JP2021178311A - リアクタ - Google Patents
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Abstract
【課題】保護剤及びレーザなしで化学反応を制御するリアクタを提供する。【解決手段】リアクタは、その内部で化学物質を反応させて目的物を生成する反応槽と、反応槽を挟んで対向配置された１対のミラーと、ミラーのうちの少なくとも１つを移動させてミラー間の距離を調整するアクチュエータと、ミラーによって構成される光共振器の共振波数を検出する検出装置とを備える。アクチュエータは、化学物質の分子振動と光共振器によって形成される光学モードとを相互作用させて化学反応を制御するように、検出装置によって検出された共振波数に基づいてミラー間の距離を調整する。【選択図】図３
Description
本開示は、リアクタに関する。
化学反応を原子スケール又は分子スケールで制御することは、分子化学における大きな目標の１つである。従来、有機化学反応を制御するために、分子の特定の部位を保護してその部位が反応しないようにする方法、及び特定の部位を認識する触媒の開発等が行われてきた。特許文献１は、マイクロ流路及び微小共振器を用いて、化学、生化学分析における検出を高感度に行う技術を開示している。
しかしながら、化学反応を制御するために保護剤又は触媒を用いると、化学反応の主生成物から副生成物を除去するために高価な製造装置又は製造装置が必要となる。また、特許文献１に記載の技術は、あくまで検出技術であり、部位選択的な化学反応を行うものではない。ここで、部位選択的とは、複数の反応部位（反応サイト）を有する化学物質の化学反応であって、複数の目的物を生成する可能性のある化学反応において、反応部位を選択して目的物を選択的に生成することを表す。また、特許文献１に記載の技術を実施するには、微小共振器が必要であり、コスト及び工数が増大する。
本開示の目的は、保護剤及びレーザなしで部位選択的な化学反応を制御するリアクタを提供することにある。
本開示の一態様に係るリアクタは、その内部で化学物質を反応させて目的物を生成する反応槽と、
前記反応槽を挟んで対向配置された１対のミラーと、
前記ミラーのうちの少なくとも１つを移動させて前記ミラー間の距離を調整するアクチュエータと、
前記ミラーによって構成される光共振器の共振波数を検出する検出装置とを備える。
前記アクチュエータは、前記化学物質の分子振動と前記光共振器によって形成される光学モードとを相互作用させて化学反応を制御するように、前記検出装置によって検出された共振波数に基づいて前記ミラー間の距離を調整する。
前記反応槽を挟んで対向配置された１対のミラーと、
前記ミラーのうちの少なくとも１つを移動させて前記ミラー間の距離を調整するアクチュエータと、
前記ミラーによって構成される光共振器の共振波数を検出する検出装置とを備える。
前記アクチュエータは、前記化学物質の分子振動と前記光共振器によって形成される光学モードとを相互作用させて化学反応を制御するように、前記検出装置によって検出された共振波数に基づいて前記ミラー間の距離を調整する。
本開示に係るリアクタによれば、保護剤及びレーザなしで部位選択的な化学反応を制御することができる。
＜本開示の基礎となった知見＞
図１は、光共振器９０の構成を示す模式図である。光共振器９０は、例えば、互いに向かい合った２枚のミラー９１ａ，９１ｂで構成される。光共振器９０の中では、特定の波長の光がミラー９１ａ，９１ｂに繰り返し反射されて、定在波として存在する。ここで、特定の波長λは、ミラー９１ａ，９１ｂの位置が波の節の位置と一致するような波長であり、例えば、ミラー間の距離ｄの１／２倍、２／３倍、１倍、２倍である。
図１は、光共振器９０の構成を示す模式図である。光共振器９０は、例えば、互いに向かい合った２枚のミラー９１ａ，９１ｂで構成される。光共振器９０の中では、特定の波長の光がミラー９１ａ，９１ｂに繰り返し反射されて、定在波として存在する。ここで、特定の波長λは、ミラー９１ａ，９１ｂの位置が波の節の位置と一致するような波長であり、例えば、ミラー間の距離ｄの１／２倍、２／３倍、１倍、２倍である。
レーザ素子等の光源を用いて、光共振器９０の中に特定の波長の光を入射すれば、定在波を生成することができる。光共振器９０の中の定在波の準位（光学モード）と、光共振器９０内に配置した分子振動の準位とが一致すると、光学モードと分子振動が光子を介して強く相互作用し、振動強結合と呼ばれる状態になる。振動強結合の状態では、光学モードと分子振動の混成状態（振動ポラリトン）のエネルギー準位が上枝（Ｐ＋）と下枝（Ｐ−）の２つに分裂したラビ分裂が生じる。
図２は、ラビ分裂を説明するための模式図である。図２は、分子と光の混成状態をエネルギー準位で示したものである。図２（ａ）は、分子のエネルギー準位を示している。ここで、ν-０は、分子の基底状態のエネルギーを表し、ν１〜νｎは、分子の励起状態のエネルギーを表す。図２（ｃ）は、光共振器９０の中の定在波、すなわち光学モードのエネルギー準位を表す。図２（ｂ）は、光学モードと分子振動の混成状態におけるエネルギー準位のラビ分裂を表している。上枝状態（Ｐ＋）と下枝状態（Ｐ−）のエネルギー差は、ラビ分裂エネルギーと呼ばれる。混成状態では、振動ポラリトンは、上枝状態と下枝状態との間をラビ角振動数ΩＲで遷移する。
光共振器９０内の振動強結合が、化学反応に影響を及ぼすことが実証された（Thomas, A. et al. Ground-State Chemical Reactivity under Vibrational Coupling to the Vacuum Electromagnetic Field. Angew. Chemie - Int. Ed. 55, 11462-11466, 2016参照）。アルキルシランのＳｉ−Ｃ振動は、光共振器９０の中で振動強結合を起こす。Ｓｉ−Ｃの振動強結合状態では、シリル基の脱離反応が５倍程度遅くなることが確認されている。その後、シリルエーテルを用いたシリル基の脱離反応で、Ｓｉ−Ｏの振動強結合下では、脱離反応が大きく減速することも確認されている。
このように、光共振器９０の中では、光子を介した分子の相互作用が観測される。本願発明者は、以上のような知見に基づいて鋭意検討を行った結果、振動強結合を一般的な化学反応に適応するためのリアクタの着想を得た。
＜本開示に係る実施形態の原理＞
前述のように、レーザ素子等の光源を用いて、光共振器９０の中に特定の波長の光を入射すれば、定在波を生成することができる。しかしながら、光共振器９０の中に光源等によって光を入射しなくても、光共振器９０の中に定在波が存在し得ることが知られている。これは、光を照射していない空間においても電磁場のゆらぎがあり、仮想光子が存在するためと理解されている。
前述のように、レーザ素子等の光源を用いて、光共振器９０の中に特定の波長の光を入射すれば、定在波を生成することができる。しかしながら、光共振器９０の中に光源等によって光を入射しなくても、光共振器９０の中に定在波が存在し得ることが知られている。これは、光を照射していない空間においても電磁場のゆらぎがあり、仮想光子が存在するためと理解されている。
このような電磁場のゆらぎ（「量子ゆらぎ」又は「真空場のゆらぎ」とも呼ばれる。）も原子又は分子と相互作用をする。例えばカシミール効果として知られているように、光共振器９０のような特殊な空間の中では、真空場がミクロ又はマクロな現象に影響を見せるようになる。例えば、光共振器９０を使うと、真空場と分子とを強く相互作用させることが可能となる。このように、量子ゆらぎによって、光を照射しなくとも、光共振器９０内において光子を介して分子が相互作用し得る。特に、本願発明者は、以上のような知見に基づいて更に検討を行った結果、レーザ等の光源を用いることなく化学反応を制御するためのリアクタの着想を得た。
以下、添付の図面を参照して本開示に係るリアクタの実施形態を説明する。
＜実施形態＞
本開示の第１態様に係るリアクタは、
その内部で化学物質を反応させて目的物を生成する反応槽と、
前記反応槽を挟んで対向配置された１対のミラーと、
前記ミラーのうちの少なくとも１つを移動させて前記ミラー間の距離を調整するアクチュエータと、
前記ミラーによって構成される光共振器の共振波数を検出する検出装置とを備え、
前記アクチュエータは、前記化学物質の分子振動と前記光共振器によって形成される光学モードとを相互作用させて化学反応を制御するように、前記検出装置によって検出された共振波数に基づいて前記ミラー間の距離を調整する。
本開示の第１態様に係るリアクタは、
その内部で化学物質を反応させて目的物を生成する反応槽と、
前記反応槽を挟んで対向配置された１対のミラーと、
前記ミラーのうちの少なくとも１つを移動させて前記ミラー間の距離を調整するアクチュエータと、
前記ミラーによって構成される光共振器の共振波数を検出する検出装置とを備え、
前記アクチュエータは、前記化学物質の分子振動と前記光共振器によって形成される光学モードとを相互作用させて化学反応を制御するように、前記検出装置によって検出された共振波数に基づいて前記ミラー間の距離を調整する。
この構成により、ミラーによって構成される光共振器内に、レーザ等の光源を用いることなく、ある光学モードの定在波を形成することができる。この光学モードと化学物質の分子振動とを相互作用させて振動強結合状態にすることにより、化学反応を制御することができる。このように、本開示に係るリアクタは、保護剤及びレーザなしで化学反応を制御することができる。さらに、アクチュエータがミラーを移動させてミラー間の距離を調整することにより、例えば化学物質の反応が進んで反応槽内の流体の屈折率が変わった場合であっても、共振波数のずれを補正して振動強結合状態を維持することができる。
本開示の第２態様によれば、前記反応槽は、前記化学物質を含む流体を導入するための入口と、前記化学物質を含む流体及び前記目的物を含む流体のうちの少なくとも一方を排出するための出口と、を有する流路である、第１態様のリアクタを提供する。
この構成により、連続的に化学反応を生じさせることができ、バッチ式のリアクタに比べて短時間で多量の目的物を生成することができる。
本開示の第３態様によれば、
前記検出装置は、赤外分光装置であり、
前記ミラーは、セレン化亜鉛板と、前記セレン化亜鉛板の上に形成された金とを含む、第１態様又は第２態様のリアクタを提供する。
前記検出装置は、赤外分光装置であり、
前記ミラーは、セレン化亜鉛板と、前記セレン化亜鉛板の上に形成された金とを含む、第１態様又は第２態様のリアクタを提供する。
セレン化亜鉛は赤外線に対して透明である。したがって、検出装置として赤外分光装置を使用し、ミラーとして機能する金をセレン化亜鉛の上に形成することにより、検出装置による検出を妨げることなく、反射率の高いミラーを提供することができる。よって、高性能の光共振器を得ることができる。
本開示の第４態様によれば、前記化学物質は、アルデヒド基及びケトン基を有する、第１〜第３態様のいずれか１つに記載のリアクタを提供する。
本開示の第５態様によれば、前記化学物質は、４−アセチルベンズアルデヒドである、第４態様に記載のリアクタを提供する。
本開示の第６態様によれば、前記化学物質は、アルデヒド及びケトンのうちの少なくとも１つを含む、第４態様又は第５態様に記載のリアクタを提供する。
本開示の第７態様によれば、前記アクチュエータは、前記目的物に含まれるアルデヒド及びケトンのうちの少なくとも１つの生成量を制御するように、前記検出装置によって検出された共振波数に基づいて前記ミラー間の距離を調整する、第４〜第６態様のいずれか１つに記載のリアクタを提供する。
以下、実施形態に係るリアクタについて、添付図面を参照しながら説明する。なお、図面において実質的に同一の部材については同一の符号を付している。
また、以下では、説明の便宜上、通常使用時の状態を想定して「上」、「下」、「前」、「後」等の方向を示す用語を用いている。しかしながら、これらの用語は、本開示のリアクタの使用状態等を限定することを意味するものではない。
１．構成
図３は、本開示の実施形態に係るリアクタ１の例示する斜視図である。図４は、図３に示したリアクタ１の分解斜視図である。図３及び図４には、説明の便宜のため、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を示している。Ｚ軸は、鉛直方向に平行である。
図３は、本開示の実施形態に係るリアクタ１の例示する斜視図である。図４は、図３に示したリアクタ１の分解斜視図である。図３及び図４には、説明の便宜のため、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を示している。Ｚ軸は、鉛直方向に平行である。
リアクタ１は、例えばマイクロリアクタ、マイクロ流路等として知られている化学反応のためのデバイスである。リアクタ１は、積層体１０を含む。積層体１０は、表面２ａと裏面２ｂとを有する基板２を備える。基板２には、流路２４が形成されている。流路２４は、基板２を表面２ａから裏面２ｂまで鉛直方向（Ｚ方向）に貫通する開口部であり、水平方向（Ｘ方向またはＹ方向）に延びている。流路２４は、本開示の「反応槽」の一例である。流路２４は、図３に示すように蛇行していてもよいが、直線的に延びるものであってもよい。
積層体１０は、基板２の表面２ａの上に形成された保護膜３ａと、基板２の裏面２ｂの下に形成された保護膜３ｂとを更に備える。このように、基板２は、保護膜３ａ，３ｂに挟まれている。
積層体１０は、保護膜３ａの上に形成されたミラー４ａと、保護膜３ｂの下に形成されたミラー４ｂとを更に備える。保護膜３ａ，３ｂは、例えばＳｉＯ２で形成され、流路２４内の反応溶液中の分子がミラー４ａ，４ｂに接触することを防ぐ。ミラー４ａ，４ｂは、例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）等の金属で形成され、中赤外領域の波長を有する光を反射することができる。ミラー４ａ，４ｂの反射面は、中赤外領域の波長を有する光に対して透明なセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）板の上に金属をめっき又はスパッタリングすることによって形成されてもよい。
このように、リアクタ１は、流路２４がミラー４ａ，４ｂに挟まれた構成を有する積層体１０を備える。これにより、積層体１０は、光共振器として機能する。
積層体１０には、流路２４に流体的に接続された入口１１、入口１２、及び出口１３が設けられている。入口１１と入口１２には異なる化学物質を含む溶液がそれぞれ導入される。入口１１から流入した溶液と、入口１２から流入した溶液とは、合流点Ｊで合流して混合液となり、流路２４に流れ込む。混合液は、流路２４内で化学反応を起こして生成物となり、生成物は出口１３から排出される。
図４に示すように、入口１１を形成するために、基板２には貫通孔２１が形成され、保護膜３ａには貫通孔３１が形成され、ミラー４ａには貫通孔４１が形成されている。入口１２を形成するために、基板２には貫通孔２２が形成され、保護膜３ａには貫通孔３２が形成され、ミラー４ａには貫通孔４２が形成されている。出口１３を形成するために、基板２には貫通孔２３が形成され、保護膜３ａには貫通孔３３が形成され、ミラー４ａには貫通孔４３が形成されている。すなわち、貫通孔２１と貫通孔３１と貫通孔４１とが接続されて入口１１を構成し、貫通孔２２と貫通孔３２と貫通孔４２とが接続されて入口１２を構成し、貫通孔２３と貫通孔３３と貫通孔４３とが接続されて出口１３を構成する。
リアクタ１は、積層体１０によって構成される光共振器の共振波数を監視するモニタ装置３０を更に備える。モニタ装置３０は、例えば、顕微赤外分光装置、フーリエ変換赤外分光光度計（Fourier Transform Infrared Spectrometer、ＦＴＩＲ）等の分光装置である。モニタ装置３０は、本開示の「検出装置」の一例である。モニタ装置３０は、赤外光源３０ａと、赤外線検出器３０ｂとを備える。赤外光源３０ａは、中赤外領域の波長を有するプローブ光を出射する。プローブ光は、ミラー４ａ，４ｂに垂直に入射され、ミラー４ａ，４ｂを透過した光は、赤外線検出器３０ｂに入射する。赤外線検出器３０ｂは、流路２４内の物質の赤外透過スペクトルを測定する。
リアクタ１は、ミラー４ｂの裏面に取り付けられたピエゾアクチュエータ５と、ピエゾアクチュエータ５を駆動するピエゾドライバ５２とを更に備える。ミラー４ｂの裏面には、１つ又は複数のピエゾアクチュエータ５が取り付けられる。ピエゾアクチュエータ５は、赤外光源３０ａから出射された赤外線が赤外線検出器３０ｂに到達することを妨げないように、赤外線の経路から離れた位置に配置される。
ピエゾドライバ５２は、ピエゾアクチュエータ５と電気的に接続され、ピエゾアクチュエータ５に電力を供給する。ピエゾアクチュエータ５は、例えば、ピエゾドライバ５２によって印加される電圧に応じて、自己のＺ軸方向の厚さを変動させる１軸圧電素子である。ピエゾアクチュエータ５は、ミラー４ｂのＺ軸方向の位置を変位させることができ、ミラー４ｂとミラー４ａとの距離を調節することができる。
リアクタ１は、ピエゾドライバ５２を制御する制御部５１を更に備える。制御部５１は、赤外線検出器３０ｂの検出結果を受信し、受信した検出結果に基づいて、ピエゾドライバ５２を制御する。
ピエゾアクチュエータ５は、本開示の「アクチュエータ」の一例である。アクチュエータは、ピエゾ素子を利用したピエゾアクチュエータ５に限定されず、ミラー４ｂのＺ軸方向の位置を変位させることができるものであればよい。例えば、アクチュエータは、ステッピングモータ、ＤＣモータを含んでもよい。
制御部５１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等を含み、赤外線検出器３０ｂによる検出情報の処理と、情報処理に応じてピエゾドライバ５２の制御とを行う情報処理装置である。制御部５１の各構成要素は、制御部５１が必要なプログラムを実行することによって、それぞれが担当する処理を実行してもよい。このようなプログラムは、ハードディスクドライブ、ソリッドステートドライブ等の記憶装置（図示せず）に記憶されていてもよい。制御部５１は、ＲＡＭに展開された当該プログラムをＣＰＵにより解釈及び実行して、ピエゾドライバ５２を制御する。以上の機能の一部又は全部は、１又は複数の専用のプロセッサにより実現されてもよい。また、制御部５１の構成要素に関して、実施形態に応じて、適宜、機能の省略、置換及び追加が行われてもよい。制御部５１は、ＣＰＵ、ＭＰＵ、ＧＰＵ、マイコン、ＤＳＰ、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ等の種々の半導体集積回路で構成されてもよい。
図５は、ピエゾアクチュエータ５の厚さの変動によってミラー４ｂとミラー４ａとの距離を調節するための機構を例示する斜視図である。図５に例示するように、積層体１０及びピエゾアクチュエータ５は、支持基板６１と押さえ部材６２との間に挟まれている。支持基板６１及び押さえ部材６２は、Ｚ方向に変位しないように固定されている。これにより、ピエゾアクチュエータ５の厚さが変動した場合、ピエゾアクチュエータ５上のミラー４ｂはＺ方向に変位し、ミラー４ｂとミラー４ａとの距離が変動する。ミラー４ｂがＺ方向に変位できるように、例えば基板２及び保護膜３ａ，３ｂのうちの少なくとも１つは、可撓性材料で構成されてもよい。例えば、基板２は、ポリイミドフィルムで構成されてもよい。
図６は、積層体１０の構造、特に流路２４を側方から見た構造を例示する模式図である。前述のように、流路２４の上には保護膜３ａが形成され、保護膜３ａの上にはミラー４ａが形成されている。流路２４の下には保護膜３ｂが形成され、保護膜３ｂの下にはミラー４ｂが形成されている。ミラー４ｂの下にはピエゾアクチュエータ５が取り付けられている。
流路２４の厚さｒは、例えば１μｍ〜１ｃｍである。流路２４は、例えば直径ｒが数十μｍである円筒形のマイクロ流路である。保護膜３ａ，３ｂの厚さｔ１は、例えば１ｎｍ〜１μｍ、例えば１００ｎｍである。ミラー４ａ，４ｂの厚さｔ２は、例えば１ｎｍ〜１μｍ、例えば１０ｎｍである。前述のように、ミラー４ａ，４ｂは、例えば１００μｍ〜１ｃｍの範囲内の厚さを有するＺｎＳｅ板の上に金をめっき又はスパッタリングすることによって形成されてもよい。
２．動作例
次に、リアクタ１の動作例について説明する。入口１１及び入口１２から１つ以上の化学物質が導入される（図３参照）。入口１１から流入した溶液と、入口１２から流入した溶液とは、合流点Ｊで合流して混合液となり、流路２４に流れ込む。混合液は、流路２４内で化学反応を起こして生成物となり、生成物は出口１３から排出される。
次に、リアクタ１の動作例について説明する。入口１１及び入口１２から１つ以上の化学物質が導入される（図３参照）。入口１１から流入した溶液と、入口１２から流入した溶液とは、合流点Ｊで合流して混合液となり、流路２４に流れ込む。混合液は、流路２４内で化学反応を起こして生成物となり、生成物は出口１３から排出される。
図７に示すように、入口１１には、例えば、反応サイトとしてケトン基とアルデヒド基とを有する化合物Ａを導入する。化合物Ａの一例は、４−アセチルベンズアルデヒドである。入口１２には、例えば、ヨウ素Ｉ２等のハロゲン元素とホモアリルアルコールを導入する。通常、ケトン基とアルデヒド基とを有する化合物Ａに対してヨウ素存在下でホモアリルアルコールと環化反応（例えば、プリンス反応）を進行させると、３種類の反応が進行し、化合物Ｂ、Ｃ、及びＤが生成され得る。
前述のように、光共振器内の振動強結合は、化学反応に影響を及ぼす。例えば、積層体１０によって構成される光共振器の共振波数を、アルデヒド基の分子振動の吸収体の波数に一致させることにより、アルデヒド基の反応性を不活性化することができる。すなわち、アルデヒドについての反応速度を遅くすることができる。これにより、ケトン基についての反応のみを進行させることができ、図７のケトンＣのみを選択的に得ることができる。
したがって、図３〜６に示した積層体１０の流路径ｒ及び保護膜３ａ，３ｂの厚さｔ１を設計し、光共振器の共振波数を、アルデヒド基の分子振動の吸収体の波数に一致させて振動強結合を生じさせることにより、アルデヒド基の反応性を不活性化することができる。このように設計することで、出口１３からケトンＣのみを選択的に得ることができる。このように、振動強結合がケトンＣの化学反応を促進する。
しかしながら、流路２４内における反応が進行するに連れて、流路２４内の溶液の組成が変わり、溶液の屈折率が変化する問題がある。溶液の屈折率が変化すると、積層体１０によって構成される光共振器の共振波数も変化する。したがって、入口１１，１２から溶液を導入し始めた直後には狙った通りにアルデヒド基の反応性を不活性化することができるが、反応が進むに連れて不活性化を達成できなくなる。これにより、出口１３からケトンＣのみを選択的に得ることができなくなるおそれがある。
そこで、モニタ装置３０が、積層体１０によって構成される光共振器の共振波数を監視し、制御部５１が共振波数のずれを検出する。制御部５１は、検出したずれを補正して零にするように、ピエゾドライバ５２を制御してピエゾアクチュエータ５を駆動する。ピエゾアクチュエータ５によってミラー４ａとミラー４ｂとの距離が変動し、共振波数のずれが補正される。これにより、流路２４内の物質の屈折率が変化しても、所望の共振波数で共振する光共振器を得ることができる。
３．作用効果
以上のように、本実施形態に係るリアクタ１は、流路２４を挟んで対向配置された１対のミラー４ａ，４ｂと、ピエゾアクチュエータ５と、モニタ装置３０とを備える。ピエゾアクチュエータ５は、ミラー４ａ，４ｂのうちの少なくとも１つ、例えばミラー４ｂを移動させてミラー間の距離を調整する。モニタ装置３０は、ミラー４ａ，４ｂによって構成される光共振器の共振波数を検出する。ピエゾアクチュエータ５は、化学物質の分子振動と光共振器によって形成される光学モードとを相互作用させて化学反応を制御するように、モニタ装置３０によって検出された共振波数に基づいてミラー４ａ，４ｂ間の距離を調整する。
以上のように、本実施形態に係るリアクタ１は、流路２４を挟んで対向配置された１対のミラー４ａ，４ｂと、ピエゾアクチュエータ５と、モニタ装置３０とを備える。ピエゾアクチュエータ５は、ミラー４ａ，４ｂのうちの少なくとも１つ、例えばミラー４ｂを移動させてミラー間の距離を調整する。モニタ装置３０は、ミラー４ａ，４ｂによって構成される光共振器の共振波数を検出する。ピエゾアクチュエータ５は、化学物質の分子振動と光共振器によって形成される光学モードとを相互作用させて化学反応を制御するように、モニタ装置３０によって検出された共振波数に基づいてミラー４ａ，４ｂ間の距離を調整する。
この構成により、積層体１０によって構成される光共振器内に、レーザ等の光源を用いることなく、ある光学モードの定在波を形成することができる。この光学モードと化学物質の分子振動とを相互作用させて振動強結合状態にすることにより、化学反応を制御することができる。このように、リアクタ１は、保護剤及びレーザなしで化学反応を制御することができる。さらに、ピエゾアクチュエータ５がミラー４ｂを移動させてミラー４ａ，４ｂ間の距離を調整することにより、例えば化学物質の反応が進んで流路２４内の流体の屈折率が変わった場合であっても、共振波数のずれを補正して振動強結合状態を維持することができる。
流路２４は、化学物質を含む流体を導入するための入口１１と、化学物質を含む流体及び目的物を含む流体のうちの少なくとも一方を排出するための出口１３と、を有する流路であってもよい。
この構成により、連続的に化学反応を生じさせることができ、バッチ式のリアクタに比べて短時間で多量の目的物を生成することができる。
モニタ装置３０は、顕微赤外分光装置又はＦＴＩＲ等の分光装置であってもよい。ミラー４ａ，４ｂは、ＺｎＳｅ板と、ＺｎＳｅ板の上に形成された金とを含んでもよい。
モニタ装置３０として赤外分光装置を使用し、ミラー４ａ，４ｂとして機能する金を赤外線に対して透明であるＺｎＳｅの上に形成することにより、モニタ装置３０による検出を妨げることなく、反射率の高いミラーを得ることができる。したがって、高性能の光共振器を得ることができる。
４．確認実験の結果
本実施形態に係るリアクタ１の効果に関する確認実験の結果について、図８を用いて説明する。
本実施形態に係るリアクタ１の効果に関する確認実験の結果について、図８を用いて説明する。
図８は、ピエゾアクチュエータ５を用いて化学反応を制御する処理の効果に関する確認実験の結果を示すグラフである。図８のグラフは、積層体１０によって構成される光共振器の共振波数と、４−アセチルベンズアルデヒドの吸収スペクトル（実線）と、共振波数に対するアルデヒドの反応率（〇印及び×印）との間の関係を示している。図８のグラフの横軸は、積層体１０によって構成される光共振器の共振波数を示し、左側の縦軸は吸光度を示し、右側の縦軸はアルデヒドの反応率を示している。
図８のグラフにおいて、〇印はピエゾアクチュエータ５を動作させる本実施形態に係るリアクタ１におけるアルデヒドの反応率を示し、×印はピエゾアクチュエータ５を駆動させない比較例に係るリアクタにおけるアルデヒドの反応率を示している。図８に示すアルデヒドの反応率は、反応開始から３０分経過後におけるアルデヒドの反応率である。
ここで、アルデヒドの反応率は、例えば、反応サイトとしてケトン基とアルデヒド基とを有する化合物（例えば図７の化合物Ａ）の化学反応の結果、（ｉ）アルデヒド基を有する化合物（例えば図７の化合物Ｂ）、（ｉｉ）ケトン基を有する化合物（例えば図７の化合物Ｃ）、及び、（ｉｉｉ）アルデヒド基とケトン基とを有する化合物（例えば図７の化合物Ｄ）が生成される場合において、（ｉ）〜（ｉｉｉ）の化合物の総生成量に対する（ｉ）の化合物の生成量の割合で表される。
図８のグラフにおいて、紙面に向かって左側にある吸収スペクトルのピークは、アルデヒド基の吸収極大に対応し、右側にある吸収スペクトルのピークは、ケトン基の吸収極大（１６８７ｃｍ−１）に対応している。図３〜６に示した積層体１０の流路径ｒ及び保護膜３ａ，３ｂの厚さｔ１を設計し、光共振器の共振波数を、ケトン基の吸収極大（１６８７ｃｍ−１）に設定すると、ケトン基の反応性が不活性化し、アルデヒドの反応性が上昇する。したがって、ケトン基が反応することによる副生成物の生成を抑制することができる。
図８に示すように、光共振器を構成しない反応槽において、４−アセチルベンズアルデヒドに対してヨウ素存在下でホモアリルアルコールとプリンス反応を開始させると、反応開始から３０分経過後におけるアルデヒドの反応率は、６０％程度であった。
図８に示すように、積層体１０によって構成される光共振器において、ピエゾアクチュエータ５を駆動させずに同様の反応を観測した比較例においては、反応開始から３０分経過後におけるアルデヒドの反応率は、約７９％であった。
図８に示すように、積層体１０によって構成される光共振器において、ピエゾアクチュエータ５を駆動させて光共振器の共振波数のずれを補正する本実施形態においては、反応開始から３０分経過後におけるアルデヒドの反応率は、約８８％であった。このように、本実施形態に係るリアクタ１は、比較例に比べて、アルデヒドの反応率を向上させることができる。本実施形態に係るリアクタ１では、ミラー４ａ，４ｂ間の距離を調整することにより、アルデヒドの反応率及びケトンの反応率を制御することもできる。
１ リアクタ
２ 基板
２ａ 表面
２ｂ 裏面
３ａ 保護膜
３ｂ 保護膜
４ａ ミラー
４ｂ ミラー
５ ピエゾアクチュエータ
１０ 積層体
１１ 入口
１２ 入口
１３ 出口
２１〜２３ 貫通孔
２４ 流路
３０ モニタ装置
３０ａ 赤外光源
３０ｂ 赤外線検出器
３１〜３３ 貫通孔
４１〜４３ 貫通孔
５１ 制御部
５２ ピエゾドライバ
６１ 支持基板
６２ 部材
９０ 光共振器
９１ａ ミラー
９１ｂ ミラー
２ 基板
２ａ 表面
２ｂ 裏面
３ａ 保護膜
３ｂ 保護膜
４ａ ミラー
４ｂ ミラー
５ ピエゾアクチュエータ
１０ 積層体
１１ 入口
１２ 入口
１３ 出口
２１〜２３ 貫通孔
２４ 流路
３０ モニタ装置
３０ａ 赤外光源
３０ｂ 赤外線検出器
３１〜３３ 貫通孔
４１〜４３ 貫通孔
５１ 制御部
５２ ピエゾドライバ
６１ 支持基板
６２ 部材
９０ 光共振器
９１ａ ミラー
９１ｂ ミラー
Claims (7)
- その内部で化学物質を反応させて目的物を生成する反応槽と、
前記反応槽を挟んで対向配置された１対のミラーと、
前記ミラーのうちの少なくとも１つを移動させて前記ミラー間の距離を調整するアクチュエータと、
前記ミラーによって構成される光共振器の共振波数を検出する検出装置とを備え、
前記アクチュエータは、前記化学物質の分子振動と前記光共振器によって形成される光学モードとを相互作用させて化学反応を制御するように、前記検出装置によって検出された共振波数に基づいて前記ミラー間の距離を調整する、リアクタ。 - 前記反応槽は、前記化学物質を含む流体を導入するための入口と、前記化学物質を含む流体及び前記目的物を含む流体のうちの少なくとも一方を排出するための出口と、を有する流路である、請求項１に記載のリアクタ。
- 前記検出装置は、赤外分光装置であり、
前記ミラーは、セレン化亜鉛板と、前記セレン化亜鉛板の上に形成された金とを含む、請求項１又は請求項２に記載のリアクタ。 - 前記化学物質は、アルデヒド基及びケトン基を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のリアクタ。
- 前記化学物質は、４−アセチルベンズアルデヒドである、請求項４に記載のリアクタ。
- 前記目的物は、アルデヒド及びケトンのうちの少なくとも１つを含む、請求項４又は５に記載のリアクタ。
- 前記アクチュエータは、前記目的物に含まれるアルデヒド及びケトンのうちの少なくとも１つの生成量を制御するように、前記検出装置によって検出された共振波数に基づいて前記ミラー間の距離を調整する、請求項４〜６のいずれか１項に記載のリアクタ。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2020082121 | 2020-05-07 | ||
| JP2020082121 | 2020-05-07 |
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| Publication Number | Publication Date |
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|---|---|---|---|
| JP2021007115A Pending JP2021178311A (ja) | 2020-05-07 | 2021-01-20 | リアクタ |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2021178311A (ja) |
-
2021
- 2021-01-20 JP JP2021007115A patent/JP2021178311A/ja active Pending
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