JP2006075824A - 低温マイクロ波支援有機化学合成のための方法及び器具 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロ波支援有機化学合成を低温で実行するための器具と関連する方法を提供する。
【解決手段】チャンバ内でマイクロ波支援反応を実行するための内部反応チャンバを画定するマイクロ波透過材料で形成されている反応容器と、流体冷却剤として用いられるマイクロ波透過媒体がジャケット内に有る場合は、マイクロ波エネルギーを容器内の内容物に印加する間に、反応容器と容器の内容物を冷却するために反応容器を直接取り囲んでいる冷却ジャケットと、を含む。本器具は、マイクロ波透過流体の冷却剤を冷却ジャケットに供給するための手段と、冷却ジャケットから流体冷却剤を排出するための手段と、冷却ジャケットと連通している流体冷却剤リザーバーと、流体冷却剤を流体冷却剤リザーバーから冷却ジャケットを通して反応容器の回りへ循環させるためにリザーバー及び冷却ジャケットと連通しているポンプと、を含む。
【選択図】 図２

Description

本発明は、マイクロ波支援化学的技法及び器具、具体的には、低温マイクロ波支援有機化学合成のための方法及び器具に関する。

本出願は、米国特許出願公告第２００２０１０２７３８号、第２００３０１７０１４９号、第２００４０１０１４４１号及び第２００３０１９９０９９号の係属中の各出願と、米国特許第６，７４４，０２４号及び第６，８６７，４００号に関連している。

マイクロ波支援有機化学合成は、マイクロ波周波数内の電磁放射を使用して、或る種の化学反応を開始させ、駆動し、又は加速させるのに必要なエネルギーを供給することである。化学者はずっと昔から知っているが、熱エネルギーの印加（熱伝達）は、様々な化学反応の速度を上げる際の、最も重要な要因の１つである。従って、ブンゼンバーナー、他の型式のガスバーナー、ホットプレート及び他の同様な装置の様な一般的に馴染みのある装置は、歴史的に様々な化学反応を開始又は加速させるのに用いられてきた。

しかしながら、マイクロ波支援反応は、上記の熱伝導装置とは別の、もっと早い方法でエネルギーを化学反応へ伝達する。当業者には理解頂けるように、マイクロ波エネルギーは、極性分子又はイオン分子と直接的に相互作用する。双極子回転として知られているこの作用は、極性分子又はイオン分子が、迅速に変化するマイクロ波の電界と整列しようとする結果である。

分子が自身の向きをを電界と合わせようとする際の分子の回転運動は、局所的な過熱を引き起こし、副産物として熱エネルギーを生成する。マイクロ波エネルギーの伝達は極めて速く、溶液の混合平均温度（Ｔ_ｂ）は低いままなのに、極性種の回りに局所的に瞬間的な高温（Ｔ_ｉ）を生じさせる。この様に、マイクロ波エネルギーの迅速なエネルギー伝達特性は、短い期間で、瞬間温度を混合平均温度より高くする（Ｔ_ｉ＞Ｔ_ｂ）効果を引き起こすことができる。対照的に、熱伝達法に伴う低速のエネルギー伝達では、局所的な瞬間温度は、混合平均温度と概ね同じである（Ｔ_ｉ＝Ｔ_ｂ）。

マイクロ波エネルギーは、多くの化学反応の反応速度を大きく加速し、収量と純度の点で、同等又は優れた生成物を作り出すことが知られている。Ｔ_ｉ＞Ｔ_ｂの関係は、熱エネルギーが蓄積する前に、マイクロ波エネルギーが大量のエネルギーを反応用に貯め込むことができることになるので、マイクロ波エネルギーの利点である。その後、熱エネルギーは、所与の反応に対する臨界点を超えてＴ_ｂを上昇させ、熱エネルギーが過剰になる。過剰な熱エネルギーは、反応のＴ_ｂを上げることになる。これは、環境によっては、望ましいこともあるが、熱に敏感な反応又は組成物に有害な影響を及ぼす場合もある。

例えば、過剰な熱エネルギーは、反応物、触媒及び所望の反応の所望の生成物を劣化させる副反応を促進しかねない。ｎブチルリチウムの様な幾つかの試薬は、光学的に純度の高い異性体を作るのに役立つが、室温で激しく反応する（即ち、制御が難しい）。更に、生成物の中には、室温では不安定で、或る温度範囲で、シス又はトランス配座を好むものもある。

そのような環境での有用な目標は、低い混合平均反応温度を維持しながら、マイクロ波エネルギーの迅速なエネルギー伝達特性を利用することである。そのような方法は、熱エネルギーの副産物の有害な影響を最小化又は除去しながら、マイクロ波エネルギーによってもたらされる大幅に加速された反応速度を利用することである。

例えば、Ｂｏｓｅ等（Ｂｏｓｅ．Ａ他「複素環」１９９０年、３０：２、７４１−７４４頁）は、氷で包まれた反応びん内のマイクロ波支援有機化学合成について述べている。この実験では、収量と純度は従来の加熱方法の場合に匹敵する状態のまま、反応速度が大きく加速されている。Ｍｅｌｕｃｃｉ等（Ｍｅｌｕｃｃｉ．Ｍ他、Ｊ．Ｏｒｇ．Ｃｈｅｍ．２００２年、６７:２５、８８７７−８８８４頁）も、７０−８０℃の慎重に制御された最大反応温度で、マイクロ波放射を利用し、チオフェンオリゴマーを合成している。

しかしながら、これらの実験の１つの大きな限界は、研究又は工業用設備で実際に使用することにある。反応びんを氷で包むのは必ずしも実現可能ではなく、マイクロ波支援反応温度の簡単な制御では、過剰な熱エネルギーの有害な影響を避けのに不十分である。

ＣｈｅｎとＤｅｓｈｐａｎｄｅが行った別の実験（Ｃｈｅｎ、Ｊ．Ｊ．；Ｄｅｓｈｐａｎｄｅ、Ｓ．Ｖ．「Ｔｅｔｒａｈｅｄｒｏｎ Ｌｅｔｔ」２００３年、４４、８８７３頁）では、マイクロ波放射の間に同時冷却を行って、脳卒中、アルツハイマー疾患及び筋ジストロフィーの治療に有用なプロテアーゼ抑制剤の一種であるα−ケトアミドを合成している。ＣｈｅｎとＤｅｓｈｐａｎｄｅは、マイクロ波放射の間に同時冷却を行って、従来の方法、及び同時冷却をしないマイクロ波の使用に勝る優れた生成収量を示している。

マイクロ波放射の間に同時冷却を行うことの有効な効果は、固相保持体で化学合成を行う際にも有用である。Ｈｕｍｐｈｒｅｙ等（Ｈｕｍｐｈｒｅｙ，Ｃ．Ｅ．他、Ｊ．Ｏｒｇ．Ｌｅｔｔ．２００３年、５、８４９頁）は、同時冷却の間の、所望のアミドの固相レジンからの放出レベルが、マイクロ波加熱だけの場合と比べて高いことを発見している。

Ｃｈｅｎ、Ｄｅｓｈｐａｎｄｅ及びＨｕｍｐｈｒｅｙ等は、本発明の譲受人であるＣＥＭ社（米国、ノースカロライナ州マシューズ）で開発されたマイクロ波放射の間に同時冷却を行う技術を使って自分たちの研究を実行した。この研究は、ＣＥＭのＤＩＳＣＯＶＥＲ^TM器材を使って行われ、その態様は、上記の係属中で共有譲渡された米国出願の１つ又はそれ以上に記載されている。この技術は最新技術ではあるが、反応を、周囲温度以下に維持するように設計されてはいない。先に述べたように、反応物と生成物の中には、周囲温度でさえ不安定で、周囲温度より低く維持する必要のあるものもある。更に、頑強な冷却機構は、過剰な熱エネルギー無しに、マイクロ波出力の入力を上げることもできる。

これらの実験は概ね成功ではあるが、サンプルサイズと冷却能力に関して制約がある。しかしながら、これらの実験は、過剰な熱エネルギーの悪影響を低減又は排除するのに、低温のマイクロ波支援化学合成が有利であることを証明している。

従って、周囲温度より低い温度で安定な反応物、触媒及び生成物に対し、マイクロ波支援有機化学合成を低温で実行するための方法と、それに対応する設備に対する需要が存在している。更に、固相保持対が劣化し反応時間が伸びるという様な過剰な熱エネルギーという欠点無しに、エネルギーの入力を増すことができるような、マイクロ波支援有機化学合成を低温で実行する方法に対する需要が存在している。

更に、制御され、隔離された環境内でマイクロ波支援有機化学合成を低温で実行する方法に対する需要が存在している。更に、マイクロ波支援有機化学合成を低温で、広範囲の量で実行する、小型で経済的な器具に対する需要が存在している。
米国特許出願公告第２００２０１０２７３８号 米国特許出願公告第２００３０１７０１４９号 米国特許出願公告第２００４０１０１４４１号 米国特許出願公告第２００３０１９９０９９号 米国特許第６，７４４，０２４号 米国特許第６，８６７，４００号 Ｂｏｓｅ．Ａ他「複素環」１９９０年、３０：２、７４１−７４４頁 Ｍｅｌｕｃｃｉ．Ｍ他、Ｊ．Ｏｒｇ．Ｃｈｅｍ．２００２年、６７:２５、８８７７−８８８４頁 Ｃｈｅｎ、Ｊ．Ｊ．；Ｄｅｓｈｐａｎｄｅ、Ｓ．Ｖ．「Ｔｅｔｒａｈｅｄｒｏｎ Ｌｅｔｔ」２００３年、４４、８８７３頁 Ｈｕｍｐｈｒｅｙ，Ｃ．Ｅ．他、Ｊ．Ｏｒｇ．Ｌｅｔｔ．２００３年、５、８４９頁 Ｓｚｅ，Ｓ．Ｍ．「最新の半導体装置の物理学」１９９８年Ｗｉｌｅｙ−Ｉｎｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ出版社 Ｗｏｌｆ，Ｓ．「ＶＬＳＩ世代のシリコン処理」１９９０年Ｌａｔｔｉｃｅ出版社 Ｄｏｒｆ「電気工学ハンドブック第２版（１９９７年）」ＣＲＣプレスＬＬＣ

本発明の目的は、マイクロ波支援有機化学合成を低温で実行するための器具を提供することである。
本発明の更なる目的は、マイクロ波エネルギーを容器内の内容物に印加する間に、マイクロ波透過媒体によって反応容器を低温に維持するための器具を提供することである。マイクロ波透過媒体は、冷却剤として用いられる無極性流体であることが望ましく、無極性液体であれば更に望ましい。

本発明の更なる目的は、冷却剤を、冷却剤リザーバーから供給管、冷却ジャケット及び戻し管を通して、冷却剤リザーバーへ循環させることによって、反応容器を冷却するための器具を提供することである。

本発明の更なる目的は、マイクロ波支援有機化学合成を低温で行うために空気と水の無い環境を維持することのできる器具を提供することである。
本発明の更なる目的は、反応容器が、冷却剤によって約−１０８℃から４０℃、望ましくは約−６０℃から３０℃の温度に冷却される、マイクロ波支援低温化学反応のための方法を提供することである。

本発明の更なる目的は、冷却剤が冷却剤リザーバーから反応容器の回りを循環して反応容器を冷却し、そして冷却剤を冷却剤リザーバーへ戻す、マイクロ波支援低温化学反応のための方法を提供することである。

本発明の更なる目的は、マイクロ波を反応容器内の組成物に印加し、同時に反応容器の回りに冷却剤を循環させる、マイクロ波支援低温化学反応のための方法を提供することである。

本発明の更なる目的は、マイクロ波支援低温科学反応の間に、追加の構成要素を、ガラス製の取り付け具を介して反応容器に追加する方法を提供することである。
本発明並びに本発明を実現する方法に関する上記及びその他の目的及び利点は、以下の詳細な説明を添付図面を参照しながら読めば明確になるであろう。

第１の実施形態では、本発明は、マイクロ波支援有機合成を低温で実行するための器具１０である。「低温」という用語は、ここでは記述的な意味ではなく、説明的に用いられている。その意味で、一般的に（但し、排他的ではなく）約２５℃（「室温」）以下の温度を指している。

器具１０を、図１に概括的に示している。器具１０は、通常は凸凹のあるプラスチック又は金属で作られている、マイクロ波器具ハウジング１１（例えば、ＣＥＭの上記のＤＩＳＣＯＶＥＲ^TM器具）とポンプハウジング１２を含んでいる。ハウジング１１、１２は、ここに説明する内部構成要素を保護している。ハウジング１１、１２は、内部構成要素を冷却し易くするため細長い穴状の開口１４で通気されている。図１は、更に、反応容器２０の内側の温度を監視するための光ファイバー温度感知器１５を示している。図１は、更に、それぞれ、流体冷却剤を反応容器２０に供給し、排出するための、供給管１８と排出管１９を示している。

図２に、反応容器２０を断面で示している。反応容器２０は、マイクロ波透過材料で作られた反応容器壁２１を有する試験管状の装置であり、マイクロ波支援反応のための内部反応チャンバ１７を画定している。好適な実施形態では、内部反応チャンバ１７は、少なくとも約０．２５ミリリットルの容積（「作業容積」と呼ばれることもある）を有しており、この容積はベンチ上の実験には都合のよい寸法である。本発明は容積を限定しておらず、必要又は所望であればもっと大きな容器を用いてもよい旨理解頂きたい。マイクロ波透過材料に適したものには、当業者には周知のように、例えば、石英、ガラス及びパイレックス(登録商標)がある。

器具１０は、更に、冷却ジャケット２２を含んでいる。冷却ジャケット２２は、これも同様にマイクロ波透過材料で形成され容器壁２１を概ね取り囲んでいる、冷却ジャケット壁２８内の空間で画定されている。冷却ジャケット２２は、マイクロ波エネルギー２５を内容物２４へ印加している間、容器２０と容器の内容物２４（即ち、組成物）を冷却するために、反応容器２０を直接取り囲んでいる。容器２０は、流体冷却剤として用いられるマイクロ波透過媒体が冷却ジャケット２２内にあるときに冷却される。この様にして、反応容器を取り囲んでいる冷却ジャケット２２は、反応容器２０とその内容物２４に対し吸熱器として作用する。言い換えると、冷却ジャケット２２は、内部反応チャンバ１７内の低温を維持する役を果たす。

一般的に、低温であっても、マイクロ波支援有機反応は、生成物又は副産物としてガスを生成する。従って、反応容器２０は、３００ポンド／平方インチ（ｐｓｉ、即ち約２１バール）に近い発生圧力に耐えることができなければならない。このような容器に適している材料は数多くあるが、ガラス、石英、及び各種エンジニアリングポリマーが、様々な理由から最適であ。これらは、（マイクロ波透過性に加えて）酸、塩基、溶剤及び有機組成物に対する耐性を有している。一般的に、そのような適切な容器材料は、この分野では良く確立され良く知られているので、ここでは特に詳細に説明はしない。

図２に示しているように、冷却ジャケット２２は、冷却ジャケット２２及び冷却剤リザーバ５９と物理的に連通している供給管１８として示されている、流体冷却剤を冷却ジャケット２２に供給するための機構を含んでいる。供給管１８は、冷却剤入口管２３経由で冷却ジャケット２２に供給する。冷却剤入口管２３は、冷却剤が最初に冷却ジャケット２２従って反応容器２０の底部近くに送られるように、冷却ジャケット２２の底部へとその近くに突き出ている。これによって、冷却剤は、最初に望ましい位置、即ち内部反応チャンバ１７内の内容物２４の近くに送り込まれる。冷却剤は、冷却ジャケット２２に流れ込んでその空間を占め、次いで排出機構経由で冷却ジャケット２２を出る。排出機構は、概略的に１９で示している排出管を含んでいる。排出管１９は、冷却剤出口管２７を介して冷却ジャケット２２と、そして冷却剤リザーバー５９と、物理的に連通している。リザーバー５９は、更に、ポンプ６１と物理的に連通している（図５も参照）。ポンプ６１は、流体冷却剤を、流体冷却剤リザーバー５９から冷却ジャケット２２を経由して、反応容器２０の回りに循環させる。代わりに、リザーバー５９をポンプ６１と一体化してもよい。流体冷却剤の流れを促すためのこの他の代替策には、重力供給冷却剤リザーバー（図示せず）、又はポンプインゼクタ（図示せず）の様な容積移送式機構がある。

流体冷却剤は、所望の低温、例えば約−１０８℃から４０℃の範囲内で、望ましくは約−６０℃から３０℃の範囲内で液体状態に留まり容易に流れる、マイクロ波透過媒体である。これによって、媒体が冷却ジャケット２２を通って循環する際に、媒体内に不必要で望ましくない熱の蓄積されるのが防がれる。マイクロ波透過媒体は、無極性流体であり、無極性液体であるのが望ましい。好適な実施形態では、本発明の冷却剤として用いられる無極性液体は、ニュージャージー州ソロフェアのＳｏｌｖａｙ Ｓｏｌｅｘｉｓ社から提供されている熱伝達流体の様な、ヘキサン、四塩化炭素、及びポリフッ化炭化水素から成るグループから選択され、Ｇａｌｄｅｎ(登録商標)ＨＴ５５が特に望ましい。

マイクロ波透過媒体は、冷却剤リザーバー５９から、供給管１８と冷却剤入口管２３を通って、反応容器２０を取り囲んでいる冷却ジャケット２２へと流れる。その後、冷却剤は、冷却ジャケット２２を、冷却剤出口管２７と排出管１９を通って出る。或る典型的な実施形態では、冷却剤の流体の流れは、少なくとも供給管１８と物理的に連通しているポンプ６１によって促進される。ポンプ６１は、更に、供給管１８及び排出管１９と同時に物理的に連通していてもよいが、そのような閉じたシステム設計は、必ずしも本発明の利点を評価しているとはいえない。

図２は、反応容器２０内の温度を監視するための温度感知器１５も示している。この目的に適した温度感知器は、光ファイバー温度感知器１５である。温度感知器１５は、内部反応チャンバ１７内に配置されており、こうすると一貫した正確な測定値を得られることが分かっている。本発明の方法に関して、マイクロ波供給源と温度センサーがコンピューターマイクロプロセッサと電子的に連結され、これによって制御されている場合、監視された温度を使って、マイクロ波の印加を調整することができる。本発明のこの態様は、以下に詳細に説明する。

別の態様では、本発明は、マイクロ波支援低温化学反応のための方法である。この実施形態では、本発明は、マイクロ波透過容器を、流体冷却剤として用いられているマイクロ波透過媒体と接触させることによって、同容器を所望の温度に冷却する段階を含んでいる。容器を流体冷却剤と接触させる段階は、容器を冷却剤で取り囲む段階を含んでいる。これは、冷却ジャケットを通る流体の流れを使って実現される。

容器を、冷却剤として用いられているマイクロ波透過媒体と接触させる段階は、無極性液体を使うことを含んでいる。好適な実施形態では、適した無極性液体は、所望の低温で、例えば約−１０８℃から４０℃の範囲で、望ましくは約−６０℃から３０℃の範囲で液体状態に留まり、容易に流れるマイクロ波透過媒体である。適した無極性液体は、ヘキサン、四塩化炭素及びＧａｌｄｅｎ(登録商標)ＨＴ５５から成るグループから選択される。

本発明の方法は、更に、同時に、流体冷却剤として用いられているマイクロ波透過媒体を、冷却ジャケットを通して反応容器の回りに循環させながら、反応容器内の組成物にマイクロ波エネルギーを印加する段階を含んでいる。

本方法は、容器に組成物を加えることに関して最大の柔軟性を提供する。組成物は、所与の反応における温度感受性があり温度特定の段階に適応させるため、容器を冷却する前、冷却中、及び冷却後に加えることができる。例えば、この方法の態様は、異なる温度におけるマイクロ波支援反応速度論を研究するのに有用である。

本発明の器具の実施形態に関して述べたように、本方法は、容器の温度と中の組成物の温度を監視し、同時にその温度に基づいてマイクロ波エネルギーの印加を調整する段階を含んでいる。これは、マイクロ波の印加を制御するコンピューターマイクロプロセッサを使って実現される。これに関し、コンピューターマイクロプロセッサは、電気ポンプを制御し、流体冷却剤として用いられているマイクロ波透過媒体に反応容器の回りを循環させるのに用いられる。コンピューターマイクロプロセッサは、更に同時に、マイクロ波エネルギーの印加と電気ポンプを制御する。コンピューターマイクロプロセッサは、更に、光ファイバー温度感知器を使って反応容器内の組成物の温度を監視し、温度感知器によって検出した温度に基づいてマイクロ波エネルギーの印加を調整する。

マイクロプロセッサは、多くの型式の電子及び機械装置を制御する以上及びその他の技術で良く知られている。これらの装置への半導体物理学とシリコン処理の適用における最近の進化によって、より小型でより強力マイクロプロセッサで複雑な機械及び処理を制御できるようになった。議論は、限定するわけではないが、Ｓｚｅ，Ｓ．Ｍ．の「最新の半導体装置の物理学」（１９９８年Ｗｉｌｅｙ−Ｉｎｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ出版社）と、Ｗｏｌｆ，Ｓ．の「ＶＬＳＩ世代のシリコン処理」（１９９０年Ｌａｔｔｉｃｅ出版社）を含んでいる。

図１−３に示している更に別の実施形態では、本発明は、低温マイクロ波支援有機合成を実行するための器具１０である。器具１０に関して器具の追加の態様は、マイクロ波減衰器２６、反応容器上部５０及びキーパッド５８である。

図１及び図３に示すように、反応容器２０は、反応空洞３９内に入っている。反応容器２０は、少なくとも部分的にはマイクロ波エネルギー減衰器２６によって取り囲まれている。減衰器２６は、反応容器２０の空洞３９の外側の部分を支持し、マイクロ波が器具１０から漏れ出るのを防いでいる。

図３は、本発明によるマイクロ波器具１０の様々な内部部品を示している。図１と同じく、器具ハウジング１１を示している。図３は、更に、マイクロ波供給源４０、導波部４１、攪拌モーター４２、ファンハウジング４４付きのファン４３、反応空洞３９、反応容器２０、反応容器上部５０及び各種電子機器を示している。

当業者には既知のように、マイクロ波供給源４０は、マグネトロン、クライストロン及び半導体装置の様なマイクロ波生成装置である。マイクロ波は、供給源４０から導波部４１を通って反応空洞３９に移動する。反応容器２０内の内容物２４は、マイクロ波エネルギー２５が反応空洞３９に入ると、それを吸収する（図２も参照）。この様にして、反応空洞３９は、マイクロ波供給源４０とマイクロ波連通している。

導波部４１は、マイクロ波を内向きに反射し、望ましくない様式で漏れ出すのを防ぐ材料で作られている。通常、そのような材料は、マイクロ波を閉じ込めるための機能以外に、コスト、強度、成形性、耐腐食性又はあらゆる他の望ましい又は適切な基準に基づいて選択される適切な金属である。本発明の好適な実施形態では、導波部４１と空洞の金属部分は、ステンレス鋼で形成されている。

他の種類の化学作用の場合と同じく、マイクロ波支援有機化学では、組成物２４を内側反応チャンバ１７内で撹拌し混ぜ合わせるのが好都合である。これは、例えば、上記公告第２００３０１７０１４９号に記載されているように、モーター４２を使って磁気撹拌器を駆動するすることによって実現される。

ファン４３は、化学反応が進行している際に反応空洞３９が過熱しないように保つ役を果たすだけでなく、器具１０の電子機器とマイクロ波供給源４０の部分を冷却するように作用する。ファン４３の特性又は選択は、器具と空洞を適切に冷却する能力を有すること以外は、当業者の個々の裁量に任されている。代表的な実施形態では、ファン４３は、電子機器とマイクロ波供給源４０に空気の流れを送って効率的に冷却するため、ハウジング４４内に取り付けられている。

図２と図３では、冷却ジャケット２２は、反応容器２０を取り囲んで容器２０を冷却し、マイクロ波エネルギー２５が組成物２４に印加されても容器２０内の組成物２４を所望の中又は低温に維持する。冷却ジャケットの上部２９は、反応容器２０を中に収容するための冷却ジャケットすりガラス接合部５４を含んでいる。反応容器２０は、冷却ジャケット２２内に嵌め込まれ、そこに冷却ジャケットすりガラス接合部５４でシールされる。反応容器２０は、少なくとも内部反応チャンバ１７内の組成物２４が、冷却ジャケット２２を循環している冷却剤の中に浸るように、冷却ジャケット２２内に嵌め込まれている。

反応容器２０は、冷却ジャケット２２から取り外すことができ、冷却剤の流れを乱すことなく取り外せる。反応容器２０は、追加のガラス器具を収容するための反応容器すりガラス接合部６２を有する上部５０を含んでいる。追加のガラス器具には、限定するわけではないが、コンデンサー、試薬リザーバー、及びマイクロ波支援有機化学合成の当業者には既知の他の器具が含まれる。この設計は、低温マイクロ波支援有機化学合成を実行するための制御され隔離された環境を提供する。例えば、この器具は、内側反応チャンバ１７内への空気又は水の侵入が反応を完遂させるのに有害ならば、そのような侵入を防ぐ。

追加のガラス器具を使えば、組成物２４からの物質を凝縮して、液体状態に戻すことができる。例えば、アンモニアの様な沸点が低い試薬は、反応が進む間に、液相から気相に変わる。コンテンサーは、気体を液体状態へ戻す。追加のガラス器具には、更に、所与の反応が進むにつれ試薬を追加するための装置が含まれる。

図２に示すように、上部５０には、更に、冷却ジャケット２２と反応容器２０を一体に固定するためのキャップ５５が含まれている。キャップ５５は、形状が円形である。キャップ５５は、ねじ（図示せず）によって、冷却ジャケットすりガラス接合部５４の上方で、冷却ジャケット上部２９に固定されている。好適な実施形態では、キャップ５５の直ぐ上の反応容器すりガラス接合部６２から、ガラスリップが突き出ており、キャップ５５が冷却ジャケット上部２９のねじにねじ込まれると、キャップ５５を所定の位置に保持する役を果たしている。更に、反応容器２０は、冷却剤の流れを乱すことなく、冷却ジャケット２２からキャップ５５を通して取り外すことができる。

更に、上部５０は、幾つかのマイクロ波支援有機反応によって生成され上昇した圧力に耐えるように設計されている。上部５０には、先に述べた公告第２００３０１７０１４９号に記載されている様な耐圧クロージャーを含んでいる。この実施形態では、上部５０は、保持リング５１で反応容器３９上の所定の位置に保持され、更に、内部反応チャンバ１７内の圧力を感知するための圧力変換器５２を含んでいる。

図３に示しているように、冷却ジャケット２２は、更に、冷却剤が漏れないようにするために、供給管１８と排出管１９用の取り付け金具５３を含んでいる。適切な取り付け金具は、当業者には既知であり、例えば、ねじ付金具、弁、瞬間接続金具、及びホースクランプである。

図３は、更に、ディスプレイ５７と共に電子盤５６を示している。盤５６に乗っている電子機器は、一般的に、特性と操作について良く理解されている。本器具に関して、電子機器は、第１に、通常は標準的な電流を供給する壁の出口である所与の供給源からの電力を制御する。電子機器は、更に、マイクロ波供給源４０のオン・オフに関して、及び進行中の化学反応から受け取る情報、特に圧力と温度を処理することに関して、装置の作動を制御する。次に、プロセッサーは、先に述べた感知器から受け取った圧力と温度の情報に応じて、マイクロ波印加の開始、停止又は調整を含むマイクロ波の印加を制御するのに用いられる。選択された測定済みのパラメーター（例えば、温度と圧力）に基づいて器具を制御するためにプロセッサーと関連電子回路を使用することは、当該及び関連技術では一般的に良く理解されている。（限定するわけではないが）代表的な議論は、Ｄｏｒｆ「電気工学ハンドブック第２版（１９９７年）」（ＣＲＣプレスＬＬＣ発行）を含んでいる。

図１に示している器具１０の電子マイクロプロセッサ制御の当業者による更なる理解には、様々な電子機器構成要素の配置が含まれる。例えば、温度感知器１５は、図１では、器具ハウジング１１内に配置されている反応容器２０の上部５０から、ポンプハウジング１２内の回路盤（図示せず）まで達している。回路盤は、電子機器構成要素の間に適切な通信状態が確立されている限り、ハウジング１１、１２の何れに配置されていてもよい。この点で、両方のハウジング１１、１２の構成要素は、１つの器具に組み合わせることができる。しかしながら、上記のＤＩＳＣＯＶＥＲ^TM器具の様な現在の市販の実施形態では、器具のハウジング１１のモジュールの特性と、関連又は相補的な器具とのその機能は、ハウジング１１と１２を分けた方が便利なようにしている。同様に、ディスプレイ５７とキーパッド５８は、ハウジング１１、１２の何れに配置してもよい。

図４は、器具ハウジング１１の後方斜視図であり、幾つかの追加の部品を示している。図４は、冷却ファン４３、電力スイッチ４５及び電力コード入口４６を示している。器具の全能力を利用するために、好適な実施形態では、器具は、他の電子機器装置、具体的には、ポンプハウジング１２（図５）の様なマイクロプロセッサーベースの装置、パーソナルコンピューター、携帯情報端末又は他の適切な装置からの入力を受け取るか、又はこれに出力を供給するための並列ポート４７と直列ポート４８を含んでいる。同様に、図４は、先に説明した圧力変換器５２用のコネクタ４９を示している。

図５は、ポンプハウジング１２の概略図である。ポンプハウジング１２は、流体冷却剤として用いられるマイクロ波透過媒体のリザーバー５９、望ましくは無極性液体のリザーバーを含んでいる。先に述べたように、無極性液体の冷却剤は、ヘキサン、四塩化炭素、Ｇａｌｄｅｎ(登録商標)ＨＴ５５から成るグループから選択するのが望ましい。ポンプハウジング１２は、無極性液体を冷却するために、更に、冷却リザーバー５９内に少なくとも１つの冷却シリンダ６０を含んでいる。冷却シリンダ６０内の冷却剤は、冷却剤リザーバー５９内の無極性液体を冷却するために、低温であるのが望ましい。冷却シリンダ６０内の冷却剤は、液体窒素と、溶剤と混ぜ合わされたドライアイスとで構成されているグループから選択される。ドライアイスは、ヘキサン、エタノール、アセトン及びメタノールで構成されているグループから選択された溶剤と混ぜ合わせてもよい。

図２と図５では、ポンプハウジング１２は、更に、流体冷却剤を冷却剤リザーバー５９から冷却ジャケット２２へ供給するためのポンプ６１を含んでいる。ポンプ６１と冷却ジャケット２２は、先に述べた供給管１８で接続されている。冷却ジャケット２２は、冷却剤を、先に述べた排出管１９を通して冷却ジャケット２２から冷却剤リザーバー５９へ排出する。

排出管１９は、冷却剤の流れの存否を監視するための感知器（図示せず）を含んでいる。更に、リザーバー内の冷却剤の温度は、適した温度計（図示せず）によって連続して監視され、その温度は、ポンプハウジングディスプレイ６３に表示される。図１を参照されたい。冷却剤の温度を測定するのに適した温度計には、限定するわけではないが、赤外線検出器、紫外線検出器、及び光ファイバー感知器が含まれる。

ポンプハウジング１２は、更に、各冷却剤を加熱されないように保つための適切な絶縁材を含んでいる。適切な絶縁材料は、当業者には既知であり、限定するわけではないが、スタイロフォーム、スポンジゴム及びガラス繊維を含んでいる。好適な実施形態では、絶縁材は、供給管１８、排出管１９、冷却ジャケット２２及び反応空洞３９の回りに配置されている。

本発明の器具と方法を、以下の例で実証する。
例１
図６は、冷却剤が有る場合と無い場合の、マイクロ波照射に曝された溶剤ＤＭＦの比較を示している。容器は、先ずＤＭＦの温度を−６８℃に下げ、次に１５０ワットのマイクロ波エネルギーで１５分間照射することによって試験した。冷却剤が無い場合（上線）、ＤＭＦは数分のうちに１５０℃を超えた。しかしながら、冷却剤が有ると、ＤＭＦの温度は、−２０℃（下線）に維持された。
例２
ジクロロブテンとフェノキシドアニオンの間の置換反応を行ったが、この場合、シス異性体が所望の生成物である。図７参照。従来は、この反応は、以下のように、合計２１時間後に最大７５％の収量に達する。この反応は、０℃が６時間続き、その後２０℃で１５時間続く。本発明の器具と方法を使えば、反応は、３０℃で僅か３５分後に８７％の収量に達した。反応時間は大幅に短く、収量は、従来の反応条件で達成したよりも多い。従来のマイクロ波内の温度を繰り返しても、３０℃でのマイクロ波反応ほど高い収量は得られなかった。シス異性体の形成は、ＮＭＲによって確認した。
例３
例３は、環拡大反応である。多くの環拡大反応は、中間形成物質の不安的性又は開始材料の反応性のために低温を必要とする。更に、環拡大反応は、実行するのに数日掛かる。図８に示している反応は、シクロヘプタノン又はシクロヘキサノン環誘導体の形成である。従来は、シクロヘプタノン反応は、０℃で４時間経過後に９０％の収量を達成する。本発明の器具と方法を使えば、反応は、−４５℃と０℃の間で１分の内に９５％の収量に達する。シクロヘキサノン反応は、従来は、０℃で４時間経過した後に３８％の収量に達する。本発明の器具と方法を使えば、反応は、−４５℃と０℃の間で１分の内に６５％の収量に達する。本発明の器具と方法を使用した場合のシクロヘキサノンの収量は、反応物から生成物へのマイクロ波支援変換の速度によって、大幅に増える。従来の遅い反応では、本発明の方法では発生しない大分子量の副生成物が（恐らくはアルドール縮合の結果）形成されることになる。

明細書と図面では、典型的で好適な本発明の実施形態を開示してきた。各用語は、包括的且つ記述的意味で用いており、限定を目的としてはいない。本発明の範囲は、特許請求の範囲に記載されている。

本発明による器具及び容器アッセンブリの斜視図である。 本発明の反応容器及び反応空洞の部分概略断面図である。 反応容器ハウジングの内部及び外部構成要素を示す破断図である。 器具ハウジングの後方斜視図である。 ポンプハウジングの部分概略断面図である。 冷却流体が有る場合と無い場合で、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）の照射を比較したグラフである。 ジクロロブテンとフェノキシドアニオンの間の置換反応と、そのシス異性体生成物を示している。 シクロヘプタノン又はシクロヘキサノン環誘導体の何れかを形成することになる環拡大反応を示している。

符号の説明

１０ 本発明の器具
１５ 感知器
１７ 内部反応チャンバ
１８ 供給管
１９ 排出管
２０ 反応容器
２２ 冷却ジャケット
２４ 反応容器内の組成物
２６ 減衰器
３９ 空洞
４０ マイクロ波放射源
４１ 導波部
５０ 反応器上部
５４ 冷却ジャケットすりガラス接合部
５５ 環状キャップ
５９ 流体冷却剤のリザーバー
６０ 冷却シリンダ
６１ ポンプ

Claims (32)

1. 低温マイクロ波支援有機化学合成を実行するための器具において、
   マイクロ波放射の供給源と、
   前記供給源とマイクロ波連通している空洞と、
   前記空洞内のマイクロ波透過反応容器と、
   前記反応容器を冷却して、前記容器内の組成物を、マイクロ波エネルギーが前記組成物に印加される間、所望の中又は低温に維持するための、前記反応容器を取り囲んでいる冷却ジャケットと、
   マイクロ波透過流体冷却剤のリザーバーと、
   前記流体冷却剤を前記冷却剤のリザーバーから前記冷却ジャケットへ供給するための手段と、
   前記流体冷却剤を前記冷却ジャケットから排出するための手段と、を備えている器具。
2. 前記空洞と前記マイクロ波供給源を接続している導波部を更に備えている、請求項１に記載の器具。
3. 前記空洞内の開口部と、
   マイクロ波が前記開口部を通って漏れ出すのを防ぎながら、前記反応容器の前記空洞の外側の部分を支持するための、前記開口部内の減衰器と、を更に備えている、請求項１に記載の器具。
4. 前記冷却ジャケットは、前記反応容器を中に収容するための冷却ジャケットすりガラス接合部を有する上部を含んでいる、請求項１に記載の器具。
5. 前記反応容器は、マイクロ波支援反応を中で実行するための内部反応チャンバを画定している、請求項１に記載の器具。
6. 前記反応容器は、前記容器内の少なくとも組成物が前記冷却ジャケットを通って循環する冷却剤のレベルより下になるように、前記冷却ジャケット内に嵌め込まれている、請求項５に記載の器具。
7. 前記冷却ジャケットは、円形のキャップをねじ込んで前記冷却ジャケットと前記反応容器を一体に固定するためのねじ付き上部を更に備えている、請求項１に記載の器具。
8. 前記反応容器は、冷却剤の流れを乱すことなく、前記キャップを通して前記冷却ジャケットから取り外すことができる、請求項７に記載の器具。
9. 前記流体冷却剤は、無極性液体を備えている、請求項１に記載の器具。
10. 前記無極性液体は、ヘキサン、四塩化炭素、及びポリフッ化炭化水素から成るグループから選択される、請求項９に記載の器具。
11. 前記冷却剤のリザーバー内に、前記無極性液体を冷却するための少なくとも１つの冷却シリンダを更に備えている、請求項９−１０に記載の器具。
12. 前記冷却シリンダは、前記冷却剤リザーバー内の無極性液体を冷却するための、低温の冷却剤を含んでいる、請求項１１に記載の器具。
13. 前記冷却シリンダ内の前記冷却剤は、液体窒素と、ドライアイスと液体の混合物とで構成されているグループから選択される、請求項１１―１２に記載の器具。
14. 前記ドライアイスの混合物は、ヘキサン、エタノール、アセトン、及びメタノールで構成されているグループから選択される液体を含んでいる、請求項１３に記載の器具。
15. 前記冷却剤供給手段は、ポンプを備えている、請求項１に記載の器具。
16. 前記ポンプは、流体冷却剤を、前記流体冷却剤リザーバーから前記冷却ジャケットを通して前記反応容器の回りに循環させるために、前記リザーバー及び前記冷却ジャケットと連通している、請求項１５に記載の器具。
17. 前記冷却剤供給手段は、前記冷却ジャケット及び冷却剤リザーバーと物理的に連通している管を備えている、請求項１５−１６に記載の器具。
18. 前記冷却剤排出手段は、前記冷却ジャケットから前記冷却剤リザーバーまで排出管を備えている、請求項１に記載の器具。
19. 前記排出管内の、冷却剤の流れの有無を検出するための感知器を備えている、請求項１８に記載の器具。
20. マイクロ波透過流体冷却剤の温度を測定するための、前記リザーバー周りの温度計を備えている、上記請求項の何れかに記載の器具。
21. 温度計は、赤外線検出器、紫外線検出器、及び光ファイバー感知器を含んでいる、請求項２０に記載の器具。
22. マイクロ波支援低温化学反応のための方法において、
    ａ）マイクロ波透過反応容器を、流体冷却剤として用いられているマイクロ波透過媒体に前記反応容器を接触させることによって、所望の温度に冷却する段階と、
    ｂ）マイクロ波エネルギーを、流体冷却剤として用いられている前記マイクロ波透過媒体を前記反応容器の回りに同時に循環させながら、前記反応容器内の組成物に印加する段階と、から成る方法。
23. 前記容器を冷却させ、その後、前記冷却された容器に組成物を加える段階を含んでいる、請求項２２に記載の方法。
24. 前記容器に組成物を加え、その後、前記容器を冷却する段階を含んでいる、請求項２２に記載の方法。
25. 前記容器に、前記容器を冷却しながら組成物を加える段階を含んでいる、請求項２２に記載の方法。
26. 前記容器を冷却剤と接触させる段階は、前記容器を無極性液体と接触させる段階を含んでいる、請求項２２に記載の方法。
27. 前記容器を、ヘキサン、四塩化炭素、及びポリフッ化炭化水素から成るグループから選択された無極性液体と接触させる段階を含んでいる、請求項２６に記載の方法。
28. 前記容器を流体冷却剤と接触させる段階は、前記容器を冷却剤で取り囲む段階を含んででいる、請求項２２に記載の方法。
29. 流体冷却剤として用いられている前記マイクロ波透過媒体を、電動ポンプを使って、前記反応容器の回りに循環させる段階を含んでいる、請求項２２に記載の方法。
30. 前記反応容器内の前記組成物の温度を監視し、前記監視された温度に基づいてマイクロ波エネルギーの印加を調整する段階を含んでいる、請求項２２に記載の方法。
31. 光ファイバー温度感知器を使用して、前記組成物の前記温度を監視する段階を含んでいる、請求項２２−３０に記載の方法。
32. マイクロプロセッサを使って、前記マイクロ波の印加を制御する段階を含んでいる、請求項２２−３１に記載の方法。

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