JP2013240758A - コンビナトリアル合成を行うための反応装置、コンビナトリアル合成システム、及びコンビナトリアル合成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱加圧条件下でコンビナトリアル合成を行うための反応装置、コンビナトリアル合成システム、及びコンビナトリアル合成方法を提供する。
【解決手段】試料が充填される複数の凹部が設けられた耐圧性の反応容器と、上記複数の凹部の開口部を塞ぐ蓋部と、上記反応容器に対して上記蓋部を固定するための固定手段と、を備え、上記固定手段によって上記反応容器と上記蓋部とが固定された状態で加圧することにより、上記凹部上に位置する部分の上記蓋部が上記凹部側に変形するよう構成されている反応装置を用いる。
【選択図】なし

Description

本発明は、コンビナトリアル合成を行うための反応装置、コンビナトリアル合成システム、及びコンビナトリアル合成方法に関する。

コンビナトリアル合成は、医薬等の有機材料の探索や、合金、超伝導体、誘電体等の無機材料の探索において、短時間に多数の材料探索ができる方法として有用である。この方法では、複数の反応を同時に行うことのできる容器が必要である。例えば、複数の凹部を有する樹脂製プレートにフィルムやガラスをカバーしたもの（特許文献１）やガラス製の試験管を複数の凹部を有するベースプレートに配置したもの（特許文献２）等が提案されている。従来行われているコンビナトリアル合成は、大気圧下又は真空下での反応を行うものであった。

ところで、無機材料の分野においては、セラミックスや金属の粉末を高温高圧下で処理して高密度の焼結体を製造する方法や、高温高圧下で２種類以上の材料を拡散接合する方法等が開発されている。高温高圧下で処理する方法としては、熱間静水圧加圧法（ＨＩＰ法）や温間静水圧加圧法（ＷＩＰ法）が注目され、これらの処理を行うための容器も開発されている。例えば、ＨＩＰ処理用に金属箔を重ね溶接したカプセルが提案されている（特許文献３）。しかし、この容器では、ＨＩＰ処理後、容器を切断、解体しないと試料を取り出すことができないため、一度に複数の試料を入れると、反応後に容器を解体する作業が煩雑であった。また、一度に複数の異なる試料を入れて材料探索を行うには適していなかった。

特開２００４−１５４６４８号公報 特開２００３−１３５９７７号公報 特開平９−７７５６６号公報

高温高圧処理を利用した材料開発においても、コンビナトリアル合成を利用して、網羅的探索を行うことができれば、新材料の開発を効率的に行うことができる。そのためには、加熱加圧条件下でコンビナトリアル合成を行うための反応装置が必要である。

本発明は、加熱加圧条件下でコンビナトリアル合成を行うための反応装置、コンビナトリアル合成システム、及びコンビナトリアル合成方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意研究を重ね、以下のような本発明を完成するに至った。

（１）加熱加圧条件下でコンビナトリアル合成を行うための反応装置であって、試料が充填される複数の凹部が設けられた耐圧性の反応容器と、上記複数の凹部の開口部を塞ぐ蓋部と、上記反応容器に対して上記蓋部を固定するための固定手段と、を備え、上記固定手段によって上記反応容器と上記蓋部とが固定された状態で加圧することにより、上記凹部上に位置する部分の上記蓋部が上記凹部側に変形するよう構成されている反応装置。

（２）（１）記載の反応装置と、加熱手段と、加圧手段とを備えるコンビナトリアル合成システム。

（３）（２）記載のコンビナトリアル合成システムを用いたコンビナトリアル合成方法であって、耐圧性の反応容器に設けられた複数の凹部に試料を充填し、上記複数の凹部の開口部を蓋部で塞ぐ工程と、固定手段によって上記反応容器と上記蓋部とを固定する工程と、上記凹部上に位置する部分の上記蓋部が上記凹部側に変形するまで加圧するとともに加熱する工程と、を含むコンビナトリアル合成方法。

本発明によれば、加熱加圧条件下でコンビナトリアル合成を行うための反応装置、コンビナトリアル合成システムを提供することができる。また、本発明のコンビナトリアル合成システムを用いて、材料の合成をすることができる。

反応装置の一実施形態を示す分解斜視図である。 固定治具を示す図であり、（ａ）は固定治具固定部の底面図と側断面図を示し、（ｂ）は固定治具基台の平面図と側断面図を示す図である。 図１の反応装置を組み立てた側断面図である。 Ｍｇ（ＯＨ）_２とＡｌ（ＯＨ）_３との反応物のＸ線回折スペクトルを示す図である。 Ｍｇ（ＯＨ）_２とＡｌＯＯＨとの反応物のＸ線回折スペクトルを示す図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
＜反応装置＞
図１は反応装置の一実施形態を示す分解斜視図である。図１において、反応装置１０は、反応容器２０と、金属箔３０と、固定治具固定部４０ａと、固定治具基台４０ｂと、を備える。
反応容器２０は同じ大きさ、形状の複数の凹部２１を有する。凹部２１の数はコンビナトリアル合成で一度に行うことのできる反応の数に対応する。凹部２１は、反応容器２０の一つの面に均等に配置されることが好ましい。反応容器２０は耐圧性、耐熱性、耐薬品性のある材料で作製され、真鍮、ＳＵＳ３１６、白金等の金属類や、ジルコニア等のセラミックスが用いられる。

金属箔３０は、反応容器２０の上面と同じ大きさ、形状のものであり、反応容器２０の凹部２１の開口部をすべて塞ぐものである。金属箔３０の厚みは、３０〜３００μｍであり、好ましくは５０〜１５０μｍであり、より好ましくは７０〜１００μｍである。金属箔は、耐薬品性、耐熱性があり、加圧によって、伸長する材料で作製され、ＳＵＳ３０４、インコロイ８００、ハステロイＸ等が用いられる。

図２（ａ）には、図１の反応装置で用いる固定治具固定部４０ａについて、上に底面図、下に側断面図を示す。図２（ｂ）には、固定治具基台４０ｂについて、上に平面図、下に側断面図を示す。固定治具固定部４０ａと固定治具基台４０ｂとは、同じ大きさ、形状を有する肉厚の金属板からなる。固定治具基台４０ｂは片面に反応容器２０の底面と略同寸の凹部４２を有する。固定治具固定部４０ａは、中央に空洞４３を有している。空洞４３は、すべての凹部２１が隠れない程度に反応容器２０の外郭よりも一回り小さく開いている。固定治具固定部４０ａの底面には、空洞４３の周囲に四角枠型の凸部４４を有する。固定治具は、固定治具基台４０ｂの凹部４２よりも中心から離れた位置と、固定治具固定部４０ａの凸部よりも中心から離れた位置とに、同じ大きさ、同じ数のキリ穴４１を有する。キリ穴４１は市販のボルトを通すことのできる径を有し、固定治具固定部４０ａと固定治具基台４０ｂとを重ね合わせたとき、同じ位置になるようにキリ穴が開いている。固定治具に用いられる金属板は、耐圧性、耐熱性を有する材料であれば特に限定されず、ステンレス鋼等が用いられる。

図３は、図１の反応装置を組み立てた側断面図である。固定治具基台４０ｂの凹部４２に反応容器２０を設置する。凹部２１に秤量した試料を充填し、その上に金属箔３０を反応容器２０の上面の角と合わせてかぶせる。次いで、固定治具固定部４０ａの凸部４４がある側を、金属箔と接する向きでのせる。このとき、凸部４４が、反応容器２０の外郭に合うようにし、更に固定治具基台４０ｂのキリ穴４１と固定治具固定部４０ｂのキリ穴が垂直方向にそろうようにのせる。キリ穴４１にボルト５０を通し、ワッシャー５１、ナット５２を用いて締め付ける。このようにして反応装置１０を組み立てる。

なお、反応装置１０は、図１〜３で説明したものに限定されるものではない。例えば、金属箔は反応容器の上面と同じ大きさで同じ形状のものに限らず、反応容器の凹部を塞ぐことのできる形状であれば、反応容器よりも大きくても小さくてもよい。また、例えば、金属箔と反応容器を固定する方法は、固定治具固定部と固定治具基台との組み合わせに限らず、金属箔と反応容器とを直接ボルトやＵバンド等で固定してもよい。

＜コンビナトリアル合成システム及びコンビナトリアル合成方法＞
コンビナトリアル合成システムの一実施形態は、上記の反応装置１０と、ＨＩＰ装置とを備える。ＨＩＰ装置は、２００ＭＰａまでの圧力と、２０００℃までの温度を加えられる加熱加圧装置である。

コンビナトリアル合成は、上記の反応装置１０の固定治具基台４０ｂを底側にして、ＨＩＰ装置に設置し、加圧、加熱することによって行うことができる。上記反応装置１０をＨＩＰ装置に設置して加圧すると、金属箔３０は凹部２１側に変形し、一つ一つの凹部２１が個々の密閉容器の役割を果たすようになる。加圧とともに加熱を行うと、凹部２１内に充填された試料が反応する。

加圧加熱して反応を行った後、反応装置１０を常温常圧の状態まで戻し、固定治具固定部４０ａをはずすと、金属箔３０は容易に反応容器１０から剥がれる。反応容器１０を固定治具基台４０ｂからはずし、コンビナトリアルＸ線回折装置等のコンビナトリアル物性評価装置の試料台に設置し、試料の移し変えを行うことなく、全試料の物性評価を行う。

なお、反応装置１０を加熱加圧する装置は、ＨＩＰ装置に限らず、一般に用いられる熱源機器と加圧設備を備えたものであればよく、例えば、電気炉を備えたオートクレーブ等であってもよい。あるいは、窒化ホウ素等の媒体を介在させれば、ホットプレス等の一軸加圧装置を用いることもできる。

以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

［試験例１］
外形が縦３５ｍｍ×横３５ｍｍ×高さ５ｍｍであり、直径４ｍｍ、深さ０．３ｍｍの円柱形の凹部を、縦６列×横６列の３６個有する真鍮製の反応容器を、図２（ｂ）のように、３５．０５ｍｍ×３５．０５ｍｍの凹部を有する固定治具基台に設置した。反応容器の凹部のうち、縦３列×横６列の１８個には、Ｍｇ（ＯＨ）_２：Ａｌ（ＯＨ）_３＝１：２（モル比）の混合物を、残りの１８個の凹部には、Ｍｇ（ＯＨ）_２：ＡｌＯＯＨ＝１：２（モル比）の混合物を、各凹部に充填した。蓋部として縦３５ｍｍ×横３５ｍｍ×厚さ０．０８ｍｍのＳＵＳ３０４製の金属箔を反応容器の上に角を合わせてのせた。図２（ａ）のように、金属箔の周縁を押さえる２ｍｍ幅の凸面を有する固定治具固定部を、凸面の角と金属箔の角を合わせるようにのせた。図２（ａ）及び（ｂ）に示した８つのキリ穴にボルトを入れ、ワッシャーとナットを用いて固定し、図３のような反応装置とした。

上記の反応装置をＨＩＰ装置に設置し、Ａｒガスで置換後、最高圧力２００ＭＰａ、最高温度５００℃まで、１時間かけて昇温、昇圧した。その後、１時間保持した後、冷却し、常温常圧に戻した。
反応容器と金属箔とを固定治具から取り出し、金属箔を反応容器から剥がしたところ、容易に剥がすことができた。反応生成物を反応容器の凹部に入れたまま、コンビナトリアル粉末Ｘ線回折装置に設置した。管球にＣｏを用い、加速電圧４０ｋＶ、管電流２００ｍＡ、走査範囲２０〜１１０°（２θ）、Ｘ線照射時間１分／１試料で測定した。

Ｍｇ（ＯＨ）_２とＡｌ（ＯＨ）_３との反応物のＸ線回折スペクトルを図４に、Ｍｇ（ＯＨ）_２とＡｌＯＯＨとの反応物のＸ線回折スペクトルを図５に示した。いずれの試料でもＭｇＡｌ_２Ｏ_４に特徴的な回折ピークが観察され、３６個のすべての凹部でＭｇＡｌ_２Ｏ_４が合成されたことが確認できた。図４（ａ）−８、１３、図５（ｂ）−５、６には、伸銅と見られる回折ピークも観察され、反応容器の真鍮中の銅に由来するものと考えられた。

［参考例１］
秤量したＭｇ（ＯＨ）_２とＡｌ（ＯＨ）_３との混合物、Ｍｇ（ＯＨ）_２とＡｌＯＯＨとの混合物を０．１Ｔｏｒｒ、１２０℃で４時間減圧乾燥した。それぞれ乾燥した混合物を厚さ０．０１ｍｍのＳＵＳ３０４箔に包み、ＳＵＳ３０４製カプセルにいれ、ＴＩＧ溶接して密封反応器とした。これをＨＩＰ装置に設置し、試験例１と同様に、２００ＭＰａ、５００℃で反応を行い、反応終了後、反応器を切断して、反応物を取り出した。試験例１と同様の条件でＸ線回折を行うと、反応物は、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４に特徴的な回折ピークを示した（日本セラミックス協会２０１１年年会 講演予稿集 ２Ｈ０４を参照）。

１０：反応装置
２０：反応容器
２１：凹部
３０：金属箔
４０ａ：固定治具固定部
４０ｂ：固定治具基台
４１：キリ穴
４２：凹部
４３：空洞
４４：凸部
５０：ボルト
５１：ワッシャー
５２：ナット

Claims (3)

1. 加熱加圧条件下でコンビナトリアル合成を行うための反応装置であって、
   試料が充填される複数の凹部が設けられた耐圧性の反応容器と、
   前記複数の凹部の開口部を塞ぐ蓋部と、
   前記反応容器に対して前記蓋部を固定するための固定手段と、を備え、
   前記固定手段によって前記反応容器と前記蓋部とが固定された状態で加圧することにより、前記凹部上に位置する部分の前記蓋部が前記凹部側に変形するよう構成されている反応装置。
2. 請求項１記載の反応装置と、加熱手段と、加圧手段とを備えるコンビナトリアル合成システム。
3. 請求項２記載のコンビナトリアル合成システムを用いたコンビナトリアル合成方法であって、
   耐圧性の反応容器に設けられた複数の凹部に試料を充填し、前記複数の凹部の開口部を蓋部で塞ぐ工程と、
   固定手段によって前記反応容器と前記蓋部とを固定する工程と、
   前記凹部上に位置する部分の前記蓋部が前記凹部側に変形するまで加圧するとともに加熱する工程と、を含むコンビナトリアル合成方法。

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