JP6209324B2 - マイクロリアクタシステムとそれを用いた化合物製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロリアクタシステムに関するものであり、特に気液反応を円滑に進め、高い収率を得ることのできる気液反応に適するマイクロリアクタシステムとそれを用いた化合物製造方法およびアルケニルリン化合物の製造方法に関する。

マイクロ化学プラントは、マイクロスケールの空間内での混合、化学反応、分離などを利用した生産設備であり、大型タンク等を用いた従来のバッチ方式のプラントと比較して多くの有利点を備える。例えば、第１に複数の流体の混合や化学反応を短時間且つ微量の試料で行えることである。

第２に、装置が小型であるため実験室レベルで生成物の製造技術を確立できればナンバリングアップを行うことで容易に量産用の設備化ができることである。第３に、爆発などの危険を伴う反応にも適用可能であること、多品種少量生産を必要とする化合物の生成などにも素早く適応できることである。

また第４に、需要量に合わせた生産量の調整が容易にできることなどである。このため、化学工業や医薬品工業の分野では、流体の混合または反応を行い材料や製品を製造するための好適な装置として注目され、近年、その研究開発が盛んに行われている。

マイクロ化学装置は、材料供給、マイクロミキサ、熱交換、マイクロリアクタ、精製・分離で構成され、これらの各装置を接続する配管、及び制御装置などを主構成要素とする。このうちマイクロミキサ、マイクロリアクタおよび精製分離装置は、それぞれ流路幅が数μｍ〜数ｍｍ程度のオーダーである微小な流路を有する。そして、この流路に導かれた複数種類の流体を互いに接触させ、一定の温度・圧力操作下で、混合あるいは分離または化学反応を生起するものである。

一般の気液反応システムでは、気液のいずれかを連続相あるいは分散相として接触させる。たとえばバッチ式の撹拌槽ではスパージャーによる気体分散と気液の撹拌混合により、気液接触効率をあげて反応させる。連続式の棚断塔あるいは充填塔では液相への気槽分散接触などにより反応させる。またスプレーにより液体を気槽中に分散させ反応させる方法もある。

槽内あるいは流路内の流れ状態は２相流、エマルジョン流、スラグ流、気泡流、噴霧流などいずれかの流れになる。いずれの状態であっても気体は基本的に容積を大きく占有するが、それに見合った装置容積を確保することにより反応に必要な時間の確保が可能となる。また装置に圧力を加えて気相容積を小さくする方法も採られる。

これら一般の気液反応システムは、反応速度の速い系であっても、反応速度の遅い系であっても適応できる。しかし基本的に装置は大型化するので、大量のバルク生産には向いていても、多品種少量が主体的なファインケミカルでは必ずしも効率的とは言い難い。またバッチ式釜では気液接触の不均一により、反応収率が上がらないなどの制約あるいは課題がある。

マイクロリアクタシステムは、原料流体は微小な配管によって移送され、微小空間で反応が行われるが、原料の一方が気体あるいは気化状態であると、流路内の流れ状態は２相流、エマルジョン流、スラグ流などいずれかの混相流になる。その結果気液の接触に不均一化がおこるという問題がある。これら気液の接触不均一化により結果として高い反応率を得ることができない。言い換えると、マイクロリアクタシステムでは、気体を扱うのが容易ではないという難しさを有する。

このような問題に対して特許文献１では、筒状の反応容器中に径が１μｍ〜１ｍｍ程度の微粒子を充填し、そこに気体原料と液体原料を通過させることで、反応生成物を得る気液反応装置が開示されている。

特開２００７−２０９９７３号公報

特許文献１の気液反応装置では、気体原料と液体原料を微粒子が充填された容器中を通過させることで、微小な空間で気体原料と液体原料を反応させるという技術思想である。この方法では、気液反応を効果的に行うことができるとされており、特に微粒子を触媒とした場合は、気体原料と液体原料が触媒である微粒子表面（反応サイト）で会合する機会が多くなり、バッチ式と比較して高い触媒効果が得られるとされる。

しかし、このような気液反応装置では、原料の接触比率を一定にコントロールするのは困難であり、また、反応に介さずに抜けてしまう気体原料と液体原料も多く存在するという課題がある。このような課題は、気体と液体を直接会合させ反応させようとする方法に無理があると考えられる。

さらに充填物はＳＶ値（平均空筒速度）が大きく取れ、気液接触を上げる効果があるが、逆に流体が流れる空間容積が小さくなるので、流れ抵抗の関係から流量増加は限界があるし、また充填物ありとなしの同一の配管径、配管長、流量で比較すると前者は必然的に滞留時間が小さくなる。したがって、必要な滞留時間が取れないため、遅い反応速度あるいは遅い溶解律速の反応には適さない。本発明はこのような観点から上記の課題を解決するために想到されたものである。

より具体的に本発明に係るマイクロリアクタシステムは、
気体原料をキャリア溶剤に溶解させ気体溶解液を作製する気体溶解手段と、
前記気体溶解手段に連結され前記気体溶解液と液体原料を混合し原料混合液を作製するミキサ部と、
前記原料混合液を反応させ反応生成物を得るリアクタ部とからなるマイクロリアクタユニットを含む主反応部を有し、
前記気体溶解手段は、
前記気体原料が流入する気体流入口と、前記気体溶解液が流入する液体流入口を有し、
前記気体原料と前記気体溶解液を混合し循環混合液を作製する循環ミキサ部と、
前記キャリア溶剤が貯留され、前記循環混合液を貯留された前記キャリア溶剤中に噴出させ気体溶解液を生成させるバッファタンクと、
前記キャリア溶剤タンク中の前記気体溶解液を排出する排出手段と、
前記排出手段の途中に設けられ前記気体溶解液の一部を前記液体流入口に戻す枝管を有することを特徴とする。

また、本発明に係るマイクロリアクタシステムを用いた化合物製造方法は、
気体原料をキャリア溶剤に溶解させ気体溶解液を得る工程と、
前記気体溶解液に液体原料を混合し原料混合液を得るミキサ工程と、
前記原料混合液を反応させ反応生成物を得るリアクタ工程からなる主反応工程を有し、
前記気体溶解液を得る工程は、
前記気体原料を前記キャリア溶剤に混合し、循環混合液を作製する循環ミキサ工程と、
前記循環混合液を貯留されたキャリア溶剤中に噴出させ気体溶解液を生成させる工程と、
前記気体溶解液を排出する工程と、
排出される前記気体溶解液の一部を前記キャリア溶剤として前記循環ミキサ工程に戻す工程を有することを特徴とする。

本発明に係るマイクロリアクタシステムでは、バッチ反応で計画された同種の反応溶剤をキャリア溶剤として用いるが、同溶剤に対して吸収速度の遅い気体原料であっても最適な溶解条件を選定することで溶存濃度を高めることができ、気体材料と液体材料をそれぞれ正確に混合させ反応を行わせることができる。したがって、本発明に係るマイクロリアクタシステムでは、高い収率で気液反応の反応生成物を得ることができる。

また、気体原料はキャリア溶剤に溶解させるので、液−液を原料として使用する従来のマイクロリアクタシステムと同様の設備を使用することができる。すなわち、特許文献１のような特別なデバイスを必要としない。

また、本発明に係るマイクロリアクタシステムを用いた化合物（アルケニルリン化合物）製造方法においては、実用的な商業ベースの量産化と言える年間１トン以上の生産レートを実現することができた。

また、本発明に係るマイクロリアクタシステムにおいては、最終生成物が固体であるので、反応生成物は、固体である最終生成物と比較的沸点の低いキャリア溶剤の混合物となり、しかも、投入する液体溶解物中の原材料のほぼ１００％が反応する。したがって、キャリア溶剤は反応生成物（粗生成物）を精製・分離後、品質の高い溶剤として回収でき、キャリア溶剤として再利用される。

つまり、溶剤リサイクルによりマイクロ化学反応の環境負荷を上げないという効果を奏する。また、これは未反応の原料がなくなるということであるので、未反応の材料を精製する手間がなくなり、大幅なコストダウンが可能になるという効果も奏する。

また、本発明に係るマイクロリアクタシステムにおいては、連続化による滞留量の抑制、コンパクトな装置構成、原材料の保管量低減という観点から安全性が向上する。特に本実施例でも示すリン化合物の合成は、比較的可燃性の高い材料を用いるため、通常行われるバッチ方式のリアクタは安全対策に密閉系かつ完全な不活性シール構造が要求される。しかし、本発明に係るマイクロリアクタシステムを用いれば、本質的にクローズド系であるので安全に反応生成物を得ることができる。

本発明に係るマイクロリアクタシステム１の全体構成を示す図である。 気体溶解手段１０の詳細な構成を示す図である。 本発明に係るマイクロリアクタシステム２の全体構成を示す図である。 図３で示したシステムをナンバリングアップしたマイクロリアクタシステム３の構成を示す図である。 Ｎｉ系触媒によるアルケニルリン化合物合成のバッチ試験を例示する図である。

以下図面を参照しながら本発明に係るマイクロリアクタシステムの構成を説明する。なお、以下の説明はあくまで本発明の一実施形態を示すものであり、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、実施形態を改変することができる。

（実施の形態１）
図１には本実施形態に係るマイクロリアクタシステム１の構成を示す。本実施形態に係るマイクロリアクタシステム１は、気体原料７ｃをキャリア溶剤６ｃ中に溶解させた気体溶解液２３ｃを送出する気体溶解手段１０と、気体溶解液２３ｃを液体原料８ｃと混合し原料混合液２６ｃを作製するミキサ部１２ｍと、原料混合液２６ｃを反応させ反応生成物１９を得るリアクタ部１２ｒを有する。また、これらに伴って、ポンプ、センサおよび恒温槽を有していてもよい。なお、タンク類や配管類と共に括弧で表す符号は、その中に貯留される物質若しくは流れる物質を指す。

本発明は、マイクロリアクタシステムでは扱いにくいとされている気体原料７ｃと液体原料８ｃの反応をスムースに行うために、気体原料７ｃをキャリア溶剤６ｃに溶解させて気体溶解液２３ｃとし、その気体溶解液２３ｃと液体原料８ｃを液液反応で反応させる点が特徴である。

気体原料７ｃは、気体原料タンク７に貯蔵され、キャリア溶剤６ｃはキャリア溶剤タンク６に、また液体原料８ｃは液体原料タンク８にそれぞれ貯留されている。それぞれのタンクからは配管２１、２２、２５が次の工程となる場所までそれぞれを移送する。

気体溶解手段１０の詳細は図２で説明するが、気体溶解手段１０では、気体原料７ｃをキャリア溶剤６ｃに溶解させた気体溶解液２３ｃが生成される。そして、気体溶解液２３ｃを送出するための配管２３とポンプ３４ｐ（図２で説明する）を有する。

気体溶解手段１０から気体溶解液２３ｃが移送される配管２３は、ミキサ部１２ｍの第１原料液流入口１２１に連通されている。また、液体原料タンク８は、配管２５およびポンプ２５ｐを介して、ミキサ部１２ｍの第２原料液流入口１２２と連通されている。

ミキサ部１２ｍは、第１原料液（気体溶解液２３ｃ）と第２原料液（液体原料２５ｃ）を混合するための混合器である。なお、ここで液体原料２５ｃは液体原料８ｃと同一物である。ミキサ部１２ｍの内部構造は、特に限定されるものではない。単に原料液が流入する流入口に微小空間が連通されており、その微小空間から原料混合液２６ｃを排出する排出口が設けられているような簡単な構造であってもよい。

リアクタ部１２ｒは、ミキサ部１２ｍと配管２６で連通されている。すなわち、ミキサ部１２ｍの排出口１２３とリアクタ部１２ｒの流入口１２４は連通されている。リアクタ部１２ｒは、ミキサ部１２ｍで混合した原料混合液２６ｃを反応させるための反応部である。内部構造は、特に限定されるものではない。単に原料混合液２６ｃを流すための流路が形成されているだけでもよい。

恒温槽１７は、少なくともリアクタ部１２ｒを包み、リアクタ部１２ｒ全体を所定の温度に維持する。この恒温槽１７によって所定温度に維持されたリアクタ部１２ｒ中で気体溶解液２３ｃと液体原料２５ｃの混合液である原料混合液２６ｃは所定の反応を行い、反応生成物１９を生成する。

なお、恒温槽１７は、ミキサ部１２ｍを含んで所定の温度に維持するように構成してもよい。ミキサ部１２ｍとリアクタ部１２ｒが一体として形成されている場合は、これらをまとめてマイクロリアクタユニット１２と呼んでも良い。また、マイクロリアクタユニット１２には恒温槽１７が含まれていても良い。また、気体溶解液２３ｃと液体原料２５ｃを反応させる部分を主反応部５０と呼ぶ。

リアクタ部１２ｒの排出口１２５は、キャリア溶剤分離手段１６に配管２７で連通されていてもよい。キャリア溶剤６ｃは、基本的に気体原料７ｃを液体原料２５ｃに会合させるために利用したものであり、反応生成物１９中にはまだそのまま残留している。

すなわち、反応生成物１９とは、反応によって得たい最終生成物２０にキャリア溶剤６ｃが混在しているものである。反応生成物１９は、キャリア溶剤分離手段１６を通過させることによって、キャリア溶剤６ｃが分離され最終生成物２０となる。

キャリア溶剤分離手段１６の具体的な構成は特に限定されるものではない。むしろ、キャリア溶剤６ｃの種類と最終生成物２０によって最適な方法でキャリア溶剤６ｃを分離させてよい。つまり、キャリア溶剤分離手段１６は、精製手段といってもよい。

精製分離されたキャリア溶剤６ｃは、キャリア溶剤タンク６へ戻されて、キャリア溶剤６ｃとして再利用することもできる。これにより新たな追加溶剤が少なくなり、使用する溶剤量を減らせることができる。キャリア溶剤６ｃをそのまま次の工程若しくは反応生成物１９をそのまま製品とすることができる場合は、キャリア溶剤分離手段１６を連結させる必要はない。

図２には、気体溶解手段１０のより具体的な構成を示す。気体溶解手段１０は、気体原料７ｃをキャリア溶剤６ｃに溶解させた気体溶解液２３ｃの配管２３と、その配管２３から気体溶解液２３ｃの一部を分岐させる枝管３６と、気体原料７ｃと枝管３６中の気体溶解液２３ｃを混合する循環ミキサ部３１と、キャリア溶剤６ｃを貯留しておくバッファタンク３２と、循環ミキサ部３１からの排出液をバッファタンク３２内の溶液内に放出する配管３３と、バッファタンク３２中の溶液を取り出す配管３４を含む。

気体溶解手段１０では、バッファタンク３２中に貯留したキャリア溶剤６ｃ中に気体原料７ｃを移送するだけでなく、バッファタンク３２中の溶液の一部を再び気体原料７ｃと会合させ溶解させるために、循環ミキサ部３１が配置される。

気体原料タンク７中の気体原料７ｃは配管２１を介して循環ミキサ部３１に移送される。配管２１は循環ミキサ部３１の気体流入口３１１に連通されている。循環ミキサ部３１のもう一つの流入口は液体流入口３１２であり、この液体流入口３１２は、気体溶解手段１０自体の排出配管である配管２３の途中から分岐した枝管３６と連通されている。気体溶解手段１０の排出配管である配管２３には気体溶解液２３ｃが流れている。したがって、循環ミキサ部３１は、気体溶解液２３ｃと、気体原料７ｃを混合し、気体原料７ｃを気体溶解液２３ｃ中に溶解していると言える。

循環ミキサ部３１の排出口３１３には配管３３が接続され、バッファタンク３２に貯留されたキャリア溶液（気体溶解液）中に循環ミキサ部３１によって得られた混合物を放出する。この循環ミキサ部３１の混合物は、気体溶解液２３ｃ中に気体原料７ｃが溶解したもの、若しくは気体溶解液２３ｃと気体原料７ｃの混合物である。

ここでは、この混合物を１次混合物３３ｃと呼ぶ。この１次混合物３３ｃは、バッファタンク３２中の液体中に放出される。バッファタンク３２は、最初はキャリア溶剤６ｃが貯留されているが、循環ミキサ部３１からの１次混合物３３ｃが供給されると、徐々に気体溶解液２３ｃの濃度が上がっていく。したがって、バッファタンク３２中の液体は、気体溶解液２３ｃと言ってよい。

バッファタンク３２には、気体溶解液２３ｃの排出手段が設けられる。より具体的には、配管３４とポンプ３４ｐである。配管３４の端部は、バッファタンク３２の液底側に配置されている。ポンプ３４ｐが稼働すると、バッファタンク３２中の気体溶解液２３ｃは、配管３４を通って、気体溶解手段１０の排出配管である配管２３に連通する。なお、配管３４と配管２３の間には、バルブ３７が設けられていてもよい。

また、配管３４の途中には、循環ミキサ部３１の液体流入口３１２と連通された枝管３６が設けられる。これによって、バッファタンク３２の気体溶解液２３ｃの一部が循環ミキサ部３１に帰還され、再度気体原料７ｃと会合し、気体原料７ｃを溶解若しくは気体原料７ｃと混合される。

すなわち、バッファタンク３２中の気体溶解液２３ｃは、循環しながら何度も気体原料７ｃと混合・溶解されるので、気体原料７ｃを十分に含む溶液となる。なお、循環ミキサ部３１は、マイクロリアクタユニット１２と同じ構造のものを用いることができる。また、循環ミキサ部３１は、恒温槽３１Ｔで覆われていてもよい。気体原料７ｃを気体溶解液２３ｃに溶解させるためには、温度制御が必要だからである。また、バッファタンク３２も溶解を安定にさせるため、外部の冷却装置（図示せず）により必要な温度に冷却されることもある。

なお、本明細書を通じて、「気体原料をキャリア溶剤に溶解させる」とは、気体溶解液から気体原料とキャリア溶剤が分離可能な状態であって、かつ気体溶解液が気泡を含まない状態になることをいう。

また、バッファタンク３２の内部（もしくは外部）には、水位計４６と溶存ガス測定器４７が配置されていてもよい。バッファタンク３２中の気体溶解液２３ｃの量を知るためと、気体溶解液２３ｃ中の気体原料７ｃの濃度を調べるためである。バッファタンク３２中の気体溶解液２３ｃは、徐々に減っていくので、キャリア溶剤６ｃを供給しながら、気体原料７ｃをも供給し、常に気体原料７ｃが必要な濃度溶解している気体溶解液２３ｃを貯留しておく必要があるからである。

以上のマイクロリアクタシステム１についてその動作を説明する。それぞれのバルブやポンプは、図示しない制御装置に接続されているとする。図１を再度参照して、気体原料７ｃとキャリア溶剤６ｃおよび液体原料８ｃはそれぞれ、気体原料タンク７、キャリア溶剤タンク６、液体原料タンク８に貯留される。そして、図２を参照して、バッファタンク３２中に所定量のキャリア溶剤６ｃが、配管２２のバルブ３８を開くことで移送される。バッファタンク３２中にどれくらいのキャリア溶剤６ｃが貯留したかは、水位計４６によって知ることができる。

次に、バルブ３７を閉じて、ポンプ３４ｐを稼働させる。これによって、バッファタンク３２中のキャリア溶剤６ｃは、枝管３６を介して循環し続ける。また、気体原料タンク７のバルブ３９を開けて、気体原料７ｃを循環ミキサ部３１に送る。循環ミキサ部３１が可動部分を有する場合は、可動部分も駆動させる。このような動作によって、循環ミキサ部３１は気体溶解液２３ｃを生成し、バッファタンク３２中の気体溶解液２３ｃの濃度は上昇する。

気体溶解液２３ｃの濃度が所定の濃度になったら、バルブ３７を開き、気体溶解液２３ｃを送り出す。

図１を再び参照し、気体溶解手段１０からの気体溶解液２３ｃは、ミキサ部１２ｍの第１原料液流入口１２１に向かって移送される。次に、液体原料タンク８中の液体原料８ｃはポンプ２５ｐを稼働させることで、ミキサ部１２ｍの第２原料液流入口１２２に向かって移送させる。なお、液体原料８ｃは液体原料２５ｃと呼びかえるが、本実施の形態では同一のものである。

ミキサ部１２ｍでは、気体溶解液２３ｃと液体原料２５ｃとが混合され、原料混合液２６ｃとなる。ここで、気体溶解液２３ｃと液体原料２５ｃは共に液体であるので、ポンプ３４ｐとポンプ２５ｐによる流量の細かな調整によって、非常に精密な比率で混合を行うことができる。

ミキサ部１２ｍとリアクタ部１２ｒは配管２６で連通されている。したがって、原料混合液２６ｃは直接リアクタ部１２ｒに流入する。ミキサ部１２ｍおよびリアクタ部１２ｒは、恒温槽１７によって、所定の温度に保たれているので、原料混合液２６ｃは、反応し、反応生成物１９となる。この時、リアクタ部１２ｒの流路中には気体原料７ｃによる気泡は存在しないので、所定の時間で確実に反応を進めることができる。もし気泡が存在するようであれば、リアクタ部１２ｒの２次側（出口側）に圧力調整弁を設けて、少し加圧することにより発泡を防ぐこともできる。

反応生成物１９は、リアクタ部１２ｒから排出されると、そのまま貯留されてもよい。また、キャリア溶剤分離手段１６に流れ、キャリア溶剤６ｃを分離し、最終生成物２０としてもよい。

なお、マイクロリアクタシステム１において、少なくともマイクロリアクタユニット１２の部分、すなわちミキサ部１２ｍの流入口１２１、１２２より下流で、リアクタ部１２ｒの排出口１２５までは、微小配管、微小空間によって構成される。

（実施の形態２）
図３に本実施の形態に係るマイクロリアクタシステム２の構成を示す。マイクロリアクタシステム２では、液体原料が２種類ある場合を示す。それぞれ第１液体原料８ｃと第２液体原料９ｃである。そして、マイクロリアクタシステム２では、この２種の液体原料を第１マイクロリアクタユニット１１を使って混合する。

液体原料同士を混合反応させる部分を、前反応部５１と呼ぶ。前反応部５１では、液体原料同士が反応しなくてもよい。このように、本発明に係るマイクロリアクタシステム２では、複数の液体原料同士を混合させ、液体原料として使用することもできる。たとえば、第２液体原料９ｃを触媒原料が溶解された液体原料とすることもできる。

第１液体原料８ｃは第１液体原料タンク８に貯留され、第２液体原料９ｃは第２液体原料タンク９に貯留されているものとする。それぞれのタンクは、配管４１及び４２によって、第１マイクロリアクタユニット１１に連通されている。配管４１、４２にはそれぞれポンプ４１ｐ、４２ｐが設けられている。

第１マイクロリアクタユニット１１は、実施の形態１で説明したマイクロリアクタユニット１２と同じものである。前反応部５１における第１マイクロリアクタユニット１１のミキサ部を符号１１ｍで、リアクタ部を符号１１ｒで表す。また恒温槽を符号１８で表す。

一方、主反応部５０におけるマイクロリアクタユニット１２は、実施の形態１で説明したマイクロリアクタユニット１２と同じものである。リアクタ部１１ｒの排出口１１５は、第２マイクロリアクタユニット１２の第２原料として第２原料液流入口１２２と連通される。また、第２マイクロリアクタユニット１２の排出口１２５は、キャリア溶剤分離手段１６に連通されている。また、気体溶解手段１０については実施の形態１と全く同じである。

以下に本実施の形態に係るマイクロリアクタシステム２の動作について説明する。キャリア溶剤６ｃ、気体原料７ｃはそれぞれ気体溶解手段１０において、気体溶解液２３ｃに調製され第１原料として第１原料液流入口１２１に移送されるのは、実施の形態１の場合と同様である。

第１液体原料８ｃと第２液体原料９ｃは、配管４１、４２を介して、前反応部５１である第１マイクロリアクタユニット１１の第１原料液流入口１１１と第２原料液流入口１１２に流入される。２種類の液体原料は、第１マイクロリアクタユニット１１で、反応してもよいし、単に混合するだけでもよい。リアクタ部１１ｒの排出口１１５からは、液体原料２５ｃとなり、第２原料として第２マイクロリアクタユニット１２のミキサ部１２ｍの第２原料液流入口１２２に移送される。

したがって、気体溶解手段１０からは、気体溶解液２３ｃが主反応部５０のミキサ部１２ｍの第１原料液流入口１２１に移送され、前反応部５１（第１マイクロリアクタユニット１１）からは液体原料２５ｃが第２原料液流入口１２２に移送される。その後の工程については、実施の形態１の場合と全く同じである。

以上のように本実施の形態に係るマイクロリアクタシステム２では、複数の液体原料を使用する例を示した。本実施の形態で示したのは、２種類の液体原料であるが、特に２種類に限定する必要はなく、３種類以上の液体原料を混合若しくは反応させてもよい。もちろん、混合若しくは反応のために、さらにマイクロリアクタユニットを利用してもよい。

（実施の形態３）
図４には本実施の形態に係るマイクロリアクタシステム３の構成を示す。マイクロリアクタシステム３とマイクロリアクタシステム２（図３）との相違点は、主反応部５０がナンバリングアップされている点である。すなわち、図４では、主反応部５０にマイクロリアクタユニット１２（１２ｍ、１２ｒ）、１３（１３ｍ、１３ｒ）のペアが配置されている。なお、マイクロリアクタシステム２と同じ部分は説明を省略する。

ナンバリングアップに際しては、気体溶解手段１０からの配管２３と前反応部５１（第１マイクロリアクタユニット１１）からの配管２５のそれぞれに分配配管４３および４４が設けられる。気体溶解手段１０からの配管２３は、分配配管４３に連通され、第１マイクロリアクタユニット１１からの配管２５は、分配配管４４に連通されている。

そして、マイクロリアクタユニット１２と１３はそれぞれ、分配配管４３および４４から気体溶解液２３ｃと液体原料２５ｃを得る。そして、マイクロリアクタユニット１２、１３の出力配管１２５、１３５はそれぞれ集合配管４５に連通する。集合配管４５からはキャリア溶剤分離手段１６に連通される。

マイクロリアクタシステム３の動作はマイクロリアクタシステム２の場合と同様である。だたし、主反応部５０におけるマイクロリアクタユニットの数が増えているので生産量が増加する。なお、ここではマイクロリアクタユニット１２、１３の２ユニット使用する例を示したが、２ユニットに限定されるものではなく、所望の数だけ用意することで、生産量は比例的に増加する。

またここでは主反応部５０のナンバリングアップを例示したが、液体原料８ｃと９ｃを混合する前反応部５１をナンバリングアップしてもよい。また、ここでは、液体原料が２種類の場合を示したが、実施の形態１で示した１種類の液体原料の場合でも、主反応部５０のナンバリングアップが可能であることはいうまでもない。

＜実際の使用例＞
本発明に係るマイクロリアクタシステムを用いた化合物の合成における極めて有用な実例について以下に説明する。合成された化合物は、ポリマーに添加すると成形時に変色しにくく、添加物質がブリードアウトせず、また環境ホルモン汚染もしない、絶縁性に優れた難燃化剤として知られるアルケニルリン化合物である。

この物質および合成方法の詳細は、特開２０１０−２０２７１８号公報あるいはＷＯ２００９／０５１０２５Ａ１公報に記載されている。その合成反応の骨子は、液体原料として亜リン酸エステル類（水素化ホスホン酸エステル、水素化ホスフィン酸エステル、水素化ホスフィンオキシド）が選ばれ、気体原料としてアルキン類（アセチレンなど）が好適に利用され、これらを反応させるというものである。

図５に、Ｎｉ系触媒によるアルケニルリン化合物合成のバッチ試験例を示す。反応槽８１は、恒温槽８０中に保持されている。反応槽８１は、蓋８２で密閉されている。蓋８２には、材料投入ライン８３と気体原料を入れる通気管８４と、脱ガス用ライン８５と、撹拌羽８６を駆動するシャフト８７が貫通設置されている。シャフト８７はモータ８８に連結されており、反応槽８１の内容物を撹拌することができる。

このように準備された試験装置に、液体原料としてジフェニルホスフィンオキシド（「ＯＸ−２」と記した。）およびＮｉ系触媒（「Ｎｉ−触媒」と記した。）の必要量を溶剤トルエン中に溶解させ反応槽８１に投入した。撹拌しながら恒温槽８０で反応槽８１を所定温度に調整後、気体原料としてアセチレンガスを通気管８４より入れて、溶剤トルエン中に溶解させた。ジフェニルホスフィンオキシドとアセチレンが所定時間反応して反応生成物ジフェニルビニルホスフィンオキシド（「Ｖ４」と記した。）が得られた。反応温度は０〜５０℃、反応時間は２０〜３０分、反応収率は４０〜６０％であった。

この反応は、基本的にバッチ法においては、非常に収率が低い。そのため、アルケニルリン化合物は、優れた材料であるにも関わらず、商業ベースで供給することが容易ではなかった。ここで、商業ベースとは年間１トン以上の生産が行える規模を意味するものとする。

アルケニルリン化合物の代表的反応を反応式（１）に示す。

・・・（１）

なお、上記の式において、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３はアルキル基を表す。また、左辺第２項は、３重結合を有するアルキン類を表す。「Ｃａｔ．」は触媒を表す。触媒とは ［ＨＮｉＬ_ｎ］^＋Ｘ⁻（Ｈ：ヒドリド、Ｎｉ：ニッケル、Ｌ：配位子、Ｘ⁻：ＮＯ_３ などのアニオン）で示されるＮｉ系触媒で、カチオン性ニッケルヒドリド錯体が好適に利用できる。また、Ｐはリン、Ｏは酸素、Ｈは水素を表す。また、キャリア溶剤は、上式（１）では省略されている。

より具体的に、液体原料として選ばれる亜リン酸エステル類は、水素化ホスホン酸エステルとして、亜リン酸ジエチル、亜リン酸ジメチル、亜リン酸ジフェニル、亜リン酸ジベンジル、亜リン酸ジプロピル、亜リン酸ジブチル、亜リン酸ジオクチルが挙げられる。

また、水素化ホスフィン酸エステルとして、フェニルホスフィン酸エチル、フェニルホスフィン酸イソプロピル、フェニルホスフィン酸ｎ−ブチル、フェニルホスフィン酸ｔ−ブチル、フェニルホスフィン酸ヘキシル、フェニルホスフィン酸オクチル、フェニルホスフィン酸フェニル、メチルホスフィン酸エチル、エチルホスフィン酸エチル、シクロヘキシルホスフィン酸エチル、ジフェニルホスフィンオキシド、ジシクロヘキシルホスフィンオキシド、ジメチルホスフィンオキシド、ジエチルホスフィンオキシド、ジブチルホスフィンオキシド、ジイソプロピルホスフィンオキシド、フェニルエチルホスフィンオキシド、ｔ−ブチルフェニルホスフィンオキシド、オクチルフェニルホスフィンオキシド、（Ｒｐ）−メンチルフェニルホスフィナート、（Ｓｐ）−メンチルフェニルホスフィナートが挙げられる。

また、水素化ホスフィンオキシドとして、ジフェニルホスフィンオキシドが挙げられる。

また、気体原料としてのアルキン類として、アセチレン、メチルアセチレン等のアルキン類の気体が挙げられる。

また、気体原料を溶解するキャリア溶剤としては、炭化水素系の溶剤として、ヘキサン、ペンタン、ヘプタン、トルエン、ｏ−キシレン、ｍ−キシレン、ｐ−キシレン、エチルベンゼン、シクロヘキサン、シクロペンタン、シクロオクタン、シクロヘキサノン、シクロペンタノンが挙げられる。

また、エステル系のキャリア溶剤としては、アニソール、酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸イソプロピル、酢酸メチルが挙げられ、ケトン類のキャリア溶剤としては、アセトン、メチルエチルケトン、イソブチルメチルケトン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸プロピレン、炭酸エチルメチルが挙げられ、アミド系のキャリア溶剤としては、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミドが挙げられる。

また、エーテル系のキャリア溶剤としては、ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ｔ−ブチルメチルエーテル、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、エチレングリコール、エチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、ジオキサン、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ヘキサノール、ｔーブタノールが挙げられる。

使用したマイクロリアクタシステムは、実施の形態で説明したマイクロリアクタシステム１、２および３（図１、図３および図４）を用いた。なお、気体溶解手段１０については、図２で示した構成を使用した。マイクロリアクタシステム１の装置仕様を表１に示す。なお、括弧内の数字は、図面の符号を表す。

マイクロリアクタシステム２の装置仕様を表２に示す。

また、マイクロリアクタシステム３の仕様を表３に示す。

（実施例０）
マイクロリアクタによるビニルリン化合物（ジフェニルビニルホスフィンオキシド Ｖ４）の合成試験の実施はマイクロリアクタシステム１（図１）の形態で行った。第１液体原料（８ｃ）としてジフェニルホスフィンオキシドおよびＮｉ系の触媒をキャリア溶剤（６ｃ）であるトルエンに必要量溶解させたものを用意した。気体原料（７ｃ）としては、アセチレンを用いた。図２で説明した気体溶解手段１０を用いてアセチレンをキャリア溶剤（６ｃ）であるトルエン中に溶解条件を充分溶解させ、気体溶解液（第１原料液）２３ｃとした。

第１液体原料２５ｃと第１原料液２３ｃ（アセチレン）を反応させた。第１液体原料（ジフェニルホスフィンオキシドとＮｉ系触媒）２５ｃおよび気体溶解液（第１原料液）２３ｃのそれぞれの組成、流量ならびに温度、圧力の操作条件および反応結果である反応進行率は表４に示した値であった。

主反応部５０のリアクタ部１２ｒの排出口１２５における反応流体中に発泡状況（混相流）は見られず、反応進行率は９１％の高い値を示した。この反応を単にマイクロリアクタシステムで行おうとすると、すでに説明したように、液体で得られるジフェニルホスフィンオキシドと気体であるアセチレンは溶解が充分でないと、マイクロリアクタシステム内では混相流になるため扱いにくく、反応収率は不安定で高い収率を実現することはできなかった。気体の事前溶解により反応は安定し、収率も大きくアップした。マイクロリアクタによる反応時間は１分以内と、非常に短く、また反応収率も９０％台が得られたことから、バッチに置き換わる方法としてマイクロリアクタによる実用可能性が見えた。

（実施例１）
第１液体原料（８ｃ）として亜リン酸ジメチルにキャリア溶剤（６ｃ）であるトルエンを混合したものを用意した。第２液体原料（９ｃ）として、Ｎｉ系の触媒をキャリア溶剤（６ｃ）であるトルエン中に必要量溶解させたものを用意した。気体原料（７ｃ）としては、アセチレンを用いた。図２で説明した気体溶解手段１０を用いてアセチレンをキャリア溶剤（６ｃ）であるトルエン中に十分溶解させ、気体溶解液（第１原料液）２３ｃとした。

マイクロリアクタシステム２を用いて第１液体原料と第２液体原料を混合し第２原料液（２５ｃ）を得た。この第２原料液２５ｃに、第１原料液２３ｃ（アセチレン）を反応させた。第１液体原料（亜リン酸ジメチル）８ｃ、第２液体原料（Ｎｉ系触媒）９ｃおよび気体溶解液（第１原料液）２３ｃのそれぞれの流量は表５に示した量であった。なお、それぞれＡ液、Ｂ液、Ｃ液である。

その結果ジメチルビニルホスホネイト（Ｖ１）が得られた。反応進行率は９５％以上であり、月産１２５ｋｇを得ることができた。これは年間生産換算で１．５トンに相当する量であった。マイクロリアクタシステム２は原料を供給すれば、連続運転が可能であるため、年間生産換算量は実現可能な量である。これは、十分商業ベースとしての生産量を確保できるといえた。

（実施例２）
実施例１の材料をマイクロリアクタシステム３を用いて反応させた。各材料の流量は表５に示したとおりであった。その結果ジメチルビニルホスホネイト（Ｖ１）が得られた。反応進行率は９５％以上であり、月産１０４４ｋｇを得ることができた。これは年間生産換算で１２．５トンに相当する量であった。マイクロリアクタシステム３は原料を供給すれば、連続運転が可能であるため、年間生産換算量は実現可能な量である。

（実施例３）
第１液体原料（８ｃ）として亜リン酸ジエチルにキャリア溶剤（６ｃ）であるトルエンを混合したものを用意した。第２液体原料（９ｃ）として、Ｎｉ系の触媒をキャリア溶剤（６ｃ）であるトルエン中に必要量溶解させたものを用意した。気体原料（７ｃ）としては、アセチレンを用いた。図２で説明した気体溶解手段１０を用いてアセチレンをキャリア溶剤（６ｃ）であるトルエン中に十分溶解させ、気体溶解液（第１原料液）２３ｃとした。

マイクロリアクタシステム２を用いて第１液体原料と第２液体原料を混合し第２原料液（２５ｃ）を得た。この第２原料液２５ｃに、第１原料液２３ｃ（アセチレン）を反応させた。第１液体原料（亜リン酸ジエチル）８ｃ、第２液体原料（Ｎｉ系触媒）９ｃおよび気体溶解液（第１原料液）２３ｃのそれぞれの流量は表５に示した量であった。なお、それぞれＡ液、Ｂ液、Ｃ液である。

その結果ジエチルビニルホスホネイト（Ｖ２）が得られた。反応進行率は９５％以上であり、月産１１８ｋｇを得ることができた。これは年間生産換算で１．４トンに相当する量であった。マイクロリアクタシステム２は原料を供給すれば、連続運転が可能であるため、年間生産換算量は実現可能な量である。これは、十分商業ベースとしての生産量を確保できるといえた。

（実施例４）
実施例３の材料をマイクロリアクタシステム３を用いて反応させた。各材料の流量は表５に示したとおりであった。その結果ジエチルビニルホスホネイト（Ｖ２）が得られた。反応進行率は９５％以上であり、月産９８６ｋｇを得ることができた。これは年間生産換算で１１．８トンに相当する量であった。マイクロリアクタシステム３は原料を供給すれば、連続運転が可能であるため、年間生産換算量は実現可能な量である。

（実施例５）
第１液体原料（８ｃ）として亜リン酸ジフェニルにキャリア溶剤（６ｃ）であるトルエンを混合したものを用意した。第２液体原料（９ｃ）として、Ｎｉ系の触媒をキャリア溶剤（６ｃ）であるトルエン中に必要量溶解させたものを用意した。気体原料（７ｃ）としては、アセチレンを用いた。図２で説明した気体溶解手段１０を用いてアセチレンをキャリア溶剤（６ｃ）であるトルエン中に十分溶解させ、気体溶解液（第１原料液）２３ｃとした。

マイクロリアクタシステム２を用いて第１液体原料（８ｃ）と第２液体原料（９ｃ）を混合し第２原料液（２５ｃ）を得た。この第２原料液２５ｃに、第１原料液２３ｃ（アセチレン）を反応させた。第１液体原料（亜リン酸ジフェニル）８ｃ、および第２液体原料（Ｎｉ系触媒）９ｃおよび気体溶解液（第１原料液）２３ｃのそれぞれの流量は表５に示した量であった。なお、それぞれＡ液、Ｂ液、Ｃ液である。

その結果ジフェニルビニルホスホネイト（Ｖ３）が得られた。反応進行率は９５％以上であり、月産１１４ｋｇを得ることができた。これは年間生産換算で１．３トンに相当する量であった。マイクロリアクタシステム２は原料を供給すれば、連続運転が可能であるため、年間生産換算量は実現可能な量である。これは、十分商業ベースとしての生産量を確保できるといえた。

（実施例６）
実施例５の材料をマイクロリアクタシステム３を用いて反応させた。各材料の流量は表５に示したとおりであった。その結果ジフェニルビニルホスホネイト（Ｖ３）が得られた。反応進行率は９５％以上であり、月産９５３ｋｇを得ることができた。これは年間生産換算で１１．４トンに相当する量であった。マイクロリアクタシステム３は原料を供給すれば、連続運転が可能であるため、年間生産換算量は実現可能な量である。

（実施例７）
第１液体原料（８ｃ）としてジフェニルホスフィンオキシドをキャリア溶剤（６ｃ）であるトルエンに溶解させたものを用意した。第２液体原料（９ｃ）として、Ｎｉ系の触媒をキャリア溶剤（６ｃ）であるトルエン中に必要量溶解させたものを用意した。気体原料（７ｃ）としては、アセチレンを用いた。図２で説明した気体溶解手段１０を用いてアセチレンをキャリア溶剤（６ｃ）であるトルエン中に十分溶解させ、気体溶解液（第１原料液）２３ｃとした。

マイクロリアクタシステム２を用いて第１液体原料８ｃと第２液体原料９ｃを混合し第２原料液（２５ｃ）を得た。この第２原料液２５ｃに、第１原料液２３ｃ（アセチレン）を反応させた。第１液体原料（ジフェニルホスフィンオキシド）８ｃ、第２液体原料（Ｎｉ系触媒）９ｃおよび気体溶解液（第一原料液）２３ｃのそれぞれの流量はそれぞれ表５に示した量であった。なお、それぞれＡ液、Ｂ液、Ｃ液である。

その結果ジフェニルビニルホスフィンオキシド（Ｖ４）が得られた。反応進行率は９９．９％であり、月産２６１ｋｇを得ることができた。これは年間生産換算で３．１トンに相当する量であった。マイクロリアクタシステム２は原料を供給すれば、連続運転が可能であるため、年間生産換算量は実現可能な量である。これは、十分商業ベースとしての生産量を確保できるといえた。

（実施例８）
実施例７の材料をマイクロリアクタシステム３を用いて反応させた。各材料の流量は表５に示したとおりであった。その結果ジフェニルビニルホスフィンオキシド（Ｖ４）が得られた。反応進行率は９９．５〜１００％であり、月産２１７４ｋｇを得ることができた。これは年間生産換算で２６．０トンに相当する量であった。マイクロリアクタシステム３は原料を供給すれば、連続運転が可能であるため、年間生産換算量は実現可能な量である。

Ａ液；第１液体原料（亜リン酸エステル類）、Ｂ液；第２液体原料（Ｎｉ系触媒）
Ｃ液；気体溶解液（アセチレン）

本発明のマイクロリアクタシステムは実施例の材料だけでなく、広く気液反応による物質生成に利用することができる。

１ マイクロリアクタシステム
６ｃ キャリア溶剤
６ キャリア溶剤タンク
７ 気体原料タンク
７ｃ 気体原料
８ （第１）液体原料タンク
８ｃ （第１）液体原料
９ 第２液体原料タンク
９ｃ 第２液体原料
１０ 気体溶解手段
１２ マイクロリアクタユニット
１２ｍ ミキサ部
１２ｒ リアクタ部
１６ キャリア溶剤分離手段
１７ 恒温槽
１９ 反応生成物
２０ 最終生成物
２１、２２、２３、２５、２６、２７、２８、４０、４１ 配管
２３ｃ 気体溶解液（第１原料液）
２５ｃ 液体原料（第２原料液）
２６ｃ 原料混合液
３０、３５ ポンプ
３１ 循環ミキサ部
３１Ｔ 恒温槽
３３、３４ 配管
３７、３８、３９ バルブ
４３、４４ 分配配管
４５ 集合配管
４６ 水位計
４７ 溶存ガス測定器
５０ 主反応部
５１ 前反応部
８０ 恒温槽
８１ 反応槽
８２ 蓋
８３ 材料投入ライン
８４ 通気管
８５ 脱ガス用ライン
８６ 撹拌羽
８７ シャフト
８８ モータ
１２１ 第１原料液流入口
１２２ 第２原料液流入口

Claims (13)

1. 気体原料をキャリア溶剤に溶解させ気体溶解液を作製する気体溶解手段と、
   前記気体溶解手段に連結され前記気体溶解液と液体原料を混合し原料混合液を作製するミキサ部と、
   前記原料混合液を反応させ反応生成物を得るリアクタ部とからなるマイクロリアクタユニットを含む主反応部を有し、
   前記気体溶解手段は、
   前記気体原料が流入する気体流入口と、前記気体溶解液が流入する液体流入口を有し、
   前記気体原料と前記気体溶解液を混合し循環混合液を作製する循環ミキサ部と、
   前記キャリア溶剤が貯留され、前記循環混合液を貯留された前記キャリア溶剤中に噴出させ気体溶解液を生成させるバッファタンクと、
   前記キャリア溶剤タンク中の前記気体溶解液を排出する排出手段と、
   前記排出手段の途中に設けられ前記気体溶解液の一部を前記液体流入口に戻す枝管を有することを特徴とするマイクロリアクタシステム。
2. 前記反応生成物から前記キャリア溶剤を分離し最終生成物を得るキャリア溶剤分離手段をさらに有することを特徴とする請求項１に記載されたマイクロリアクタシステム。
3. 複数の液体原料を混合若しくは反応させ、前記液体原料を作製するマイクロリアクタユニットを含む前反応部をさらに有することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載されたマイクロリアクタシステム。
4. 前記主反応部の前記マイクロリアクタユニットが複数設けられたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１の請求項に記載されたマイクロリアクタシステム。
5. 前記前反応部の前記マイクロリアクタユニットが複数設けられたことを特徴とする請求項３に記載されたマイクロリアクタシステム。
6. マイクロリアクタシステムを用いた化合物製造方法であって、
   気体原料をキャリア溶剤に溶解させ気体溶解液を得る工程と、
   前記気体溶解液に液体原料を混合し原料混合液を得るミキサ工程と、
   前記原料混合液を反応させ反応生成物を得るリアクタ工程からなる主反応工程を有し、
   前記気体溶解液を得る工程は、
   前記気体原料を前記キャリア溶剤に混合し、循環混合液を作製する循環ミキサ工程と、
   前記循環混合液を貯留されたキャリア溶剤中に噴出させ気体溶解液を生成させる工程と、
   前記気体溶解液を排出する工程と、
   排出される前記気体溶解液の一部を前記キャリア溶剤として前記循環ミキサ工程に戻す工程を有することを特徴とする化合物製造方法。
7. 前記反応生成物から前記キャリア溶剤を分離し、最終生成物を得るキャリア溶剤分離工
   程をさらに有することを特徴とする請求項６に記載された化合物製造方法。
8. 複数の液体原料を混合若しくは反応させ、前記液体原料を作製する前反応工程をさらに有することを特徴とする請求項６または７のいずれかに記載された化合物製造方法。
9. マイクロリアクタシステムを用いた化合物製造方法であって、
   気体原料をキャリア溶剤に溶解させ気体溶解液を得る工程と、
   前記気体溶解液に液体原料を混合し原料混合液を得るミキサ工程と、
   前記原料混合液を反応させ反応生成物を得るリアクタ工程からなる主反応工程を有し、
   前記気体原料がアルキン類であり、
   前記液体原料が亜リン酸エステル類と前記キャリア溶剤との混合である第１液体原料と、触媒を前記キャリア溶剤に溶解した第２液体原料を混合したものであり、
   前記ミキサ工程は直径５ｍｍ以下の流路内で行われ、
   前記リアクタ工程は直径５ｍｍ以下の流路内で行われ、前記反応生成物がアルケニルリン化合物であることを特徴とする化合物製造方法。
10. 前記気体原料がアセチレンであり、
    前記キャリア溶剤がトルエンであり、
    前記第１液体原料が、亜リン酸ジメチルと前記キャリア溶剤との混合であり、
    前記触媒が、Ｎｉ系触媒であり、
    前記反応生成物がジメチルビニルホスホネイトであることを特徴とする請求項９に記載された化合物製造方法。
11. 前記気体原料がアセチレンであり、
    前記キャリア溶剤がトルエンであり、
    前記第１液体原料が、亜リン酸ジエチルと前記キャリア溶剤との混合であり、
    前記触媒が、Ｎｉ系触媒であり、
    前記反応生成物がジエチルビニルホスホネイトであることを特徴とする請求項９に記載された化合物製造方法。
12. 前記気体原料がアセチレンであり、
    前記キャリア溶剤がトルエンであり、
    前記第１液体原料が、亜リン酸ジフェニルと前記キャリア溶剤との混合であり、
    前記触媒が、Ｎｉ系触媒であり、
    前記反応生成物がジフェニルビニルホスホネイトであることを特徴とする請求項９に記載された化合物製造方法。
13. 前記気体原料がアセチレンであり、
    前記キャリア溶剤がトルエンであり、
    前記第１液体原料が、ジフェニルホスフィンオキシドと前記キャリア溶剤との混合であり、
    前記触媒が、Ｎｉ系触媒であり、
    前記反応生成物がジフェニルビニルホスフィンオキシドであることを特徴とする請求項９に記載された化合物製造方法。