたマイクロチャンバーを含んでなり、該マイクロチャンバーの中に、ペレット状、タブレット状または円盤状である固体触媒を該マイクロチャンバーの長手方向に一列に並べて充填し、前記固体触媒と前記マイクロチャンバーの内壁との隙間空間が、前記マイクロチャンバーに沿って真直ぐとなっていることを特徴とするマイクロリアクター。
（２）原料導入口および生成物排出口を備えたマイクロチャンバーを含んでなり、該マイクロチャンバーの中に固体触媒を該マイクロチャンバーの長手方向に一列に並べて充填し、前記固体触媒と前記マイクロチャンバーの内壁との隙間空間が、前記マイクロチャンバーに沿って真直ぐとなっており、前記固体触媒が、ペレット状、タブレット状または円盤状の担体に、遷移金属元素及び／若しくは酸、又は、遷移金属元素及び／若しくは塩基を含む触媒を担持してなることを特徴とするマイクロリアクター。
（３）（１）または（２）に記載のマイクロリアクターを用いる液相化学反応方法であって、原料導入口から、液体状原料をマイクロチャンバーに導入し、マイクロチャンバー内で化学反応させて生成物を得、前記マイクロリアクターの生成物排出口から該生成物を排出する、液相化学反応方法。
（４）前記生成物が気体状生成物を含むことを特徴とする（３）に記載の液相化学反応方法。

本発明のマイクロリアクターを用いると、高率で化学反応を行うことができる。本発明のマイクロリアクターを用いて液相化学反応を行うと、生成物を高収率で得ることができる。本発明のマイクロリアクターでは、予期せぬチャネリングが生じにくくなり、原料と固体触媒との接触面積が設計値どおりになるので、マイクロリアクターの設計が容易となる。

本発明のマイクロリアクターの一例を示す概念図である。 本発明のマイクロリアクターの別例を示す概念図である。 固体触媒をランダムに充填したときのマイクロリアクターを示す概念図である。 原料供給装置を備えたマイクロリアクターの一例を示す概念図である。

符号の説明

Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３：マイクロチャンバー
Ｃ１、Ｃ２：固体触媒
Ｉｎ：原料導入口
Ｏｕｔ：生成物排出口

本実施態様では、ガラス直管をマイクロチャンバーとして用い、ガラス直管の中に固体触媒（Ｃ１またはＣ２）を図１または図２のごとく一列に並べて充てんし、ガラス管と固体触媒との間にマイクロチャネルを形成し、原料化合物をガラス直管の一端から供給し、反応させ、目的とする生成物をガラス直管の他端から抜き出した。本発明のマイクロリアクターにより得られる生成物は、気体状の副生成物を含んでも良い。
本発明のマイクロリアクターに適した反応温度は、特に限定されず、行われる化学反応に応じて適宜選択可能であるが、具体的には２５〜２５０℃の範囲を例示することができ、好ましくは１００〜２００℃の範囲を例示することができる。この温度範囲にすることで反応速度のコントロールが容易となる。

本発明のマイクロリアクターは、原料導入口および生成物排出口を備えたマイクロチャンバーを含んでなり、該マイクロチャンバーの中に固体触媒を該マイクロチャンバーの長手方向に一列に並べて充填してなるものである。

本発明において、マイクロチャンバーは、従来のマイクロリアクターのマイクロチャンバーと同様の物が用いられる。例えば、ガラス管；流路となる溝を形成した基板に平板で蓋をしたもの；などが挙げられる。マイクロチャンバーの少なくとも一端に原料導入口が設けられ、他端に生成物排出口が設けられており、該原料導入口から原料を供給し、該生成物排出口から生成物を取り出す。
マイクロチャンバーは、化学反応に供する原料の数、種類に応じて、適宜な流路レイアウトにすることができる。例えば、Ｙ字状またはＴ字状の流路を有するマイクロチャンバーを用意し、２つの導入口から２種の原料をそれぞれ導入し、流路合流部で前記２種の原料を混合し、反応させることができる。また、一方の導入口から原料を導入し、もう一方の導入口から均一系触媒を導入し、流路合流部で前記原料と触媒とを混合し、反応させることができる。導入される原料は、液体状の物、気体状の物いずれでもよいが、本発明のマイクロリアクターの特長を引き出すために液体状の物を原料とするのが好ましい。

マイクロチャンバーの容積は、特に限定されず、一辺が約１０μｍ〜約５０００μｍであることが好ましい。また固体触媒を充填した後に形成されるマイクロチャネルの一辺は約１μｍ〜約１０００μｍとなるものが好ましい。マイクロチャネルの一辺が小さすぎると、圧力損失が高くなり、原料を供給するのが困難になる。逆に大きすぎると、熱交換効率が低下し、温度分布等が生じるようになりマイクロリアクターの特長が減じる。マイクロチャンバーの流路長は特に限定されないが、１０〜３００ｃｍであることが好ましい。

本発明のマイクロリアクターは、マイクロチャンバー内に固体触媒が充てんされている。
固体触媒は、触媒の粉末を固めたものであってもよいし、触媒を担体に担持してなる担持触媒であってもよい。

触媒は、化学反応の種類に応じて適宜選択できる。代表的なものとして、遷移金属元素および／若しくは酸、又は、遷移金属および／若しくは塩基を含む触媒が挙げられる。
遷移金属元素としては、タンタル、モリブデン、タングステン、ルテニウム、オスミウム、パラジウム、ニッケル、鉄、コバルト、クロム、ロジウム、イリジウム、白金、金、銀、銅、チタニウム、ニオブなどが挙げられる。
酸または塩基を含む触媒としては、例えば、シリカ−アルミナ複合酸化物、ゼオライト、Ｎｂ₂Ｏ₅−ＭｏＯ₃複合酸化物、Ｎｂ₂Ｏ₅・ｎＨ₂Ｏ、プロトン型強酸性ビーズ状フッ素含有樹脂、チタニア−シリカ複合酸化物等の酸触媒；マグネシウムジアルコキシド、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、ナトリウムアルコキシド等の塩基触媒が挙げられる。

担体としては、カーボン、シリカ、シリカ−アルミナ、アルミナ、ケイソウ土、炭酸カルシウム、炭酸亜鉛、炭酸バリウム、硫酸バリウム、炭酸ストロンチウム等が挙げられる。また担体の形状は限定されず、例えば、ペレット状、タブレット状、円盤状、球状、リング状、メッシュ状、ハニカム状、不定形状などが挙げられる。これらのうち、ペレット状、タブレット状または円盤状を成すものが好ましい。固体触媒の大きさは、固体触媒がマイクロチャンバーの長手方向に一列に並ぶように、マイクロチャンバーの内径に応じて適宜選択できる。固体触媒の大きさがマイクロチャンバーの内径に対して小さくなりすぎると、固体触媒が二以上の列に並ぶようになるので、固体触媒の大きさはマイクロチャンバー内径の７０％以上の大きさのものが好ましい。なお、「一列に並ぶ」というのは、真直ぐに一列で並んでいるものに限らず、ジグザグ等のように曲がって一列で並んでいてもよい。

固体触媒は、マイクロチャンバー内にマイクロチャンバーの長手方向に一列に並んで充填される。例えば、図１のように、ペレット状（円柱状）の固体触媒（Ｃ１）を円柱の高さ方向をマイクロチャンバー（Ｒ１）の長手方向にそろえて、一列に並べて充填したもの；図２のように、球状の固体触媒（Ｃ２）をマイクロチャンバー（Ｒ２）の長手方向にそろえて、一列に並べて充填したものなどが挙げられる。このように一列に並べることによって、原料は、固体触媒とマイクロチャンバー内壁との隙間空間（マイクロチャネル）を主に通りぬけるようになる。その結果、予期せぬチャネリングが生じにくくなり、原料と固体触媒との接触面積が設計値どおりになるので、マイクロリアクターの設計が容易となる。前記マイクロチャネルがガラス管に沿って真直ぐである場合には、液相化学反応によって気体が生成した場合でも該生成気体が生成物排出口に押し出され易い。また、マイクロチャンバーの内壁に触媒を担持固定することによって、原料が接触する触媒を、一列に並べた固体触媒と内壁に担持された触媒との両方にすることができるので、さらに反応効率を高くすることができる。

触媒の使用量は、特に限定されず、原料（反応基質）の供給量に応じて適宜選択可能であるが、通常、反応基質に対して０．０１〜１００ｍｏｌ％の範囲であり、好ましくは、０．１〜５０ｍｏｌ％の範囲であり、より好ましくは、０．１〜１０ｍｏｌ％の範囲である。

なお、マイクロリアクターには、マイクロチャンバーに原料を供給するための装置、例えば、ポンプ等が備わっていることが好ましい。原料供給装置は、供給が律動（パルス）にならないようなものが好ましい。定常的な送液のために電気浸透流（Electro Osmotic Flow）を利用することもできる。

本発明では、原料をそのままマイクロリアクターに供給してもよいし、水、メタノール、イソプロピルエーテル、ベンゼン、ヘキサン等の溶媒に溶解してマイクロリアクターに供給してもよい。
原料の一時間当たりの供給量（流速）は、触媒の量に応じて適宜選択することができ、通常は０．１〜５００ｍｌ／ｈの範囲から選択できるが、好ましくは０．５〜５０ｍｌ／ｈの範囲であり、より好ましくは１．０〜５ｍｌ／ｈの範囲である。
また、原料の一時間当たりの供給量は、触媒１ｍｍｏｌあたりの接触量で、１〜１０００ｍｍｏｌ／ｈにすることが好ましく、１０〜１６０ｍｍｏｌ／ｈにすることがより好ましい。

次に、実施例を示して本発明をより詳細に説明する。なお、本発明はこれら実施例に限定されない。

反応は、図４に示す装置を用いて行った。マイクロリアクター（図４中、MICROREACTORとして記載）は、内径４ｍｍのステンレス製チューブに、直径３ｍｍ、長さ３．５ｍｍの触媒を担持したペレットを長手方向に一列に充填したものを用いた。ペレットは、アルミナの表面に０．５重量％のパラジウムを担持させたもの（NEケムキャット社製）を用いた。

実施例１
マイクロリアクターには、ペレットを２１５０ｍｇ（1個５０ｍｇのペレットを４３個、担持されたパラジウムが反応基質に対して０．８５ｍｏｌ％相当）充填した全長１５０ｍｍのチューブを用いた。ヨードベンゼン４．１ｇ（２０ｍｍｏｌ）、フェニルアセチレン２．０ｇ（２０ｍｍｏｌ）をＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミド３ｍｌに溶解した溶液をガスタイトシリンジに充填し、温度が１００℃で、１．０ｍｌ／ｈの流速で滞留時間３０分に設定して反応行った。得られた反応液を高速液体クロマトグラフィーで分析したところ、定量的に生成物が得られていることが確認できた。

実施例２
マイクロリアクターには、ペレットを２１５０ｍｇ（１個５０ｍｇのペレットを４３個、担持されたパラジウムが反応基質に対して０．８５ｍｏｌ％相当）充填した全長１５０ｍｍのチューブを用いた。ヨードベンゼン４．１ｇ（２０ｍｍｏｌ）、アクリル酸メチルエステル２．１ｇ（２４ｍｍｏｌ）、トリエチルアミン３．４ｇ（３４ｍｍｏｌ）をＮ−メチルピロリドン３ｍｌに溶解した溶液をガスタイトシリンジに充填し、温度が１２０℃で、第1表に示す各流速、各滞留時間に設定して反応行った。得られた反応液を高速液体クロマトグラフィーで分析した結果を第1表に示す。

実施例３
マイクロリアクターには、ペレットを３６００ｍｇ（１個５０ｍｇのペレットを７２個、担持されたパラジウムが反応基質に対して０．８５ｍｏｌ％相当）充填した全長２５０ｍｍのチューブを用いた。ベンツアルデヒド２．１ｇ（２０ｍｍｏｌ）、ニトロメタン１．２ｇ（２０ｍｍｏｌ）の混合物をガスタイトシリンジに充填し、温度が６０℃で、２．２ｍｌ／ｈの流速で滞留時間１時間に設定して反応行った。得られた反応液を減圧濃縮し、^１Ｈ−ＮＭＲにより生成物を確認したところ、１８％の転化率で、ほぼ定量的に目的物である２−ニトロ−１−フェニル−エタノールを得た。

実施例４
マイクロリアクターには、ペレットを３６００ｍｇ（１個５０ｍｇのペレットを７２個、担持されたパラジウムが反応基質に対して３．３８ｍｏｌ％相当）充填した全長２５０ｍｍのチューブを用いた。フェニルアセチレン５２８ｍｇ（５ｍｍｏｌ）、アリルブロマイド５ｍｌ（フェニルアセチレンに対して１２倍ｍｏｌ当量）の混合物をガスタイトシリンジに充填し、室温で、１．１ｍｌ／ｈの流速で滞留時間２時間に設定して反応行った。得られた反応液をガスクロマトグラフィーで分析したところ、反応転化率４３％、収率約９０％で目的物である１−ブロモ−１−フェニル−１，３−ブタジエンと１−ブロモ−２−フェニル−１−ブテンの混合物を得た。

比較例１
マイクロリアクターには、０．５重量％のパラジウムを担持したアルミナ粉末（担持されたＰｄが反応基質に対して０．８５ｍｏｌ％相当量）を充填した全長１００ｍｍのチューブを用いた。実施例１と同様ヨードベンゼン４．１ｇ（２０ｍｍｏｌ）、フェニルアセチレン２．０ｇ（２０ｍｍｏｌ）をＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミド３ｍｌに溶解した溶液をガスタイトシリンジに充填し、温度が１００℃で、０．１ｍｌ／ｈの流速で滞留時間４０分に設定して反応行った。得られた反応液を高速液体クロマトグラフィーで分析したところ、定量的に生成物が得られていることが確認できた。しかし、流速を０．１ｍｌ／ｈ以上にしたところ、圧損が大きくなり、流速をあげることができなかった。

上記実施例１〜４および比較例１から、固体触媒をランダムに充填したマイクロリアクター（比較例１）に比べ、固体触媒を一列に並べて充填してなるマイクロリアクター（実施例１〜４）の方が、圧損が少なく流速を上げることができ、高効率で化学反応させることができることがわかった。

本発明のマイクロリアクターを用いると、圧損が少なく流速を上げることができ、従って高効率で化学反応を行うことができる。 また、本発明のマイクロリアクターを用いて液相化学反応を行うと、生成物を高収率で得ることができる。さらに、本発明のマイクロリアクターでは、予期せぬチャネリングが生じにくくなり、原料と固体触媒との接触面積が設計値どおりになるので、マイクロリアクターの設計が容易となり、産業上有用である。

Claims (4)

1. 原料導入口および生成物排出口を備えたマイクロチャンバーを含んでなり、該マイクロチャンバーの中に、ペレット状、タブレット状または円盤状である固体触媒を該マイクロチャンバーの長手方向に一列に並べて充填し、前記固体触媒と前記マイクロチャンバーの内壁との隙間空間が、前記マイクロチャンバーに沿って真直ぐとなっていることを特徴とするマイクロリアクター。
2. 原料導入口および生成物排出口を備えたマイクロチャンバーを含んでなり、該マイクロチャンバーの中に固体触媒を該マイクロチャンバーの長手方向に一列に並べて充填し、前記固体触媒と前記マイクロチャンバーの内壁との隙間空間が、前記マイクロチャンバーに沿って真直ぐとなっており、
   前記固体触媒が、ペレット状、タブレット状または円盤状の担体に、遷移金属元素及び／若しくは酸、又は、遷移金属元素及び／若しくは塩基を含む触媒を担持してなることを特徴とするマイクロリアクター。
3. 請求項１または２に記載のマイクロリアクターを用いる液相化学反応方法であって、原料導入口から、液体状原料をマイクロチャンバーに導入し、マイクロチャンバー内で化学反応させて生成物を得、前記マイクロリアクターの生成物排出口から該生成物を排出する、液相化学反応方法。
4. 前記生成物が気体状生成物を含むことを特徴とする請求項３に記載の液相化学反応方法。

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