JP2005095887A - 高粘性液体と不均一な混合物に関する、マイクロ波支援化学のための制御流れ機器 - Google Patents

Abstract

【課題】準連続方式で高粘性液体及び不均一な混合物を、高圧且つマイクロ波支援によって扱う、制御流れ機器を提供する。
【解決手段】 不均一又は高粘性の始動材料を使用する化学合成のための制御流れマイクロ波機器が開示されている。本機器は、電磁放射をマイクロ波周波数で生成するためのマイクロ波ソースと、空洞内に配置されている組成物をマイクロ波放射に曝すための、前記ソースと波動連通しているマイクロ波空洞１１と、前記空洞内のマイクロ波透過性耐圧反応容器１３と、始動材料及び関連組成物のためのソースリザーバ１５，１６と、不均一又は高粘性の材料をソースリザーバから反応容器へ送るための、前記ソースリザーバと連通しているポンプ１７と、前記反応容器１３を、容器内の組成物にマイクロ波エネルギーを掛けている間に、ポンプとソースリザーバから分離し、且つそこで生成され発生した高圧から分離するための、ポンプと反応容器の間に配置された耐圧弁３４と、を含んでいる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、マイクロ波支援化学プロセスに、厳密には、不均一で高粘性の組成物を使いながら高圧反応を行わせる、自動化された制御式流れ方式で実行されるマイクロ波支援化学合成に関する。

マイクロ波を使ってエネルギーを供給し、化学反応を開始、推進又は制御することは、既に確立されている。概念的には、マイクロ波を使用して様々な化学反応に影響を与えることができるが、マイクロ波支援化学の商業的利用は、最初は、成分分析の基礎となる乾燥減量（重量測定）水分分析及び温浸反応のような技法において最も急速に成長した。実際、そのような反応は、未だにマイクロ波支援化学の機器市場の主要部分である。特に、重量分析及び温浸は、やや荒っぽいやり方で実行できることも多く、これにはマイクロ波の長い波長と、広範な制御パラメーターが良く適している。

更に最近では、マイクロ波を使用して、より敏感な反応、特に有機合成を推進し、それも、多くの研究指向用途に適している（又は必要な）より小さな規模で、従ってより高度な制御に基づいて、それを行うのに非常に関心が高まっている。マイクロ波の速度と性質の両方が、或る種の利点を提供する。マイクロ波は、極性及び半極性材料と直ちに反応するので、伝導又は対流加熱のような他の形態のエネルギー伝達に本来的に存在する遅れ時間を避けるのに役立つ。このように、マイクロ波は、広く「組み合わせ化学」と呼ばれているものを含む多くの研究方式に時間の利点を提供する。しかしながら、マイクロ波周波数の電磁放射は、個々の分子（従って組成物）に、対流又は伝導加熱とは幾らか異なる影響、つまり恐らくはより望ましい影響を及ぼす。これらの利点の幾つかは、２００２年、ＣＥＭ出版の、Ｈａｙｅｓによる「光速におけるマイクロ波合成化学」（ＩＳＢＮ ０−９７２２２２９−０−１）で詳細に説明されている。

追加の要因として、小さなサンプルへマイクロ波放射を制御して掛けるのに良く適しているの単一モード空洞マイクロ波機器が、市販されるようになってきた。これには、ノースカロライナ州マシューズのＣＥＭ社から入手可能なＶＯＹＡＧＥＲ^TM、ＤＩＳＣＯＶＥＲ^TM及びＥＸＰＬＯＲＥＲ^TM機器が含まれ、それらに関して、より正式な説明は（限定するわけではないが）米国発行特許出願第２００４００２０９２３号、第２００３０１９９０９９号、第２００３００８９７０６号、第２００２０１１７４９８号、及び米国特許第６，７４４，０２４号、第６，６０７，９２０号、第６，５２１，８７６号に記載されている。

これらの装置の幾つかは、バッチ式の装置であり、即ち、密閉された反応容器内に固定されたサンプル（又は幾つかのそれぞれ別個の容器内の一式の固定されたサンプル）にマイクロ波が掛けられる。追加の反応を行わせようとする場合、新しい一式の始動材料を新しい反応セルに入れ、それをマイクロ波空洞内に置く。個々の容器の使用は自動化できるが、反応の大部分は、バッチ方式で実行しなければならない。

しかしながら、幾つかの商業的用途では、定常又は連続反応方式が、即ち一連の容器を断続的に操作することなく、連続する反応物の流れをマイクロ波に曝し、連続する生成物の流れを生成するのが魅力的又は必要なオプションである。この方式の反応に適した現在の世代の機器は、ＣＥＭのＶＯＹＡＧＥＲ^TM機器（例えば、第２００４００２０９２３）で代表される。この型式の機器は、概括的には、適切な液体始動材料の供給源と、（「ＨＰＬＣ」を代表とする、高圧液体クロマトグラフィ用のポンプを備えた）適切な流体ポンプと、反応物を必要な反応が起こるのに足る時間だけマイクロ波フィールドに通す流路とによって代表される。しかしながら、マイクロ波フィールド内で費やされる時間は、使用される流路の直径と長さ、並びに反応物の流速によって決まる。現実的な配慮をすれば、市販の機器内に都合よく配置することのできる流路の長さは制限されることになるので、マイクロ波フィールド内で費やされる時間も制限される。

バッチ式及び連続式システム両方の最新の世代は、化学合成に相当な利点を提供しているが、それぞれが、或る様式の反応を扱うのを妨げる特徴を含んでいる。バッチ式システムは、高圧で不均一な始動材料を扱うことができるが、反応物供給源から連続して供給することはできない。貫流システムは、連続的に反応物を使用して生成物を生成することができるが、一般的には、（ポンピングや流れを考慮すれば）不均一な始動材料や高粘性流体を取り扱ったり、高圧で行うことはできない。例えば、従来型のＨＰＬＣポンプは、高粘性の液体又は何であれ固体を扱うことはできない。しかしながら、たとえ固体を扱えるポンプが組み込まれていても、使用できる流量が、マイクロ波支援化学に特有の問題を引き起こす。流量が上がると、機器を通過する固体を増やせるが、マイクロ波フィールド内で費やすことのできる時間が短くなる。流量が下がると、マイクロ波フィールド内の滞留時間が（少なくとも数学的には）延びるが、不均一な混合物（代表的には、固体相触媒又は固体支持試薬と組み合わせられた液体反応物及び溶剤）が、適切に反応する前に各相に分離し易くなる傾向があり、ひどい場合は、流路を遮断し、機器を一時的に又は永久に使用できないようにする。

貫流装置は、不均一な混合物には特に重要なこともある攪拌機能も欠如している。更に、貫流システムでは、正確な温度制御は（安定したマイクロ波放射に逆行して）異質又は不可能である。更に、多くの先行する貫流システムは、マルチモードの空洞を必要とし、さもなければマルチモード方式で作動する。最後に、従来の貫流システムは、しばしば、同質の液体を高圧で扱うか、又は不均一な混合物を低圧で扱うことができるが、不均一な材料で高圧反応を行うための連続流れ反応システムを提供することはできない。高圧（例えば２５０ｐｓｉ以上）は、或る種の反応方式に好都合又は必要なので、自動化ベース又は貫流ベースでそれらを実行する能力は、機能上の欠点となる。

提案されている（又は実際の）貫流又は連続装置の先の説明は、たとえ触れていなくとも、これらの限界を反映しているふしがある。
例えば、Ｓｔｒａｕｓｓに発行の米国特許第５，３８７，３９７号は、名目上は「液体又はスラリーを、マイクロ波加熱帯へ、そしてそれを通して連続加圧供給すること」（第２欄、４６−４７行）を提供することができる貫流マイクロ波機器を開示している。しかしながら、第‘３９７号特許に記載されている約２７の実際の例の中で、不均一な混合物の利用に明白に言及しているのは、２つしかない。特に、第１１欄、６２行の４−（１シクロヘキサン−１−エチル）モルホリンの調合では、細かく粉砕された始動材料を溶剤に入れて使用しており、第１２欄１６行のフェニル・ビニル・ケトンの調合は、４００ミリリットルの水中での５グラムの始動材料の懸濁について記載している。他の例でも、不均一な混合物を作っているかもしれないが、もしそうなら、Ｓｔｒａｕｓｓは、それらには注目していないようである。

違う言い方をすると、Ｓｔｒａｕｓｓが説明している不均一な混合物は、送られる液体の量の重量の約１パーセント近くである。更に、Ｓｔｒａｕｓｓは圧力制御に言及しているが、それは連続流れシステムの特性内にあり、滞留時間を延長するものではない。

Ｋａｔｃｈｎｉｇへの第５，４０３，５６４号は、「送出しうる又は注入しうる」材料の熱による汚染除去のためのマイクロ波システムについて記載しているが、基本的には約１気圧から２気圧の間で作動する。

Ｋｎａｐｐへの第５，６７２，３１６号は、流路の一端を容器の内側に残し、液体のリザーバを容器内に残したまま、流路を圧力保持容器内に配置し、流路の内側と外側の圧力が同じになるようにすることによって、より高い圧力が平衡に保たれる貫流システムについて記載している。

本発明と共に譲渡されているＨａｓｗｅｌｌへの第５，２１５，７１５号は、温浸されるサンプルが、個別のスラグとして、平方インチ当り約３０から１２０ポンド（ＰＳＩ）の間の圧力で、マイクロ波空洞を通して動かされる貫流システムについて記載している。Ｈａｓｗｅｌｌの機器は、貫流システムの性質と、スラグと溶剤がそれを通して送られる様式で示されるように、基本的に化学合成用ではなく温浸用である。

これも本発明と共に譲渡されているＲｅｎｏｅへの第５，４２０，０３９号は、水が高圧で送られる貫流システムについて記載しているが、通常のサンプルは、加圧されるのではなく水によって運ばれる。特に、第‘０３９号特許では、キャパシタンス検出システムを使って液体サンプルを一貫して評価できるように、気体を液体サンプル内に溶解した状態に保つために、圧力が制御されている。

従って、マイクロ波支援機器の利点及び設計に関わらず、高粘性液体及び不均一な混合物を扱うことができ、高圧で、且つマイクロ波支援によってそれを行うことができ、自動化された準連続方式で作動することのできる機器が必要とされている。
米国特許第５，３８７，３９７号 米国特許第５，４０３，５６４号 米国特許第５，６７２，３１６号 米国特許第５，２１５，７１５号 米国特許第５，４２０，０３９号 米国特許第６，２８８，３７９号 米国特許第５，７９６，０８０号

本発明は、始動材料を含め不均一又は高粘性の材料を含む（又は生成する）化学合成のための制御流れマイクロ波機器である。本機器は、電磁放射をマイクロ波周波数で生成するためのマイクロ波ソースと、空洞内に配置されている組成物をマイクロ波放射に曝すための、前記ソースと波動連通しているマイクロ波空洞と、前記空洞内のマイクロ波透過性耐圧反応容器と、始動材料及び関連組成物のためのソースリザーバと、不均一又は高粘性の材料をソースから反応容器へ送るための、前記ソースリザーバと連通しているポンプと、反応容器を、容器内の組成物にマイクロ波エネルギーを掛けている間に、ポンプとソースから分離し、且つそこで生成され発生した高圧から分離するための、ポンプと反応容器の間に配置されている耐圧弁と、を備えている。

本発明の上記及びその他の目的と利点、及びそれらを実現する方法は、添付図面と結び付けて以下の詳細な説明を読めば明白になるであろう。

詳細な説明

図１は、不均一又は高粘性の始動材料を使用する化学合成のための制御流れマイクロ波機器の概略線図である。本機器は、マイクロ波周波数の電磁放射を生成するためのマイクロ波ソース１０を備えている。マイクロ波空洞１１は、中に配置されている組成物をマイクロ波放射に曝すために、ソース１０と波動連通している。図１に示しているように、空洞１１とソース１０は、導波管１２を介して連通している。好適な実施形態では、マイクロ波空洞１０は、単一又は二重モード空洞である。単一及び二重モード空洞は、マイクロ波フィールドの値が、空洞内の特定の位置で一貫性と再現可能性に基づいて予め決められているので、好適である。

マイクロ波透過性耐圧反応容器１３は、（部分的に又は全体的に）空洞１１内に配置されている。容器１３の一部がマイクロ波放射に対して透過性であれば十分だが、好適な実施形態では、図１に１４で示している適切な圧力金具又はキャップを除くにしても、反応容器全体が透過性である。反応容器１３に最も適した材料は、代表的には、石英、ガラス又はエンジニアリングプラスチックである。好適な実施形態では、耐圧反応容器１３は、少なくとも平方インチ当り約１７５ｌｂｓ（ｐｓｉ）の圧力に達する内部の反応を維持できるだけの強度を有している。最適な実施形態では、耐圧反応容器１３は、１７５から２５０ｐｓｉの間の全逐増圧力に加えて、平方インチ当り少なくとも約２５０ｌｂｓの圧力を維持できるだけの強度を有している。勿論、圧力容器、弁及びポンプのような機能部品の限界以外に、容器又は機器内に用いることのできる圧力に上限はない。しかしながら、上記１７５−２５０ｐｓｉの圧力範囲は、様々な有機合成反応を実行するのに特に有用な範囲であり、本発明の能力の代表的な例である。

図１は、始動材料と、触媒、溶剤及び固体支持試薬のような関連組成物とのための２つのソースリザーバ１５及び１６を示している。或る種の始動材料と反応には、ソースリザーバは１つしか要らないが、特定の反応又は反応方式を実行するのに望ましいか、又は必要なこともあるので、追加の弁と配管を加えることによってもっと多くのソースリザーバを組み込むことができるようになっている。リザーバ１５と１６は、各流体配管２１及び２９を通して、機器の他の部分と連通している。「リザーバ」という用語は、本明細書では広い意味で用いており、必ずしも特定の型式のコンテナ又は容器のことではない。そうではなく、この用語は、本明細書に記載している様式で、反応に使用し、機器を通して送られる始動材料、溶剤、触媒又は他の組成物にも、適用することができる。

ポンプ１７は、蠕動ポンプであるのが望ましいが、不均一又は高粘性の材料をソース１５から反応容器１３へ様々な流体配管を通して送るために、ソースリザーバ１５と連通しており、配管の内の２つを２２と２８で示している。蠕動ポンプは、当該技術（及び他の技術）で広く良く知られており、様々な製造元から市販されているので、本明細書で詳細に説明はしない。

蠕動ポンプが適しているが、望ましいか又は必要な場合は、ダイアフラムポンプ又は空気ポンプを代表例とする他の型式のポンプを使用することもできる。これらも、当該技術では良く知られているので、本明細書で詳細に説明はしない。本機器の作用の残りの部分にとってポンプがその機能を実行できるのであれば、どの様なポンプでもよい。

図１は、更に、本機器が、容器１３又はその内容物の温度を測定するための、空洞１１に連結された温度検知器２４を備えていることを示している。そのような実施形態で、本機器は、更に、ソース１０から空洞１１に掛けられるマイクロ波の電力を調整するための手段を備えている。図１において、調整手段２７は、（例えば）、一般譲渡された米国特許第６，２８８，３７９号に記載されている切替電力供給か、又は一般譲渡された米国特許第５，７９６，０８０号に記載されている光学レンズシステムを備えることもできる。切替電力供給は、ソース１０に供給される電力を調整することによって、加えられるマイクロ波を調整する。レンズシステムは、マイクロ波が生成された後、導波管１２を通過して空洞１１内へ伝播される際にマイクロ波を調整する。

図１は、機器が、検知器２４で測定された温度に応えて、ソース１０から空洞１１へ掛けられるマイクロ波を調整するため温度検知器２４と調整手段２７とに作動連通しているプロセッサ２６を最も好適に含んでいることを示している。好適な実施形態では、温度検知器２４は、容器１３又はその内容物によって作られる赤外線の波長を測定し、これを、信号配線２５でプロセッサ２６へ伝えられる電気信号に変換する赤外線光学検知器である。この様なやり方で、化学反応方式の幾つかの部分又は全ての部分で望ましいか又は必要な場合、空洞１１内か、又は容器１３又はその内容物に対して一定の温度を調整、制御又は維持するのを支援をするのに、温度検知器を使用することができる。

本機器は、常時、特にマイクロ波を掛けている間、空洞内の容器（従ってその内容物）を冷却するための手段であるファン３０を備えているのが望ましい。図１に概略的に示しているように、ファン３０は、冷却空気の流れを空洞１１内に送るための吸気口３１と排気口３２を備えている。所望の低温に維持されている不活性ガスを含め、他の冷却流体を使用してもよい。マイクロ波支援化学と関連する有機合成反応に温度制御を使用することについては、一般譲渡された米国特許第６，７４４，０２４号に記載されている。そこに述べられているように、反応の温度を、マイクロ波放射を同時に追加しながら制御することによって、マイクロ波放射は、容器の内容物を、反応を望ましくない様式で進めたり、或いは敏感な反応物又は生成物を分解する恐れのある温度よりも低い温度に保持しながら、反応を所望の方法で駆動又は制御することができる。

別の環境では、関心対象の反応は、マイクロ波を掛けている間に冷却する必要はないかもしれないが、反応が完了した後で、本明細書で後に説明するやり方で容器を開く前に、容器及びその内容物を冷却して内圧を下げるために、冷却機能を実行することができる。違う言い方をすると、本機器は、空洞、容器及び容器の内容物を常時冷却する性能を有しているが、マイクロ波放射を掛けている間にそれを行う能力は、特定の反応を実行するのに特に有用である。

図１に示しているように、ファン３０は、信号配線３３を通してプロセッサ２６と作動的に通信し、温度検知器が測定する温度に応えて作動するようになっている。
好適な実施形態では、マイクロ波ソース１０は、マグネトロン、クライストロン及びソリッドステート装置から成るグループから選択される。マグネトロンは、作動が良く理解されており、入手性が良く、寸法が適当で、コストも妥当なので商業的に好ましいことが多い。これらは、商業的な因子であるが、本発明の範囲を限定するものではない。

背景技術でも述べたように、不均一な混合物のマイクロ波支援化学に関する特徴的な問題は、通常は低圧で送れるということである。代わりに、不均一な反応を高圧で行うことはできるが、高圧で送ることはできない。従って、これらの相補的問題に取り組むために、本機器は、図１に３４で示す耐圧弁を備えている。耐圧弁３４は、反応容器１３を、マイクロ波エネルギーを容器１３内の組成物に掛けている間、ポンプ１７及びソース１５から分離するために、そして反応容器を、その中で実行されている化学反応の結果として反応容器１３内に高圧が生成されるときに、機器の低圧部分から分離するために、蠕動ポンプ１７と反応容器１３の間に配置されている。好適な実施形態では、耐圧弁は、少なくとも約１７５ｐｓｉの圧力に耐え、望ましくは少なくとも約２５０ｐｓｉに耐え、それらの間の全圧力増分に耐えるボール弁である。大部分の環境では、弁３４の耐圧性は、反応容器１３の耐圧性と少なくとも同じでなければならず、反応容器１３の耐圧性を上回るのが望ましい。

弁３４は、図１に２８で示す少なくとも１つの流体配管を通して容器１３と連通している。図示のように、流体配管２８は、容器１３の底部近くの点まで伸張し、材料を、容器１３の底部へ送り、更に重要なことだが容器１３の底部から吸い上げることができるようになっているのが望ましい。ガス配管（図１では２３）は、容器内の化学反応が完了した後で、不活性ガスを容器に最適な状態で送り、容器から材料を押し出すのを支援するために、容器１３の上部に配置されている。

様々な目的に所望又は必要とされるのに応じて、本機器に使用される各種流体配管は、選択することができる。通常、配管は、中を移送される材料に対し化学的に不活性で、且つ所望又は必要な圧力に耐えられるだけの機械的強度のある材料で形成される。従って、ガラス、金属及びポリマーは、全てを満たす候補材料であり、各種フッ素化炭化水素ポリマー（例えば、ポリテトラフルオロエチレン及び関連ポリマー）は特に適している。ボール弁３４と容器１３の間の配管２３、２８は、勿論、容器１３内の反応によって生成され、容器１３とボール弁３４の間に必然的に維持されると期待される高圧に耐えられるだけの強度を持っていなければならない。

更に好適な実施形態では、蠕動ポンプ１７は、容器１３に材料を加え、容器１３から材料を汲み上げる２方向ポンプである。そのような実施形態では、機器は、更に、反応容器１３に出入りする材料の流れを制御するためにソースリザーバ１５、１６と蠕動ポンプ１７の間に配置されているマルチポート弁３６を備えている。流体配管２０は、マルチポート弁３６をポンプ１７に接続している。マルチポート（マルチ機能、マルチ位置）弁３６は、流体配管４０を通して生成物リザーバ３７とも流体連通している。最も好適な実施形態では、マルチポート弁３６は、プロセッサ（望ましくは共通プロセッサ２６）とも連通しており、プロセッサは、蠕動ポンプ１７及び弁３６とも作動的に連通して、材料の流れを、マルチポート弁３６、２方向ポンプ１７及び反応セル１３に出入りするよう向かわせる。図１は、弁３６が信号配線４１を通してプロセッサ２６と信号連通し、プロセッサ２６は信号配線４２を通して蠕動ポンプ１７と連通していることを示している。

図１は、更に、ここに説明している流体連通状態を本機器内に作り出すための複数の流体配管を示しており、その内の幾つかには既に参照番号を付している。この様に、本機器は、流体配管と結び付けて、反応セルに溶剤を提供するか、各流体配管をすすいで洗浄するか、又はその両方のために、流体配管４４を通して弁３６に接続している溶剤サプライ４３を更に備えている。通気口４５は、流体配管４６、ゲート（又は等価な）弁４７及び流体配管５０、５１を通してマルチポート弁３６とも流体連通している。廃棄物リザーバ５２も、例えばすすぎ（逆洗）の後の廃棄物を収容するために、流体配管５３を通してマルチポート弁３６と流体連通している。

好適な実施形態では、特にすすぎと逆洗のための流体移送の或る部分は、ガスサプライ５４からの不活性（即ち、本機器と、反応及び反応の材料に対して化学的に不活性な）ガスを使って行なわれ、ガスサプライも、流体配管５１を通して弁３６と連通している。マルチポート弁３６、ボール弁３４、ゲート弁４７及び第２ゲート弁５５の位置によって、サプライ５４からの加圧ガスを用い、所望又は必要に応じて、各配管を通して一方又はその反対の方向に溶剤を押し出すことができる。各弁の向き次第で、反応物、又は材料を容器１３から汲み上げる支援をする不活性ガスの何れかとして、サプライ５４からのガスを容器１３に加えることもできる。

本機器は、更に、本機器に追加の自動化の特性を付加する流体レベル検知器３８を、オプションで有している。具体的には、１つ又は２つの流体レベル検知器３８を組み込むことができ、図１にはその１つだけを示している。１つの検知器を使用している場合、その検知器は、１５、１６のリザーバの内の１つから容器１３へ向かう流体の流れの始動（ヘッド）を検出する。検知器は、流れの終了（テール）も検出できるので、適切な量の液体が容器に加えられたことを確認することができる。プロセッサ２６は、容器１３に加えられている液体の量を知るか又は選択するようにプログラムされているので、検知器３８を通って流れた液体のヘッドと、検知器３８を通って流れた液体のテールとの間に亘る時間は、容器１３に送られた液体の量に対応することになる。これが、プロセッサが計算し又は所望した量と異なる場合は、オペレーターが適切な訂正又は調整を行うまで、本機器を停止することができる。

２つの検知器を使用する場合は、１つの検知器から次の検知器への流体の流れのヘッド又はテールを検出すれば、これを、数多くの環境に有用又は必要となる流量を計算するのに用いることもできる。

このやり方で溶剤とガスを動かすのに必要な配管と金具は、当該技術では良く知られており、この目的で図１に示した流路は、例示的なものであり何ら限定するものではなく、ここで更に詳しく説明はしない。

図２は、図１に概略的に示している本機器の市販用の実施形態の斜視図である。図２では、本機器は、全体を９で示しており、下部ハウジング１８と上部ハウジング１９を有している。空洞１１は、下部ハウジング１８の中にあり、その位置を全体として１１で示している。先に説明したように、好適な実施形態では、下部ハウジング１８内に含まれている機器９の部分は、ＣＥＭウェブサイト（ｗｗｗ．ｃｅｍ．ｃｏｍ）に記載されており、先に援用した特許及び出願の幾つかで述べられているＣＥＭのＤＩＳＣＯＶＥＲ^TM機器と実質的に同じである。

容器１３の一部は空洞１１内に配置されていて、容器１３は、圧力蓋又はキャップ１４を有しており、各種液体及びガス金具がそれに取り付けられているが、分かり易くするために、図２ではそれらに個別に番号を付していない。

同様に、図２は、図１で概略的に示しているコンテナに相当する一連のコンテナを示している。これには、溶剤リザーバサプライ４３と、始動材料リザーバ１５及び１６と、生成物リザーバ３７と、廃棄物リザーバ５２とが含まれている。これらは、全て、図１に記載され、同じ参照番号が付された各流体配管を使って、それぞれマルチポート弁３６に接続されている。

図２では、蠕動ポンプ１７は、上部ハウジング１９内に配置されている。同様に、マルチポート弁３６とボール弁３４も図２に示されており、図１と同じ参照番号が付されている。図示の実施形態では、上部ハウジング１９には、蠕動ポンプ１７、ボール弁３４及びマルチポート弁３６を駆動する幾つかの各種モーターと（必要なら）関連するギア又は駆動装置が取り付けられている。

図３は、図２の一部の拡大図であり、容器１３の上部を詳細に示している。容器１３と圧力キャップ１４を示すのに加え、図３は、チェック弁６０と協働して容器１３からの高圧ガスの意図しない放出を防ぐ、ロック５６と、付帯する安全ノブ５７とを示している。具体的には、ロック５６は、安全ノブ５７が開いてチェック弁６０を通して圧力を逃がせるようになるまで、キャップ１４が容器１３から外れないようにする。この様にして、ロック５６とノブ５７は、高圧が容器１３内に残っているときは、蓋１４が容器１３から外れることのないようにしている。

図３は、更に、取り付け板６２の下の減衰器６１を示している。数多くの流体及びガス配管、具体的には２３及び２８も、図３に示されている。
以上、本機器の作動を、個々のサンプルの運きに関して説明してきたが、理解頂けるように、プロセッサー２６が備えられ、弁、ポンプ及び関係する流体の流れを制御するようになっているので、本機器は、２つ又はそれ以上の同一又は異なる反応を連続して自動的に実行するのに用いることができる。連続して実行することのできる反応の数は、プロセッサ又は容器によってではなく、主に、具体的な装置の型版に備えられているリザーバ、流体配管及び弁の数と型式によって制限される。従って、特定の始動材料を特定のリザーバから特定の時間に反応容器へ選択的に汲み上げ、次いでそれらの材料をマイクロ波放射に曝すことによって幾つかの反応を連続して実行できるように、プロセッサ２６をプログラムできるものと理解されたい。

必要又は所望であれば、どの特定の反応の後でも、各流体配管及び弁３４、３６を、溶剤リザーバ４３からの溶剤ですすぐことができる。勿論、すすぎは随意であり、全ての反応と反応の間に実行する必要はないが、本機器は、所望に応じて、手動又は自動方式ですすぎを実行する機会を提供する。

別の態様では、本発明は、高粘性液体又は不均一な液体と固体の混合物を使って、マイクロ波支援化学反応を行う方法である。高粘性液体及び不均一な混合物を扱う性能に関して、（機器と方法の両方として）本発明を良く説明しているが、本発明は、そのような材料に限定されるわけではなく、（化合物及び溶液を含め）均一な自由流れの液体を同じように使用することができるものと理解されたい。

この態様では、本方法は、高粘性液体と、不均一な液体と固体の混合物とから成るグループから選択される組成物の個別部分を、マイクロ波透過性耐圧反応容器へ略大気圧と約３０ｐｓｉの間の雰囲気圧力で送る段階を含んでいる。次にこの個別部分を耐圧容器内に隔離し、その後、反応容器内の隔離された個別部分にマイクロ波放射を掛けて化学反応を開始させ、容器内の化学反応によって生成された高圧ガスが容器から放出されないようにしながら、少なくとも約１７５ｐｓｉの圧力で化学反応を維持する。次に、化学反応が望ましく完了した後で容器から圧力を放出し、圧力の放出後、個別部分の反応生成物を、容器から、略大気圧と約３０ｐｓｉの間の雰囲気圧で汲み上げる。

好適な実施形態では、図１に示すプロセッサー２６の追加態様を組み込んでおり、本方法は、第２の個別部分を、第１の部分が反応容器から汲み出された後で送り込む段階と、その後、第２の部分を隔離する段階と、マイクロ波放射を第２の部分に掛ける段階と、容器から圧力を放出する段階と、容器から反応生成物を汲み上げる段階を実行する段階と、を含んでいる。

マイクロ波フィールド内に或る長さのチューブを組み込んでいるこれらの連続流れ機器に勝る特別な利点として、本方法は、マイクロ波放射を掛ける段階の間に、反応容器内で個別部分を攪拌する段階を更に含んでいる。分かり易くするために、図１にはそのような攪拌器を示していないが、極めて一般的で代表的な技法は、テフロン（登録商標）コートの磁気攪拌器バーを容器内に配備し、容器の下に又は隣接して配置された外部磁石を使ってそれを回転させることであるということは理解頂けるであろう。

先に述べたように、マイクロ波放射を掛ける段階は、空洞内に多重モードではなく単一又は二重モードを掛ける段階を含んでいるのが望ましい。マイクロ波モードに通じている人には理解頂けるように、特定の空洞内に特定の単一又は二重モードを確立するのは、マイクロ波の波長（振動数）と、マイクロ波が伝播する空洞の、恐らくは形状を含む寸法との機能である。単一又は二重モードの放射を生成するために形状が異なる空洞を、異なる波長と組合せることもできる。本発明では、一般譲渡され先に援用されている特許及び出願で説明され述べられている単一モードの空洞がその代表例である。

本発明の構造的態様に関して述べたように、本方法は、化学反応の拡張部分では、反応の最初の部分でのように、反応をそのような温度にまで加熱しなければならないことが勿論分かっているので、反応容器を一定の温度に維持する段階を更に含んでいてもよく、一般的にも含んでいることが多い。本方法は、更に、反応容器又はその内容物の温度を測定し、次に、測定された温度に応えてマイクロ波放射の適用を調整する段階を含んでいる。本方法は、更に、反応容器又はその内容物の温度を測定し、測定温度に応えて反応容器を冷却し、適用されるか又は伝播するマイクロ波放射の調整と、冷却の適用とを組み合わせて、反応が、所望量のマイクロ波放射を所望の固定温度で受けるように保つ段階を含んでいるのが望ましい。

好適な実施形態では、本方法は、反応容器内の圧力を、数多くの化学反応が最も順調に進む傾向にある温度と圧力の範囲である約１７５ｐｓｉから２５０ｐｓｉの範囲に維持する段階を含んでいる。

本発明の構造要素に関して説明したように、本方法は、第１の反応生成物を汲み上げる段階と第２の個別部分を送り込む段階の間に、反応容器を溶剤ですすぐか又は逆洗する段階を更に含んでいてもよい。好適な実施形態では、本方法は、不活性ガスによってすすぎ溶剤を操作する段階を含んでいる。ここで使用する「不活性」という用語は、必ずしも貴ガスのことではなく（貴ガスでもよい）、機器、反応物又は生成物と不都合に反応しない適切なガスであればどの様なガスでもよい。多くの用途（必ずしも全てではない）では、窒素が、これらの目的に適した不活性ガスである。

構成要素（反応物、生成物、触媒、固体サポート）の数は、選択弁と配管によって限定されるので、本方法は、固体、液体、溶液、固体相触媒及び固体支援試薬から成るグループから選択される構成要素から成る、汲み上げられてマイクロ波に曝される組成物を、組成物を反応容器へ汲み上げる段階の前に、混合する段階を含んでいるのが望ましい。

図面及び明細書では、本発明の好適な実施形態について述べており、特定の用語を使ってはいるが、それらは、包括的且つ説明的意味で使用しているだけであり、限定するためのものではなく、本発明の範囲は、特許請求の範囲で定義されている。

本発明による機器の概略線図である。 本発明による機器の斜視図である。 図２の一部を拡大した斜視図である。

Claims (30)

1. 不均一又は高粘性の材料を含む化学合成のための制御流れマイクロ波機器において、
   電磁放射をマイクロ波周波数で生成するためのマイクロ波ソースと、
   空洞内に配置されている組成物をマイクロ波放射に曝すための、前記ソースと波動連通しているマイクロ波空洞と、
   前記空洞内のマイクロ波透過性耐圧反応容器と、
   始動材料及び関連組成物のためのソースリザーバと、
   不均一又は高粘性の材料を前記ソースから前記反応容器へ送るための、前記ソースリザーバと連通しているポンプと、
   前記反応容器を、前記容器内の組成物にマイクロ波エネルギーを掛けている間に、前記ポンプ及び前記ソースから分離し、且つそこで生成され発生した高圧から分離するための、前記ポンプと前記反応容器の間に配置されている耐圧弁と、を備えている機器。
2. 前記空洞は、単一モード空洞と二重モード空洞から成るグループから選択される、請求項１に記載の機器。
3. 前記ポンプは蠕動ポンプを含んでいる、請求項１に記載の機器。
4. 前記ポンプは、ダイアフラムポンプと空気式ポンプから成るグループから選択される、請求項１に記載の機器。
5. 前記空洞内の物品の温度を測定するための、前記空洞と関係付けられた温度検知器を備えている、請求項１に記載の機器。
6. 前記ソースから前記空洞に掛けられるマイクロ波の出力を調整するための手段を備えている、請求項４に記載の機器。
7. 前記温度検知器、及び前記温度検知器が測定した温度に応えて前記ソースから前記空洞に掛けられるマイクロ波を調整するための前記調整手段と作動的に連通しているプロセッサを備えている、請求項６に記載の機器。
8. 前記空洞内の前記容器を冷却するための手段を備えている、請求項７に記載の機器。
9. マイクロ波を掛けている間に前記空洞内の前記容器を冷却するための手段を備えている、請求項７に記載の機器。
10. 前記冷却手段は、前記温度検知器が測定した温度に応えて前記冷却手段を作動させるための前記プロセッサと作動的に連通している、請求項８に記載の機器。
11. 前記ソースは、マグネトロン、クライストロン及びソリッドステート装置から成るグループから選択される、請求項１に記載の機器。
12. 前記耐圧弁はボール弁を含んでいる、請求項１に記載の機器。
13. 前記ボール弁は少なくとも１７５ｐｓｉの圧力に耐えられる、請求項１に記載の機器。
14. 前記ボール弁は少なくとも２５０ｐｓｉの圧力に耐えられる、請求項１に記載の機器。
15. 前記耐圧反応容器は、少なくとも平方インチ当り約１７５ポンドの圧力の、中で行われる反応を維持できるだけの強度を有している、請求項１に記載の機器。
16. 前記耐圧反応容器は、少なくとも平方インチ当り約２５０ポンドの圧力の、中で行われる反応を維持できるだけの強度を有している、請求項１に記載の機器。
17. 前記ポンプは、前記反応容器へ材料を加え、前記反応容器から材料を汲み上げるための２方向ポンプであって、前記機器は、更に、
    前記反応容器に出入りする材料の流れを制御するための、前記ソースリザーバと前記ポンプの間に配置されているマルチポート弁と、
    前記反応容器に第２の一式の始動材料を供給するための、前記マルチポート弁と流体連通している始動材料用の第２のソースリザーバと、
    前記反応容器から反応生成物を回収するための、前記マルチポート弁と流体連通している生成物リザーバと、
    前記マルチポート弁、前記２方向ポンプ及び前記反応セルへ出入りする材料の流れを方向付けるための、前記２方向ポンプ及び前記マルチポート弁と作動的に連通しているプロセッサと、を備えている、請求項１に記載の機器。
18. 前記機器内で流体連通を作り出すための複数の流体配管と、
    前記反応セルに溶剤を供給し、前記流体配管をすすいで洗浄するための、前記マルチポート弁と流体連通している溶剤サプライと、
    前記反応容器からガスを抜くための、前記マルチポート弁と流体連通している通気孔と、
    廃棄生成物を収容するための、前記マルチポート弁と流体連通している廃棄物リザーバと、
    ガス圧を供給して材料に前記流体配管を通過させるための、前記マルチポート弁及び前記流体配管と流体連通しているガスサプライと、を更に備えている、請求項１７に記載の機器。
19. 高粘性液体又は不均一な液体と固体の混合物を使ってマイクロ波支援化学反応を行う方法において、
    高粘性液体と、不均一な液体と固体の混合物とから成るグループから選択された組成物の個別部分を、略大気圧と約３０ｐｓｉの間の雰囲気圧力でマイクロ波透過性耐圧反応容器へ送る段階と、
    前記個別部分を前記耐圧容器内に隔離する段階と、
    前記反応容器内の隔離された個別部分にマイクロ波放射を掛けて化学反応を開始させ、前記容器内の化学反応によって生成された高圧ガスが前記容器から放出されないようにしながら、少なくとも約１７５ｐｓｉの圧力で化学反応を維持する段階と、
    前記化学反応が望ましく完了した後で、前記容器から圧力を放出する段階と、
    前記圧力の放出後、前記個別部分の反応生成物を、前記容器から、略大気圧と約３０ｐｓｉの間の雰囲気圧力で汲み上げる段階と、から成る方法。
20. 第２の個別部分を、第１の部分が汲み出された後で送り込む段階と、その後、前記第２の部分を隔離する段階と、前記第２の部分にマイクロ波を掛ける段階と、前記容器から圧力を放出する段階と、前記容器から反応生成物を汲み上げる段階を実行する段階と、を含んでいる、請求項１９に記載の方法。
21. マイクロ波放射を掛ける前記段階の間に、前記反応容器内で前記個別部分を攪拌する段階を含んでいる、請求項１９に記載の方法。
22. マイクロ波放射を掛ける前記段階は、単一モード放射を掛ける段階を含んでいる、請求項１９に記載の方法。
23. マイクロ波放射を掛ける前記段階は、二重モード放射を掛ける段階を含んでいる、請求項１９に記載の方法。
24. 化学反応の拡張部分では、前記反応容器を一定の温度に維持する段階を含んでいる、請求項１９に記載の方法。
25. 前記反応容器の温度を測定する段階と、前記測定された温度に応えてマイクロ波放射の適用を調整する段階と、を含んでいる、請求項１９に記載の方法。
26. 前記反応容器の温度を測定する段階と、前記測定された温度に応えて前記反応容器を冷却する段階と、を含んでいる、請求項１９に記載の方法。
27. 前記反応容器内の圧力を、約１７５ｐｓｉと２５０ｐｓｉの間に維持する段階を含んでいる、請求項１９に記載の方法。
28. 前記反応生成物を汲み上げる段階と前記第２の別個部分を送り込む段階の間に、前記反応容器を溶剤ですすぐ段階を含んでいる、請求項２０に記載の方法。
29. 不活性ガスによって前記すすぎ溶剤を操作する段階を含んでいる、請求項２８に記載の方法。
30. 固体、液体、溶液、固体相触媒及び固体支援試薬から成るグループから選択される構成要素から成る組成物を、前記組成物を前記反応容器へ送る段階の前に、混合する段階を含んでいることを特徴とする、請求項１９に記載の方法。

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