JPS63171638A - 流通式化学物質精密制御製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、有機系無機系のいかんを問わず各種化学物質
の合成反応条件を高温高圧下において高度に精密制御可
能な化学物質の製造方法に関し、管内を正確な流ｍでか
つ圧力及び温度を精密に制御されて流動する液体中で該
化学反応を行わせしめることにより、極めて効率的に化
学物質を得ようとするファインケミカル工業指向の、省
力・省資源・省エネルギーに立脚し反応収率の著しく改
善された化学物質合成方法に関するものである。

従来、化学物質の製造方法としては、回分式の反応装置
に所要の化学物質を仕込み、撹はん・混合・加熱などの
機械Ｖ五単位操作を加えることにより、一定時間経過後
に製品を取り出す方法が主として行われており、必要に
応じて法律で許可された圧力容器を用いることにより加
圧下での反応が行われ、反応促進に重要な役割を果たし
ていた。しかしながら、この種の化学物質製造方法は一
部の例外を除き、回分式での操作が基本であるため反応
を連続的に行わせることが著しく困難であるとともに反
応のバッチ毎に反応槽の清掃や反応条件の細かい設定を
必要とするなどの理由により、今日のファインケミカル
工業界が指向している多品種・少量生産の先端技術分野
では生産性が著しく低下することが指摘され、好ましく
ない情勢にある。

他方、化学物質の合成反応を効果的に促進せしめるため
に高温かつ高圧下で該反応を実施せしめることは公知で
ある。しかしながら、一般にこれらの反応は回分式で行
われるため、反応条件を高温でかつ高圧に制御すること
はそれほど容易ではなくもろもろの不便を生じせしめ、
しかも法律上程々の制約がある圧力容器の使用を必要と
するなどの点で多くの欠点を有していた。なお、前型反
応器を用いて化学物質の反応を行わせしめる方法も一部
で実施されているが、気相を対象としたものが主で、液
相を対象としたものはほとんどなく、しかも本発明のよ
うに管内で自然生起する圧力を極めて効果的に利用し高
ｚ、に高圧下での反応を効率的に精密制御せしめる方法
は、従来法で使用していた管が大ｉ１に生産用で比較的
大口径であったため皆無であった。

本発明は、法律上の制約を受ける圧力容器の使用を伴わ
ずに高温高圧下で精密に制御された化学物質の合成反応
を極めて効果的に実施・促進せしめることにより、多品
種・少量生産に適したファインケミカル指向の反応組成
物を得るための合成・反応方法を提供することを目的と
してなされたものである。

本発明者は、このような欠点を克服する方法について鋭
意研究した結果、従来の圧力容器を用いた回分式の化学
物質合成反応方法では法律上多くの制約を受けるのみな
らず、この種の合成化学工業が指向している多品種・少
量生産のファインケミカル化に対し、極めて非効率的な
生産プロセスしか提供できず、しかも本来の生産活動に
付属すべき反応容器の洗浄や反応組成物の取り出しに多
大の労働力を必要とするなどの点に着目し、高圧下でも
正確な流ｍで送液可能な高性能ポンプを用いて管内に被
反応液と反応液とを流し流通式プロセスで化学物質の合
成反応を行えば、特定の圧力容器を用いないでも高温か
つ高圧に精密制御された化学物質の合成反応方法を提供
できることを見いだし、本発明を完成するに至った。

本発明の化学物質合成方法は、被反応液と反応液とを層
流領域の流動条件下で該管内を流液せしめても実施可能
なることを特徴とし、該条件下で被反応液と反応液との
混合並びに反応を層流の速度分布のプロフィールによる
反応液の被反応液中への分散と、その分散プロフィール
で形成された両液の界面における被反応液中化学物質と
反応液中化学物質との相互の分子拡散と、管内壁の作用
や管をコイル状に巻いたことによる作用などの複雑な因
子を効果的かつ効率的に作用せしめることにより、管内
での反応条件を高温高圧下で精密かつ正確に制御せしめ
ることが可能な化学物質の合成方法を完成するに至った
。

本発明に用いる反応管としては、テフロン、ポリエチレ
ン、ポリプロピレン、塩化ビニル、ゴム製などの円筒管
（いわゆるチューブ）が比較的低温かつ低圧用の合成反
応の精密制御に適しており、ステンレス、鉄、銅、鉛製
などの金属管が高温かつ高圧用の合成反応の精密制御に
適している。またガラスや陶磁器′（セラミック）製の
円筒管も本発明に効果的に利用できる特性を十分備えて
いる。

さらに上記のステンレス製や鉄製などの円筒管内にテフ
ロン、ポリエチレン、塩化ビニル、ゴム、ガラス、セラ
ミックなどの不活性材料を任意に選択してにライニング
したものは本発明に極めて効果的に利用できる。

本発明に用いる高圧下で正確な送液が可能なポンプとし
ては、最近普及の著しい比較的低容量域の高速液体クロ
マトグラフィー用高圧定流量ポンプや中容量域の空気圧
送式ポンプ・ベローズ式ピストンポンプや高容量域のス
ラリーポンプなどを始めとし、送液の容量や圧力によっ
て各種のポンプが任意に選択・利用でき、しかもそれら
の大型化や小型化が容易に達成可能な技術状況にあるこ
とを考え合わせると、本発明の高温高圧下で流ｍを精密
制御せしめる化学物質の合成反応はその、Ｑ義を一層高
めることができる。

被反応液と反応液との反応条件については、高温高圧下
で反応せしめるとき著しく反応が促進せしめられるか、
または反応の収率が著しく高められる場合に本発明の作
用・効果を最も顕著に確認することができる。すなわち
、特に化学物質の酸化反応や還元反応などの促進または
効率化において本発明の作用を最も典型的に示すことが
できる。

しかも、本発明は化学物質の酸化反応や還元反応に限定
されることなく該管内で反応可能なあらゆる化学物質の
合成・酸化・還元等にかかわる反応に対して等しく有効
で、その利用範囲を合成反応だけに何等限定するもので
はないことは改めて説明するまでもあるまい。

これらの被反応液および反応液中の化学物質は水や有機
溶媒などの液体およびこれらの混合体はもちろんのこと
、最近研究が著しく進み普及してきた超臨界流体などに
溶解、分散、けん濁、ゲル化、ゾル化、コロイド化など
の手法により均一に存在せしめて使用されるのが好まし
い。しかしながら、これらの液体類の混合体の構成また
はその組成は本発明の権利を何等限定するものではなく
、あらゆる組合せのあらゆる組成の混合物が利用できる
。

本発明にかかる化学物質の精密制御合成方法は、複雑か
つ微細な構造をもつ有機化合物のキラルグループに隣接
する置換基の選択的酸化や選択的還元が近年特に盛んに
なりつつある研究状況に鑑み、カルボニル基・ヂオカル
ボニル基・カルボキシル基・シアノ基・アミノ基・イミ
ノ基・ハロゲン基・メチル基・メトキシル基・水酸基・
オレフィン基などのあらゆる置換基に対して、選択的反
応を実施せしめる場合にも極めて有効に作用せしめるこ
とができる。また、置換基に限らず有機及び／又は無機
の分子化合物全体に作用せしめる場合にもあらゆる反応
を有効かつ効率的に精密制御せしめることが可能である
ことはいうまでもない。

本発明において、被反応液中へ当該反応を行わせしめる
ための反応液を添加する方法については、注入部を使っ
て断続的にプラグ状（栓状）で加えることも可能であり
、２種類以」二の反応液をそれぞれの導入管と接続ジヨ
イントを使って順次連続的に加えることも可能である。

また、これらの注入方法又は導入方法を組み合わせて利
用することにより、被反応液と反応液とを効果的に混合
せしめることも任意に選択可能で・ある。

ここにおいて、層流流れ下で被反応液中へ反応液を断続
的に注入する場合又は連続的であっても交互に導入する
場合には、いわゆるプラグフロー（栓流）となるため、
注入された反応液は管の中心部で最も速く流れ、管壁部
においては極めて遅いか又は停滞した状態となる。この
ような被反応液と反応液との間には、極めて細長い砲弾
状の界面を形成しているので、被反応液はこの広大な界
面を保ったまま反応液とともに管内を層流状に流れ、こ
の間被反応液と反応液との間で両者の含有物質が相互に
分子拡散及び混合を生じ、この混合に基づいて精密に制
御された高温高圧下での反応が行われるのである。同様
に、層流下で被反応液中へ反応液を順次連続的に導入す
る場合にも、導入の際同様の界面形成が認められるので
その砲弾状に広がった界面での拡散等により、いわゆる
混合器を用いなくても極めて効果的に両者の混合を達成
することができるのである。この場合、該反応に用いる
管を大きなコイル状に巻いたり、異径の管を接続したり
するとともに、かつ加熱するならば、流動の部分的な乱
れ及び粘度低下が生じて、拡散及び混合が一段と促進で
きることになる。

この種の分子拡散による混合は、従来技術である比較的
大口径の反応管を使用した場合には効果的に起こらず、
本発明のようなファインケミカル業界などの少量生産を
指向する製造プロセスに好適に使用されうる比較的小口
径の反応管を用いる場合にのみ極めて効果的に実施でき
るのである。

すなわち、層流の流動条件で口径がｌ　ｃｎ＋ｖｉ度以
下と小さい反応管を用いた場合には、特別の混合器を不
可欠の要素とする口径１０ｃＩＩの反応管を用いた場合
に比べて、管径に及ばず分子拡散の寄与が１００倍大き
く、それだけ混合効果が期待できる。また、本発明の混
合効果が完全に生起せしめられる条件としては、２Ｉｌ
ｌＩ程度以下の反応管を用いるのが好ましく、この場合
は特別の混合器を全く設置しなくとも極めて効果的に両
者の混合が達成されるのである。もちろん、乱流となり
うる高流速の流動条件で流液せしめ完全混合を達成する
ことも不可能ではないが、その場合は装置が大きくなり
設備費が高くなることが避けられないことは明らかであ
る。なお、混合が不完全となる３　ｍｍ程度より大きい
［１径の反応管を用いる場合には、反応管をコイル状に
巻いたり、異径の管を接続したりして層流の流動条件を
乱れさせるのが効果的で、これによって相当程度の太い
管でも特別の混合器を設置せずに完全混合を達成゛４°
ることが可能である。本発明にかかる分子拡散による混
合効果についてさらに述べると、例えば反応管の１」径
を２　ＩＩｍとした場合、管中心から管壁までの距離（
半径）は当然ｌ　ｍｍであり、一方化学物質の分子拡散
係数は概ね０．０００１〜０．００１１１ｍ　７秒であ
る。このような流動系においては、たとえ流れが完全な
層流であっても反応時間が短くても分子拡散による拡散
混合が上記の広大な非反応液−反応液界面において極め
て効果的に起こるため、数十秒ないし数分間の管内滞留
時間でも完全混合を容易に達成できるのである。逆に、
に１径ＩＱ　ｍｍ程度以」−の反応管を用いた場合には
、混合条件が劣悪となり、特別の混合器を設置するとか
、流れを乱す何等かの操作を反応管に加えることが不可
欠となるのであ−る。

さらに、本発明にかかる比較的細い反応管においては、
この管内に極めて高い圧力（ゲージ圧で通常数ないし数
十、最大数百ｋｇ／ｃｓ２程度）がかかるという効果が
ある。これは流体工学系におけるいわゆるハーゲン・ボ
アズイユ式による層流流れの圧力損失が自然に生起する
からである。このような圧力効果は層流流れ以外でも生
起するのでいずれも利用できるが、それを一層効果的に
するため、本発明では反応管より細い異径の管を途中に
接続したり、反応管の直後に細い背圧管を接続したりし
て効率的に高い圧力を得ている。この圧力損失は管口径
の４乗に比例するため、口径が小さくなるほど効果が大
きくなり、反応管の加熱による高温°化と相まって顕著
に反応を促進せしめるものである。この効果を口径５１
の細管の場合についてみると、従来技術で最も細い部類
と思われる口径５　ｃｎ＋の通常管に比して１００００
倍の圧力効果を生じるので、極細い背圧管をわずか接続
すれば、１００度以上に加熱しても反応管内で内容液の
沸騰が起こらないため、高温下での反応促進を必要とす
る酸化・還元反応において優れた効果を発揮するもので
ある。また、管が細いため管壁の単位面積当たりの圧力
負荷が小さいことも、本発明を好適に実施しつる要素で
ある。なお、口径５　ａｍ程度以上の通常管を用いた場
合には、管内での自然混合が非効率的なことはもとより
、管内で高圧を得難くかつ背圧管の接続も極端に口径が
異なるため容易ではなく、たとえ背圧管を接続したとし
ても装置構成上反応管や接続部の耐圧強度等について多
く問題点を有するので、本発明を経済的かつ効果的に実
施することは実際上不可能である。

本発明の化学物質合成方法は、被反応物質を含む液を所
望の細管状反応管に高い圧力で流量を精密に制御しなが
ら送液し、これに甲−又は複数の反応物質を含む液を順
次導入・注入して添加し、さらに温度を精密に制御する
ことにより該反応を高度に精密制御された反応条件下で
実施することによって、組成が高度に一定に制御された
反応組成物を得ることで構成される。さらに、該反応組
成物は所望の目的、ずなわらファインケミカルの合成を
始め、廃液処理や化学計測などの用途、さらに該組成物
を検知・検出することにより精密に制御されたあらゆる
反応の解析手段としても利用価値が高く、各種工業など
のあらゆる分野に好適に使用されるもので、その工業的
・社会的意義は極めて高いものといえよう。

次に実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、以
下に示す実施例は本発明をより良く説明するためのもの
であり、本発明の範囲を何隻限定するものではない。ま
た、実施例に示される部及び百分率は特に断りのない限
りすべて重量基準にて表示するものである。

実施例　！ 第１図に示すごとくの構成で本発明に基づく合成方法を
実施するための装置を作製した。内径２Ｉ、外径３　ａ
ｍ、長さ２１１のテフロン製デユープ中に協和精密製に
ｌ　Ｕ　−５２型シングルプランジヤ一式高圧定流量マ
イクロポンプを用いて、ｐＨ約１２の１０％次亜塩素酸
ソーダ溶液を毎分４−１の流出で連続的に送液する。テ
フロンチューブの途中に設けた注入部から、シリンジを
用いて１ｍｌの１０％ホルムアルデヒド水溶液を注入す
る。この場合、約３０ｃｍの栓流を形成する。この装置
条件で、テフロンデユープを約１００度に加熱したとこ
ろ、デユープ内で沸騰が起こり反応の内容液の制御が困
難となったので、このデユープに背圧管として内径０．
２５　ＩＩｍ。

外径２　ｇ＋＋ｓの異径のテフロンデユープを異径ヂュ
ーブ接続用オムニフィツト式ジジイントを用いて２■接
続した。その結果、デユープ内での沸騰はおさまり、内
容液の温度及び圧力を精密に制御することが可能になっ
た。この流動条件で流したところ、約１．５分で注入し
たホルムアルデヒド水溶液はほぼ１００％の転換率でギ
酸とじて回収できた。

なお、テフロンデユープは直径約１２ｃＩ１１のループ
状に巻くのが、注入した栓流の混合上屋も好適であった
。

実施例２ 本発明の化学物質製造方法を各種ファインケミカルの合
成に適用するために、第２図に示ずごとくの構成により
小型装置を試作した。なお、該装置の性能を最大限に発
揮させるため、協和精密製ＫＩＩＵ−ｆ−１０４型二連
式高圧定流ｍマイクロポンプを使用して装置の設計を行
った。　この装置により、ａｒ−アトラントンなどから
ａ「−ツルメ゛ロンなどの生理活性物質を合成する際の
ヨウ化水素酸による還元反応を実施したところ、金属触
媒を必要としない有機化合物の還元方法としての長所が
明確に発揮できた。すなわち、水溶液中において強い酸
性の還元剤（例えば、Ｋｌ、Ｎａｌなど）とともに生成
物の組成で長時間加熱する一般的条件において、強い酸
性の条件下で長時間加熱されるという条件の厳しさから
、必ずしも弔−な還元組成物を得られず、しかも還元方
法がかなり複雑になるという致命的欠点があった。とこ
ろが、本試作装置を用いれば極めて効果的に上記の還元
反応を達成できるのみならず、複雑な還元条件に対して
は本装置の流路を順次増していくことで容易に対応でき
、しかも反応条件を正確かつ精密に制御可能なので還元
生成物がほぼ弔−・組成となるばかりではなく、高圧下
での還元反応が行えるため還元時間も大幅に短縮できる
ことがわかった。

実施例３ 実施例２において使用した装置に対して、０．０５Ｍ硫
酸（ｐｌｌｌ、３）又は０．！賛酢酸緩衝液（ｐＨ３，
５）１００部と５〜１００　ｍＭ硫酸銅（！１）の混合
溶液を一方の流路から、アセトニドニル５部とベンゼン
１部と３５％過酸化水素水０．１〜２ＰＩ（の混合溶液
をもう一方の流路から毎分１１の流用で送液する。この
場合、反応管としては内径Ｉ　Ｉｌ＋＊、外径３■、長
さ１０　ｒａのテフロン円筒管が好適である。また、上
記二液の導入管としては任意の太さ及び長さのテフロン
管などが任意に選択できる。なお、背圧管としては内径
０．２５　ｍｊ長さ５ｍのテフロン管が好適であり、こ
れにより反応管内はほぼＩＯ気圧付近に正確に制御され
た。さらに、反応管を室温から１６０度までシリコンオ
イルを入れた油浴を用いて温度制御したが、少なくとも
この温度範囲内では反応管内での沸騰は認められなかっ
た。約８分の滞留反応時間で反応生成物を得たが、高速
液体クロマトグラフィーにより分析したところ、過酸化
水素や硫酸銅の添加ｍさらに温度にもよるが、はぼ定量
的にフェノールを合成できることがわかった。回分式の
反応プロセスでは最高の条件でもフェノールの収率は３
０％程度にとどまり、ハイドロキノンやカテコールがそ
れぞれ１０〜２０％と数％生成することが知られている
ので、本流通式プロセスの効果は極めて大きいものがあ
る。

本発明の製造方法では連続流れ状態のみならず流れを反
応管内で停市することにより反応管や流屯を変えないで
滞留反応時間を大幅に延長することもできるなど、一つ
の製造プロセスであらゆる反応条件に柔軟に対応できる
ことも優れた特徴といえる。

実施例４ 実施例２及び３で使用した装置を各種反応の解析に用い
るには、実施例■で使用したものと同様の注入部を併置
するのが好ましい。つまり、いわゆるフローインジェク
ション方式の装置位として利用するのが好適である。０
．５〜ＩｍＭ過マンガン酸カリウム水溶液と５〜１０％
希硫酸溶液とを二連式ポンプでそれぞれ別々に毎分０，
２〜４　ｍｌの流ｑ【で、種々の太さ及び長さのテフロ
ンデユープに連続的に送液する。次に、注入部から各種
有機化合物水溶液を２０ｐ１程度の少量ずつ硫酸溶液の
流路へ断続的に注入する。これら二液は、混合１１＜を
経て二流路が単一流路へと合流したのら、アルミニウム
製プロックヒー多−にテフロン管を巻きつけて加熱する
方法で温度制御を行う反応管へ輸送される。

この方法により、温度を室温から２００度程度まで相当
正確に制御できる。この装置では反応管の直後に内径０
．５　ａｍ、長さ１０　ｍのテフロン管を接続して圧力
損失を得た。

この小型装置により反応温度及び圧力並びに反応時間を
精密に制御して得られた反応生成物は、例えば有機化合
物としてエヂルアルコールを注入した場合には、種々の
反応条件により種々の組成で、未反応のエヂルアルコー
ルを始めとしてアセトアルデヒドや酢酸などを合成する
ことができた。

このようにして、反応生成物を高速液体クロマトグラフ
ィーなどを用いて分析すれば、反応解析の手段としても
有効に利用できるし、そのまま吸光光度法などで検出す
れば化学計測の手段としても利用できるのである。

実施例５ 実施例１の構成の装置において、反応管にステンレスを
使用して耐圧性能の高い装置を作り、超臨界流体として
二酸化炭素を流し、室温で高圧定流ｍポンプを用いて約
８０〜１００気圧で圧送したところ、注入部から導入し
た反応液中の化学物質の拡散混合が極めて効果的に起こ
り、反応プロセス上有利であることがわかった。これは
超臨界流体中では通常の液体に比べて分子拡散係数が約
１００〜！０００倍大きくなることによるものと思われ
る。

実施例６ 実施例２の構成の装置において、反応管として内径８ｗ
１１１１１長さ５ｍのテフロン管を用い、導入管として
は同じ太さのテフロン管を使用し、背圧管を接続した場
合としない場合について次のような実験を行った。ずな
わら、−・方からは種々のＴｒ機及び無機化合物を多Δ
目こ含む写真現像液（未使用品又は使用済み廃液）の水
素イオン濃度（ｐ　ＩＩ　）を１〜７の範囲で硫酸及び
苛性ソーダを用いて変化させさらに費用の硫酸第一鉄を
加えたものを流し、もう一方からは３５％過酸化水素水
を流す。この場合、ヒドロキシラジカルが発生し爆発的
な酸化反応が起こり、反応管内には炭化水素の分解によ
って生成した炭酸ガスと水が熱とともに大Ｌ１目こ発生
ずるので、背圧管を接続しない場合には反応制御が全く
不可能であった。しかるに、適切な反応管を接続した場
合には反応管内での発泡が制御可能な程度に抑制できる
ので、反応温度のみならず反応圧力もある程度適性かつ
精密に制御できることが明らかになった。

この実施例では、炭酸ガス及び水を得たものの価値ある
反応生成物は得られなかったが、この装置は極めて難分
解性の有機化合物を含有する液体廃棄物をフェントン酸
化反応を利用して廃液処理する場合などにおいても高い
実用性をイＴすることを認めた。さらに、反応条件を緩
和して実施例３のように反応生成物に付加価値の高いフ
ァインケミカル物質を合成することも可能であったし、
テーパ状に細くなった反応管を用いるのも極めて効果的
で、圧力損失を得ながら内容液の混合を効率的に行わせ
るの（ｆ効であった。なお、反応工程の複雑な化学物質
に対しては、第２図の装置の流路を増すことで容易に対
処できたので、本発明の柔軟性を高めることも極めて広
範囲にわたって実施可能であった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明における化学物質精密制御製造方法に
おいて使用する装置に対し、１台のポンプを用いた場合
の模式図である。図中、符号（１）は被反応液、（２）
は導入管、（３）はポンプ、（４）は反応液Ａ、１３．
Ｃの注入部、（５）は圧力計、（６）は反応管、（７）
は恒温槽、（８）は圧力計、（９）は背圧管をそれぞれ
示す。 第２図は、本発明における化学物質精密制御製造方法に
おいて使用する装置に、二連式ポンプを用いたときの模
式図である。図中、符号（１０）及び（目）は被反応液
及び反応液、（１２）及び（１３）は２本の導入管、（
■４）及び（１５）は２台のポンプ、（１６）は両液の
混合部、（１７）は圧力計、（Ｉ８）は反応管、（１９
）は恒温槽、（２０）は圧力計、（２１）は背圧管をそ
れぞれ示す。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）管内を流液する化学物質含有液体中に該化学物質
   と反応性を有する化学物質を含有する液体を導入せしめ
   、該管内を流動する液体により圧力損失を生起せしめて
   管内を高圧制御せしめることにより該反応を効率的に行
   わしめると同時に、該管内における滞留反応時間を精密
   に制御せしめることにより該化学物質相互の反応を精密
   制御せしめ、これにより生成した反応組成物を得ること
   を特徴とする流通式化学物質精密制御製造方法。
2. （２）該管内の液体を加熱高温制御することにより、該
   反応を高温かつ高圧下で精密に制御せしめかつ高度に促
   進せしめることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項
   記載の方法。
3. （３）該管に異径の管を接続せしめることにより、該反
   応管内の混合を効率化及び該反応管に高圧を生起せしめ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項又は第（
   ２）項記載の方法。