JP2006255522A - 物質の製造装置および製造方法 - Google Patents

物質の製造装置および製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JP2006255522A
JP2006255522A JP2005073422A JP2005073422A JP2006255522A JP 2006255522 A JP2006255522 A JP 2006255522A JP 2005073422 A JP2005073422 A JP 2005073422A JP 2005073422 A JP2005073422 A JP 2005073422A JP 2006255522 A JP2006255522 A JP 2006255522A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
substance
reaction
temperature
channel
solution
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2005073422A
Other languages
English (en)
Inventor
Yukako Asano
由花子 浅野
Morinori Togashi
盛典 富樫
Masashi Oda
将史 小田
Tomofumi Shiraishi
朋史 白石
Tsutomu Kawamura
勉 河村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP2005073422A priority Critical patent/JP2006255522A/ja
Priority to EP06005338A priority patent/EP1702676A1/en
Priority to US11/375,114 priority patent/US20060210444A1/en
Publication of JP2006255522A publication Critical patent/JP2006255522A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0093—Microreactors, e.g. miniaturised or microfabricated reactors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F33/00—Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
    • B01F33/30—Micromixers
    • B01F33/3039—Micromixers with mixing achieved by diffusion between layers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F33/00—Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
    • B01F33/30—Micromixers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00819—Materials of construction
    • B01J2219/00822—Metal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00819—Materials of construction
    • B01J2219/00824—Ceramic
    • B01J2219/00828—Silicon wafers or plates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00819—Materials of construction
    • B01J2219/00831—Glass
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00851—Additional features
    • B01J2219/00858—Aspects relating to the size of the reactor
    • B01J2219/0086—Dimensions of the flow channels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00851—Additional features
    • B01J2219/00867—Microreactors placed in series, on the same or on different supports
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00873—Heat exchange
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00889—Mixing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/0095—Control aspects
    • B01J2219/00952—Sensing operations
    • B01J2219/00954—Measured properties
    • B01J2219/00961—Temperature
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/0095—Control aspects
    • B01J2219/00984—Residence time
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/0095—Control aspects
    • B01J2219/00986—Microprocessor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00993—Design aspects
    • B01J2219/00995—Mathematical modeling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0077—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for tempering, e.g. with cooling or heating circuits for temperature control of elements

Abstract

【課題】 逐次反応において、一段目の反応で得られる目的生成物の収率および選択率を向上させる手段を提供する。
【解決手段】 逐次反応をしうる物質Ａと物質Ｂとを反応させて一段目の反応の生成物を目的生成物として製造するための物質製造装置であって、微細流路、物質Ａを含む溶液を微細流路に導入するための流路および物質Ｂを含む溶液を微細流路に導入するための流路を含む混合部、ならびに微細流路内の反応系の温度を制御するための温度制御装置を備え、温度制御装置が微細流路内の反応系の温度を、バッチ法による反応温度より高温かつ反応系の沸点未満の温度領域になるように制御するものである、前記製造装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、逐次反応において、目的生成物を高収率および高選択率で得るための物質の製造装置および製造方法に関する。
逐次反応の一例として、図２に示すような、物質Ａと物質Ｂとの反応が知られている。つまり、物質Ａと物質Ｂが反応して、目的生成物Ｐ１および物質Ｘが生成するが、物質Ｂが残存している場合には、目的生成物Ｐ１がさらに物質Ｂと反応して、副生成物Ｐ２と物質Ｙが生成してしまう。また、副生成物Ｐ２がさらに物質Ｂと反応して、さらなる副生成物が生成してしまう場合もある。ここで、物質Ａと物質Ｂの反応において、必ずしも物質Ｘが生成するとは限らず、目的生成物Ｐ１のみが生成する場合もある。また、目的生成物Ｐ１と物質Ｂの反応において、必ずしも物質Ｙが生成するとは限らず、生成物Ｐ２のみが生成する場合もある。さらに、物質Ｘと物質Ｙは、同じ物質の場合も異なる物質の場合もある。
目的生成物Ｐ１が副生成物Ｐ２より多く得られる場合には、一段目の反応の見かけの反応速度定数をｋ１、二段目の反応の見かけの反応速度定数をｋ２とした場合に、ｋ２よりｋ１のほうが大きい、つまりｋ１＞ｋ２が成り立っている。このとき、時刻ｔの経過に伴い、物質Ａの量および物質Ｂの量は減少し、副生成物Ｐ２の量は増加するだけであるが、目的生成物Ｐ１の量は増加したあとに減少し、ある時刻ｔｍａｘで極大値をとる。つまり、ある時刻ｔｍａｘで反応を止めることにより、目的生成物Ｐ１を一番多く得ることができる。
従って、目的生成物Ｐ１をできるだけ多く得る一つの方法としては、過剰の物質Ａを用いることにより、目的生成物Ｐ１が生成した段階で物質Ｂがほとんど消費されるようにし、副生成物Ｐ２の生成を抑える方法が挙げられる。また、別の方法としては、物質Ｂの当量が、物質Ａの当量に対して同当量以下となる条件で反応させたときに、時刻ｔｍａｘでの目的生成物Ｐ１の量をできるだけ相対的に多くするために、反応温度を下げて反応速度を低下させることによって、副生成物Ｐ２の生成を抑える方法が挙げられる。
溶液中で化学反応が起こる場合には、反応物が相互に拡散して遭遇する段階、および活性錯合体（遷移状態）を形成して反応する段階、の二つの段階を取ることが知られている。実際に観測される見かけの反応速度において、物質の拡散が支配的な場合は拡散（混合）律速となり、反応物どうしの「真の」反応速度が支配的な場合は、反応律速となる。このうち、物質の拡散（混合）は、マイクロ加工技術などにより作成された微細流路内で溶液を混合させる装置、いわゆるマイクロリアクタを用いて迅速に行うことができる。すなわち、マイクロリアクタは、反応速度が速く、拡散律速となる反応系に有用である。従って、マイクロリアクタを用いると、図２のような逐次反応において、物質Ａと物質Ｂが効率よく反応できるため、目的生成物Ｐ１を高収率および高選択率で得ることが期待される。
以上のことから、マイクロリアクタを用いた、目的生成物を高収率および高選択率で得るための物質の製造方法に関して、例えば、特許文献１には、芳香族化合物溶液とアルキル化剤であるＮ−アシルイミニウムイオン溶液とをマイクロミキサで反応させ、目的生成物のモノアルキル化生成物を高い収率で選択的に得る方法が開示されている。また、特許文献２には、マイクロリアクタを用いることで、流体化学反応の制御を向上させ、特にフッ素化反応において、目的生成物の収率または選択率を向上させる方法が開示されている。
しかしながら、目的生成物Ｐ１をできるだけ多く得るために、マイクロリアクタを用いて迅速な物質の拡散（混合）を実現しようとしても、流路を微細化する技術には限界があるとともに、流路を微細にするほど流量が減少し、すなわち生成量が減少してしまうため、現実には、流路の微細化による拡散時間の短縮には限界があった。
一方、物質Ａの当量が物質Ｂの当量と同当量または過剰となる量で用いたときに、時刻ｔｍａｘでの目的生成物Ｐ１の量を相対的にできるだけ多くするために、一段目の反応を加速させ、目的生成物Ｐ１の量の立ち上がりを速くすることも考えられる。バッチ法による実験において、一般的な反応の場合、反応温度を１０℃上昇させると、見かけの反応速度が２〜３倍になることが経験的に知られている。しかし、特に発熱反応の場合には、見かけの反応速度が増大すると、反応による急激な発熱によって、ホットスポットと呼ばれる部分的に温度が高い部分が生じ、突沸や反応の暴走につながる危険性があるため、反応温度を上昇させることはできなかった。さらに、ホットスポットでは、二段目の反応も加速されてしまうため、逆にさらなる副生成物の増加につながり、目的生成物の収率および選択率が低下することもあった。
特開２００４−９９４４３公報 特表２００１−５２１８１６公報
本発明の課題は、逐次反応において、目的生成物の収率および選択率を向上させる手段を提供することである。
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、逐次反応において、出発物質を微細流路内で混合し、かつ比較的高温で反応を行うことにより、一段目の反応で得られる目的生成物が高収率および高選択率で得られることを見いだし、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、以下の発明を包含する。
（１）逐次反応をしうる物質Ａと物質Ｂとを反応させて一段目の反応の生成物を目的生成物として製造するための物質製造装置であって、
微細流路、物質Ａを含む溶液を微細流路に導入するための流路および物質Ｂを含む溶液を微細流路に導入するための流路を含む混合部、ならびに微細流路内の反応系の温度を制御するための温度制御装置を備え、
温度制御装置が微細流路内の反応系の温度を、物質Ａと物質Ｂの一段目の反応の見かけの反応速度定数ｋ１と二段目の反応の見かけの反応速度定数ｋ２との比ｋ１／ｋ２が０℃のときの３倍となる温度以上かつ反応系の沸点未満の温度領域になるように制御するものである、前記製造装置。
（２）逐次反応をしうる物質Ａと物質Ｂとを反応させて一段目の反応の生成物を目的生成物として製造するための物質製造装置であって、
微細流路、物質Ａを含む溶液を微細流路に導入するための流路および物質Ｂを含む溶液を微細流路に導入するための流路を含む混合部、ならびに微細流路内の反応系の温度を制御するための温度制御装置を備え、
温度制御装置が微細流路内の反応系の温度を、物質Ａと物質Ｂの一段目の反応の見かけの反応速度定数ｋ１と二段目の反応の見かけの反応速度定数ｋ２との比ｋ１／ｋ２が１０となる温度以上かつ反応系の沸点未満の温度領域になるように制御するものである、前記製造装置。
（３）逐次反応をしうる物質Ａと物質Ｂとを反応させて一段目の反応の生成物を目的生成物として製造するための物質製造装置であって、
微細流路、物質Ａを含む溶液を微細流路に導入するための流路および物質Ｂを含む溶液を微細流路に導入するための流路を含む混合部、ならびに微細流路内の反応系の温度を制御するための温度制御装置を備え、
温度制御装置が微細流路内の反応系の温度を、反応系の沸点より３０℃低い温度以上かつ反応系の沸点未満の温度領域になるように制御するものである、前記製造装置。
（４）以下の機構で反応しうる物質Ａおよび物質Ｂを反応させて物質Ｐ１を目的生成物として製造するための、（１）〜（３）のいずれかに記載の製造装置：
Figure 2006255522
 （式中、ＡおよびＢは出発物質を表し、Ｐ１は目的生成物を表し、Ｘ、ＹおよびＰ２は副生成物を表し、ＸおよびＹは生成してもしなくてもよく、ｋ１は一段目の反応の見かけの反応速度定数を表し、ｋ２は二段目の反応の見かけの反応速度定数を表す）。
（５）微細流路に導入される物質Ｂの当量が、微細流路に導入される物質Ａの当量に対して同当量以下となるよう構成されている、（４）記載の製造装置。
（６）微細流路の流路幅が１ｍｍ以下である、（１）〜（５）のいずれかに記載の製造装置。
（７）温度制御装置が、物質Ａと物質Ｂとの反応が開始してから終了するまで微細流路内の反応系の温度を一定の温度に制御するものである、（１）〜（６）のいずれかに記載の製造装置。
（８）物質Ａと物質Ｂとの反応が置換反応である、（１）〜（７）のいずれかに記載の製造装置。
（９）物質Ａと物質Ｂとの反応が発熱反応である、（１）〜（８）のいずれかに記載の製造装置。
（１０）（１）〜（９）のいずれかに記載の製造装置を含む、製造装置システム。
（１１）逐次反応をしうる物質Ａと物質Ｂとを反応させて一段目の反応の生成物を目的生成物として製造する方法であって、
物質Ａおよび物質Ｂを、微細流路において、物質Ａと物質Ｂの一段目の反応の見かけの反応速度定数ｋ１と二段目の反応の見かけの反応速度定数ｋ２との比ｋ１／ｋ２が０℃のときの３倍となる温度以上かつ反応系の沸点未満の温度で反応させることを含む、前記方法。
（１２）逐次反応をしうる物質Ａと物質Ｂとを反応させて一段目の反応の生成物を目的生成物として製造する方法であって、
物質Ａおよび物質Ｂを、微細流路において、物質Ａと物質Ｂの一段目の反応の見かけの反応速度定数ｋ１と二段目の反応の見かけの反応速度定数ｋ２との比ｋ１／ｋ２が１０となる温度以上かつ反応系の沸点未満の温度で反応させることを含む、前記方法。
（１３）逐次反応をしうる物質Ａと物質Ｂとを反応させて一段目の反応の生成物を目的生成物として製造する方法であって、
物質Ａおよび物質Ｂを、微細流路において、反応系の沸点より３０℃低い温度以上かつ反応系の沸点未満の温度で反応させることを含む、前記方法。
（１４）物質Ａおよび物質Ｂが以下の機構で反応し、物質Ｐ１を目的生成物として製造する、（１１）〜（１３）のいずれかに記載の方法：
Figure 2006255522
 （式中、ＡおよびＢは出発物質を表し、Ｐ１は目的生成物を表し、Ｘ、ＹおよびＰ２は副生成物を表し、ＸおよびＹは生成してもしなくてもよく、ｋ１は一段目の反応の見かけの反応速度定数を表し、ｋ２は二段目の反応の見かけの反応速度定数を表す）。
（１５）物質Ｂの当量が物質Ａの当量に対して同当量以下となる条件で反応させる、（１４）記載の方法。
（１６）微細流路の流路幅が１ｍｍ以下である、（１１）〜（１５）のいずれかに記載の方法。
（１７）物質Ａと物質Ｂを、反応が開始してから終了するまで一定の温度で反応させる、（１１）〜（１６）のいずれかに記載の方法。
（１８）物質Ａと物質Ｂとの反応が置換反応である、（１１）〜（１７）のいずれかに記載の方法。
（１９）物質Ａと物質Ｂとの反応が発熱反応である、（１１）〜（１８）のいずれかに記載の方法。
本発明により、逐次反応において、物質Ａと物質Ｂとの一段目の反応で得られる目的生成物を高収率および高選択率で得ることが可能となる。
以下、本発明を、図１〜８を参照しながら説明する。
本発明において逐次反応とは、連続反応とも称され、当技術分野で通常用いられる意味を有する。すなわち、ある化学反応の生成物がさらに別の反応をおこしてほかの生成物に変わるような反応をいう。図２に、物質Ａと物質Ｂを出発物質とする逐次反応の一実施形態を表す化学反応式を示す。図２の物質Ａと物質Ｂの逐次反応では、物質Ａと物質Ｂが反応して、目的生成物Ｐ１および物質Ｘが生成する。物質Ｂが残存している場合には、目的生成物Ｐ１がさらに物質Ｂと反応して、副生成物Ｐ２と物質Ｙが生成してしまう。また、副生成物Ｐ２がさらに物質Ｂと反応して、さらなる副生成物が生成してしまう場合もある。ここで、物質Ａと物質Ｂの反応において、必ずしも物質Ｘが生成するとは限らず、目的生成物Ｐ１のみが生成する場合もある。また、目的生成物Ｐ１と物質Ｂの反応において、必ずしも物質Ｙが生成するとは限らず、生成物Ｐ２のみが生成する場合もある。さらに、物質Ｘと物質Ｙは、同じ物質の場合も異なる物質の場合もある。ここで、一段目の反応の見かけの反応速度定数をｋ１、二段目の反応の見かけの反応速度定数をｋ２とする。
本発明を適用できる反応は、逐次反応であれば特に限定されず、例えば、ハロゲン化反応、ニトロ化反応、スルホン化反応、アルキル化反応などに代表される置換反応、重合反応および付加反応が挙げられる。
本発明は、芳香族化合物の置換反応、特にハロゲン化反応に好適である。例えば、芳香族化合物を物質Ａとし、ハロゲン化剤を物質Ｂとして反応させ、モノハロゲン化芳香族化合物を目的生成物Ｐ１として得る反応が挙げられる。この反応では、目的生成物Ｐ１とハロゲン化剤Ｂがさらに反応して、副生成物Ｐ２としてジハロゲン化芳香族化合物が生成しうる。
図１に、本発明の物質の製造装置および製造方法の一実施形態の概念図を表す。図１の物質製造装置は、物質Ａを含むＡ溶液１０１および物質Ｂを含むＢ溶液１０２を導入するための各流路およびそれらを混合および反応させるための微細流路１０３を含む混合部１０５、ならびに温度制御装置１０６を備える。そして、物質Ａと物質Ｂの反応によって得られた目的生成物を含む溶液１０４が混合部から排出される。
図２の逐次反応を進行させるためには、図１の物質製造装置の混合部１０５に、物質Ａを含むＡ溶液１０１と物質Ｂを含むＢ溶液１０２を、物質Ａの当量と物質Ｂの当量が等しくなる量、または物質Ａが過剰となる量で、それぞれ連続的に供給する。
微細流路とは、反応液が流れることができる微細な流路であれば特に制限されず、１本の流路でもよいし、複数の流路でもよいし、１つの流路が微細な流路に区分けされた構造でもよい。
図１では、物質Ａを含むＡ溶液１０１を導入する流路、物質Ｂを含むＢ溶液１０２を導入する流路、および微細流路１０３を含む混合部の流路をＹ字型の構造としているが、必ずしもＹ字型の構造に限定されるものではなく、Ａ溶液１０１とＢ溶液１０２が微細流路１０３において混合されるのであれば、Ｔ字型の構造などでもよい。混合部１０５において、Ａ溶液とＢ溶液を入れ替えて混合させてもよい。
また、Ａ溶液が流れる流路の壁面にＢ溶液を吐出するためのノズルが並んだ構造、Ａ溶液が流れる流路の底面にＢ溶液を吐出するためのノズルが並んだ構造などでもよい。それから、Ａ溶液１０１とＢ溶液１０２が合流する微細流路の形状は、図１では直線の構造としているが、必ずしも直線の構造に限定されるものではなく、蛇行した構造や渦巻き状の構造など、滞留時間を考慮した微細流路とすることもできる。
微細流路の流路幅は、バッチ法による反応において撹拌することにより得られる渦塊の直径より小さい値、通常１ｍｍ以下の範囲、好ましくは５００μｍ以下、より好ましくは
１〜２５０μｍとすることができ、反応の種類や使用目的に応じて適宜変更することができる。ここで流路幅は、流路断面の全ての長さがこの範囲に入る必要はなく、ある長さだけがこの範囲であればよい。理論的には、流路幅を小さくするほど混合効率を向上できることが知られているが、流路幅を小さくするほど流量が減少し、目的生成物の生成量が減少してしまうため、実用的ではない。また、不純物の混入や反応による晶析などにより、流路が閉塞する危険性が高まるため、反応の種類や使用目的に応じて、微細流路の幅を適宜設定するのがよい。物質Ａを含む溶液を導入するための流路および物質Ｂを導入するための流路の流路幅は、特に制限されないが、同様のものとすることができる。
微細流路の長さは、当業者であれば反応の種類に応じて適宜設定できるが、通常、１〜１０００ｍｍ、より好ましくは１〜７５０ｍｍ、さらに好ましくは１〜５００ｍｍである。ただし、必ずしも微細流路のみで十分な滞留時間を確保する必要はなく、微細流路１０３の後段に滞留時間を確保するための機構を有することもできる。
微細流路における反応液の流量は、特に限定されないが、通常１〜１０００ｍｌ／分、好ましくは２〜５００ｍｌ／分、より好ましくは３〜１００ｍｌ／分である。
さらに、図１の混合部１０５は、Ａ溶液１０１とＢ溶液１０２の２種類の溶液が混合する流路を示しているが、必ずしも２種類の溶液が混合する流路に限定されるものではなく、３種類以上の溶液が混合する流路や、これらの流路が多層状となっている流路を保持していてもよい。また、混合部１０５は、Ａ溶液１０１およびＢ溶液１０２を導入し、これらを微細流路１０３にて混合して、目的生成物を含む溶液１０４として排出するための機構に加えて、その前段または後段に、例えば、複数の溶液を導入および混合してＡ溶液１０１およびＢ溶液１０２として排出するための機構、目的生成物を含む溶液１０４と１つまたは複数の溶液とを導入および混合し、さらなる反応を行ってその生成物溶液を排出するための機構、生成物質を抽出や蒸留などによって精製するための機構などをさらに有していてもよい。
混合部として、Ｉｎｓｔｉｔｕｔ ｆｕｒ Ｍｉｋｒｏｔｅｃｈｎｉｋ Ｍａｉｎｚ ＧｍｂＨが市販しているマイクロリアクタなどの、市販されているマイクロリアクタを利用してもよい。
また、各流路を構成する混合部の材質は、反応に悪い影響を与えないものであれば特に限定されず、反応の種類に応じて適宜変更することができる。例えば、ステンレス、シリコン、金、ガラス、ハステロイおよびシリコーン樹脂などを用いてもよいし、グラスライニング、金属の表面にニッケル、金または銀などをコーティングをしたもの、ならびにシリコンの表面を酸化させたものなど、耐食性を向上させたものを用いてもよい。
温度制御装置としては、当技術分野で通常用いられるものを使用でき、特に制限されない。温度制御装置は、通常、少なくとも一つの加熱器と、少なくとも一つの冷却器と、温度測定器と、前記加熱器、冷却器および温度測定器に接続された温度調節器とからなる。例えば、混合部全体が入る恒温槽を用いてもよく、ペルチェや流体などにより温度制御されたプレートなどで微細流路を挟んでもよく、混合部にさらなる流路を設けて所定の温度の流体を流して温度制御してもよい。
本発明者らは、逐次反応しうる物質Ａおよび物質Ｂの反応において、本発明の装置および方法を使用し、物質Ａおよび物質Ｂを微細経路において混合し、バッチ法における通常の反応温度Ｔバッチよりも高温、特に、反応温度の上限となる反応系の沸点Ｔｂに近い温度で反応させることにより、一段目の反応で得られる目的生成物の収率および選択率を向上できることを見いだした。
図３は、バッチ法による反応において、図２に示すような物質Ａと物質Ｂとの反応を、物質Ａの当量と物質Ｂの当量が等しくなる条件下、または物質Ａが過剰となる条件下で進行させたときの、一段目の反応の見かけの反応速度定数ｋ１と二段目の反応の見かけの反応速度定数ｋ２の温度依存性を示す概念図である。図３に示すように、ｋ１とｋ２との関係は、高温にするとｋ１もｋ２も増大するが、ｋ１とｋ２の比ｋ１／ｋ２は温度に対してほとんど変化しない。従って、一段目の反応を加速させて目的生成物Ｐ１の量の立ち上がりを速くするために、反応温度の上限となる反応系の沸点Ｔｂにより近い温度で反応させたとしても、二段目の反応も加速され副生成物Ｐ２の量の立ち上がりも速くなってしまう。その結果、バッチ法による反応における通常の反応温度Ｔバッチのときに比べて、目的生成物Ｐ１の収率および選択率を劇的に向上させることはできない。
一方、図４は、本発明による反応における、一段目の反応の見かけの反応速度定数ｋ１と二段目の反応の見かけの反応速度定数ｋ２の温度依存性を示す概念図である。図４に示すように、ｋ１とｋ２との関係は、高温にするとｋ１もｋ２も増大するが、ｋ１の増大率のほうが大きいため、高温にすればするほどｋ１とｋ２の比ｋ１／ｋ２は増大する。従って、一段目の反応を加速させて目的生成物Ｐ１の量の立ち上がりを速くするために反応温度の上限となる反応系の沸点Ｔｂにより近い温度で反応させても、二段目の反応は相対的に加速されず、副生成物Ｐ２の量の立ち上がりは相対的に遅くなる。その結果、通常の反応温度Ｔバッチのときに比べて、目的生成物Ｐ１の収率および選択率を劇的に向上させることができる。
以上のような、バッチ法による反応と本発明による反応で、見かけの反応速度定数の温度依存性の違いが生じる理由は、それぞれの反応における物質の混合様式の違いとして説明できる。
温度による反応速度定数の変化は、一般的に（１）式のＡｒｒｈｅｎｉｕｓの式に従うことが知られている。
ｋ＝Ａｅｘｐ（−Ｅａ／ＲＴ） （１）
ここで、Ｅａは活性化エネルギー、Ａは頻度因子（前指数因子）、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度であり、ＥａとＡは、ともに反応条件に固有の値である。Ｅａは、反応物が互いに反応するために必要なエネルギーに対応し、温度依存性は非常に小さいと考えられる。一方、Ａは、反応物が互いに衝突して反応する確率に対応し、物質の混合状態を示す尺度である対流Ｃおよび物質の拡散係数Ｄの関数となる。
Ａ＝Ａ（Ｃ，Ｄ） （２）
通常のバッチ法では、Ａにおける温度依存性は小さく、温度の分数乗を超えないことが知られており、見かけの反応速度定数の温度依存性は、主に（１）式の指数部分に依存する。なぜなら、物質の混合様式において、温度依存性を示す物質の拡散よりも、撹拌による対流が支配的となるからである。従って、（２）式のＡは主に対流Ｃに依存し、ｋ１とｋ２の比ｋ１／ｋ２は、温度に対してほとんど変化しない。しかし、本発明による反応では、撹拌を行わないことから、物質の混合様式において、物質の拡散が支配的になる。従って、（２）式のＡは主に物質の拡散係数Ｄに依存することから、Ａは顕著な温度依存性を示すようになる。ゆえに、高温で反応させたときには、より物質の拡散が起こるようになるため、物質Ａと物質Ｂが効率よく反応することができ、物質Ｂが残存しなくなることから、ｋ１の増大率のほうがｋ２の増大率よりも大きくなり、ｋ１とｋ２の比ｋ１／ｋ２は増大する。
一段目の反応の生成物である目的生成物を高収率および高選択率で得るためには、微細流路内の反応系の温度を、バッチ法による通常の反応温度より高温かつ反応系の沸点Ｔｂ未満の温度に制御する。特にＴｂにより近い温度とすることにより、より高収率および高選択率となる。ここで、微細流路内の反応系の温度とは、物質Ａ、物質Ｂ、目的生成物、副生成物および溶媒等を含みうる微細流路内の反応液の温度を意味し、反応系の沸点Ｔｂとは、物質Ａ、物質Ｂ、目的生成物、副生成物および溶媒等を含みうる微細流路内の反応液の沸点を意味する。
すなわち、微細流路内の反応系の温度を、見かけの反応速度定数の比ｋ１／ｋ２が、０℃のときの３倍、好ましくは３．５倍、より好ましくは４倍となる温度以上かつＴｂ以下の温度領域に制御する。または、微細流路内の反応系の温度を、見かけの反応速度定数の比ｋ１／ｋ２が１０、好ましくは２０、より好ましくは２５となる温度以上かつＴｂ以下の温度領域に制御する。または、微細流路内の反応系の温度を、Ｔｂより３０℃低い温度、好ましくは２５℃低い温度、より好ましくは２０℃低い温度以上かつＴｂ以下の温度領域に制御する。特にＴｂにより近い温度とすることにより、より高収率および高選択率で目的生成物が得られる。
また、混合部における微細流路の長さが不十分なときには、反応液が排出される段階で、反応が終了していない可能性がある。物質Ａと物質Ｂとの反応が開始してから終了するまで反応系の温度を一定の温度に制御するのが好ましい。また、物質Ａを含む溶液Ａと物質Ｂを含む溶液Ｂが合流して反応する微細流路だけでなく、溶液ＡおよびＢを導入するための流路、混合部全体についても、微細流路と同じ一定の温度に制御するのが好ましい。
見かけの反応速度定数の比ｋ１／ｋ２が温度に対してほとんど変化しないバッチ法による反応に対し、本発明において、微細流路内の反応系の温度を、物質Ａと物質Ｂの一段目の反応の見かけの反応速度定数ｋ１と二段目の反応の見かけの反応速度定数ｋ２との比ｋ１／ｋ２が０℃のときの３倍となる温度以上かつ反応系の沸点Ｔｂ未満の温度領域に制御すると、その温度におけるｋ１／ｋ２の値が大きくなり、一段目の反応が相対的に加速する。その結果、バッチ法による反応よりも目的生成物が高収率および高選択率で得られる。また、微細流路内の反応系の温度を、物質Ａと物質Ｂの一段目の反応の見かけの反応速度定数ｋ１と二段目の反応の見かけの反応速度定数ｋ２との比ｋ１／ｋ２が１０となる温度以上かつＴｂ未満の温度領域に制御した場合にも、その温度におけるｋ１／ｋ２の値が大きくなり、一段目の反応が相対的に加速し、バッチ法による反応よりも目的生成物が高収率および高選択率で得られる。さらに、微細流路内の反応系の温度を、反応系の沸点より３０℃低い温度以上かつＴｂ未満の温度領域に設定した場合にも、反応系の温度はバッチ法による反応温度よりも高温になると考えられ、その温度におけるｋ１／ｋ２の値が大きくなり、一段目の反応が相対的に加速し、バッチ法による反応よりも目的生成物が高収率および高選択率で得られる。
ここで、ある特定の反応温度のときの見かけの反応速度定数の比ｋ１／ｋ２は、生成物の生成速度（反応速度）と反応物の濃度との関係を表す反応速度式を立てておき、各時刻における反応物および生成物の濃度を実験的に測定し、この反応速度式に当てはめることによって求めることができる。また、実験的に初速度を測定し、この反応速度式に当てはめることによって、ｋ１／ｋ２を求めることもできる。さらに、最終的に得られる反応物および生成物の割合を再現するように、反応速度式を解析的または数値的に解くことによって、ｋ１／ｋ２を求めることもできる。
以下では、バッチ法による反応と本発明による反応で、見かけの反応速度定数の温度依存性に違いが生じる理由について、図１に示す本発明の装置の一実施形態および図２に示す逐次反応を例にとり、より詳しく説明する。
図５は、バッチ法による反応において、Ａ溶液の中にＢ溶液を滴下したときの反応の様子を示す概念図であり、（ａ）は、Ａ溶液の中にＢ溶液を滴下したときの状態を示す概念図、（ｂ）は、撹拌により、Ａ溶液内でＢ溶液が渦塊に分かれたときの状態を示す概念図、（ｃ）は、界面における物質Ａと物質Ｂの反応の様子を示す概念図である。Ａ溶液１０１の中にＢ溶液を滴下すると、図５（ａ）に示すように、滴下したときのＢ溶液の液滴５０１は、図５（ｂ）に示すように、物質の拡散による混合を始めると同時に、撹拌による渦拡散でも混合する。しかし、撹拌することにより得られる渦塊の直径は、せいぜい数１００μｍ程度（岡本秀穂ら、住友化学、２００１−II、ｐｐ．３２−４５（２００１））であり、拡散係数Ｄの値は１０−９〜１０−１０ｍ２／ｓ程度であるため、Ｆｉｃｋの第二法則より、完全に物質が拡散して混合するには、秒レベルの時間がかかる。つまり、バッチ法による反応における物質の混合様式は、主に撹拌により進行する対流によって支配される。従って、物質の拡散により、Ｂ溶液の複数個の渦塊５０２が、瞬時に完全に拡散して混合するようなことはなく、近似的にＢ溶液の渦塊状態が保たれている。
このように、物質の拡散速度が小さいため、図５（ｃ）に示すように、近似的に、Ｂ溶液の渦塊５０２の界面において、物質Ｂが物質Ａと反応し、さらに細かいＢ溶液の渦塊５０２を取り巻くように目的生成物Ｐ１の層５０３が形成される。そして、目的生成物Ｐ１が生成したあとも、未反応の物質Ｂは残存しているため、さらに、近似的に、Ｂ溶液の渦塊５０２の界面において、物質Ｂが目的生成物Ｐ１と反応し、あたかもＢ溶液の渦塊５０２を取り巻くように副生成物Ｐ２の層５０４が形成される。
反応温度を上昇させたときの反応の様子であるが、Ｔを絶対温度（Ｋ）、μを溶媒の粘度としたとき、拡散係数ＤはＴ／μに比例し、μは溶媒の温度を１度上昇させたときに５〜１０％減少することが知られている。よって、反応温度を上昇させたときには、Ｄの値は大きくなり物質は拡散しやすくなるが、反応温度を１０℃上昇させたとしても、Ｄは２〜３倍にしかならない。よって、完全に物質が拡散して混合するには、やはり最低でも秒レベルの時間がかかり、バッチ法による反応における物質の混合が、主に撹拌による対流によって進行することには変わりはなく、上記の反応の様子に大きな変化はない。従って、反応温度を上昇させても、見かけの反応速度定数の比ｋ１／ｋ２に目立った変化は見られない。
なお、ここでは、Ａ溶液の中にＢ溶液を滴下したときの反応の様子について述べたが、Ａ溶液とＢ溶液を同時に容器の中に入れ、撹拌した場合にも、撹拌によりＡ溶液およびＢ溶液の渦塊が生成するため、Ａ溶液の中にＢ溶液を滴下した場合と同様の反応の様子となる。
他方、図６は、微細流路において、Ａ溶液とＢ溶液を混合させたときの反応の様子を示す概念図であり、（ａ）は、物質Ａと物質Ｂが相互に拡散していく様子を示す概念図であり、（ｂ）は、物質Ａと物質Ｂの逐次反応の様子を示す概念図である。図６（ａ）に示すように、Ａ溶液１０１およびＢ溶液１０２は、微細流路１０３の左端の混合開始部６０１で合流し、向かって右方向に流れながら、物質Ａ６０２はＢ溶液１０２内に、物質Ｂ６０３はＡ溶液１０１内に拡散していく中で、図６（ｂ）に示すように、物質Ａ６０２と物質Ｂ６０３が反応し、目的生成物Ｐ１６０４が生成する。そして、目的生成物Ｐ１６０４が生成した段階で、未反応の物質Ｂが残存している場合には、目的生成物Ｐ１６０４がさらに物質Ｂ６０３と反応して、副生成物Ｐ２６０５が生成する。
図７は、微細流路において、Ａ溶液とＢ溶液を混合させたときの反応の様子を示す概念図であり、（ａ）は、低温で物質の拡散が不十分であるときの様子を示す概念図、（ｂ）は、高温で物質の拡散が十分であるときの様子を示す概念図である。図７では、図６（ａ）と同じように、Ａ溶液１０１およびＢ溶液１０２は、微細流路１０３の左端の混合開始部６０１で合流し、向かって右方向に流れている。図７（ａ）に示すように、低温で物質の拡散が不十分である、つまり、「真の」反応時間７０１より拡散時間７０２のほうが長い場合には、物質Ａと物質Ｂとの「真の」反応時間７０１内に、Ａ溶液１０１とＢ溶液１０２が層状を保っている部分と、物質Ａ６０２と物質Ｂ６０３の完全混合が起こっている部分とが共存する。物質Ａ６０２と物質Ｂ６０３の完全混合が起こっている部分では、物質Ａ６０２と物質Ｂ６０３が効率よく反応することができ、物質Ｂは残存しないため、目的生成物Ｐ１６０４が選択的に生成することになる。しかし、Ａ溶液１０１とＢ溶液１０２が層状を保っている部分では、Ａ溶液１０１およびＢ溶液１０２の界面において、物質Ａ６０２と物質Ｂ６０３が反応し、目的生成物Ｐ１６０４が界面上に生成する。そして、目的生成物Ｐ１６０４が生成したあとも、未反応の物質Ｂは残存しているため、さらに、物質Ｂ６０３が目的生成物Ｐ１６０４と反応して、副生成物Ｐ２６０５が界面上に生成する。従って、バッチ法による反応の場合と同様の反応形態となり、物質Ａ６０２と物質Ｂ６０３の完全混合が起こっている部分が少ないほど、目的生成物Ｐ１の収率および選択率は低くなる。特に、バッチ法における物質の混合は、主に撹拌により進行する対流に支配されるのに対し、本発明における物質の混合は、主に物質の拡散に支配されることから、物質の拡散が非常に小さい場合には、バッチ法による反応よりも、目的生成物Ｐ１の収率および選択率が低くなる可能性もある。
一方、図７（ｂ）に示すように、高温で物質の拡散が十分である、つまり、拡散時間７０２が「真の」反応時間７０１より短い場合には、図７（ａ）の場合に比べて、物質Ａ６０２と物質Ｂ６０３の反応中に、物質Ａ６０２と物質Ｂ６０３はより完全混合に近い状況となる。従って、物質Ａ６０２と物質Ｂ６０３がより効率よく反応することができ、未反応の物質Ｂは残存しないため、目的生成物Ｐ１６０４がより選択的に生成する。つまり、反応温度を上昇させると、一段目の反応は、物質Ａ６０２と物質Ｂ６０３がより完全混合に近くなるために効率よく進み、見かけの反応速度定数の増大率が大きくなるが、二段目の反応は、未反応の物質Ｂがほとんど残存しないためにあまり進まず、見かけの反応速度定数の増大率は小さくなる。従って、反応温度を上昇させると、見かけの反応速度定数の比ｋ１／ｋ２が増大する。
また、図７（ｂ）において、さらに高温にして物質の拡散を十分にし、拡散時間７０２を限りなくゼロに近づけた場合には、「真の」反応時間７０１が支配的となり、反応物どうしの「真の」反応速度が律速となるため、見かけの反応速度定数が「真の」反応速度定数に近くなる。よって、本発明の装置および方法は、目的生成物Ｐ１を高収率および高選択率で得るためだけでなく、「真の」反応速度定数を得るためにも使用することができる。
本発明の装置および方法は、特に、物質Ａと物質Ｂによる逐次反応が発熱反応である場合に有用である。発熱反応の場合には、反応による発熱によって、ホットスポットが生じるが、バッチ法による反応では、迅速な温度制御が難しいために、すぐにはホットスポットが解消されない。すると、所定の反応温度よりも高温で反応が進行することになり、二段目の反応のみが高温で進行すれば、所定の反応温度での見かけの反応速度定数の比ｋ１／ｋ２よりも、実際には小さいｋ１／ｋ２で反応させていることになり、目的生成物Ｐ１の収率および選択率の減少につながる。しかし、本発明の装置および方法による反応では、迅速な温度制御が可能であるために、すぐにホットスポットが解消される。従って、常に所定の反応温度で反応を進行させることができるため、所定の反応温度での見かけの反応速度定数の比ｋ１／ｋ２に従い、目的生成物Ｐ１が高収率および高選択率で得られることになる。
本発明はまた、本発明の物質製造装置を含む物質製造システムに関する。本発明の物質製造システムは、例えば、本発明の物質製造装置を直列に連結したシステムである。図８に、本発明の装置および方法を利用した物質製造システムの概念図を示す。図８に示す物質製造システムは、Ａ溶液１０１およびＢ溶液１０２を導入し、微細流路１０３を経て混合して、生成物溶液１０４として排出するための混合部１０５、物質Ｃを含むＣ溶液８０１および生成物溶液１０４を導入し、微細流路１０３を経て混合して、物質Ｃと物質Ｐ１の反応における生成物溶液８０２として排出するための混合部８０３、物質Ｃと物質Ｐ１の反応における生成物溶液８０２を精製し、最終目的生成物８０４として排出するための精製装置８０５、および温度制御装置１０６から構成されている。
ここで、物質Ｃと物質Ｐ１の反応は、如何なる種類の反応でもよい。また、Ｃ溶液８０１と生成物溶液１０４が混合する微細流路１０３の形状を、Ｙ字型の構造としているが、必ずしもＹ字型の構造に限定されるものではなく、Ｃ溶液８０１と生成物溶液１０４が微細流路１０３を経て混合されるのであれば、Ｔ字型の構造などでもよい。さらに、Ｃ溶液８０１が流れる流路の壁面に生成物溶液１０４を吐出するためのノズルが並んだ構造、Ｃ溶液８０１が流れる流路の底面に生成物溶液１０４を吐出するためのノズルが並んだ構造などでもよい。Ｃ溶液８０１と生成物溶液１０４を入れ替えて混合させてもよい。また、Ｃ溶液８０１と生成物溶液１０４が混合したあとの流路の形状を、直線の構造としているが、必ずしも直線の構造に限定されるものではなく、蛇行した構造や渦巻き状の構造など、滞留時間を考慮した流路とすることもできる。
さらに、図８の混合部８０３は、Ｃ溶液８０１と生成物溶液１０４の２種類の溶液が混合する流路を保持しているが、必ずしも２種類の溶液が混合する流路に限定されるものではなく、３種類以上の溶液が混合する流路や、これらの流路が多層状となっている流路を保持していてもよい。また、混合部８０３は、Ｃ溶液８０１および生成物溶液１０４を導入し、微細流路１０３を経て混合して、物質Ｃと物質Ｐ１の反応における生成物溶液８０２として排出するための機構に加えて、その前段または後段に、例えば、複数の溶液を導入および混合してＣ溶液８０１として排出するための機構、物質Ｃと物質Ｐ１の反応における生成物溶液８０２と１つまたは複数の溶液とを導入および混合し、さらなる反応を行ってその生成物溶液を排出するための機構、ならびに生成物質を抽出や蒸留などによって精製するための機構などを有していてもよい。
混合部８０３としては、Ｉｎｓｔｉｔｕｔ ｆｕｒ Ｍｉｋｒｏｔｅｃｈｎｉｋ Ｍａｉｎｚ ＧｍｂＨが市販しているマイクロリアクタなどの、市販されているマイクロリアクタを利用してもよい。
さらに、図８の物質製造システムは、混合部１０５と混合部８０３の２つを含むものであるが、必ずしも混合部は２つとは限らず、混合部１０５だけの１つでもよいし、３つ以上でもよい。すなわち、本発明の物質製造システムは、微細流路を含む本発明に係る混合部を少なくとも１つ含んでいればよく、その他に存在しうる混合部は、必ずしも複数の溶液が微細流路において混合される混合部とは限らず、通常のバッチ法で用いられている混合部（反応部）でもよい。また、目的生成物を精製するための精製装置は、必ずしも１つとは限らず、各混合部に続いてそれぞれ精製装置を１つずつ設置してもよいし、特定の混合部のみに続いて精製装置を設置してもよいし、特定の混合部に続いて２種類の精製装置を設置してもよいし、精製装置を設置しなくてもよい。そして、これらの精製装置は、通常のバッチ法で用いられている精製装置でもよい。
本発明においては、物質Ａおよび物質Ｂを出発物質としているが、Ａ溶液およびＢ溶液のいずれか、または両方は、別の物質製造装置から取り出した生成物溶液であってもよい。また、Ａ溶液およびＢ溶液のいずれかまたは両方は、精製装置を経由した、別の反応の目的生成物溶液であってもよい。
図９に、本発明の物質製造装置の一実施形態の模式図を示す。図９の物質製造装置は、シリンジ９０１、ポンプ９０２、シリンジ９０１と混合部１０５をつなぐチューブ９０３、混合部１０５の温度を制御するための恒温槽９０４、生成物溶液１０４を回収するための容器９０５、容器９０５と混合部１０５をつなぐチューブ９０６から構成されている。
ここで、ポンプ９０２は、シリンジ９０１内の溶液を混合部１０５に導入できるのであれば、例えば、シリンジポンプでもよく、手動でシリンジを押してもよい。また、溶液を混合部１０５に導入するための手段として、シリンジ９０１およびポンプ９０２を用いているが、溶液を混合部１０５に導入できるものであれば、プランジャーポンプを用いてもよく、ダイヤフラムポンプを用いてもよく、スクリューポンプを用いてもよく、水頭差を用いてもよい。
また、チューブ９０３とチューブ９０６は、反応に悪い影響を与えないものであれば、反応の種類に応じて適宜変更することができる。例えば、ステンレス、シリコン、ガラス、ハステロイおよびシリコーン樹脂などを用いてもよいし、グラスライニング、ステンレスやシリコンなどの表面にニッケルや金などのコーティングをしたもの、ならびにシリコンの表面を酸化させたものなど、耐食性を向上させたものを用いてもよい。
さらに、恒温槽９０４は、図１の温度制御装置１０６に対応するものであり、混合部１０５の温度を制御することができれば、必ずしも恒温槽である必要はない。また、図９の物質の製造装置では、物質の製造装置の立ち上げ時、実験条件の変更時、反応物の変更時、物質の製造装置の洗浄時などに、シリンジ９０１内、チューブ９０３内、混合部１０５内、チューブ９０６内の各溶液を廃液として回収する機構を有することもできる。例えば、チューブ９０３およびチューブ９０５の途中に三方弁を取り付け、所定の流量が流れたところで三方弁を切り替えることにより、廃液回収容器への送液に切り替えたり、廃液回収容器への送液を止めたりすることができる。
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明は、実施例により何ら限定されるものではない。
ベンゼン環の１位、３位、５位に置換基をもつ芳香族化合物Ｈ（３，５−ジメチルフェノール（３，５−キシレノール）の０．８ｍｏｌ／ｌ塩化メチレン溶液をＨ溶液とし、ハロゲン化剤Ｉ（臭素分子Ｂｒ２）の０．８ｍｏｌ／ｌ塩化メチレン溶液をＩ溶液とし、それらを混合させることにより、物質Ｈと物質Ｉの反応を行った。目的生成物は、物質Ｈと物質Ｉの一段目の反応で生成するモノブロム体であり、副生成物は、二段目の反応で生成するジブロム体である。上記反応をバッチ法による反応および本発明による反応で実施し、両者を比較した。
バッチ法による反応は、溶液Ｈを入れたビーカーを恒温槽に浸し、スターラーを用いて溶液Ｈを撹拌させながら、溶液Ｉをピペットを用いてビーカー内に滴下することにより行った。
本発明による反応は、図９の物質製造装置において、混合部１０５としてＩｎｓｔｉｔｕｔ ｆｕｒ Ｍｉｋｒｏｔｅｃｈｎｉｋ Ｍａｉｎｚ ＧｍｂＨのマイクロリアクタ（流路幅４０μｍ、Ｎｉｃｋｅｌ−ｏｎ−ｃｏｐｐｅｒ）を用い、ポンプ９０２としてｋｄＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｃ．のシリンジポンプＩＣ３０００を用いた物質製造装置を用いて行った。反応液の流量は３．３５ｍｌ／分とし、滞留時間を確保するために、容器９０５と混合部１０５をつなぐチューブの長さを１ｍとした。また、恒温槽９０４に、混合部１０５だけでなく、容器９０５と混合部１０５をつなぐチューブ９０６、およびシリンジ９０１と混合部１０５をつなぐチューブ９０３も入れることにより、反応が開始してから終了するまでの反応系の温度をより一定に保つようにした。
バッチ法による実験および本発明の物質製造装置による実験において、通常のバッチ法での反応温度である０℃で反応を行った。バッチ法による実験では、収率が５６％、見かけの反応速度定数の比ｋ１／ｋ２は１．９であった。本発明の物質製造装置による実験では、収率が７３％、ｋ１／ｋ２は６．５であった。
一方、同様の方法で、反応系の沸点が４０℃であることを考慮し、反応温度２０℃での反応を行ったところ、本発明の物質製造装置による実験では、ｋ１／ｋ２は２８であり、８６％の高収率となった。一方、バッチ法による実験では、０℃のときに比べて、収率およびｋ１／ｋ２の変化は全く見られなかった。
本発明の物質製造装置の概念図を示す。 物質Ａと物質Ｂの逐次反応の化学反応式を示す。 バッチ法による反応における、一段目の反応の見かけの反応速度定数ｋ１と二段目の反応の見かけの反応速度定数ｋ２の温度依存性を示す概念図である。 本発明による反応における、一段目の反応の見かけの反応速度定数ｋ１と二段目の反応の見かけの反応速度定数ｋ２の温度依存性を示す概念図である。 バッチ法による反応において、Ａ溶液の中にＢ溶液を滴下したときの反応の様子を示す概念図である。（ａ）Ａ溶液の中にＢ溶液を滴下したときの状態を示す概念図である。（ｂ）撹拌により、Ａ溶液内でＢ溶液が渦塊に分かれたときの状態を示す概念図である。（ｃ）界面における物質Ａと物質Ｂの反応の様子を示す概念図である。 微細流路において、Ａ溶液とＢ溶液を混合させたときの反応の様子を示す概念図である。（ａ）物質Ａと物質Ｂが相互に拡散していく様子を示す概念図である。（ｂ）物質Ａと物質Ｂの逐次反応の様子を示す概念図である。 微細流路において、Ａ溶液とＢ溶液を混合させたときの反応の様子を示す概念図である。（ａ）低温で物質の拡散が不十分であるときの状態を示す概念図である。（ｂ）高温で物質の拡散が十分であるときの状態を示す概念図である。 本発明の物質製造システムの一実施形態を示す概念図である。 本発明の物質製造装置の一実施形態を示す模式図である。
符号の説明
１０１：Ａ溶液
１０２：Ｂ溶液
１０３：微細流路
１０４：生成物溶液
１０５：混合部
１０６：温度制御装置
５０１：Ｂ溶液の液滴
５０２：Ｂ溶液の渦塊
５０３：目的生成物Ｐ１の層
５０４：副生成物Ｐ２の層
６０１：混合開始部
６０２：物質Ａ
６０３：物質Ｂ
６０４：目的生成物Ｐ１
６０５：副生成物Ｐ２
７０１：「真の」反応時間
７０２：拡散時間
８０１：Ｃ溶液
８０２：物質Ｃと物質Ｐ１の反応における生成物溶液
８０３：混合部
８０４：最終目的生成物
８０５：物質の精製装置
９０１：シリンジ
９０２：ポンプ
９０３：チューブ
９０４：恒温槽
９０５：容器
９０６：チューブ

Claims (19)

  1. 逐次反応をしうる物質Ａと物質Ｂとを反応させて一段目の反応の生成物を目的生成物として製造するための物質製造装置であって、
    微細流路、物質Ａを含む溶液を微細流路に導入するための流路および物質Ｂを含む溶液を微細流路に導入するための流路を含む混合部、ならびに微細流路内の反応系の温度を制御するための温度制御装置を備え、
    温度制御装置が微細流路内の反応系の温度を、物質Ａと物質Ｂの一段目の反応の見かけの反応速度定数ｋ１と二段目の反応の見かけの反応速度定数ｋ２との比ｋ１／ｋ２が０℃のときの３倍となる温度以上かつ反応系の沸点未満の温度領域になるように制御するものである、前記製造装置。
  2. 逐次反応をしうる物質Ａと物質Ｂとを反応させて一段目の反応の生成物を目的生成物として製造するための物質製造装置であって、
    微細流路、物質Ａを含む溶液を微細流路に導入するための流路および物質Ｂを含む溶液を微細流路に導入するための流路を含む混合部、ならびに微細流路内の反応系の温度を制御するための温度制御装置を備え、
    温度制御装置が微細流路内の反応系の温度を、物質Ａと物質Ｂの一段目の反応の見かけの反応速度定数ｋ１と二段目の反応の見かけの反応速度定数ｋ２との比ｋ１／ｋ２が１０となる温度以上かつ反応系の沸点未満の温度領域になるように制御するものである、前記製造装置。
  3. 逐次反応をしうる物質Ａと物質Ｂとを反応させて一段目の反応の生成物を目的生成物として製造するための物質製造装置であって、
    微細流路、物質Ａを含む溶液を微細流路に導入するための流路および物質Ｂを含む溶液を微細流路に導入するための流路を含む混合部、ならびに微細流路内の反応系の温度を制御するための温度制御装置を備え、
    温度制御装置が微細流路内の反応系の温度を、反応系の沸点より３０℃低い温度以上かつ反応系の沸点未満の温度領域になるように制御するものである、前記製造装置。
  4. 以下の機構で反応しうる物質Ａおよび物質Ｂを反応させて物質Ｐ１を目的生成物として製造するための、請求項１〜３のいずれか１項記載の製造装置：
    Figure 2006255522
     （式中、ＡおよびＢは出発物質を表し、Ｐ１は目的生成物を表し、Ｘ、ＹおよびＰ２は副生成物を表し、ＸおよびＹは生成してもしなくてもよく、ｋ１は一段目の反応の見かけの反応速度定数を表し、ｋ２は二段目の反応の見かけの反応速度定数を表す）。
  5. 微細流路に導入される物質Ｂの当量が、微細流路に導入される物質Ａの当量に対して同当量以下となるよう構成されている、請求項４記載の製造装置。
  6. 微細流路の流路幅が１ｍｍ以下である、請求項１〜５のいずれか１項記載の製造装置。
  7. 温度制御装置が、物質Ａと物質Ｂとの反応が開始してから終了するまで微細流路内の反応系の温度を一定の温度に制御するものである、請求項１〜６のいずれか１項記載の製造装置。
  8. 物質Ａと物質Ｂとの反応が置換反応である、請求項１〜７のいずれか１項記載の製造装置。
  9. 物質Ａと物質Ｂとの反応が発熱反応である、請求項１〜８のいずれか１項記載の製造装置。
  10. 請求項１〜９のいずれか１項記載の製造装置を含む、製造装置システム。
  11. 逐次反応をしうる物質Ａと物質Ｂとを反応させて一段目の反応の生成物を目的生成物として製造する方法であって、
    物質Ａおよび物質Ｂを、微細流路において、物質Ａと物質Ｂの一段目の反応の見かけの反応速度定数ｋ１と二段目の反応の見かけの反応速度定数ｋ２との比ｋ１／ｋ２が０℃のときの３倍となる温度以上かつ反応系の沸点未満の温度で反応させることを含む、前記方法。
  12. 逐次反応をしうる物質Ａと物質Ｂとを反応させて一段目の反応の生成物を目的生成物として製造する方法であって、
    物質Ａおよび物質Ｂを、微細流路において、物質Ａと物質Ｂの一段目の反応の見かけの反応速度定数ｋ１と二段目の反応の見かけの反応速度定数ｋ２との比ｋ１／ｋ２が１０となる温度以上かつ反応系の沸点未満の温度で反応させることを含む、前記方法。
  13. 逐次反応をしうる物質Ａと物質Ｂとを反応させて一段目の反応の生成物を目的生成物として製造する方法であって、
    物質Ａおよび物質Ｂを、微細流路において、反応系の沸点より３０℃低い温度以上かつ反応系の沸点未満の温度で反応させることを含む、前記方法。
  14. 物質Ａおよび物質Ｂが以下の機構で反応し、物質Ｐ１を目的生成物として製造する、請求項１１〜１３のいずれか１項記載の方法：
    Figure 2006255522
     （式中、ＡおよびＢは出発物質を表し、Ｐ１は目的生成物を表し、Ｘ、ＹおよびＰ２は副生成物を表し、ＸおよびＹは生成してもしなくてもよく、ｋ１は一段目の反応の見かけの反応速度定数を表し、ｋ２は二段目の反応の見かけの反応速度定数を表す）。
  15. 物質Ｂの当量が物質Ａの当量に対して同当量以下となる条件で反応させる、請求項１４記載の方法。
  16. 微細流路の流路幅が１ｍｍ以下である、請求項１１〜１５のいずれか１項記載の方法。
  17. 物質Ａと物質Ｂを、反応が開始してから終了するまで一定の温度で反応させる、請求項１１〜１６のいずれか１項記載の方法。
  18. 物質Ａと物質Ｂとの反応が置換反応である、請求項１１〜１７のいずれか１項記載の方法。
  19. 物質Ａと物質Ｂとの反応が発熱反応である、請求項１１〜１８のいずれか１項記載の方法。
JP2005073422A 2005-03-15 2005-03-15 物質の製造装置および製造方法 Pending JP2006255522A (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005073422A JP2006255522A (ja) 2005-03-15 2005-03-15 物質の製造装置および製造方法
EP06005338A EP1702676A1 (en) 2005-03-15 2006-03-15 Device and method for manufacturing substances
US11/375,114 US20060210444A1 (en) 2005-03-15 2006-03-15 Equipment and method for manufacturing substances

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005073422A JP2006255522A (ja) 2005-03-15 2005-03-15 物質の製造装置および製造方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2006255522A true JP2006255522A (ja) 2006-09-28

Family

ID=36540222

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2005073422A Pending JP2006255522A (ja) 2005-03-15 2005-03-15 物質の製造装置および製造方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20060210444A1 (ja)
EP (1) EP1702676A1 (ja)
JP (1) JP2006255522A (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010030940A (ja) * 2008-07-28 2010-02-12 Shiseido Co Ltd ４−メトキシサリチル酸の合成方法
JP2010172850A (ja) * 2009-01-30 2010-08-12 Nokodai Tlo Kk マクロチップデバイス

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120019444A (ko) * 2009-05-14 2012-03-06 가부시키가이샤 히타치플랜트테크놀로지 마이크로 리액터 시스템
CN111250012A (zh) * 2020-03-11 2020-06-09 宁夏倬昱新材料科技有限公司 一种连续流微通道反应器及其制备咪唑的方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5580523A (en) * 1994-04-01 1996-12-03 Bard; Allen J. Integrated chemical synthesizers
US5589136A (en) * 1995-06-20 1996-12-31 Regents Of The University Of California Silicon-based sleeve devices for chemical reactions
GB9723260D0 (en) * 1997-11-05 1998-01-07 British Nuclear Fuels Plc A method of performing a chemical reaction
DE10106953B4 (de) * 2001-02-15 2006-07-06 Cognis Ip Management Gmbh Mikroreaktoren
US7010391B2 (en) * 2001-03-28 2006-03-07 Handylab, Inc. Methods and systems for control of microfluidic devices
DE10321472B4 (de) * 2003-05-13 2005-05-12 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Fluidik-Modul, Verfahren zu seiner Herstellung und Verfahren zum Betreiben eines Fluidik-Moduls

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010030940A (ja) * 2008-07-28 2010-02-12 Shiseido Co Ltd ４−メトキシサリチル酸の合成方法
JP2010172850A (ja) * 2009-01-30 2010-08-12 Nokodai Tlo Kk マクロチップデバイス

Also Published As

Publication number Publication date
EP1702676A1 (en) 2006-09-20
US20060210444A1 (en) 2006-09-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Watts et al. Recent advances in synthetic micro reaction technology
Hessel et al. Gas− liquid and gas− liquid− solid microstructured reactors: contacting principles and applications
Burns et al. The intensification of rapid reactions in multiphase systems using slug flow in capillaries
US7507387B2 (en) Microreactor
Tadepalli et al. Catalytic hydrogenation of o-nitroanisole in a microreactor: Reactor performance and kinetic studies
KR101211752B1 (ko) 혼합 및 압력 강하를 최적화하는 미세구조 설계
Ufer et al. Liquid/liquid slug flow capillary microreactor
US20100216964A1 (en) Method for producing aryl-aryl coupled compounds
Hessel et al. Review on patents in microreactor and micro process engineering
Watts et al. Micro reactors, flow reactors and continuous flow synthesis
JP4449997B2 (ja) マイクロリアクタシステム
TWI748026B (zh) 用於製備氧化胺的方法
JP2005507309A (ja) 微細加工された化学反応器
KR19990029996A (ko) 과산화물 산화제를 사용한 유기 화합물의 액상 산화 방법 및장치
Roydhouse et al. Ozonolysis in flow using capillary reactors
JP2006255522A (ja) 物質の製造装置および製造方法
Chen et al. A simple and efficient synthesis protocol for sulfonation of nitrobenzene under solvent-free conditions via a microreactor
JP2011504221A (ja) マイクロ流体の自励発振ミキサおよび装置ならびにその使用方法
Russo et al. Heterogeneous benzaldehyde nitration in batch and continuous flow microreactor
JP2010531880A (ja) アルファ、ベータ−不飽和カルボニルハロゲン化物を形成するプロセス
EP2206550B1 (en) Microreactor and liquid phase chemical reaction method using the microreactor
Hu et al. Development of an automated multi-stage continuous reactive crystallization system with in-line PATs for high viscosity process
CN211725714U (zh) 一种制备二叔丁基过氧化物的高通量微反应设备
US8632729B2 (en) Fixed bed mixed gas/liquid phase reactor and mixed gas/liquid phase reaction process using the same
JP2007326063A (ja) マイクロ化学反応装置

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20060620

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20060821

A975 Report on accelerated examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971005

Effective date: 20060613

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20061024

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20061220

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20070306