JP2011506072A - 誘導的に加熱された熱媒体を用いて化学反応を行う方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、リアクター内で、少なくとも１つの第１反応性物質を含む反応媒体を加熱し、第１反応性物質中、または第１と第２の反応性物質の間で化学結合を形成または修飾することにより目的化合物を製造するための化学反応を行う方法に関する。リアクター内に存在し反応媒体により囲まれた、電磁誘導により温めることのできる固形熱媒体と反応媒体を接触させる。該熱媒体は、誘導子を用いて電磁誘導により加熱され、第１反応性物質から、または第１と第２反応性物質から目的結合を形成する。該目的結合は熱媒体から分離される。

Description

本発明は化学合成の分野に属し、誘導的に加熱された熱媒体を用いて化学反応を行う方法に関する。
熱的に誘導される化学反応を行うため、反応性物質を加熱するための様々な技術が知られている。熱伝導による加熱が、最も広く使用されている。ここで、反応性物質はリアクター内に存在し、リアクター壁自身が加熱するか、例えば、加熱コイルまたは熱伝導パイプあるいは伝熱板のような熱交換素子がリアクター内に取り付けられている。第１に反応物質をゆっくりと加熱し、第２に入熱を急速に抑制することができないため、または冷却により補うことさえできないため、この方法は、比較的ゆっくりとしている。これに代わるものとして、反応性物質自体への、または反応性物質を含む媒体へのマイクロ波照射による反応性物質の加熱が存在する。しかしながら、マイクロ波発振器は、技術的にコストがかかり、かつ、放射能漏れに対する危険が存在するように相当な安全性リスクを示す。
これに対して、本発明は、反応媒体を電磁誘導により加熱し得る熱媒体と接触させることにより加熱し、誘導子を用いて電磁誘導により「外部から」加熱する方法を提供する。
誘導的加熱の方法は、しばらくの間工業的に使用されていた。最もよく行われる応用は、合金の溶解、硬化、焼結および熱処理である。一方、構成要素の接着、収縮または結合のような方法もこの加熱技術の既知の応用である。
生体分子を誘導的に加熱可能な磁性粒子の表面上に結合させる、生体分子の分離および分析方法が、独国特許出願ＤＥ１９８００２９４から既知である。該文献は、以下のことを言及する：
「操作の原理は、機能的ポリマー基質の表面に吸着的または共有的に結合する生体分子にあり、誘導的に加熱可能な磁性コロイドまたは微分散磁性粒子はカプセル化され、前記生体分子は、補完的親和性原理に従って、例えばＤＮＡ／ＲＮＡ配列、抗体、抗原、タンパク質、細胞、バクテリア、ウイルスまたは真菌胞子のような検体に結合する能力がある。検体を基質に結合させた後、磁性粒子を高周波交番磁場において、好ましくは、分析、診断および治療に適切な４０〜１２０℃の温度まで加熱する。」さらに、該文献は、この方法において使用し得る洗浄システムおよび高周波発生器の技術的設計について論じている。このように、この引用文献は、複雑な生物系または生体分子の分析用の誘導的に加熱可能な粒子の使用を記載する。
ＤＥ１０２００５０５１６３７は、微細構造のリアクターを有するリアクター系ならびにそのようなリアクター内で化学反応を行う方法を記載する。ここで、該リアクターは電磁誘導により加熱される。反応媒体への伝熱は、加熱されたリアクター壁を介して起こる。このことは一方で反応媒体を加熱するために使用し得る表面積を制限する。他方で、反応媒体と直接接触しないリアクターの一部も加熱する必要がある。
ＵＳ５，１１０，９９６は、加熱したリアクター内におけるジクロロフルオロメタンとメタンとの気相反応によるフッ化ビニリデンの生成方法を記載する。該リアクターは、非金属フィラーにより満たされている。電磁誘導により外部から加熱される金属外殻が、このフィラーを含む反応室を取り囲んでいる。したがって、反応室自身は、フィラーが放射熱および／または熱伝導により徐々に加熱されることにより外部から加熱される。金属製のリアクター壁が誘導コイルから電磁場を遮断し、このフィラーが導電性の場合、反応性物質により循環するフィラーの直接的な加熱は起こらない。
ＷＯ９５／２１１２６は、アンモニアと炭化水素から、金属触媒を用いてシアン化水素を生成する気相法を開示する。反応性物質が触媒の周りを循環するよう、触媒は反応室内部に存在する。０．５〜３０ＭＨｚの周波数（すなわち、高周波交番磁場）で電磁誘導により外部から加熱する。これに関して、該文献は、通常、約０．１〜０．２ＭＨｚの範囲の周波数で誘導加熱が行われることの記載を含む先行引用文献ＵＳ５，１１０，９９６を引用している。しかしながら、この記載は引用されたＵＳ５，１１０，９９６に含まれず、何を参照しているかは不明である。
ＷＯ００／３８８３１は、吸着材の温度が電磁誘導により調節される調節された吸着および脱着方法に関する。
独国特許出願公開第１９８００２９４号明細書 独国特許出願公開第１０２００５０５１６３７号明細書 米国特許第５，１１０，９９６号明細書 国際公開第９５／２１１２６号パンフレット 国際公開第００／３８８３１号パンフレット
本発明の課題は、リアクター内で、少なくとも１つの第１反応性物質を含む反応媒体を加熱し、第１反応性物質の中に、または第１と第２の反応性物質との間で化学結合を形成または修飾することにより目的化合物を製造する化学反応を行う方法であって、電磁誘導により加熱することができ、かつリアクターの内側にあり反応媒体により囲まれている固形熱媒体と反応媒体を接触させ、前記熱媒体を誘導子を用いた電磁誘導により加熱し、目的化合物を第１反応性物質からまたは第１反応性物質と第２反応性物質とから形成し、前記目的化合物を熱媒体から分離する方法である。
したがって、化学反応は、少なくとも１つの第１反応性物質を含む反応媒体を加熱することにより行われる。これは、反応媒体（例えば液体）が反応に関与するもの自身であることにより反応性物質であるという可能性を含む。したがって、反応媒体全体が１つの反応性物質からなり得る。さらに、反応性物質は、反応媒体中で溶解または分解されてもよく、反応媒体は自身を不活性化し得るか、または反応性物質の一部となり得る。あるいは、１つ、２つまたはそれ以上の反応性物質が、化学反応により自身は変化しない反応媒体中で溶解または分解される。
反応媒体が単一反応性物質または複合反応性物質からなり得ることに関して、反応性分子は互いに反応し、または化学結合系の修飾が反応性物質自身の個々の分子において行われ得る。いずれの場合にも、反応性物質は化学修飾される。しかしながら、一般的な場合、反応には２つ以上の反応性物質が互いに関与し、個々の反応性物質中および／または個々の反応性物質間で化学結合が転位されるか形成される。
固形熱媒体は、反応媒体により囲まれている。これは、例えば、熱媒体が粒子、フィリング（Filings）、ワイヤ、ガーゼ、ウール、充填材等の形態で存在している場合、辺縁部と離れて固形熱媒体が反応媒体中に存在することを意味し得る。しかしながら、例えば、後者が１つ以上の膜、パイプの束、巻き上げられた金属箔、フリット、多孔性充填材または発泡体からなる場合、反応媒体が熱媒体の中の多くの空洞を通して熱媒体中を流れることも意味し得る。この場合、その表面の大部分（９０％以上）が反応媒体と接触したままであり、熱媒体は原則的に反応媒体により取り囲まれている。これに対して、外壁が電磁誘導により加熱され、内部のリアクター表面のみが反応媒体と接触するリアクターが存在する（例えばＵＳ５，１１０，９９６において引用される）。
リアクターの壁は、誘導子により生じる交流電磁場を遮断することも吸収することもない材料からできていることにより、それ自体は加熱されない。したがって、金属は不適当である。例えば、プラスチック、ガラスまたはセラミック（例えば炭化ケイ素または窒化ケイ素）からなり得る。高温（５００〜６００℃）および／または圧力下が、反応に特に適当であることを最後に述べる。
上述した方法は、化学反応を行うための熱エネルギーが、例えばリアクター壁、加熱コイル、伝熱板などの表面を介して反応媒体にもたらされず、リアクター容量において直接生成されるという利点を有する。この場合、反応媒体の容量に対する加熱表面の比は、例えば、著論のＤＥ１０２００５０５１６３７で引用されるケースのように伝熱面を介する加熱に対するものよりかなり大きい。さらに、熱出力に対する電流の効率度が改善される。誘導子のスイッチを入れることにより、非常に高い表面を介して反応媒体と接触したまま固形熱媒体全体で熱が生じる。非常に速く誘導子のスイッチを切ることは、さらなる熱入力を抑える。これは、非常に的を絞った反応調整を可能とする。
目的化合物が形成された後、該化合物を熱媒体から分離する。最良の場合において、目的化合物は純粋な形（すなわち、溶媒を含まず、通常の不純物しか含まない）で分離される。しかしながら、目的化合物を反応性物質との混合物または反応混合物の溶液として熱媒体から分離し、その後所望するとおりに、さらなるワークアップにより分離するか他の溶媒中に移すこともできる。したがって、さらなる工程においてこれらを使用することができるため、該プロセスは目的化合物の予備製造に適当である。
これに対して、同様に化学反応が熱媒体の電磁誘導により実際に開始される方法があるが、該反応は、反応終了後熱媒体から分離される目的化合物の製造には役立たない。この実例は樹脂系の硬化であり、該硬化反応は、樹脂系中に分散し、電磁誘導により加熱される粒子上で開始する。このような場合、粒子は硬化した樹脂系中に残存し、規定する目的化合物は単離されない。同様のことは逆の場合でも真実であり、粘着剤は、粘着基質に存在する粒子を誘導的に加熱することにより再びはがれる。この場合において化学反応を実際に起こすことはできるが、目的化合物は単離されない。
熱媒体は、交流電場の作用により加熱される導電性材料からなる。好ましくは、体積に対して非常に高い表面比率を有する材料から選択される。例えば、熱媒体は、導電性フィリング、ワイヤ、メッシュ、ウール、膜、多孔性フリット、パイプ束（３本以上のパイプ）、巻き上げられた金属箔、顆粒またはペレットなどの充填材、ラシヒリングおよび、特に、好ましくは１ｍｍまでの平均直径を有する粒子からそれぞれの場合において選択される。例えば、静的ミキサー用に使用されるような混合金属素子を熱媒体として使用できる。電磁誘導により加熱され得るため、熱媒体は導電性、例えば金属性（反磁性であり得る）であり、または磁場による反磁性に相互作用の強化を示し、特に強磁性体、フェリ磁性体、常磁性体または超常磁性体である。これに関して、熱媒体が有機性または無機性であるかどうか、あるいは無機成分ならびに有機成分を含んでいるかどうかは重要ではない。
好ましい実施態様において、熱媒体は、導電性および／または磁化性固体の粒子から選択され、該粒子の平均粒径は１〜１０００ｎｍ、特に１０〜５００ｎｍである。平均粒径および必要な場合平均粒度分布は、例えば光散乱により測定し得る。磁性粒子は、好ましくは、例えば、可能である最も低い残留磁性を示す強磁性体または超常磁性体粒子から選択される。このことには、粒子が互いに接着しないという利点がある。磁性粒子は、ナノスケールの強磁性粒子が分散した「磁性流体（ferrofluid）」、すなわち液体の形で存在し得る。この磁性流体の液相は反応媒体として機能し得る。
所望の特性を示す磁化性粒子、特に強磁性粒子は、先行技術から既知であり、また市販されている。市販の磁性流体を挙げ得る。本発明において使用し得る磁性ナノ粒子の製造例は、Lu, SalabasおよびSchuethによる論文:「Magnetische nano-Partikel: Synthese, Stabilisierung, Funktionalisierung und Anwendung」、Angew. Chem. 2007年、119、第 1242〜1266頁に見出すことができる。
異なる成分および相を含む適当なナノ粒子は既知である。以下の例を挙げ得る：Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉのような純金属、Ｆｅ３Ｏ４およびγ−Ｆｅ２Ｏ３のような酸化物、ＭｇＦｅ２Ｏ４、ＭｎＦｅ２Ｏ４およびＣｏＦｅ２Ｏ４のようなスピネル型強磁性体、ならびにＣｏＰｔ３およびＦｅＰｔのような合金。磁性ナノ粒子は、均質構造の粒子であるか、またはコアシェル構造を有する粒子であってよい。コアシェル構造を有する粒子である場合、コア（核）とシェル（殻）は、異なる強磁性体からなっていてよく、または反強磁性物質からなっていてもよい。しかしながら、例えば強磁性体、反強磁性体、常磁性体または超常磁性体であり得る磁化性コアが非磁性物質により囲まれている実施態様もあり得る。例えば有機ポリマーはこの物質を意味し得る。あるいは、シェルは、例えばシリカまたはＳｉＯ２のような無機物からなる。このタイプのコーティングは、反応媒体または反応性物質と磁性粒子自身の物質との化学的相互作用を防止し得る。さらに、シェル物質は、機能的な構成要素と相互作用する磁化性コア物質なしに表面修飾され得る。これに関して、コア物質の多くの粒子がこのタイプのシェルとともに含まれ得る。
超常磁性物質のナノスケール粒子は、例えば熱媒体として使用することができ、アルミニウム、コバルト、鉄、ニッケルまたはそれらの合金、ｎ−磁赤鉄鉱（γ−Ｆｅ２Ｏ３）、ｎ−磁鉄鉱（Ｆｅ３Ｏ４）型の金属酸化物またはＭｅＦｅ２Ｏ４〔式中、Ｍｅは、マンガン、銅、亜鉛、コバルト、ニッケル、マグネシウム、カルシウムまたはカドミウムから選択される２価の金属である。〕型のフェライトから選択される。好ましくは、これらの平均粒径は、１００ｎｍ未満、好ましくは５１ｎｍ以下、特に好ましくは３０ｎｍ未満である。
典型的な好適物質は、Ｅｖｏｎｉｋ（以前はＤｅｇｕｓｓａ）からＭａｇＳｉｌｉｃａ（登録商標）の名称のもと入手可能である。この物質において、５〜３０ｎｍの粒径を有する酸化鉄粒子は、非晶質シリカマトリックスに組み込まれる。このような酸化鉄−二酸化ケイ素複合粒子が特に適当である（これらは独国特許出願ＤＥ１０１４００８９により詳細に記載されている）。
これらの粒子は、３〜２０ｎｍの直径を有する超常磁性酸化鉄ドメインを含み得る。これは、互いに空間的に離れている超常磁性領域を意味すると理解される。酸化鉄は、単一修飾または様々な修飾においてこれらのドメイン内に存在する。特に好ましい超常磁性酸化鉄ドメインは、γ−Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４およびそれらの混合物である。
これらの粒子の超常磁性酸化鉄の含量は、１〜９９．６重量％であり得る。個々のドメインは、互いに離れており、および／または、非磁化性二酸化ケイ素マトリックスにより囲まれている。超常磁性酸化鉄ドメイン含量を含む領域は、好ましくは３０重量％より多く、特に好ましくは５０重量％より多い。本発明の達成可能な磁性効果も超常磁性領域の含量により増加する。二酸化ケイ素マトリックスは、超常磁性酸化鉄ドメインの空間的隔離を切り離すことに加えてドメインの酸化レベルを安定化させる。したがって、例えば磁鉄鉱は、二酸化ケイ素マトリックスにより超常磁性酸化鉄相として安定化される。これらと、本発明に特に適当なこれらの粒子のさらなる特性は、ＤＥ１０１４００８９およびＷＯ０３／０４２３１５に詳細に記載されている。
さらに、例えばＷＯ０３／０５４１０２から既知のこれらのナノスケールフェライトを熱媒体として使用し得る。これらのフェライトは、組成物（Ｍａ １−ｘ−ｙＭｂ ｘＦｅII ｙ）ＦｅIII ２Ｏ４〔式中、Ｍａは、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｕ、Ｚｎ、ＹおよびＶから選択され、ＭｂはＺｎおよびＣｄから選択され、ｘは０．０５〜０．９５、好ましくは０．０１〜０．８であり、ｙは０〜０．９５であり、ｘとｙの合計は最大１である。〕を有する。
電磁誘導により加熱され得る粒子は、いかなる他の添加剤をも含まない熱媒体を意味し得る。しかしながら、電磁誘導により加熱し得る粒子と電磁誘導により加熱することのできない他の粒子とを混合することもできる。例えば、砂を使用し得る。したがって、誘導的に加熱し得る粒子を、誘導的に加熱し得ない粒子で希釈することができる。これにより温度調整を改善することができる。他の実施態様において、誘導的に加熱可能な粒子を、実行する化学反応に対して触媒的特性を有するかまたは他の方法で化学反応に加わる誘導的に加熱し得ない粒子と混合し得る。その結果、これらの粒子を、電磁誘導により直接加熱するのではなく、加熱可能な粒子と接触させることにより、または反応媒体からの伝熱により間接的に加熱する。
ナノスケールの電磁誘導的に加熱可能な粒子を、誘導的に加熱し得ないより粗い粒子と混合する場合、熱媒体の充填密度を下げることができる。これは、熱媒体の充填材中を反応媒体が流れる実施態様において、フロー型リアクターにおける圧力低下の望ましい減少を生じ得る。
固形熱媒体は、所望の化学反応に対して触媒的に活性化される物質で表面被覆されていてよい。例えば、これらは、酵素活性を有する有機分子または生体分子であり得る。この場合、これらの分子の酵素活性が喪失してしまうため、熱媒体を強く加熱しすぎないことに注意すべきである。
特に、誘導的に加熱可能な熱媒体を、触媒活性が知られている金属原子または金属化合物により被覆することができる。例えば、金属原子または金属化合物は、ランタニド系列、特にＳｍまたはＣｅ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉまたは貴金属、好ましくはプラチナ金属および特にＰｔまたはＰｄの原子または化合物であり得る。
二酸化ケイ素マトリックスまたはシリカマトリックスにおいて磁性ドメインを含む粒子、例えば、上述したような酸化鉄および二酸化ケイ素の複合粒子は、触媒活性原子または化合物によるコーティングに特に適当である。二酸化ケイ素殻は、ＷＯ０３／０４２３１５により詳細に記載されるように、反応性ＯＨ基を有し、その反応性を、粒子表面に触媒活性物質を固定するために使用し得る。このいくつかの例は、実施例に存在する。
原則として、化学反応は、連続式またはバッチ式方法で行い得る。化学反応をバッチ式で行う場合、反応媒体および誘導的に加熱される固形熱媒体は、反応の間、互いに動き合うことが好ましい。これは、微粒子の熱媒体を使用する場合、特に、反応混合物と熱媒体を攪拌することによりまたは反応媒体中で熱媒体を旋回させることにより達成し得る。例えば、糸状に成形された熱媒体でメッシュやウールを使用する場合には、反応媒体および熱媒体を含む反応容器を振動させることができる。
バッチ式反応の好ましい実施態様は、反応容器中に熱媒体の粒子とともに存在する反応媒体からなり、反応媒体中に配置された可動素子を用いて移動させる。該可動素子は、熱媒体の粒子を電磁誘導により加熱するため誘導子として配置される。その結果、この実施態様において誘導子は反応媒体内に見出される。可動素子は、例えば攪拌器として、または前後に動くプランジャーとして設計することができる。
化学反応の間、リアクターを外部から冷却するための準備を行い得る。これは、特に、上述するように誘導子が反応媒体に浸っている場合にバッチ式で可能である。その結果、リアクターへの交流電磁場の供給は冷却装置により妨げられない。
リアクターは冷却コイルまたは熱交換器により内部から、好ましくは外部から冷却することができる。必要な場合には、予備冷却した水または、例えば０℃以下の温度の冷却剤を冷却のために使用し得る。このタイプの冷却剤の例は、氷塩混合物（ice-table salt mixtures）、メタノール／ドライアイスまたは液体窒素である。冷却は、リアクター壁と誘導的に加熱された熱媒体との間で温度勾配を生じる。これは、例えば、メタノール／ドライアイスまたは液体窒素のような０℃よりかなり低い温度の冷却剤を使用した場合に特に顕著である。誘導的に加熱された熱媒体により加熱される反応媒体は、その結果外部から再び冷却される。この場合、反応性物質の化学反応は、熱媒体と接しているか少なくともすぐ近接している場合にのみ起こる。反応媒体の熱媒体に対する相対運動により、反応中に形成された生成物は反応媒体の冷却域に急速に達し、それによりその後の熱反応が抑制される。このように、反応性物質の複数の可能な反応経路が存在する場合、所望の反応経路を速度論的に選択することができる。
別の実施態様において、化学反応は、少なくとも部分的に固形熱媒体が充填され、それにより電磁誘導により加熱され得る少なくとも１つの加熱領域を有するフロー型リアクターにおいて連続式で行われる。そこでは、反応媒体がフロー型リアクター内を連続的に流れ、誘導子はリアクターの外部に配置されている。ここで、例えば、熱媒体が粒子、フィリング、ワイヤ、メッシュ、ウール、充填剤などの形態である場合、反応媒体は熱媒体を回って流れる。あるいは、熱媒体が、例えば１つまたは複数の膜、フリット、多孔性充填剤または発泡体からなる場合には、反応媒体は熱媒体の複数の空洞を通って熱媒体中を流れる。
フロー型リアクターが、管型リアクターとして好ましく考案される。この場合、誘導子はリアクターの全体または少なくとも一部を囲み得る。その結果、誘導子により発生する交流電磁場は、リアクター内の全ての側面からまたは少なくとも複数の場所から供給される。
ここで、「連続式」は、反応媒体の流れが中断する前に、少なくとも、リアクター自身の内部量と比較して大きい反応媒体の総量がリアクター内を流れるような間に、反応媒体がリアクター内を流れる、通常の反応形式を意味すると理解される。文中の「大きい」は、「少なくとも２倍大きい」を意味する。当然、このタイプの連続操作反応にも始めと終わりがある。
フロー型リアクターにおけるこの連続式方法は、リアクターに複数の加熱領域を設けることを可能にする。例えば異なる加熱領域を別々に加熱し得る。このことは、フロー型リアクターにおいて異なる熱媒体の配置やリアクターに沿って別々に取り付けられた誘導子をもたらすことになり得る。
少なくとも２つの加熱領域の使用は、フロー型リアクターが第１および第２加熱領域を有し、反応媒体の流れる方向にある第１加熱領域が触媒活性物質を有する熱媒体を含まず、反応媒体の流れる方向にある第２加熱領域が触媒活性物質を有する熱媒体を含む、特定の実施態様を構成する。別の実施態様においては、触媒活性熱媒体または非触媒活性熱媒体に対して、逆の配置が選択される。これにより、触媒活性反応工程の前または後で、さらに非触媒的に開始される反応工程を行うことができる。
溶剤または反応媒体を、反応において熱媒体と接触させる前に、従来法によりはじめに予備加熱してもよい。
必要な場合には、冷却領域（例えばリアクターの周りの冷却ジャケット）を、（最後の）加熱領域の後に備えることができる。
さらに、加熱領域を離れた後、反応媒体を、副生成物や不純物を取り除く吸着物質と接触させることができる。例えば、それは、加熱領域を離れた後の反応媒体を流す分子篩であってもよい。このようにして、製造直後に生成物を精製することができる。
化学反応速度に応じて、少なくとも部分的に、固形熱媒体を流れた反応媒体を再び固形熱媒体中へ戻して再利用することにより、生成収率を任意に増加することができる。このようにして、不純物、副生成物または所望の主要生成物さえも、固形熱媒体をそれぞれ通過後、反応媒体から取り除くことができる。例えば、吸収物質での吸収、膜処理を介した分離、冷却による沈殿または蒸留による分離などの様々な既知の分離方法がこれに適している。これにより、最終的に反応性物質の完全な変換の達成が可能となる。これは、反応生成物を分離することなく化学反応が平衡状態へすすむだけの場合にもいえる。
誘導的に加熱された熱媒体と反応媒体との必須総接触時間は、各化学反応の反応速度論に応じて選択する必要がある。所望の化学反応が遅いほど、接触時間は長くなる。この時間はそれぞれ個々に実験的に調節されなければならない。参考として、反応媒体は、目的化合物を分離する前の反応媒体と誘導的に加熱された熱媒体との総接触時間が１秒〜２時間の範囲になるような速度で、好ましくは一度または複数回、フロー型リアクターを流れる。より短い接触時間も考えられるが、調節はより困難である。特にゆっくりとした化学反応に対しては、より長い接触時間が必要とされ得るが、該方法の経済性はだんだんと悪化する。
反応をバッチ式で行うかフロー型リアクターにおいて連続式で行うかに関係なく、リアクターを圧力リアクターとすることができ、化学反応を大気圧より高い圧力下（好ましくは少なくとも１．５ｂａｒ）で行う。産物形成（目的化合物の形成）が減容に関連している場合、このようにして生成収率を増加させることができることは既知である。２つ以上の可能な反応において、大きな容積減少をもたらす特定の生成物の形成が好まれ得る。
本発明の方法は、好ましくはリアクター内の反応媒体が、一連の反応条件下（特に温度および圧力）で液体であるような方法で行われる。これは通常、リアクター容積に基づいて、時間とともに、気相反応より良好な容積／収率を可能にする。
熱媒体の性質および誘導子の構造が、反応媒体を加熱できるような方法で互いに適合していなければならないことはいうまでもない。このための重要変数は、第１に誘導子の定格出力（ワット）と誘導子により発生する交番磁場の周波数である。原則として、誘導的に加熱される熱媒体の質量が大きいほど選択される出力はより高くなる。実際には、達成可能な出力は、主に、誘導子を供給するのに必要な発生器を冷却する能力により制限される。
特に好ましい誘導子は、約１〜約１００ｋＨｚの範囲の、好ましくは１０〜８０ｋＨｚの、特に好ましくは約１０〜約３０ｋＨｚの範囲の周波数の交番磁場を生じる。このタイプの誘導子は、関連する発生器とともに市販されている（例えば、イスマニング（ドイツ）のＩＦＦ ＧｍｂＨ製）。
したがって、誘導加熱は、好ましくは中波域の交番磁場により行われる。これは、より高い周波による励起、例えば高周波域（０．５、特に１ＭＨｚ以上の周波数）の交番磁場による励起に比べて、熱媒体に入力するエネルギーをより良好に調節し得るという利点を有する。このことは、反応条件下で反応媒体が液体である場合に特にいえる。したがって、本発明において好ましくは、反応媒体は液体であり、上述した中波域の交番磁場を発生する誘導子を使用する。これは、経済的でよりよく調節された方法を可能とする。
本発明の方法の特定の実施態様において、熱媒体は強磁性であり、約４０℃〜約２５０℃のキュリー温度を示し、かつ、キュリー温度が選択された反応温度と２０℃以上、好ましくは１０℃以上異ならないように熱媒体が選択される。これは、意図しない過熱に対して特有の保護を可能とする。熱媒体を、そのキュリー温度まで電磁誘導により加熱することができる；交流電磁場によりこの温度以上には加熱されない。誘導子の誤動作によってでさえも、反応媒体の温度が、熱媒体のキュリー温度よりかなり上の温度へ意図せぬ上昇をすることはできない。熱媒体の温度がそのキュリー温度を下回るならば、電磁誘導により再び加熱する。これは、キュリー温度域における熱媒体の温度の自動調整を導く。
本発明の方法は、熱的誘導反応を行うのに特に適している。熱媒体を破壊し得る反応条件（例えばｐＨなど）や反応物質（educt）が選択されない限り、原則として、可能な反応タイプに制限はない。例えば、２つの炭素原子間の、または炭素原子と原子Ｘ〔Ｘは、Ｈ、Ｂ、Ｏ、Ｎ、Ｓ、Ｐ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉおよびハロゲンから選択される〕との間で、少なくとも１つの化学結合を形成し、開裂し、または転位させる化学反応を行い得る。また、反応は、例えば付加環化反応やディールス−アルダー反応において生じるような化学結合の転位にも関与し得る。例えば、熱的誘導反応は、少なくとも１つの下記反応タイプに対応し得る：酸化、還元（水素化を含む）、断片化、二重結合または三重結合の付加（付加環化反応およびディールス−アルダー反応を含む）、置換（ＳＮ１またはＳＮ２基）、特に芳香族置換、除去、転位、架橋結合、複分解反応、複素環の形成、エーテル生成、エステル生成またはエステル交換、アミンまたはアミド形成、ウレタン形成、ペリ環状反応、マイケル付加、縮合、重合（ラジカル、アニオン性、カチオン性）、ポリマー接合。
還元または水素化反応に対する適当な還元剤または水素源は、例えば以下のものである：シクロヘキセンなどのシクロアルケン、エタノールなどのアルコール、水素化ホウ素ナトリウムまたは水素化アルミニウムナトリウムのような無機の水素化剤。
例えば、脂または油を断片化し得る。これは溶液中で起こり得るが、溶剤の存在しない物質中でも起こり得る。後者の場合、脂または油自体が反応媒体全体を意味する。
無機の目的化合物を導く反応をすすめることも可能である。
以下の例は、フロー型リアクターにおいて本発明の方法を行った、研究室規模における化学反応を実証する。当然、本発明はこれらに制限されるものではない。
本発明を、研究室規模において試験した。ガラス管（長さ１０ｃｍ）および様々な内径および外径のガラス管を管型リアクターとして使用した。ＨＰＬＣおよび適当な管を取り付けることができるよう、管の両端にネジ接続を備え付けた。
使用した誘導子は、以下の性能特性を有する：
誘導性：１３４マイクロヘンリー、スプールの屈曲数：＝２〜１６、断面積＝２．８ｍｍ２（断面積は、誘導子中の導線の数とその直径に由来する）。管型リアクターを受けるためのギャップの直径は、１２ｍｍであった。全ての実験において、誘導子を２５ｋＨｚの周波数で稼働させた。
実験において、規定された２５ｋＨｚの周波数を一定に保ち、加熱調整はＰＷＭ（ＰＷＭ＝固定された基本周波数における方形波信号に対するオン／オフスイッチ）のみにより行った。以下、ＰＷＭは‰で表す。誘導温度は、サーモカップルおよび赤外線放射温度計により測定した。サーモカップルを、正確な測定が可能となるよう、リアクターの後の液体内に直接取り付けた。しかしながら、サーモカップルの金属成分により、最低４ｃｍの距離をおいて観測しなければならなかった。緻密な焦点光学によるレーザー赤外線放射温度計を、第２の温度測定に使用した。測定点は１ｍｍの直径であった。温度決定のための第２の測定点を得るために、この方法によりリアクターの表面温度を測定すべきである。物質の放出係数は、赤外線測定にとって重要な定数である。それは熱放出の尺度である。通常のガラスの放出係数に相当する０．８５の放出係数を使用した。
種々の熱媒体による加熱試験：
実験を、２５ｋＨｚの周波数、ＥＷ５ユニット（出力５ワット）、乾燥粉体（流れない）で行った。それぞれの加熱時間は１０分間であり、温度を高温計により測定した。以下の熱媒体を試験した：
ａ）ＭａｇＳｉｌｉｃａ（登録商標）５８／８５：Ｅｖｏｎｉｋ（以前はＤｅｇｕｓｓａ）製、
ｂ）マンガンフェライト粉末：ＳｕｓＴｅｃｈ ＧｍｂＨ（ダルムシュタット）製、
ｃ）Ｂａｙｆｅｒｒｏｘ（登録商標）３１８Ｍ：合成α−Ｆｅ３Ｏ４：Ｈａｒａｌｄ Ｓｃｈｏｌｚ ＆ Ｃｏ． ＧｍｂＨ製
ｄ）マンガン−亜鉛−フェライト、オレイン酸による表面被覆、フェライト含量５１．７重量％：ＳｕｓＴｅｃｈ ＧｍｂＨ（ダルムシュタット）製。
１０分後、以下の温度に達した。
Figure 2011506072
種々の熱媒体により行った反応：
反応のために、所望の加熱を誘導子により得るために、前述の物質３．３ｇをリアクターに充填した。
マンガンフェライト（ｂ）：
Figure 2011506072
Ｂａｙｆｅｒｒｏｘ（ｃ）：
Figure 2011506072
さらに、電磁誘導による圧延銅箔の加熱を試験した：該箔を２０ｋＨｚの周波数および１７５‰のみのＰＷＭで、１０分未満、１６０℃より高い温度まで加熱した。
以下の実験に対する熱媒体は、Ｅｖｏｎｉｋ（以前はＤｅｇｕｓｓａ）製のＭａｇｓｉｌｉｃａ５８／８５であり、必要な場合、以下の方法にしたがって表面を変性した。
触媒による熱媒体の表面変性：
物質の完全な混合を確保するために、触媒の調製に攪拌機を使用した。従来の濾紙は、細孔が急速に塞がれてしまうため、洗浄に不適当であることがわかった。したがって、固形物を、各洗浄工程で遠心分離した。磁性特性または磁性分離を、市販の磁石で試験した。
触媒７の調製：
Figure 2011506072
１．工程：触媒前駆体１４
Figure 2011506072
再蒸留水（１５０ｍＬ）中で、Ｍａｇｓｉｌｉｃａ５８／８５（登録商標）（１５．０ｇ）を還流下で２時間加熱した後、高真空下で乾燥させた。固形分をトルエン（１８０ｍＬ）に懸濁し、（ｐ−クロロメチル）フェニルトリメトキシシラン（１５ｍＬ、６８．１ｍｍｏｌ）と２６時間振とうした。反応混合物を、還流下３時間加熱した。冷却後、固形分を遠心分離し、トルエン（２×４０ｍＬ）で洗浄した。高真空下で乾燥した後、黒色の磁性粉として１２．１ｇの１４が得られた。
２．工程：触媒前駆体６１
Figure 2011506072
１４（１２．１ｇ）を、トリメチルアミンで飽和したトルエン溶液（３５０ｍＬ）に懸濁し、７２時間振とうした。固形分を遠心分離し、トルエン（３×４０ｍＬ）で洗浄し、高真空下で乾燥させた。黒色の磁性粉として、１２．４ｇの６１が得られた。
３．工程：触媒前駆体１５
Figure 2011506072
６１（３．０ｇ）を、再蒸留水（１５０ｍＬ）に懸濁し、テトラクロロパラジウム酸ナトリウム（１００ｍｇ、０．３４ｍｍｏｌ）の再蒸留水（１０ｍＬ）溶液と１８時間振とうした。固形分を遠心分離し、再蒸留水（２×４０ｍＬ）で洗浄し、高真空下で乾燥させた。黒色の磁性粉として、２．７ｇの１５が得られた。
４．工程：触媒前駆体７
Figure 2011506072
１５（２．７ｇ）を、再蒸留水（３０ｍＬ）に懸濁し、水素化ホウ素ナトリウム（０．６４ｇ、１６．９ｍｍｏｌ）の再蒸留水（１５ｍＬ）溶液で処理した。反応混合物を５時間振とうし、遠心分離し、再蒸留水、飽和ＮａＣｌ溶液と水（各４０ｍＬ）で洗浄し、高真空下で乾燥させた。黒色の磁性粉として、２．６ｇの７が得られた。触媒充填は、６．７×１０−５ｍｍｏｌＰｄ／ｍｇ触媒（ＩＣＰ−ＭＳ微量分析）であった。
触媒６の調製：
Figure 2011506072
１．工程：触媒前駆体１２
Figure 2011506072
Ｍａｇｓｉｌｉｃａ５８／８５（登録商標）（６．０ｇ）を、高真空下、２００℃で６時間乾燥させた後、不活性ガス雰囲気下無水トルエン（１５０ｍＬ）に懸濁した。３−アミノプロピルトリメトキシシラン（４．５ｍＬ、２５．３ｍｍｏｌ）の無水トルエン（１０ｍＬ）溶液を加えた。反応混合物を１６時間振とうし、遠心分離した。固形分を、無水トルエン（２×４０ｍＬ）とトルエン溶液（１×４０ｍＬ）で洗浄した後、高真空下で乾燥させた。黒色の磁性粉として、５．３ｇの１２が得られた。
２．工程：触媒前駆体６２
Figure 2011506072
不活性ガス雰囲気下、１２（４．０ｇ）を無水ジエチルエーテル（１８０ｍＬ）に懸濁し、ＨＢＦ４ＯＥｔ２（１０ｍＬ、３８．９ｍｍｏｌ）で処理した。反応混合物を２時間振とうした。固形分を遠心分離した後、ジエチルエーテル、無水ジエチルエーテル、飽和ＮａＣｌ溶液と再蒸留水（各４０ｍＬ）により洗浄し、高真空下で乾燥させた。黒色の磁性粉として、３．５ｇの６２が得られた。
３．工程：触媒前駆体１３
Figure 2011506072
６２（３．０ｇ）を、再蒸留水（１５０ｍＬ）に懸濁し、テトラクロロパラジウム酸ナトリウム（０．５ｇ、１．７ｍｍｏｌ）の再蒸留水（１０ｍＬ）溶液で処理した。反応混合物を１２時間振とうした。固形分を再蒸留水で、溶液が薄い黄色になるまで洗浄した後、高真空下で乾燥させた。黒色の磁性粉として、２．８ｇの１３が得られた。触媒充填は、３．７×１０−５ｍｍｏｌＰｄ／ｍｇ触媒（ＩＣＰ−ＭＳ微量分析）であった。
４．工程：触媒前駆体６
Figure 2011506072
１３（２．５ｇ）を、再蒸留水（４０ｍＬ）に懸濁し、水素化ホウ素ナトリウム（０．６４ｇ、１６．９ｍｍｏｌ）の再蒸留水（１５ｍＬ）溶液で処理した。反応混合物を、気体の発生がなくなるまで振とうした。固形分を、再蒸留水、飽和ＮａＣｌ溶液と再蒸留水（各４０ｍＬ）で洗浄し、高真空下で乾燥させた。黒色の磁性粉として、２．３ｇの６が得られた。触媒充填は、３．７×１０−５ｍｍｏｌＰｄ／ｍｇ触媒（ＩＣＰ−ＭＳ微量分析）であった。
触媒８
Figure 2011506072
Ｍａｇｓｉｌｉｃａ５８／８５（登録商標）（２．０ｇ）をＥｔＯＨに懸濁し、硝酸パラジウム二水和物（８４ｍｇ、０．３２ｍｍｏｌ）のＥｔＯＨ（１０ｍＬ）溶液と５０℃で３０分間攪拌した。反応混合物を、乾燥するまで真空下で濃縮した。真空下で乾燥後、黒色の磁性粉として、１．９２ｇの８が得られた。触媒充填は、１１．３×１０−５ｍｍｏｌＰｄ／ｍｇ触媒であった。
触媒９の調製：
Figure 2011506072
１．工程：触媒前駆体６３
Figure 2011506072
再蒸留水（５０ｍＬ）中で、Ｍａｇｓｉｌｉｃａ５８／８５（登録商標）（３．０ｇ）を還流下２時間加熱した後、高真空下で乾燥させた。ドデカン（１８ｍＬ）中で黒色固形物をＤＶＢ（０．４１ｇ、５．３ｍ％）、ＶＢＣ（７．１１ｇ、９４．７ｍ％）およびＡＩＢＮ（３７．５ｍｇ、０．５ｍ％）で処理し、ＫＰＧ−攪拌機により７０℃で１６時間攪拌した。得られた黒色の懸濁液を、ソックスレー抽出装置でクロロホルムにより１３時間精製した。生成物を残留ポリマーと分離し、高真空下で乾燥させた。暗緑色の磁性粉として、４．４ｇの６３が得られた。
２．工程：触媒前駆体６４
Figure 2011506072
６３（４．４ｇ）をトリメチルアミンで飽和したトルエン溶液（３５０ｍＬ）に懸濁し、９３時間振とうした。固形分を遠心分離し、トルエン（３×４０ｍＬ）で洗浄した。高真空下で乾燥後、暗緑色の磁性粉が得られた。４．１ｇの６３が得られた。
３．工程：触媒前駆体６５
Figure 2011506072
６４（４．１ｇ）を再蒸留水（１５０ｍL）で懸濁し、水素化ホウ素ナトリウム（７００ｍｇ、２．３８ｍｍｏｌ）の再蒸留水（１０ｍＬ）溶液で１７時間振とうした。固形分を遠心分離し、再蒸留水（３×４０ｍＬ）で洗浄し、高真空下で乾燥させた。暗緑色の磁性粉が得られた。粗生成物を乾燥させずに以下の反応に用いた。
４．工程：触媒９
Figure 2011506072
６５（４．０ｇ）を再蒸留水（５０ｍＬ）で懸濁し、水素化ホウ素ナトリウム（０．５ｇ、１３．２ｍｍｏｌ）の再蒸留水（１５ｍＬ）溶液で処理した。反応混合物を２時間振とうし、遠心分離し、再蒸留水、飽和ＮａＣｌ水および水（各４０ｍＬ）で洗浄し、高真空下で乾燥させた。暗緑色の磁性粉として、３．３ｇの９が得られた。
本発明の方法により行ったいくつかの化学反応を以下に示す。全ての場合において、溶剤としてジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）を使用した。比較として、従来の加熱法を用いて、熱浴において同じ温度および反応時間で同様の反応を行った。比較反応の収率を表に示す。「熱」は、熱浴（比較）における変換を意味し、「誘導」は、本発明の方法後の変換を意味する。本発明の方法において、反応時間は、反応媒体が循環したこと、しばしばリアクター中を流れたことで達成される。
本発明の方法における熱工程とほぼ同じ反応温度を達成するために、熱挙動に対する予備実験を行った。このために、管型リアクターにおいて、ＤＭＦをＭａｇｓｉｌｉｃａ（登録商標）および砂の混合物（約６７体積％のＭａｇｓｉｌｉｃａ（登録商標）と３３体積％の砂）に通した。誘導子は、常に２５ｋＨｚで稼働させた。これらの条件は、個々の反応に対しても順守された。
加熱試験の結果：
Figure 2011506072
反応の実施例：
表２：Ｈｅｃｋ−Ｍｉｚｏｒｏｋｉカップリング反応、１ｍｍｏｌハロゲン化アリール、３当量スチレン、３当量ｎ−Ｂｕ３Ｎ、２．８ｍｏｌ％触媒７、反応時間各１時間、流速２ｍＬ／ｍｉｎ、ＰＷＭ＝３２５‰
反応原理：
Figure 2011506072
Figure 2011506072
表３：付加触媒；スズキ−ミヤウラ反応
２ｍＬ／ｍｉｎ、反応時間各１時間、：０．５ｍｍｏｌハロゲン化アリール、１．５当量ボロン酸、２．４当量ＣｓＦ、ＰＷＭ７５０‰
ａ１ｍｏｌ％、ｂ２．８ｍｏｌ％
スズキ−ミヤウラ反応：
Figure 2011506072
Figure 2011506072
実施例７：
桂皮酸エチル（５９）から桂皮酸メチル（６０）へのエステル交換。この実験は、下記の文献（K. Jansson, T. Fristedt, A. Olsson, B. Svensson, S. Joensson, J. Org. Chem.、2006年、71、1658-1667）の方法により行った。エステル交換平衡を所望の生成物へ移行するため、過剰のナトリウムメタノレートを使用した。誘導的加熱（流速：２ｍL／ｍｉｎ、ＰＷＭ＝２４０‰）により、２５分後に９３％の生成物が単離された。
Figure 2011506072
誘導的加熱によるさらなるフロー型熱反応
（ｐｒｏｍ＝ＰＷＭ（‰）、下記の生成物の式の数字（％）は生成物の収率を表す。）
実施例８：ヘテロ環の合成：
Figure 2011506072
実施例９：Ｈａｒｔｗｉｇ−Ｂｕｃｈｗａｌｄカップリング反応：
Figure 2011506072
実施例１０：クライゼン転位：
Figure 2011506072
実施例１１：脱炭酸化：
Figure 2011506072
 （ＰＨ３４３−４８は、Ｍａｇｓｉｌｉｃａ（登録商標）のバッチナンバーを表す。）
実施例１２：水素化
Figure 2011506072
実施例１３：還元
Figure 2011506072
実施例１２および１３において、Ｐｄ／Ｃ触媒（パラジウム／活性炭素）をＭａｇｓｉｌｉｃａ（登録商標）との混合物で使用した。シクロヘキセンは、基本的に還元剤（水素源）としてはたらく。
実施例１４：Ｃ−Ｃ結合形成による転位
Figure 2011506072

Claims (14)

  1. リアクター内で、少なくとも１つの第１反応性物質を含む反応媒体を加熱し、第１反応性物質中、または第１と第２の反応性物質の間で化学結合を形成または修飾することにより目的化合物を製造するための化学反応を行う方法であって、電磁誘導により加熱することができ、かつリアクターの内側にあり反応媒体により囲まれている固形熱媒体と反応媒体を接触させ、前記熱媒体を誘導子を用いて電磁誘導により加熱し、目的化合物を第１反応性物質からまたは第１反応性物質と第２反応性物質とから形成し、前記目的化合物を電熱媒体から分離する方法。
  2. 熱媒体が導電性および／または磁化性固体の粒子から選択され、該粒子の平均粒度が１〜１０００ｎｍである請求項１に記載の方法。
  3. 熱媒体が磁化性固体の粒子から選択され、各粒子が非磁性物質によりカプセル化された少なくとも１つの磁化性物質のコアを含んでなる請求項２に記載の方法。
  4. 熱媒体が磁化性固体の粒子から選択され、これらが電磁誘導により加熱できないさらなる粒子との混合物中に存在している、請求項２または３に記載の方法。
  5. 固形熱媒体が、化学反応に対する触媒活性物質により表面被覆されている、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
  6. 化学反応をバッチ式で行い、反応中、反応媒体および固形熱媒体が互いに移動し合う、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
  7. 反応媒体が反応槽中に熱媒体の粒子とともに存在し、反応媒体に誘導子として配置された可動素子により反応媒体を移動させることにより熱媒体の粒子を加熱する、請求項６に記載の方法。
  8. 少なくとも部分的に固形熱媒体が充填されることにより、電磁誘導によって加熱し得る少なくとも１つの加熱領域を有するフロー型リアクターで化学反応を行い、反応媒体がフロー型リアクター内を流れ、誘導子がリアクター外部に配置されている、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
  9. 反応媒体と熱媒体との総接触時間が１秒〜２時間の範囲になるような速度で、反応媒体がフロー型リアクター内を１回または複数回流れる、請求項８に記載の方法。
  10. リアクターが圧力リアクターとして構成され、化学反応を大気圧より高い圧力で、好ましくは少なくとも１．５ｂａｒの圧力下で行う、請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
  11. 反応媒体がリアクター内で液体として存在する、請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
  12. 誘導子が、１〜１００ｋＨｚの範囲の、好ましくは１０〜８０ｋＨｚの範囲の周波数の交番磁場を生じる、請求項１〜１１のいずれかに記載の方法。
  13. 熱媒体が強磁性体であって、４０〜２５０℃の範囲のキュリー温度を示し、かつ、キュリー温度が選択された反応温度から２０℃より大きく異ならないように熱媒体を選択する、請求項１〜１２のいずれかに記載の方法。
  14. 化学反応において、化学結合を２つの炭素原子の間に、または炭素原子と原子Ｘ〔Ｘは、Ｈ、Ｂ、Ｏ、Ｎ、Ｓ、Ｐ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉおよびハロゲンから選択される〕との間に形成する、請求項１〜１３のいずれかに記載の方法。
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