JP5110561B2 - Supercritical carbon dioxide reaction method and apparatus - Google Patents

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Description

本発明は、二酸化炭素を媒体として、触媒の存在下に、選択透過膜を介して有機反応基質と反応剤を反応させる反応方法、及びその反応装置に関するものであり、更に詳しくは、アルミナ壁面に担持された水素選択性のメソポーラスシリカ膜と不均一触媒を有する反応装置からなり、超臨界二酸化炭素媒体中で膜を透過した水素と有機反応基質の反応を遂行することが可能な新しい反応装置に関するものである。   The present invention relates to a reaction method in which an organic reaction substrate and a reactant are reacted through a selectively permeable membrane in the presence of a catalyst using carbon dioxide as a medium, and a reaction apparatus thereof. The present invention relates to a new reactor comprising a supported hydrogen-selective mesoporous silica membrane and a reactor having a heterogeneous catalyst and capable of performing a reaction between hydrogen permeated through the membrane and an organic reaction substrate in a supercritical carbon dioxide medium. Is.

本発明では、無機質の多孔性選択透過膜と不均一触媒とを組み合わせることにより、高反応収率、高選択性を有する反応を、極めて短時間で達成することを可能とするものである。また、本発明は、コンパクトで、エネルギー消費量を最小限とすることが可能な、環境に優しい有機化合物の合成装置を提供するものである。   In the present invention, by combining an inorganic porous permselective membrane and a heterogeneous catalyst, a reaction having a high reaction yield and high selectivity can be achieved in a very short time. The present invention also provides an environmentally friendly organic compound synthesizer that is compact and can minimize energy consumption.

薄膜分離技術を利用した膜反応装置は、コンパクトなデサインからなる新しいタイプの反応装置である。この装置は、作動時のエネルギー消費量を最小限にすることができる、安全に反応を遂行することができる等の優れた利点を有するものである。前世紀においては、燃料や化学物質の製造技術において、数々の大きな技術、例えば、触媒、熱統合、生成物の精製、排出物の浄化等に関する技術の進展がなされてきた。   Membrane reactors that use thin film separation technology are a new type of reactor that consists of compact designs. This apparatus has excellent advantages such as minimization of energy consumption during operation and safe reaction. In the last century, there have been a number of major advances in fuel and chemical manufacturing technologies, such as catalysts, heat integration, product purification, and waste purification.

しかしながら、今世紀になっても、新しい製造技術はもちろん、製造プロセスや触媒技術において更なる改善が必要とされている。こうした中で、膜反応装置は、革新的な技術の一つとして、製造プロセスを更にコンパクト化し、その構築に必要とする資金を最小限に抑えることに大きく貢献する可能を有するものである。   However, even in this century, there is a need for further improvements in manufacturing processes and catalyst technologies as well as new manufacturing technologies. Under such circumstances, as one of innovative technologies, the membrane reactor has the potential to contribute greatly to making the manufacturing process more compact and minimizing the funds required for its construction.

膜反応装置に係る技術は、平衡現象により制約されている従来反応の反応率を改善し、反応をコントロールすることを容易とし、エネルギー消費量を減少し、更に高温度下での反応における原料/生成物の分離に要する費用を低減することを可能とする。膜反応装置の基本的な原理は、有機反応基質又は反応剤が膜を通して透過、拡散する現象を利用して、それらを反応域に選択的に供給することにある。それにより、膜反応技術では、望ましくない反応の防止や、触媒への触媒毒の吸着等を阻止することが可能となる。   The technology related to the membrane reactor improves the reaction rate of the conventional reaction, which is restricted by the equilibrium phenomenon, makes it easy to control the reaction, reduces energy consumption, and further reduces the raw material / It makes it possible to reduce the costs required for product separation. The basic principle of the membrane reactor is to selectively supply them to the reaction zone by utilizing the phenomenon that organic reaction substrates or reagents permeate and diffuse through the membrane. Thereby, in the membrane reaction technique, it is possible to prevent an undesirable reaction and to prevent the adsorption of the catalyst poison to the catalyst.

一方、超臨界二酸化炭素(scCO)を反応媒体とすることにより、高密度ガスに独特な特性を利用した画期的な反応プロセスを構築することができる。最も重要な超臨界二酸化炭素の特性として、超臨界二酸化炭素が他のガス状物質を完全に溶解可能であることが挙げられる。ほとんどの液体が、ある限られた量のガス状物質を溶解することしかできないのに対し、超臨界二酸化炭素は、水素ガス、酸素ガスのような他のガス状物質を高濃度に溶解し、有機反応基質と共に単一相を形成することができる特性を示す。 On the other hand, by using supercritical carbon dioxide (scCO 2 ) as a reaction medium, it is possible to construct an epoch-making reaction process using characteristics unique to high-density gas. The most important property of supercritical carbon dioxide is that supercritical carbon dioxide can completely dissolve other gaseous substances. Most liquids can only dissolve a limited amount of gaseous substances, whereas supercritical carbon dioxide dissolves other gaseous substances such as hydrogen gas and oxygen gas in high concentrations, It exhibits the property of being able to form a single phase with an organic reaction substrate.

したがって、超臨界二酸化炭素中での反応は、溶液中での反応に比較して、反応速度が極めて速くなる。このことは、大量の物質移動を要する反応においては、特に重要な要素となる。更に、超臨界状態において、部分モル体積が負となることを反応の速度定数を制御することに利用できる。この特性を、超臨界二酸化炭素において見出された高度な物質移動速度と組み合わせることにより、超臨界二酸化炭素を媒体とする反応が、触媒反応において多くの利点をもたらす。   Therefore, the reaction rate in supercritical carbon dioxide is extremely high compared to the reaction in solution. This is a particularly important factor in reactions that require a large amount of mass transfer. Furthermore, in the supercritical state, the partial molar volume being negative can be used to control the reaction rate constant. Combining this property with the high mass transfer rates found in supercritical carbon dioxide, supercritical carbon dioxide-based reactions provide many advantages in catalytic reactions.

これまで、超臨界二酸化炭素を利用した膜反応装置には、主に、均一触媒反応が用いられてきた。既存の技術のほとんどが、有機反応基質と反応生成物との分離に膜を利用するものであり、そのために、小孔径を有し、超臨界二酸化炭素中で使用可能な分離膜が開発されてきた。これらのナノ分離膜は、簡単な有機化合物分子と、金属錯体の分子大きさの差に依存して分離作用を発揮するものであり、溶媒と反応生成物分子は通過させるが、分子の大きい触媒は通過させないで保持する。   Until now, homogeneous catalytic reactions have been mainly used for membrane reactors using supercritical carbon dioxide. Most of the existing technologies utilize membranes for separation of organic reaction substrates and reaction products. For this reason, separation membranes having a small pore size and usable in supercritical carbon dioxide have been developed. It was. These nano-separation membranes exhibit a separating action depending on the difference in molecular size between simple organic compound molecules and metal complexes, allowing the solvent and reaction product molecules to pass through, but having a large molecular catalyst. Hold without passing.

したがって、超臨界二酸化炭素と、反応生成物は膜を通して移送されるが、触媒は反応器中に残存することになる。しかしながら、この方法では、例えば、超臨界二酸化炭素への触媒の溶解度が低い等のいくつかの欠点を有している。触媒の超臨界二酸化炭素への溶解度を上げるには、低凝集エネルギー密度を有するペルフルオロアルキル基等の高価なリガンドを触媒に結合することが必要となる。こうした問題を解決するために、本発明では、不均一触媒を使用した超臨界二酸化炭素による新しい膜反応に好適な反応装置を開発した。   Thus, supercritical carbon dioxide and the reaction product are transported through the membrane, but the catalyst remains in the reactor. However, this method has several drawbacks, such as low solubility of the catalyst in supercritical carbon dioxide. In order to increase the solubility of the catalyst in supercritical carbon dioxide, it is necessary to bind an expensive ligand such as a perfluoroalkyl group having a low cohesive energy density to the catalyst. In order to solve these problems, the present invention has developed a reactor suitable for a new membrane reaction using supercritical carbon dioxide using a heterogeneous catalyst.

従来、二酸化炭素を媒体とした反応装置には、有機質膜が主に使用されてきた。しかしながら、有機質膜を二酸化炭素媒体中で使用すると、膨潤や安定性の面においていくつかの欠点を示す。そのため、数多くの異なるタイプの無機質膜が開発され、それらを、二酸化炭素を使用した反応装置において利用することが可能となっている。   Conventionally, an organic film has been mainly used in a reaction apparatus using carbon dioxide as a medium. However, the use of an organic film in a carbon dioxide medium presents several drawbacks in terms of swelling and stability. Therefore, many different types of inorganic membranes have been developed and can be used in reactors using carbon dioxide.

それらの無機質膜は、有機質膜が有する物理的、化学的特性を全く、又は、ほんの部分的にしか示さないばかりか、膨潤やコンパクト化に対する問題がなく、構造安定性に優れた膜である。更に、無機質のシリカ膜は、二酸化炭素よりも、水素をより高度に透過する特性を有している。しかしながら、無機質膜を、二酸化炭素を媒体とする反応装置へ適用することについては充分な研究がなされていないのが現状である。   These inorganic films not only exhibit the physical and chemical characteristics of the organic film, but only partially, and are excellent in structural stability without problems with swelling and compactness. Furthermore, the inorganic silica film has a property of transmitting hydrogen more highly than carbon dioxide. However, the present situation is that sufficient research has not been made to apply the inorganic membrane to a reactor using carbon dioxide as a medium.

超臨界二酸化炭素を媒体とする不均一触媒反応により化合物を合成する従来技術としては、例えば、炭素−炭素二重結合、又は炭素−炭素三重結合を含有する化合物と、水素と、一酸化炭素とを、超臨界二酸化炭素中、第VIII族遷移金属触媒前駆体とホスファイトリガンドとの存在下、ヒドロカルボニル化反応に付したヒドロカルボニル化方法が報告されている(特許文献1参照)。   Examples of conventional techniques for synthesizing a compound by heterogeneous catalytic reaction using supercritical carbon dioxide as a medium include, for example, a compound containing a carbon-carbon double bond or carbon-carbon triple bond, hydrogen, and carbon monoxide. Has been reported to be subjected to a hydrocarbonylation reaction in supercritical carbon dioxide in the presence of a Group VIII transition metal catalyst precursor and a phosphite ligand (see Patent Document 1).

また、反応媒体として超臨界二酸化炭素、亜臨界二酸化炭素又は二酸化炭素を用い、触媒に無機酸化物及び/又は貴金属を用いて、オレフィン系炭化水素を、酸素、空気又は酸素を含むガスで酸化することによりカルボニル化合物、エポキシド等を製造する、転化率や反応生成物の収率を向上させたオレフィン系炭化水素の酸化方法が報告されている(特許文献2参照)。   Also, supercritical carbon dioxide, subcritical carbon dioxide or carbon dioxide is used as a reaction medium, and an olefinic hydrocarbon is oxidized with oxygen, air or a gas containing oxygen using an inorganic oxide and / or a noble metal as a catalyst. Thus, there has been reported an olefinic hydrocarbon oxidation method for producing a carbonyl compound, an epoxide, etc. and improving the conversion rate and the yield of the reaction product (see Patent Document 2).

また、超臨界又は近臨界条件下での脂肪族又は芳香族基質の選択的水素化方法において、水素化が超臨界又は近臨界の反応媒質を含有する連続流反応器において不均一触媒を用いて遂行され、その生成物製造の選択性が、温度、圧力、触媒及び流量の一つ又はそれ以上を変えることにより達成される超臨界水素化方法が報告されている(特許文献3参照)。しかしながら、超臨界二酸化炭素を媒体として、不均一触媒の存在下に化合物を合成する反応において、膜反応装置を使用した従来例は見当たらない。   Also, in a method for selective hydrogenation of an aliphatic or aromatic substrate under supercritical or near critical conditions, a heterogeneous catalyst is used in a continuous flow reactor in which the hydrogenation contains a supercritical or near critical reaction medium. A supercritical hydrogenation process has been reported that is carried out and the product production selectivity is achieved by changing one or more of temperature, pressure, catalyst and flow rate (see Patent Document 3). However, there is no conventional example using a membrane reactor in the reaction of synthesizing a compound in the presence of a heterogeneous catalyst using supercritical carbon dioxide as a medium.

特開2000−53606号公報JP 2000-53606 A 特開昭2005−170856号公報JP-A-2005-170856 特表2000−508653号公報Special table 2000-508653 gazette

このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、有機反応基質と反応剤を反応させて、効率的に生成物を合成することが可能な有機化合物の合成技術を開発することを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、二酸化炭素を媒体とし、選択透過膜を介して有機反応基質と反応剤を反応させることにより、短時間で、高収率で反応を遂行することを可能とする新しい合成技術を見出し、更に研究を重ねて、本発明を完成するに至った。   In such a situation, in view of the above-mentioned prior art, the present inventors have made a synthesis technique of an organic compound capable of efficiently synthesizing a product by reacting an organic reaction substrate with a reactant. As a result of intensive research aimed at development, carbon dioxide is used as a medium, and the reaction is carried out in a short time and in a high yield by reacting the organic reaction substrate and the reactant through the permselective membrane. As a result, the inventors have found a new synthesis technique that enables the above-mentioned and further researched to complete the present invention.

本発明は、二酸化炭素を媒体とし、選択透過膜を介して有機反応基質と反応剤を反応させることにより、短時間で、高収率で反応を遂行することができる有機化合物の合成方法及びその装置を提供すること、また、本発明は、超臨界状態の二酸化炭素媒体中で作動可能な膜反応装置であって、穏やかな反応条件下で、高い反応速度を達成することが可能であり、また、目的とする化合物の選択性に優れた反応を短時間で進行させることが可能な反応装置を提供すること、また、本発明は、有機反応基質と反応性ガス、例えば、水素、酸素との反応により、効率的な酸化、還元、水素添加反応等を行うことができる反応方法及び装置を提供すること、を目的とするものである。   The present invention relates to a method for synthesizing an organic compound capable of performing a reaction in a short time and in a high yield by reacting an organic reaction substrate and a reagent through a permselective membrane using carbon dioxide as a medium, and a method thereof. Providing an apparatus, and the present invention is a membrane reactor operable in a supercritical carbon dioxide medium, capable of achieving a high reaction rate under mild reaction conditions, The present invention also provides a reaction apparatus capable of allowing a reaction excellent in selectivity of a target compound to proceed in a short time, and the present invention provides an organic reaction substrate and a reactive gas such as hydrogen and oxygen. It is an object of the present invention to provide a reaction method and apparatus capable of performing efficient oxidation, reduction, hydrogenation reaction, and the like.

また、本発明は、超臨界二酸化炭素媒体中で、不均一触媒の存在下に、膨潤、安定性に問題のない無機選択透過膜を利用して反応を行うための新規な反応装置を提供すること、また、本発明は、アルミナ表面に支持されたメソポーラスシリカ膜を利用した膜反応装置を提供すること、更に、本発明は、触媒、及び消費エネルギーに係る費用を最小限度に押さえることが可能な環境に優しい反応装置を提供すること、を目的とするものである。   The present invention also provides a novel reaction apparatus for performing a reaction in a supercritical carbon dioxide medium using an inorganic permselective membrane having no problem in swelling and stability in the presence of a heterogeneous catalyst. In addition, the present invention provides a membrane reaction apparatus using a mesoporous silica film supported on an alumina surface, and further, the present invention can minimize costs related to the catalyst and energy consumption. An object is to provide an environmentally friendly reactor.

上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
(1)二酸化炭素を媒体として、触媒の存在下に、有機反応基質と反応剤を反応させる反応装置であって、
反応剤を含む二酸化炭素の流路(第1流路)、有機反応基質を含む二酸化炭素の流路(第2流路)、及び多孔質部材により支持された反応剤選択透過膜を有し、第1流路と第2流路が、多重管構造の内管ないし外管を形成し、かつ上記第1流路の反応剤が反応剤選択透過膜を介して他の流路に選択的に透過可能となるように配設され、第流路の有機反応基質と上記反応剤選択透過膜を透過した反応剤が反応する反応域に、触媒が存在する構造を具備しており
二酸化炭素が、4〜20MPaの圧力範囲、及び室温〜100℃の温度範囲の二酸化炭素であり、上記反応剤が、水素、又は酸素の反応性ガスであることを特徴とする反応装置。
(2)触媒が、不均一触媒である前記(1)に記載の反応装置。
(3)反応剤選択透過膜が、シリカ膜、メソポーラスシリカ膜、Pd膜、ベントナイト膜、アルミナ膜、Pdイオン交換膜、銅−LaNi膜、アルミノシリケート膜、ゼオライト膜、パラジウム合金膜、ペロブスカイト膜、又はCeO/ZrO被覆TiO膜である前記(1)に記載の反応装置。
(4)二酸化炭素が、亜臨界ないし超臨界状態の二酸化炭素である前記(1)から(3)のいずれかに記載の反応装置。
(5)前記(1)から(3)のいずれかに記載の反応装置を使用して、4〜20MPaの圧力範囲、及び室温〜100℃の温度範囲の二酸化炭素を媒体として、不均一触媒の存在下に、有機反応基質と反応剤を反応させる反応方法であって、
反応剤を含む二酸化炭素の流路(第1流路)、有機反応基質を含む二酸化炭素の流路(第2流路)、及び多孔質部材により支持された反応剤選択透過膜を有し、第1流路と第2流路が、多重管構造の内管ないし外管を形成し、かつ上記第1流路の反応剤が反応剤選択透過膜を介して他の流路に選択的に透過可能となるように配設され、第2流路の有機反応基質と上記反応剤選択透過膜を透過した反応剤が反応する反応域に、触媒が存在する構造を具備した反応装置において、上記反応剤として、水素、又は酸素の反応性ガスを用いて、第1流路を通して投入された二酸化炭素媒体に含まれる反応剤を、反応剤選択透過膜を介して選択的に透過させて反応域に導入し、該反応域で、透過した反応剤と第2流路を通して投入された有機反応基質とを、上記触媒の存在下に反応させることを特徴とする反応方法。
(6)亜臨界ないし超臨界状態の二酸化炭素を媒体として有機反応基質と反応剤を反応させる前記(5)に記載の反応方法。
The present invention for solving the above-described problems comprises the following technical means.
(1) as a medium of carbon dioxide in the presence of a catalyst, it met the reactor is reacted with the organic reaction substrate reagent,
A flow path of carbon dioxide containing a reactive agent (first flow path), a flow path of carbon dioxide containing an organic reaction substrate (second flow path), and a reactive agent permselective membrane supported by a porous member ; The first flow channel and the second flow channel form an inner tube or an outer tube having a multi-tube structure, and the reactant in the first channel is selectively transmitted to another channel through the reactant selective permeation membrane. It is arranged so as to be permeable, and has a structure in which a catalyst exists in a reaction zone in which a reaction agent that has passed through the organic reaction substrate in the second flow path and the reagent selective permeation membrane reacts,
Carbon dioxide, the pressure range of 4~20MPa, and a carbon dioxide temperature ranging from room temperature to 100 ° C., the reactor in which the reactants, characterized in that hydrogen or oxygen reactive gas.
(2) The reaction apparatus according to (1), wherein the catalyst is a heterogeneous catalyst.
(3) Reagent selective permeation membrane is silica membrane, mesoporous silica membrane, Pd membrane, bentonite membrane, alumina membrane, Pd ion exchange membrane, copper-LaNi 5 membrane, aluminosilicate membrane, zeolite membrane, palladium alloy membrane, perovskite membrane Or the reactor according to (1) above, which is a CeO 2 / ZrO 2 -coated TiO 2 film.
(4) The reaction apparatus according to any one of (1) to (3), wherein the carbon dioxide is carbon dioxide in a subcritical or supercritical state.
(5) Using the reactor according to any one of (1) to (3) above, using a carbon dioxide in a pressure range of 4 to 20 MPa and a temperature range of room temperature to 100 ° C. as a medium, A reaction method of reacting an organic reaction substrate with a reactant in the presence of
A flow path of carbon dioxide containing a reactive agent (first flow path), a flow path of carbon dioxide containing an organic reaction substrate (second flow path), and a reactive agent permselective membrane supported by a porous member; The first flow channel and the second flow channel form an inner tube or an outer tube having a multi-tube structure, and the reactant in the first channel is selectively transmitted to another channel through the reactant selective permeation membrane. In a reaction apparatus having a structure in which a catalyst is present in a reaction zone that is disposed so as to be permeable and in which a reaction agent that has passed through an organic reaction substrate in a second flow path and a reaction agent permeation membrane has reacted. Using a reactive gas such as hydrogen or oxygen as the reactant, the reactant contained in the carbon dioxide medium introduced through the first flow path is selectively permeated through the reactant selective permeation membrane to react the reaction zone. And the reaction agent permeated in the reaction zone and the organic reaction substrate introduced through the second flow path. The reaction wherein the reacting in the presence of the catalyst.
(6) The reaction method according to (5), wherein the organic reaction substrate and the reactant are reacted using carbon dioxide in a subcritical or supercritical state as a medium.

次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、二酸化炭素を媒体として、触媒の存在下に、有機反応基質と反応剤を反応させる反応装置であって、反応剤を含む二酸化炭素の流路(第1流路)、有機反応基質を含む二酸化炭素の流路(第2流路)、及び反応剤選択透過膜を有し、第1流路と第2流路が、上記第1流路の反応剤が透過膜を介して他の流路に選択的に透過可能となるように配設され、第1流路の有機反応基質と上記透過膜を透過した反応剤が反応する反応域に、触媒が存在していることを特徴とするものである。
Next, the present invention will be described in more detail.
The present invention relates to a reaction apparatus for reacting an organic reaction substrate with a reactant in the presence of a catalyst using carbon dioxide as a medium, the channel for carbon dioxide containing the reactant (first channel), the organic reaction substrate. A carbon dioxide flow path (second flow path) including a reactive agent permselective membrane, and the first flow path and the second flow path are different from each other through the permeation membrane. And a catalyst is present in a reaction zone in which the organic reaction substrate in the first channel and the reactant that has passed through the permeable membrane react with each other. It is what.

また、本発明は、上記の反応装置を使用して、二酸化炭素を媒体として、触媒の存在下に、有機反応基質と反応剤を反応させる反応方法であって、第1流路を通して投入された二酸化炭素媒体に含まれる反応剤を、反応剤選択透過膜を介して選択的に透過させて反応域に導入し、該反応域で、透過した反応剤と第2流路を通して投入された有機反応基質とを、触媒の存在下に反応させることを特徴とするものである。   In addition, the present invention is a reaction method in which an organic reaction substrate and a reactant are reacted in the presence of a catalyst using carbon dioxide as a medium using the above-described reaction apparatus, which is introduced through the first flow path. The reactant contained in the carbon dioxide medium is selectively permeated through the reactant selective permeation membrane and introduced into the reaction zone. In the reaction zone, the permeated reactant and the organic reaction introduced through the second flow path. The substrate is reacted in the presence of a catalyst.

本発明では、反応剤として、水素、酸素を使用し、反応剤選択透過膜として、シリカ膜、メソポーラスシリカ膜、Pd膜、ベントナイト膜、アルミナ膜、Pdイオン交換膜、銅−LaNi膜、アルミノシリケート膜、ゼオライト膜、パラジウム合金膜、ペロブスカイト膜、CeO/ZrO被覆TiO膜を使用する。 In the present invention, hydrogen and oxygen are used as the reactant, and silica membrane, mesoporous silica membrane, Pd membrane, bentonite membrane, alumina membrane, Pd ion exchange membrane, copper-LaNi 5 membrane, alumino as the reactant selective permeation membrane. A silicate film, a zeolite film, a palladium alloy film, a perovskite film, or a CeO 2 / ZrO 2 coated TiO 2 film is used.

また、触媒として、不均一触媒を使用し、不均一触媒が、反応域から流出しないように保持されている。また、二酸化炭素は、4〜20MPaの圧力、室温〜100℃の温度範囲にあり、好ましくは、超臨界ないし亜臨界状態であることを好ましい実施態様としている。   Further, a heterogeneous catalyst is used as the catalyst, and the heterogeneous catalyst is held so as not to flow out of the reaction zone. Carbon dioxide has a pressure of 4 to 20 MPa and a temperature range of room temperature to 100 ° C., and is preferably in a supercritical or subcritical state.

また、本発明では、超臨界状態の二酸化炭素を媒体中で作動可能な反応装置を用いて、穏やかな反応条件下で、高反応速度の反応が可能であり、目的とする生成物の選択性に優れた反応を短時間で実行することが可能である。   In the present invention, a reaction device capable of operating carbon dioxide in a supercritical state in a medium can be used to perform a reaction at a high reaction rate under mild reaction conditions. It is possible to carry out a reaction excellent in a short time.

本発明では、二酸化炭素、例えば、超臨界ないし亜臨界二酸化炭素を媒体として、触媒の存在下に、選択透過膜を透過した反応剤と有機反応基質から、例えば、酸化、還元等の反応により所望の有機化合物に変換する。反応媒体としては、二酸化炭素が用いられるが、具体的には、例えば、圧力4〜20MPa、温度35〜100℃の加圧二酸化炭素であり、好適には、超臨界ないし亜臨界状態の二酸化炭素が用いられる。   In the present invention, carbon dioxide, for example, supercritical or subcritical carbon dioxide is used as a medium, in the presence of a catalyst, from a reactant that has permeated a permselective membrane and an organic reaction substrate, for example, by a reaction such as oxidation or reduction. To an organic compound. As the reaction medium, carbon dioxide is used, and specifically, for example, pressurized carbon dioxide having a pressure of 4 to 20 MPa and a temperature of 35 to 100 ° C., preferably carbon dioxide in a supercritical or subcritical state. Is used.

二酸化炭素は、気体、液体、固体の三態があり、更に、臨界温度(Tc=31.1℃)を超え、且つ臨界圧力(Pc=7.38MPa)を超えると、圧力をかけても凝縮せず、気体と液体との境界がなくなり、単一の流体相が出現し、この状態が超臨界状態と定義される。   Carbon dioxide has three states: gas, liquid, and solid. If it exceeds the critical temperature (Tc = 31.1 ° C) and exceeds the critical pressure (Pc = 7.38 MPa), it will condense even under pressure. Without a boundary between gas and liquid, a single fluid phase appears and this state is defined as a supercritical state.

こうした臨界点以上の超臨界状態ないし、臨界状態に近い亜臨界状態の二酸化炭素は、気体や液体の通常とは異なる特性を示す。すなわち、超臨界状態ないし亜臨界状態の二酸化炭素は、その密度は液体に近く、粘度は気体に近く、熱伝導率と拡散係数は基体と液体との中間的特性を示す。また、ガスや有機化合物の溶解性が増加するため、化学反応の進行に特異な影響を与える。   Carbon dioxide in a supercritical state above the critical point or in a subcritical state close to the critical state exhibits unusual properties of gases and liquids. That is, carbon dioxide in a supercritical state or a subcritical state has a density close to that of a liquid, a viscosity close to that of a gas, and thermal conductivity and diffusion coefficient exhibit intermediate characteristics between the substrate and the liquid. In addition, since the solubility of gas and organic compounds increases, it has a unique influence on the progress of chemical reactions.

本発明で用いる、超臨界状態等の高圧二酸化炭素の温度、圧力条件は、例えば、高圧ボンベから供給される際の圧力調整、反応器の外部からヒーターや加熱水槽等による加熱、あるいは反応器内での内熱方式によって制御される。流通式の超臨界装置では、反応容器中の圧力は、圧力弁により簡便に制御することができる。上記反応媒体として用いられる二酸化炭素は、特に制限はなく、例えば、市販の加圧二酸化炭素を用いることができる。   The temperature and pressure conditions of high-pressure carbon dioxide used in the present invention are, for example, pressure adjustment when supplied from a high-pressure cylinder, heating from the outside of the reactor with a heater or a heating water tank, or the like. It is controlled by the internal heat system. In the flow-type supercritical apparatus, the pressure in the reaction vessel can be easily controlled by a pressure valve. Carbon dioxide used as the reaction medium is not particularly limited, and for example, commercially available pressurized carbon dioxide can be used.

本発明において、反応剤としては、特に限定されるものではなく、二酸化炭素に溶解し、選択性透過膜を透過して、有機反応基質と反応する特性を有するものであれば何れの物質であっても用いられる。反応剤としては、例えば、気体としては、水素ガス、酸素ガスが例示される。有機反応基質としては、二酸化炭素に溶解し、選択透過膜を透過した反応剤と二酸化媒体中で反応する物質であれば何の制限もなく、何れの物質であっても用いられるが、例えば、ケイ皮アルデヒド、シトラール、クロトンアルデヒドが例示される。   In the present invention, the reactant is not particularly limited, and may be any substance as long as it has a property of being dissolved in carbon dioxide, permeating through a selective permeable membrane, and reacting with an organic reaction substrate. Even used. Examples of the reactant include hydrogen gas and oxygen gas as the gas. As an organic reaction substrate, any substance can be used without any limitation as long as it is a substance that dissolves in carbon dioxide and reacts with a reactant that has permeated through a permselective membrane in a carbon dioxide medium. Cinnamic aldehyde, citral, and crotonaldehyde are exemplified.

本発明は、上述の反応装置を用いることが重要であり、本発明で行われる反応としては、上記有機反応基質及び反応剤の組み合わせに応じた、様々な反応が可能であり、その反応に応じて各種化合物が生成されるものであって特に制限はない。本発明では、例えば、水素を反応剤とすると、還元反応、水素添加反応が進行し、酸素を反応剤とすると、酸化反応が進行する。更に具体的には、シンナムアルデヒドを有機反応基質とし、水素を反応剤として反応させると、シンナムアルデヒドが水素添加反応されたヒドロシンナムアルデヒド、及びアルデヒド基が還元されてアルコール基となったヒドロシンナミルアルコールが生成する。   In the present invention, it is important to use the above-described reaction apparatus. As the reaction performed in the present invention, various reactions are possible depending on the combination of the organic reaction substrate and the reactant, and depending on the reaction. There are no particular restrictions on the production of various compounds. In the present invention, for example, when hydrogen is used as a reactant, a reduction reaction and a hydrogenation reaction proceed. When oxygen is used as a reactant, an oxidation reaction proceeds. More specifically, when cinnamaldehyde is used as an organic reaction substrate and hydrogen is used as a reactive agent, hydrocinnamaldehyde obtained by hydrogenation of cinnamaldehyde and hydrocinnamyl obtained by reducing the aldehyde group to an alcohol group. Alcohol is produced.

本発明で使用する透過膜は、反応剤を選択的に透過する特性を有していることが必要であり、好適には、多孔性無機質膜が使用されるが、反応剤を選択的に透過する特性を有する膜であれば何れのものでも使用できる。無機質膜の多孔度は、好適な選択特性を達成するための重要な要因である。膜の多孔度は、均一型であっても、傾斜型であってもよい。孔の網状構造が全体に亘って同質であるときに膜の多孔度が均一型であるといい、多孔度が網状構造の全体に亘って均質でないとき、傾斜型であるという。本発明では、多孔度が均質であると、水素を一様に分散させるために好適である。   The permeable membrane used in the present invention needs to have a property of selectively permeating the reactant, and preferably a porous inorganic membrane is used, but the reactant is selectively permeated. Any film can be used as long as it has such characteristics. The porosity of the inorganic membrane is an important factor for achieving suitable selection characteristics. The porosity of the membrane may be uniform or inclined. When the pore network is homogeneous throughout, the membrane porosity is said to be uniform, and when the porosity is not homogeneous across the network, it is said to be tilted. In the present invention, a uniform porosity is suitable for uniformly dispersing hydrogen.

反応剤選択透過膜としては、例えば、シリカ膜、メソポーラスシリカ膜、Pd膜、ベントナイト膜、アルミナ膜、Pdイオン交換膜、銅−LaNi膜、アルミノシリケート膜、ゼオライト膜、パラジウム合金膜、ペロブスカイト膜、CeO/ZrO被覆TiO膜が例示される。これらの中で、例えば、水素を反応剤とする場合は、その選択透過膜として、シリカ膜、Pd膜、Pdイオン化膜が例示され、酸素を反応剤とする場合は、その選択透過膜として、ペロブスカイト膜、CeO/ZrO被覆TiO膜が例示される。 Examples of the reactive permeation membrane include a silica membrane, mesoporous silica membrane, Pd membrane, bentonite membrane, alumina membrane, Pd ion exchange membrane, copper-LaNi 5 membrane, aluminosilicate membrane, zeolite membrane, palladium alloy membrane, perovskite membrane. CeO 2 / ZrO 2 coated TiO 2 film is exemplified. Among these, for example, when hydrogen is used as the reactive agent, examples of the permselective membrane include silica membranes, Pd membranes, and Pd ionization membranes. When oxygen is used as the reactive agent, as the permselective membrane, Examples are perovskite films and CeO 2 / ZrO 2 coated TiO 2 films.

これらの選択透過膜は、多孔質セラミックス材料等の部材表面に形成されていてもよく、例えば、アルミナ多孔管の内表面に選択透過膜を形成したアルミナ管を、反応剤を含有する二酸化炭素の通路の一部として使用し、その部分を透過してきた反応剤が有機反応基質と反応する。本発明の反応は、反応が穏和な条件で行われるので、膜の熱安定性については、大きな問題となることは少ない。   These permselective membranes may be formed on the surface of a member such as a porous ceramic material. For example, an alumina tube having a permselective membrane formed on the inner surface of an alumina porous tube is made of carbon dioxide containing a reactant. The reactant used as a part of the passage and permeating the part reacts with the organic reaction substrate. Since the reaction of the present invention is carried out under mild conditions, the thermal stability of the film is rarely a big problem.

本発明では、好適には、不均一触媒の存在下に、有機反応基質と反応剤の反応が行われる。触媒としては、好適には、反応に選択性のある触媒が選定されるが、触媒の材質に特に制限はなく、既知の反応触媒から適宜選択してもよい。具体的には、例えば、選択性のある水素化触媒として、少なくとも1の金属、好適には、貴金属、遷移金属からなる触媒が反応装置の触媒チャンバー中に導入される。他に、不飽和カルボニル化合物の選択的水素化反応では、第VIII属の金属触媒が例示される。   In the present invention, the reaction between the organic reaction substrate and the reactant is preferably performed in the presence of a heterogeneous catalyst. As the catalyst, a catalyst having selectivity in the reaction is preferably selected, but the material of the catalyst is not particularly limited, and may be appropriately selected from known reaction catalysts. Specifically, for example, as a selective hydrogenation catalyst, a catalyst made of at least one metal, preferably a noble metal or a transition metal, is introduced into the catalyst chamber of the reactor. In addition, group VIII metal catalysts are exemplified in the selective hydrogenation of unsaturated carbonyl compounds.

触媒は、焼成した粉末状の形態とすることが好適であり、また、担体に担持して用いられるが、担体としては、カーボン、ゼオライト、シリカ、及びメソポーラス物質等が好適である。触媒は、反応開始前に予め活性化しておく必要があり、活性化は、水素による還元反応、又は特にメソポーラス物質では焼成によりなされ、このとき金属触媒が還元される。また、一旦使用したことにより不活性化した触媒は、それぞれの触媒において既に確立されている賦活技術により再生される。   The catalyst is preferably in the form of a calcined powder and is used by being supported on a carrier, and as the carrier, carbon, zeolite, silica, mesoporous material, and the like are suitable. The catalyst needs to be activated in advance before the start of the reaction, and the activation is performed by a reduction reaction with hydrogen, or in particular, by calcination with a mesoporous material, and at this time, the metal catalyst is reduced. Moreover, the catalyst deactivated once used is regenerated by the activation technique already established in each catalyst.

これらの触媒は、有機反応基質と選択的に透過した反応剤が接触し、反応が進行する反応域に導入すればよい。導入された触媒は、反応時間が経過するにともない、例えば、超臨界二酸化炭素の流れに伴って反応域から流出し、反応に関与することができなくなるため、触媒を反応域に保持して反応を遂行することが好適である。   These catalysts may be introduced into a reaction zone where the organic reaction substrate and the selectively permeated reagent come into contact with each other and the reaction proceeds. As the reaction time elapses, for example, the introduced catalyst flows out of the reaction zone along with the flow of supercritical carbon dioxide and cannot participate in the reaction. Is preferably performed.

そのためには、反応域を、例えば、有機反応基質及び二酸化炭素は自由に通過できるが、触媒が通過できない特性を有する多孔質部材により他の領域から隔離することにより、反応域内の触媒量が減少することなく反応を長期にわたり持続させることができる。具体的には、例えば、セラミックス製の多孔ネット等により反応域を他の領域から隔離することが好適である。また、例えば、触媒を強固に担持した多孔質体を反応域内に設置することにより触媒を長期間にわたって保持することが可能となる。   For this purpose, for example, the organic reaction substrate and carbon dioxide can freely pass through the reaction zone, but the amount of catalyst in the reaction zone is reduced by isolating it from other regions by a porous member having characteristics that the catalyst cannot pass through. The reaction can be sustained for a long time without doing so. Specifically, for example, it is preferable to isolate the reaction zone from other regions by a ceramic porous net or the like. Further, for example, the catalyst can be held for a long period of time by installing a porous body firmly supporting the catalyst in the reaction zone.

本発明では、反応生成物、有機反応基質、及び反応剤の特性に応じてその合成条件を適宜調整して効率的な反応を実施することができる。例えば、二酸化炭素の温度及び圧力、有機反応基質及び反応剤の濃度又は圧力、流速、選択性透過膜の選択率及びその透過速度、反応時間等を適宜制御することにより、効率よく、高選択性で、副反応の生起を防ぎながら反応を進行させることができる。   In the present invention, an efficient reaction can be carried out by appropriately adjusting the synthesis conditions according to the characteristics of the reaction product, the organic reaction substrate, and the reactant. For example, by appropriately controlling the temperature and pressure of carbon dioxide, the concentration or pressure of the organic reaction substrate and the reactant, the flow rate, the selectivity of the selective permeable membrane and the permeation rate thereof, the reaction time, etc. Thus, the reaction can proceed while preventing side reactions from occurring.

本発明の流通式反応装置としては、例えば、反応温度室温〜100℃、圧力4〜20MPaの範囲にある反応条件に、好適には、数秒以下の時間内で到達することが可能な機構を有する流通式高圧反応装置が用いられる。本発明における設定反応条件に至る経過時間は、例えば、バッチ方式反応装置(1〜5時間)及び従来の連続式反応装置(10〜120秒)と比べて、極端に短縮される。これにより、反応収率、及び生成物の選択性を大きく高めることができる。   The flow reactor of the present invention has, for example, a mechanism capable of reaching reaction conditions in a range of reaction temperature of room temperature to 100 ° C. and pressure of 4 to 20 MPa within a time of several seconds or less. A flow-type high-pressure reactor is used. The elapsed time to the set reaction conditions in the present invention is extremely shortened as compared with, for example, a batch reactor (1 to 5 hours) and a conventional continuous reactor (10 to 120 seconds). Thereby, the reaction yield and the selectivity of a product can be improved greatly.

本発明では、上記した反応条件を採用することにより、例えば、10分から6時間の時間で、有機反応基質と反応剤を反応させることができる。流通式反応装置を使用した場合には、反応時間は、反応温度、反応圧力、二酸化炭素の流速、反応器の形状、反応器の内径、反応器の流通経路の長さ等を制御することにより反応時間を制御することができる。   In the present invention, by adopting the reaction conditions described above, for example, the organic reaction substrate and the reactant can be reacted in a time of 10 minutes to 6 hours. When using a flow reactor, the reaction time is controlled by controlling the reaction temperature, reaction pressure, carbon dioxide flow rate, reactor shape, reactor inner diameter, reactor flow path length, etc. The reaction time can be controlled.

より好適な反応時間としては、1〜3時間の値を選択でき、最も好適には2時間の範囲の値を選択できるがこれらの値に限定されるものではない。反応条件を適切な値に設定するにより、その設定反応条件に到達するまでの経過時間を短縮でき、複雑な反応が生じにくくなり、シャープな反応が可能となる。すなわち、本発明では、目的の化合物を高選択率で合成することが可能となる。また、本発明では、短時間のうちに大量の生成物を得ることが可能であり、生産効率の高い化合物の製造方法を構築し、提供することができる。   As a more preferable reaction time, a value of 1 to 3 hours can be selected, and a value in the range of 2 hours can be selected most preferably, but is not limited to these values. By setting the reaction condition to an appropriate value, the elapsed time until reaching the set reaction condition can be shortened, a complex reaction is less likely to occur, and a sharp reaction is possible. That is, in the present invention, it becomes possible to synthesize the target compound with high selectivity. In the present invention, a large amount of product can be obtained in a short time, and a method for producing a compound with high production efficiency can be constructed and provided.

生成した反応混合物には、高転化率で目的化合物が含まれるが、未反応の原料又は副生成物等の不純物が含まれることがあるので、これらを精製分離することにより所望とする化合物を高純度で得ることができる。分離精製の方法は、特に限定されるものではなく、工業的に通常用いられている、蒸留抽出、イオン交換処理等が適用される。   The resulting reaction mixture contains the target compound at a high conversion rate, but may contain impurities such as unreacted raw materials or by-products. Can be obtained in purity. The separation and purification method is not particularly limited, and distillation extraction, ion exchange treatment, and the like, which are commonly used in industry, are applied.

次に、水素ガスを反応剤として、超臨界二酸化炭素(scCO)を媒体とした反応装置を例に、本発明の装置について詳細に説明する。図1は、本発明の、新規に開発された反応装置の構造を示す概略図である。反応器は恒温水浴槽中に設置され、反応器の端部Dには、HとscCOを反応器中に導入するためのシリンジポンプが連結されている。 Next, the apparatus of the present invention will be described in detail by taking as an example a reaction apparatus using hydrogen gas as a reactant and supercritical carbon dioxide (scCO 2 ) as a medium. FIG. 1 is a schematic diagram showing the structure of a newly developed reactor according to the present invention. The reactor is installed in a constant temperature water bath, and a syringe pump for introducing H 2 and scCO 2 into the reactor is connected to an end D of the reactor.

有機反応基質とscCOを、HPCLポンプにより、混合機C中で混合した後、流路Gを通って反応器に供給する。反応器の他端部Eには、二つの圧力計I1及びI2が設けられ、H+scCOの圧力とそれらの反応遂行時の圧力差を個別にチェックする。反応終了後、反応生成物は背圧制御器Jを通って減圧され、コールドトラップに回収される。未反応のH及びscCOは、他の経路Kを通って排出される。 The organic reaction substrate and scCO 2 are mixed in the mixer C by the HPCL pump, and then supplied to the reactor through the channel G. The other end E of the reactor is provided with two pressure gauges I1 and I2, and individually checks the pressure of H 2 + scCO 2 and the pressure difference when performing the reaction. After completion of the reaction, the reaction product is depressurized through the back pressure controller J and collected in a cold trap. Unreacted H 2 and scCO 2 are discharged through the other pathway K.

図2(a)と図2(b)は、それぞれ、反応器、及び膜ユニット部の拡大破断面を示す。反応器は、例えば、(i)外管Aと(ii)内管Bの二重管構造からなる。外管Aは、径2.55cmのステンレス鋼SUS316管から作製され、内管Bは、径0.9cm、長さ30cmの管から作製されている。外管Aには触媒導入口Cを有すると共に、入口及び出口以外から、反応ガスが漏れ出さないように強固に封鎖されている。内管Bは、B1、B2、及びB3の3部分からなり、B1とB3は、ステンレス鋼SUS316から作製されている。   2 (a) and 2 (b) show enlarged fracture surfaces of the reactor and the membrane unit part, respectively. The reactor has, for example, a double tube structure of (i) an outer tube A and (ii) an inner tube B. The outer tube A is made of a stainless steel SUS316 tube having a diameter of 2.55 cm, and the inner tube B is made of a tube having a diameter of 0.9 cm and a length of 30 cm. The outer tube A has a catalyst inlet C and is tightly sealed so that the reaction gas does not leak from other than the inlet and outlet. The inner pipe B is composed of three parts B1, B2, and B3, and B1 and B3 are made of stainless steel SUS316.

中央部分B2は、Alで支持された水素選択透過シリカ膜をその内面に有した管からなっている。有機反応基質とシリカ膜から選択的に透過したHが接触する部分が反応域となり、この領域に触媒が導入される。反応域内に触媒が効率的に保持されるように、触媒粒子が通過できないAl製のネット等によって、反応域を他の部分から隔離し、触媒の流出を阻止している。水素選択透過メソポーラスシリカ膜は、3ブロックコポリマーを使用した室温法によりAl管の内壁面に形成されている。 The central portion B2 is composed of a tube having a hydrogen selective permeable silica membrane supported by Al 2 O 3 on its inner surface. The portion where the organic reaction substrate and H 2 selectively permeated from the silica membrane come into contact is the reaction zone, and the catalyst is introduced into this zone. In order to efficiently hold the catalyst in the reaction zone, the reaction zone is isolated from other parts by an Al 2 O 3 net or the like through which the catalyst particles cannot pass to prevent the catalyst from flowing out. The hydrogen selective permeable mesoporous silica membrane is formed on the inner wall surface of the Al 2 O 3 tube by a room temperature method using a triblock copolymer.

本発明の反応方法又は反応装置の操作処理条件、例えば、反応温度、CO圧力、H圧力、有機反応基質濃度、有機反応基質とCO混合物の組成比、それらの流速等、の許容範囲は広いので、反応の遂行は容易である。本発明の反応を行うための一般的な反応条件を以下に示すが、これらの反応条件は、本発明の高圧反応装置において、scCO媒体中で、不均一触媒を使用した場合の水素の選択的拡散と水素化反応に適したものである。
1)二酸化炭素圧力:4〜20MPa、好適には、6〜16MPa、更に好適には、6〜12MPa
2)水素ガス圧力:0.1〜4MPa、更に好適には、0.2〜2MPa
3)反応温度:室温〜100℃、更に好適には、35〜70℃
4)有機反応基質とscCOの混合物の流速:水素化される有機反応基質流速0・01〜2.00ml/分、更に好適には0.05〜0.1ml/分
Operating conditions of the reaction method or reaction apparatus of the present invention, for example, reaction temperature, CO 2 pressure, H 2 pressure, organic reaction substrate concentration, composition ratio of organic reaction substrate and CO 2 mixture, flow rate thereof, etc. Since it is wide, the reaction is easy to carry out. General reaction conditions for carrying out the reaction of the present invention are shown below. These reaction conditions are selected in the case of using a heterogeneous catalyst in an scCO 2 medium in the high-pressure reactor of the present invention. Suitable for chemical diffusion and hydrogenation reactions.
1) Carbon dioxide pressure: 4-20 MPa, preferably 6-16 MPa, more preferably 6-12 MPa
2) Hydrogen gas pressure: 0.1-4 MPa, more preferably 0.2-2 MPa
3) Reaction temperature: room temperature to 100 ° C, more preferably 35 to 70 ° C
4) Flow rate of the mixture of organic reaction substrate and scCO 2 : Organic reaction substrate flow rate to be hydrogenated 0.01 to 2.00 ml / min, more preferably 0.05 to 0.1 ml / min

本発明は、scCO中で、不均一触媒及び膜の選択透過性を利用した反応システムであり、選択透過膜を介した反応、及びscCOを媒体とした反応、の両者の利点を併せ持つコンパクトな反応システムを展開し、開発したものである。本発明は、例えば、メソポーラス触媒の存在下で、シンナムアルデヒドの水素化反応を、全圧10MPa、反応温度50℃で行うことが可能である。 Compact invention, in scCO 2, a reaction system utilizing permselective heterogeneous catalyst and the membrane, which combines reaction via a selectively permeable membrane, and scCO 2 was used as a medium the reaction, the advantages of both Developed and developed a simple reaction system. In the present invention, for example, a cinnamaldehyde hydrogenation reaction can be carried out at a total pressure of 10 MPa and a reaction temperature of 50 ° C. in the presence of a mesoporous catalyst.

本発明で用いたシリカ透過膜は、従来文献に記載された膜と比較して、明らかな利点を有している。その中で、大きな利点のひとつは、透過性の優れた膜を通して二酸化炭素が流動するために、高い圧力差を必ずしも必要としないことである。また、本発明の反応方法は、scCO中で、不均一触媒を使用した反応の様々な可能性を導き出すことを可能とするものである。 The silica permeable membrane used in the present invention has a clear advantage compared to membranes described in the prior art. Among them, one of the great advantages is that a high pressure difference is not necessarily required because carbon dioxide flows through a highly permeable membrane. In addition, the reaction method of the present invention makes it possible to derive various possibilities of reaction using a heterogeneous catalyst in scCO 2 .

本発明では、scCO中での膜反応装置を使用することにより、更に高い触媒活性と高い効率等の利点を得ることができる。また、この装置は、反応混合物から目的とする反応生成物を、何ら困難に遭遇することなく、連続して分離することができる。また、本発明の反応装置は、単に、膜部分のみを酸素選択透過膜に交換することにより、scCO中で有機反応基質の酸化反応に使用することができる。更に、本発明の反応プロセスにより、環境に優しく、広範囲にわたる様々な反応条件下で各種の反応を実行することが可能である。 In the present invention, advantages such as higher catalytic activity and higher efficiency can be obtained by using a membrane reactor in scCO 2 . Moreover, this apparatus can isolate | separate the target reaction product from a reaction mixture continuously, without encountering any difficulty. In addition, the reaction apparatus of the present invention can be used for the oxidation reaction of an organic reaction substrate in scCO 2 by simply exchanging only the membrane portion with an oxygen selective permeable membrane. Furthermore, the reaction process of the present invention makes it possible to carry out various reactions under a wide variety of reaction conditions that are environmentally friendly.

反応剤選択透過膜は、H等の反応剤を触媒床へと選択的に大量に透過移動させる役割を果たす。本発明では、scCOを媒体とすることにより、物質移動の制限がないという超臨界媒体の特性を発揮して、触媒床への水素ガスの選択的拡散、移動を容易とすることから、Hの供給が制限されることがない。このように、本発明により高度の反応選択性、及び効率的な反応性を得ることが容易となる。 The reactant permselective membrane plays a role of selectively permeating and transferring a reactant such as H 2 to a catalyst bed in a large amount. In the present invention, by using scCO 2 as a medium, the characteristics of a supercritical medium that does not limit the mass transfer are exhibited, and the selective diffusion and transfer of hydrogen gas to the catalyst bed is facilitated. The supply of 2 is not limited. Thus, according to the present invention, it becomes easy to obtain a high degree of reaction selectivity and efficient reactivity.

本発明により、次のような効果が奏される。
(1)二酸化炭素を媒体とし、選択透過膜を介して有機反応基質と反応剤を反応させることにより、短時間で、高収率で反応を遂行することができる有機化合物の合成方法及びその装置を提供することができる。
(2)穏やかな反応条件下で、高い反応速度を達成し、目的とする生成物の選択性に優れた反応を遂行できる反応方法及びその装置を提供することができる。
(3)反応剤を、水素、酸素の反応性ガスから選定することにより、効率的に酸化、還元、水素添加反応を遂行することができる。
(4)超臨界二酸化炭素媒体中で、常に、十分な量の不均一触媒を存在させて反応を遂行させることができ、また、膨潤、安定性に問題のない無機選択透過膜を利用した反応装置を提供することができる。
(5)超臨界二酸化炭素媒体と選択透過膜を使用して、有機基質や反応剤の溶解性や、平衡定数に影響されないで、反応を容易に制御することができる反応装置を提供することができる。
(6)触媒の取扱いや、装置の作動に要するエネルギー等に要する出費を最小に押さえることが可能な、安全性に優れ、環境に優しいコンパクトな反応装置を提供することができる。
The present invention has the following effects.
(1) A method and apparatus for synthesizing an organic compound capable of performing a reaction in a short time and in a high yield by reacting an organic reaction substrate and a reagent through a permselective membrane using carbon dioxide as a medium. Can be provided.
(2) It is possible to provide a reaction method and apparatus capable of achieving a high reaction rate under mild reaction conditions and performing a reaction excellent in selectivity of a target product.
(3) a reactant selected from hydrogen, by selecting the reactive gases oxygen, efficient oxidation, reduction, it is possible to perform the hydrogenation reaction.
(4) In a supercritical carbon dioxide medium, the reaction can always be carried out in the presence of a sufficient amount of a heterogeneous catalyst, and the reaction utilizing an inorganic permselective membrane with no problem in swelling and stability. An apparatus can be provided.
(5) To provide a reaction apparatus that uses a supercritical carbon dioxide medium and a permselective membrane and can easily control the reaction without being affected by the solubility of the organic substrate and the reactant and the equilibrium constant. it can.
(6) It is possible to provide a compact reactor that is safe and environmentally friendly, capable of minimizing the expense required for the handling of the catalyst and the energy required for operating the apparatus.

次に、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。   EXAMPLES Next, although this invention is demonstrated concretely based on an Example, this invention is not limited at all by the following Examples.

本実施例では、シンナムアルデヒド(α,−β不飽和アルデヒド)の選択的水素化反応を、超臨界二酸化炭素を媒体として行った。本実施例で設定した反応条件の下で推定される反応過程を、次の化学式(化1)に示した。   In this example, the selective hydrogenation reaction of cinnamaldehyde (α, -β unsaturated aldehyde) was performed using supercritical carbon dioxide as a medium. The reaction process estimated under the reaction conditions set in this example is shown in the following chemical formula (Formula 1).

本実施例で使用した高圧反応装置の構造の概要を図1に示す。反応器は恒温水浴槽中に設置され、反応器の端部Dには、HとscCOを反応器中に導入するためのシリンジポンプ(A:49MPaまでの耐圧性を有する、ISCOモデル260D)が連結されている。有機反応基質とscCOを、HPCLポンプ(B:JASCO880PUモデル)により送液し、混合機C中で混合した後に、流路Gを通って反応器に供給した。反応器の他端部Eには、二つの圧力計I1及びI2が設けられ、H+scCOの圧力と、反応遂行時の圧力差を個別にチェックする。反応終了後、反応生成物は背圧制御器Jにより減圧し、コールドトラップに回収され、未反応のH及びscCOは、他の流路Kより排出された。 An outline of the structure of the high-pressure reactor used in this example is shown in FIG. The reactor is installed in a constant temperature water bath, and at the end D of the reactor, a syringe pump (A: with pressure resistance up to 49 MPa, ISCO model 260D for introducing H 2 and scCO 2 into the reactor) ) Are connected. The organic reaction substrate and scCO 2 were fed by an HPCL pump (B: JASCO880PU model), mixed in the mixer C, and then supplied to the reactor through the channel G. At the other end E of the reactor, two pressure gauges I1 and I2 are provided to individually check the pressure of H 2 + scCO 2 and the pressure difference during the reaction. After completion of the reaction, the reaction product was depressurized by the back pressure controller J, collected in a cold trap, and unreacted H 2 and scCO 2 were discharged from the other channel K.

図2(a)と図2(b)に、それぞれ、反応器、及び膜ユニット部の拡大破断面を示す。反応器は、(i)外管Aと(ii)内管Bの二重構造からなる。外管Aが、径2.55cmのステンレス鋼SUS316管から作製され、内管Bが、径0.9cm、長さ30cmの管から作製されている。外管Aには触媒導入口Cを設けると共に、入口及び出口以外から、反応ガスが漏れ出さないように強固に密封されている。内管Bは、B1、B2、及びB3の3部分からなり、B1及びB3は、ステンレス鋼SUS316から作製されている。   2 (a) and 2 (b) show enlarged fracture surfaces of the reactor and the membrane unit, respectively. The reactor has a double structure of (i) outer tube A and (ii) inner tube B. The outer tube A is made from a stainless steel SUS316 tube having a diameter of 2.55 cm, and the inner tube B is made from a tube having a diameter of 0.9 cm and a length of 30 cm. The outer tube A is provided with a catalyst inlet C and is tightly sealed so that the reaction gas does not leak from other than the inlet and outlet. The inner pipe B is composed of three parts B1, B2, and B3, and B1 and B3 are made of stainless steel SUS316.

中央部分B2は、Alに支持された水素選択透過シリカ膜をその内面に有する管から構成されている。また、反応基質と選択透過した反応剤が反応する反応域に触媒が保持されるように、scCOは通過できるが触媒粒子は通過できないAlネットによって、反応域は他の部分から隔離されている。水素選択透過メソポーラスシリカ膜は、3ブロックコポリマーを使用した室温法によりAl管の内壁面に形成されている。 The central portion B2 is composed of a tube having a hydrogen selective permeable silica membrane supported on Al 2 O 3 on its inner surface. The reaction zone is isolated from other parts by an Al 2 O 3 net that allows scCO 2 to pass but not catalyst particles so that the catalyst is held in the reaction zone where the reaction substrate and the selectively permeated reactant react. Has been. The hydrogen selective permeable mesoporous silica membrane is formed on the inner wall surface of the Al 2 O 3 tube by a room temperature method using a triblock copolymer.

本実施例の反応装置により反応を行うにあたり、まず、2.13gの焼成Pt−MCM−41(〜1wt%のPt)触媒を、図2aの触媒導入口Cより導入した。反応器を、50℃の水浴中に90分間設置して、反応温度を一定に保持した。反応剤として、Hガス及びシンナムアルデヒド(有機反応基質)を導入する前に、反応器の漏れを注意深く検査して、反応器の安全性を確認した。 In carrying out the reaction using the reactor of this example, first, 2.13 g of calcined Pt-MCM-41 (˜1 wt% Pt) catalyst was introduced from the catalyst inlet C of FIG. The reactor was placed in a 50 ° C. water bath for 90 minutes to keep the reaction temperature constant. Before introducing H 2 gas and cinnamaldehyde (organic reaction substrate) as reactants, the reactor was carefully checked for leaks to confirm reactor safety.

反応を開始するにあたり、シリンジポンプにより1MPaのHを、シリカ膜をその内壁に有するAl管内に導入し、次いで、9MPaのCOを2.00ml/分の流速で同管内に導入した。これらを導入している間、反応器内の全圧力を図1に示した圧力検出器I1によりモニターした。次に、有機反応基質と二酸化炭素を混合し、0.1ml/分の定常流速で触媒を通過させた。背圧制御器を使用して、未反応のガスと反応生成物を分離して、反応生成物をクールトラップ中に回収した。反応生成物は、キャピラリーカラムと水素炎イオン化検知器を有するGC(HP6890)により分析した。その結果を表1に示す。 To start the reaction, 1 MPa of H 2 was introduced into the Al 2 O 3 pipe having a silica membrane on its inner wall by a syringe pump, and then 9 MPa of CO 2 was introduced into the pipe at a flow rate of 2.00 ml / min. did. While these were introduced, the total pressure in the reactor was monitored by the pressure detector I1 shown in FIG. Next, the organic reaction substrate and carbon dioxide were mixed, and the catalyst was passed at a steady flow rate of 0.1 ml / min. A back pressure controller was used to separate unreacted gas and reaction product, and the reaction product was collected in a cool trap. The reaction product was analyzed by GC (HP6890) having a capillary column and a flame ionization detector. The results are shown in Table 1.

上記反応により、2分間という非常に短時間で、シンナムアルデヒドから、ハイドロシンナムアルデヒドとハイドロシンナミルアルコールが、それぞれ75%、25%得られた。この結果、Hは、シリカ膜に浸透し、通過して触媒を活性化し、次いで、シンナムアルデヒドと媒体(CO)と触媒存在下に接触して、シンナムアルデヒドは水素化反応を受けたことが分かる。 By the above reaction, 75% and 25% of hydrocinnamaldehyde and hydrocinnamyl alcohol were obtained from cinnamaldehyde in a very short time of 2 minutes, respectively. As a result, H 2 penetrated and passed through the silica membrane to activate the catalyst, and then contacted the cinnamaldehyde and the medium (CO 2 ) in the presence of the catalyst, so that the cinnamaldehyde was subjected to a hydrogenation reaction. I understand.

この反応方法に適切な触媒、例えば、Pt−MCM−41を選択し、使用することにより、反応を、高速に、選択的に進行させることができた。水素選択透過多孔質のシリカ膜を使用することにより、反応に必要とされるHが触媒に分配されるが、この膜による選択的拡散現象により反応が制御されて、ハイドロシンナムアルデヒドとハイドロシンナミルアルコールが高選択性で得られた。 By selecting and using a catalyst suitable for this reaction method, for example, Pt-MCM-41, the reaction could proceed selectively at high speed. By using a hydrogen selectively permeable porous silica membrane, the H 2 required for the reaction is distributed to the catalyst. The reaction is controlled by the selective diffusion phenomenon caused by this membrane, so that hydrocinnamaldehyde and hydrocinna Mill alcohol was obtained with high selectivity.

以上詳述したように、本発明は、二酸化炭素を媒体として、触媒の存在下に、選択透過膜を介して有機反応基質と反応剤を反応させる反応方法、及びその反応装置に係るものであり、本発明により、選択透過膜を利用した膜反応方式と、超臨界二酸化炭素を媒体とする反応方式の優れた特徴を併せ持つ、新しい反応方法及びその装置を提供することが可能である。本発明により、短時間で、高収率で反応を遂行することができ、しかも反応生成物の選択性に優れた有機化合物の合成方法及びその装置を提供することができる。   As described above in detail, the present invention relates to a reaction method and a reaction apparatus for reacting an organic reaction substrate and a reactant through a permselective membrane in the presence of a catalyst using carbon dioxide as a medium. According to the present invention, it is possible to provide a new reaction method and an apparatus therefor which have both excellent characteristics of a membrane reaction method using a permselective membrane and a reaction method using supercritical carbon dioxide as a medium. INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide a method for synthesizing an organic compound and an apparatus for the same that can carry out the reaction in a high yield in a short time and that is excellent in selectivity of the reaction product.

本発明は、医薬、農薬、染料、樹脂等の広範囲にわたる有機工業製品の出発原料又は中間体として重要な化合物を合成する効率的で簡便な反応プロセスを提供するものであり、有機反応基質、反応剤、及び反応方式に制限されるとなく、各種の有機化合物の合成に広く適用可能である。本発明により、例えば、オレフィン系炭化水素を酸化してカルボニル化合物、及びエポキシドを製造する酸化反応、不飽和化合物の水素添加反応、オレフィン系炭化水素のヒドロカルボニル反応、アルデヒドのアルコールへの還元反応等の各種の酸化、還元反応が効率よく実現することができる。また、本発明により、コンパクトで、エネルギー消費量を最小限とすることが可能であり、しかも環境に優しい有機化合物の合成反応及び装置を提供することが可能となる。   The present invention provides an efficient and simple reaction process for synthesizing compounds important as starting materials or intermediates for a wide range of organic industrial products such as pharmaceuticals, agricultural chemicals, dyes, resins, etc. Without being limited to the agent and the reaction system, it can be widely applied to the synthesis of various organic compounds. According to the present invention, for example, an oxidation reaction in which an olefinic hydrocarbon is oxidized to produce a carbonyl compound and an epoxide, a hydrogenation reaction of an unsaturated compound, a hydrocarbonyl reaction of an olefinic hydrocarbon, a reduction reaction of an aldehyde to an alcohol, etc. These various oxidation and reduction reactions can be efficiently realized. Further, the present invention makes it possible to provide an organic compound synthesis reaction and apparatus that is compact, can minimize energy consumption, and is environmentally friendly.

本発明の膜反応装置の構造の概要を示す。The outline | summary of the structure of the membrane reaction apparatus of this invention is shown. 反応器を拡大して詳細な内部構造を示す。The reactor is enlarged to show the detailed internal structure.

符号の説明Explanation of symbols

(図1の符号)
A:シリンジポンプ
B:HPLCポンプ
C:混合機
D:反応器入口端部
E:反応器出口端部
G:有機反応基質と二酸化炭素の流路
H:反応生成物と二酸化炭素の流路
I1、I2:圧力計
J:背圧制御器
K:未反応HとCOの排出口
V1、V2:圧力調節器
(図2の符号)
A:反応器外管
B(B1、B2、B3):反応器内管
B3:膜ユニット
C:触媒導入口
(Reference in FIG. 1)
A: Syringe pump B: HPLC pump C: Mixer D: Reactor inlet end E: Reactor outlet end G: Organic reaction substrate and carbon dioxide flow path H: Reaction product and carbon dioxide flow path I1 I2: Pressure gauge J: Back pressure controller K: Unreacted H 2 and CO 2 outlets V1, V2: Pressure regulator (reference numeral in FIG. 2)
A: Outer reactor tube B (B1, B2, B3): Reactor tube B3: Membrane unit C: Catalyst inlet

Claims (6)

二酸化炭素を媒体として、触媒の存在下に、有機反応基質と反応剤を反応させる反応装置であって、
反応剤を含む二酸化炭素の流路(第1流路)、有機反応基質を含む二酸化炭素の流路(第2流路)、及び多孔質部材により支持された反応剤選択透過膜を有し、第1流路と第2流路が、多重管構造の内管ないし外管を形成し、かつ上記第1流路の反応剤が反応剤選択透過膜を介して他の流路に選択的に透過可能となるように配設され、第流路の有機反応基質と上記反応剤選択透過膜を透過した反応剤が反応する反応域に、触媒が存在する構造を具備しており
二酸化炭素が、4〜20MPaの圧力範囲、及び室温〜100℃の温度範囲の二酸化炭素であり、上記反応剤が、水素、又は酸素の反応性ガスであることを特徴とする反応装置。
A reaction apparatus for reacting an organic reaction substrate and a reactant in the presence of a catalyst using carbon dioxide as a medium,
A flow path of carbon dioxide containing a reactive agent (first flow path), a flow path of carbon dioxide containing an organic reaction substrate (second flow path), and a reactive agent permselective membrane supported by a porous member ; The first flow channel and the second flow channel form an inner tube or an outer tube having a multi-tube structure, and the reactant in the first channel is selectively transmitted to another channel through the reactant selective permeation membrane. It is arranged so as to be permeable, and has a structure in which a catalyst exists in a reaction zone in which a reaction agent that has passed through the organic reaction substrate in the second flow path and the reagent selective permeation membrane reacts,
Carbon dioxide, the pressure range of 4~20MPa, and a carbon dioxide temperature ranging from room temperature to 100 ° C., the reactor in which the reactants, characterized in that hydrogen or oxygen reactive gas.
触媒が、不均一触媒である請求項1に記載の反応装置。   The reaction apparatus according to claim 1, wherein the catalyst is a heterogeneous catalyst. 反応剤選択透過膜が、シリカ膜、メソポーラスシリカ膜、Pd膜、ベントナイト膜、アルミナ膜、Pdイオン交換膜、銅−LaNi膜、アルミノシリケート膜、ゼオライト膜、パラジウム合金膜、ペロブスカイト膜、又はCeO/ZrO被覆TiO膜である請求項1に記載の反応装置。 Reagent selective permeation membrane is silica membrane, mesoporous silica membrane, Pd membrane, bentonite membrane, alumina membrane, Pd ion exchange membrane, copper-LaNi 5 membrane, aluminosilicate membrane, zeolite membrane, palladium alloy membrane, perovskite membrane, or CeO The reaction apparatus according to claim 1, which is a 2 / ZrO 2 -coated TiO 2 film. 二酸化炭素が、亜臨界ないし超臨界状態の二酸化炭素である請求項1から3のいずれかに記載の反応装置。   The reaction apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the carbon dioxide is carbon dioxide in a subcritical or supercritical state. 請求項1から3のいずれかに記載の反応装置を使用して、4〜20MPaの圧力範囲、及び室温〜100℃の温度範囲の二酸化炭素を媒体として、不均一触媒の存在下に、有機反応基質と反応剤を反応させる反応方法であって、
反応剤を含む二酸化炭素の流路(第1流路)、有機反応基質を含む二酸化炭素の流路(第2流路)、及び多孔質部材により支持された反応剤選択透過膜を有し、第1流路と第2流路が、多重管構造の内管ないし外管を形成し、かつ上記第1流路の反応剤が反応剤選択透過膜を介して他の流路に選択的に透過可能となるように配設され、第2流路の有機反応基質と上記反応剤選択透過膜を透過した反応剤が反応する反応域に、触媒が存在する構造を具備した反応装置において、上記反応剤として、水素、又は酸素の反応性ガスを用いて、第1流路を通して投入された二酸化炭素媒体に含まれる反応剤を、反応剤選択透過膜を介して選択的に透過させて反応域に導入し、該反応域で、透過した反応剤と第2流路を通して投入された有機反応基質とを、上記触媒の存在下に反応させることを特徴とする反応方法。
Using the reaction apparatus according to any one of claims 1 to 3, an organic reaction in the presence of a heterogeneous catalyst using carbon dioxide in a pressure range of 4 to 20 MPa and a temperature range of room temperature to 100 ° C as a medium. A reaction method of reacting a substrate and a reactive agent,
A flow path of carbon dioxide containing a reactive agent (first flow path), a flow path of carbon dioxide containing an organic reaction substrate (second flow path), and a reactive agent permselective membrane supported by a porous member; The first flow channel and the second flow channel form an inner tube or an outer tube having a multi-tube structure, and the reactant in the first channel is selectively transmitted to another channel through the reactant selective permeation membrane. In a reaction apparatus having a structure in which a catalyst is present in a reaction zone that is disposed so as to be permeable and in which a reaction agent that has passed through an organic reaction substrate in a second flow path and a reaction agent permeation membrane has reacted. Using a reactive gas such as hydrogen or oxygen as the reactant, the reactant contained in the carbon dioxide medium introduced through the first flow path is selectively permeated through the reactant selective permeation membrane to react the reaction zone. And the reaction agent permeated in the reaction zone and the organic reaction substrate introduced through the second flow path. The reaction wherein the reacting in the presence of the catalyst.
亜臨界ないし超臨界状態の二酸化炭素を媒体として有機反応基質と反応剤を反応させる請求項5に記載の反応方法。   6. The reaction method according to claim 5, wherein the organic reaction substrate and the reactant are reacted using carbon dioxide in a subcritical or supercritical state as a medium.
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