KR20160121159A - 비혼화성 액-액 반응을 위한 연속식 미세유체 반응 시스템 및 이를 이용한 반응 방법 - Google Patents

비혼화성 액-액 반응을 위한 연속식 미세유체 반응 시스템 및 이를 이용한 반응 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비혼화성 액-액 반응을 빠른 시간 내에 온화한 조건에서 연속적으로 진행할 수 있는 미세유체 시스템과 이를 이용한 반응 방법에 관한 것으로 보다 상세하게는, 제1주입구 및 제2주입구와 연결된 제1T-정션; 상기 제1T-정션에 연결되며 제1주입구와 제2주입구로 각각 주입되는 비혼화성 제1액과 제2액이 상호 액적이 형성된 상태에서 반응하는 반응용 유로; 상기 반응용 유로의 말단에 연결되어 있으며, 반응용 유로에 비해 유로 폭이 넓고 중력방향으로 설치되어 밀도차에 의해 반응액 중 비혼화성 액-액이 층분리되는 상분리용 유로; 상기 상분리용 유로의 하단 및 상단에 각각 연결되며 상기 상분리용 유로에 비해 좁은 폭으로 형성된 제1배출구 및 제2배출구; 및 상기 제1주입구, 제1배출구, 제2주입구, 제2배출구로부터 선택된 두 곳에 각각 연결되는 제1펌프 및 제2펌프;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비혼화성 액-액 반응용 연속식 미세유체 시스템과 이를 이용한 반응 방법에 관한 것이다.

Description

비혼화성 액-액 반응을 위한 연속식 미세유체 시스템 및 이를 이용한 반응 방법{Continuous Microfluidics System for Immiscible Liquid-Liquid Reaction and Method using the System}
본 발명은 비혼화성 액-액 반응을 빠른 시간 내에 온화한 조건에서 연속적으로 진행할 수 있는 미세유체 시스템과 이를 이용한 반응 방법에 관한 것이다.
하이드록실기를 선택적으로 환원하는 것은 카보하이드레이트로부터 바이오디젤의 생산이나 다양한 유기 합성에 적용될 수 있기 때문에 학문적인 연구 뿐 아니라 산업 공학의 측면에서도 가장 중요한 연구의 하나이다. 과거 10년 동안 Barton-McCombie 반응이나 전이금속 촉매의 환원반응, 전기 화학적 방법, 광산화 촉매 반응과 같은 다양한 방법들이 보고되었다. 그러나 이런 반응들은 일반적으로 다단계의 공정을 요하거나 재사용이 어려운 고가의 및/또는 독성이 있는 시료들이 사용된다. 요오드화수소산(HI, hydroiodic acid)은 단독 환원제로서 또는 하이포아인산(hypophosphorous acid, H3PO2)과 같은 환원제와 함께 촉매로서 환원반응을 매개할 수 있으며, 고가의 요오드화수소산은 비혼화성 액-액 반응 후 회수할 수 있다. 그러나 종래의 HI-매개의 환원반응은 강산인 HI를 과량으로 사용하고 고온에서 반응하는 격렬한 조건에서 반응이 진행되기 때문에 매우 위험하다. 또한 비혼화성 액-액 반응은 고가의 요오드화물을 회수하는 데에는 유리하지만, 서로 다른 분배계수를 갖는 시료들의 효과적인 혼합이 어렵다는 문제가 있다. HI는 통상 하이드록실 화합물이 포함된 유기상에 대한 용해도가 매우 낮기 때문에 반응이 빠르게 진행되기 어렵다. 따라서 하이드록실 화합물의 선택적 환원반응과 같은 비혼화성 액-액 반응을 안전하고 효율적으로 진행할 수 있도록 하는 새로운 공정의 개발이 필요하다.
일반적인 회분식 반응의 경우 반응기의 크기가 커질수록 비혼화성 액-액 반응에서 서로 다른 층에 존재하는 시료들 간의 효율적인 접촉이 어렵기 때문에 대량생산에의 적용을 위해서는 상기 문제가 선결되어야 한다. 이러한 문제를 극복하기 위하여 크게 두 가지 방법이 제안되었다.
첫째는 상전이 촉매를 사용하는 것이다. 긴 알킬 사슬의 소수성 부위와 함께 4급아민 염이나 술폰산염의 극성말단 부위를 갖는 상전이 촉매는 비혼화성 액-액에 각각 존재하는 시료 성분을 상대의 층으로 이동시켜 반응을 촉진한다. 그러나 상전이 촉매를 사용하는 경우 추가의 처리 공정이 필요할 뿐 아니라, 하이드록실 화합물의 환원반응에서 HI와 같이 고가의 물질을 회수하여 재사용해야하는 경우 회수 공정이 복잡하거나 회수 효율이 저하되는 문제가 있다.
두 번째 방법은 반응기 안에서 액체의 액-액 접촉표면 대 부피비를 증가시키는 것이다. 이를 달성하기 위한 하나의 방법이 안정한 에멀젼을 제조하는 것인데, 형성된 에멀젼이 안정한 경우에는 반응이 종료된 후 생성물을 분리, 정제하는 공정에 어려움을 야기한다. 이에 일시적인 불안정한 에멀젼을 형성하기 위한 방법들이 고안되어 왔다. 그 중 하나는 반응액 중 하나를 다른 하나에 액적의 형태로 주입하는 것이다. 그러나 이런 방법은 주입되는 액체에 비해 다른 액체의 부피가 상대적으로 커야 하므로 통상적으로 과잉 용매를 사용하기 때문에 용매의 비용이 증가할 뿐 아니라 반응 부피의 증가로 인해 생산효율성이 저하된다. 초음파를 사용하여 반응 중 에멀젼을 형성하는 방법도 있으나, 이 경우 역시 반응기의 크기가 커지면 효과가 감소하고 별도의 초음파 제조 설비가 필요하다는 단점이 있다.
최근 연구에 의하면, 미세화학반응 기술들은 종래의 회분식 반응에 대해 혁신적인 장점을 보여주며, 위험하고 불안정한 화학물질 역시 다양한 반응에 적용할 수 있다. 미세유체 시스템에서는 다양한 실험 조건들의 통제가 가능하며, 이들을 병렬 연결한 미세반응 소자를 사용하면 대량 생산에 이용할 가능성이 열리게 되었다. 공개특허 제10-2010-0034037호에는 비혼화성 액-액 반응을 위한 열 강화 미세구조 유체장치 및 이를 이용한 방법이 개시되어 있다. 그러나 이러한 미세유체 장치는 구조가 복잡하여 제작이 어렵다는 단점이 있다. 또한 강산과 같은 위험한 물질이나, 독성이 있는 물질들을 회수하여 사용할 필요가 있는 경우에 이를 위한 별도의 공정이 필요하게 된다.
공개특허 제10-2010-0034037호
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 비혼화성 액-액 반응을 위한 효과적으로 진행시킬 수 있는 연속식 미세유체 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 회수에 의해 재사용이 필요한 물질을 반응과 동시에 회수하여 재사용할 수 있는 연속식 미세유체 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 반응기를 이용한 비혼화성 액-액 반응 방법을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 제1주입구 및 제2주입구와 연결된 제1T-정션; 상기 제1T-정션에 연결되며 제1주입구와 제2주입구로 각각 주입되는 비혼화성 제1액과 제2액이 상호 액적이 형성된 상태에서 반응하는 반응용 유로; 상기 반응용 유로의 말단에 연결되어 있으며, 반응용 유로에 비해 유로 폭이 넓고 중력방향으로 설치되어 밀 도차에 의해 반응액 중 비혼화성 액-액이 층분리되는 상분리용 유로; 상기 상분리용 유로의 하단 및 상단에 각각 연결되며 상기 상분리용 유로에 비해 좁은 폭으로 형성된 제1배출구 및 제2배출구; 및 상기 제1주입구, 제1배출구, 제2주입구, 제2배출구로부터 선택된 두 곳에 각각 연결되는 제1펌프 및 제2펌프;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비혼화성 액-액 반응용 연속식 미세유체 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 비혼화성 액-액 반응용 연속식 미세유체 시스템의 제1주입구와 제2주입구를 통해 주입되는 제1액과 제2액은 비혼화성이기 때문에 반응용 유로에서 서로 혼화되지 않고 액적의 형태를 유지한다. 이때 액적의 크기(길이)는 응용 유로의 폭 및 제1액과 제2액의 주입속도에 의해 결정된다.
상기 반응용 유로의 폭은 0.1~5.0mm인 것이 바람직하다. 반응용 유로의 폭이 좁을수록 비혼화성 액-액 접촉 표면 대 부피비를 증가시키는 데에는 유리하지만 반응 용량이 저하되므로 생산성이 낮아질 수 있다. 반면 반응용 유로의 폭이 너무 넓으면 유효 반응 부피는 증가하지만 생성되는 액적의 크기 역시 증가하지만 액-액 접촉 표면 대 부피비가 감소하여 반응 효율성이 저하되고 액적 간의 뭉침이 더 쉽게 발생할 수 있어 액정의 안정성이 저하된다.
상기 제1액과 제2액의 주입속도는 상기 제1펌프와 제2펌프에 의해 조절될 수 있다. 하기 실시예에서는 펌프로서 시린지 펌프를 이용하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 유체의 이동 속도를 제어할 수 있는 것이라면 어떤 형태의 펌프라도 사용가능하다. 일 예로, 액체크로마토그래피용 이중 피스톤 펌프 또는 연동펌프(Peristaltic Pump) 등을 사용할 수 있다. 제1펌프와 제2펌프는 주입구 또는 배출구에 연결되어 작동하도록 할 수 있다.
이 중, 나머지 경우에는 제1액과 제2액의 상대적 주입속도에 의해서도 액적의 크기를 조절할 수 있는 반면, 제1펌프와 제2펌프가 두 개의 배출구에 각각 연결되는 경우에는 제1액과 제2액의 주입속도가 같기 때문에 절대적 주입속도에 의해서만 액적의 크기가 조절된다. 절대적 주입속도가 빠를수록 반응용 유로에 생성되는 액적의 크기는 작아지기 때문에 반응속도가 느린 반응에 본 발명의 연속식 미세유체 시스템을 적용하는 경우, 반응을 완결시키기 위해서는 반응용 유로의 길이가 과도하게 길어져야 한다. 이를 방지하기 위하여 주입속도를 늦추게 되면 액적의 크기 증가로 인하여 비혼화성 액-액 접촉이 효율적이지 못하게 되어 반응속도가 느려지므로 또한 반응이 효율적으로 일어날 수 없다.
이러한 문제를 해결하기 위한 하나의 방법으로 본 발명의 미세유체 시스템은 제3주입구가 연결된 제2T-정션을 추가로 포함하며, 제2T-정션에는 제1주입구 또는 제2주입구와 제1T-정션이 연결되도록 구성할 수 있다. 상기 구성의 반응기를 이용한 반응 방법은 다음과 같다. 먼저 제1주입구와 제2주입구를 통하여 제1액과 제2액을 반응에 유리한 정도 크기의 액적이 형성되도록 적절한 속도로 주입하여 반응용 유로의 일부에 제1액과 제2액의 액적을 형성시킨다. 이후, 반응용 유로 내에서 반응을 완결시킬 수 있는 정도의 속도로 제3주입구로 제3액을 주입하여 이동속도를 제어하면, 액적의 크기는 유지하면서도 반응용 유로 내에서의 체류시간을 조절할 수 있다. 제1액과 제2액 주입에 의한 액적 형성과 제3액 주입에 의한 이동속도 제어를 교호적으로 실시하는 것에 의해 반응을 연속적으로 진행시킬 수 있다.
이때, 반응용 유로는 전 영역에 걸쳐 반응이 진행되도록 할 수도 있으나, 비혼화성 액-액의 액적이 안정적으로 형성되는 A유로와, A유로에 이어지며 실제 반응이 진행되는 B유로로 구간이 나누어지도록 할 수도 있다. 특히 반응의 진행을 위해서 가온이 필요한 경우에는, B유로 구간만을 항온조등에 담가 가온하는 것에 의해 B유로에서만 반응이 이루어지도록 할 수 있다. 또는 반응시간이 길어지면 부산물이 생성되거나, 반응시간이 짧은 경우와 긴 경우의 주산물이 상이한 경우에는 항온조에 담가지는 유로, 즉 B유로의 길이를 조절하는 것에 의해서도 반응시간을 조절할 수 있다. A유로와 B유로는 편의에 의해 그 상대적 길이가 나뉘어 지는 것으로, 동일 반응기를 사용하는 경우에도 별도의 A유로가 없이 반응용 유로 전체를 B유로로 사용할 수도 있으며, 반응용 유로의 일부만을 B유로로 사용하고, 나머지 부분을 A유로로 사용할 수도 있다.
본 발명의 연속식 미세유체 시스템에서 상기 반응성 유로의 재질은 사용하는 반응에 적절한 것을 사용할 수 있으며, 반응용 유로의 재질에 의해 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 상기 반응성 유로가 화학반응에 사용되는 것임을 고려하여, 내화학성, 내열성, 기계적 내구성을 갖는 물질을 사용하는 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것이 아님은 명확하다.
만일 반응 후 제1배출구 또는 제2배출구로 배출되는 액 중 회수에 의해 재사용되는 촉매를 포함하는 반응액이 있다면 적절한 처리공정을 거치거나, 그 자체로 제1주입구 또는 제2주입구를 통하여 재주입되어 반응에 순환 사용할 수 있다.
상기 상분리용 유로의 내부에는 상기 반응용 유로에 연결되며, 상분리용 유로에 비해 폭이 좁고 길이가 짧은 반응액 공급구가 형성되어 있어, 반응용 유로를 통해 나오는 비혼화성 액-액 반응액이 상기 반응액 공급구를 통해 상분리용 유로에 공급되도록 하는 것이 더욱 바람직하다. 본 발명의 상분리용 유로는 유로의 폭이 좁기 때문에 상분리가 빨리 진행되며, 이에 추가로 상기 구조의 반응액 공급구에 의해 반응액이 공급되도록 하는 것에 의해 계면에 난류를 형성하지 않을 수 있어 상분리가 더욱 효과적으로 이루어질 수 있다.
비혼화성 액-액은 통상 친수성 액과 소수성 액으로 이루어진다. 비혼화성 액-액 반응에서는 일반적으로는 친수성 액으로 물이, 소수성 액으로 유기용매가 사용되지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 메탄올-헥산과 같이 친수성 용매와 소수성 용매로 이루어 질 수도 있다. 친수성 액이란 물과 혼합하였을 때 층분리가 되지 않고 균질한 액을 이루는 액체를 일컬으며, 소수성 액이란 물과 혼합되지 않아 층이 분리되는 액체를 나타낸다. 상기 반응액 공급구는 비혼화성 액-액의 구성에 따라 적절한 재질을 사용할 수 있다. 구체적으로는 비혼화성 액-액 중 친수성 액이 소수성 액보다 밀도가 높다면 상기 반응용 공급구는 친수성 물질로 이루어지고, 친수성 액이 소수성 액보다 밀도가 높다면 상기 반응용 공급구는 소수성 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 본 발명의 명세서에서 '친수성 물질'은 물에 대한 친화도가 높은 물질로 물이 표면에 떨어졌을 때 물과의 접촉각이 90°보다 작은 물질을, '소수성 물질'은 물과의 접촉각이 90°보다 큰 물질을 의미한다. 상기와 같은 재질로 반응용 공급구를 구성하는 것에 의해 밀도가 높은 액의 액적이 반응용 공급구의 말단에서 더 쉽게 분리되기 때문에 상분리용 유로에서의 상분리가 보다 용이하다.
본 발명의 미세유체 시스템은 또한 상기 상분리용 유로 중 비혼화성 액체들의 계면위치를 검출하는 검출기;와 검출기로부터 검출된 계면위치 정보를 분석하여 제1액과 제2액의 유량을 조절하는 제어기;를 추가로 포함할 수 있다. 상기 검출기의 예로는 제1액과 제2액의 색상이 다르다면 전하결합 소자(charge-coupled device, CCD) 카메라를 사용할 수 있으며, 이로부터 얻어진 색상 정보로부터 컴퓨터 프로그램을 활용하여 손쉽게 계면위치를 확인할 수 있다. 이외 계면의 위치를 확인할 수 있는 것이라면 원리에 구애없이 본 시스템의 검출기로 사용할 수 있음은 당연하다. 제어기는 검출기로부터 얻어진 정보로부터 계면의 위치를 분석하여 제1액과 제2액의 유량을 조절한다. 예를 들어 계면의 위치가 미리 설정된 위치에 비해 너무 아래에 위치한다면 밀도가 큰 액의 주입속도를 상대적으로 증가시키는 한편, 전체 유속이 증가하도록 할 수 있다. 반면 계면의 위치가 너무 위쪽에 존재하면 전체 유속 또는 밀도가 큰 액의 주입속도가 감소하도록 자동으로 유속을 조절할 수 있다. 이와 같은 검출기와 제어기는 본 발명의 미세유체 시스템을 사용하여 자동화된 반응시스템을 구축할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명은 상기 비혼화성 액-액 반응용 연속식 미세유체 시스템을 사용한 비혼화성 액-액 반응 방법에 관한 것이다. 즉, 제1펌프와 제2펌프의 가동에 의해 제1주입구로는 제1액을 주입하고, 제2주입구로는 제2액을 주입하여 반응용 유로에 제1액과 제2액의 액적이 생성된 상태에서 반응시키며, 반응이 종료된 반응액이 상분리용 유로에서 층분리되어 제1액과 제2액 중 밀도가 높은 액은 제1배출구로, 밀도가 낮은 액은 제2배출구로 분리되어 배출시키는 것을 특징으로하는 비혼화성 액-액 반응 방법에 관한 것이다. 하기 실시예에서 확인한 결과에 의하면, 본 발명의 미세유체 시스템을 사용한 비혼화성 액-액 반응에서, 반응 시료가 포함되는 액적의 액-액 접촉표면 대 부피비는 1.0mm-1 이상인 것이 바람직하였다. 그러나 상기 수치는 절대적인 것은 아니며 화학반응의 종류, 사용되는 시약의 분배계수, 반응속도 등 여러 가지 요인에 의해 변화될 수 있음은 당연하다.
상기 상분리용 유로는 반응용 유로의 말단에 연결되어 있으면서, 반응용 유로에 비해 유로 폭이 넓기 때문에 반응이 완료된 비혼화성 액-액 반응액의 유속이 느려져 상분리용 유로에 일시적으로 체류하게 된다. 이때 상분리용 유로는 중력방향으로 설치되므로 밀도 차에 의해 반응액 중 비혼화성 액-액이 상하로 층분리되어 하단에 연결된 제1배출구로는 밀도가 높은 액이, 상단에 연결된 제2배출구로는 밀도가 낮은 액이 각각 분리되어 배출되게 된다. 따라서, 이중 생성물이 포함된 분액은 추가적인 분리공정이 없이도 바로 생성물 수확에 이용할 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 비혼화성 액-액 반응용 연속식 미세유체 시스템에 의하면 비혼화성 액-액 반응에서 액-액 접촉 효율이 우수하여 반응 속도가 빠르며 보다 온화한 조건에서 비혼화성 액-액 반응이 가능하다.
또한 본 발명의 연속식 미세유체 시스템에 의하면 반응 중 독성 물질들에의 노출이 최소화되기 때문에 보다 안전한 환경에서의 비혼화성 액-액 반응이 가능하다.
특히, 본 발명의 연속식 미세유체 시스템은 상분리용 유로를 포함하여 회수에 의해 재사용될 수 있는 고가의 촉매물질을 포함하는 층을 반응 시 연속적으로 안전하게 분리하고, 분리한 물질을 바로 재사용할 수 있으므로 비혼화성 액-액 반응을 환경적, 경제적 측면에서 유리하게 진행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 연속식 미세유체 시스템의 모식도.
도 2a는 본 발명의 일실시예에 의한 상분리용 유로의 내부구조를 보여주는 절단 사시 사진.
도 2b는 본 발명의 일실시예에 의한 상분리용 유로의 사용 예시 사진.
도 3은 비혼화성 액-액 반응인 2-메틸벤즈하이드롤의 환원반응에서 온도에 따른 액-액 접촉 표면 대 부피비에 대한 수율의 변화를 보여주는 그래프.
도 4는 비혼화성 액-액 반응인 2-메틸벤즈하이드롤의 환원반응에서 HI 농도에 따른 액-액 접촉 표면 대 부피비에 대한 수율의 변화를 보여주는 그래프.
도 5는 반응시간에 따른 2-페닐프로펜과 큐멘의 수율의 변화를 보여주는 그래프.
이하 첨부된 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 이러한 실시예는 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.
실시예
실시예 1 : 미세유체 시스템의 제작
불화 에틸렌 프로필렌 공중합체로 이루어진 튜브(FEP, Fluorinated ethylene propylene copolymer)(1.59 × 0.50 mm)와 에틸렌 테트라플로로에틸렌 T-정션(0.50 mm thru-hole)을 UPCHURCH(USA)로부터 구매하여, 도 1에 도시된 구조의 미세유체 시스템을 제작하였다. A와 B유로의 길이는 각각 10feet가 되도록 하였다. 말단의 상분리용 유로는 FEP 튜브(4.8 × 3.2 × 60 mm)와 T-정션(ETFE, 1.25 mm thru-hole), 내부 FEP 튜브(0.8 × 0.6 × 40 mm)를 사용하여 내부 구조가 도 2a와 같이 되도록 제작하였다. 상분리용 유로의 하단 및 T-정션 측 배출구는 FEP(1.59 × 0.50 mm) 튜브에 연결하였다. 도 2b의 사용 상태도에서 볼 수 있듯이 상분리용 유로를 중력방향(즉, 유로의 길이방향을 상하로)으로 위치시키면 하단의 배출구로는 높은 밀도의 반응액(도 2b에서는 수층에 해당)이, 상단 T-정션에 연결된 배출구로는 낮은 밀도의 반응액(도 2b에서는 유기층에 해당)이 각각 분리되어 배출된다.
실시예 2 : 미세유체 시스템을 이용한 비혼화성 액-액 반응
격렬한 반응 조건을 요하는 비혼화성 액-액 반응인 하이드록실 화합물의 환원반응을 이용하여 실시예 1에서 제작한 미세유체 시스템의 유용성을 검증하였다. 하기 실시예에 사용되는 모든 시약은 Sigma-Aldrich와 Dajung Chemical에서 구매하여 정제없이 사용하였다. 반응 수율은 GC-Mass 크로마토그라피(Agilent 5975C GC/MSD System, Agilent Tech., USA/Germany)를 사용하여 분석하였다.
1) 유기층의 액-액 접촉표면 대 부피비에 따른 수율 확인
메틸벤즈하이드롤(methylbenzhydrol)을 톨루엔에 용해시켜 0.25M 용액을 제조하였다. 이와 별도로 HI와 H3PO2를 각각 3.4M, 4.8M 농도로 포함하도록 HI 수용액을 제조하였다.
실시예 1에서 제조한 미세유체 시스템에 시린지 펌프(LEGATO200, KD scientific, U.S.A.)를 각각 연결하고, 미세유체 시스템의 유로 B를 60 ~ 120℃의 항온조에 담가 온도가 유지되도록 하였다. 상분리용 유로는 길이방향이 수직으로 되도록 설치하였다. 이 후, 시린지 펌프를 사용하여 제1주입구로는 알콜 용액을 제2주입구로는 HI 수용액을 주입하며, 주입속도의 조절에 의해 미세유로 내 톨루엔 용액의 액적의 길이가 각각 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7mm가 되도록 조절하였다. 반응 시약의 부식성이 강하기 때문에 알콜 용액과 HI 수용액에 대해서는 주입구가 아닌 유기층 배출구와 수층 배출구에 시린지 펌프를 연결하여 배압(back pressure)에 의해 주입속도를 조절하였다. 일정한 길이의 액적이 유로 A를 채우면 알콜 용액과 HI 수용액의 주입을 멈추고, 제3주입구로 톨루엔을 0.2mL/min의 속도로 주입하여 유로 B에서의 체류시간이 3분이 되도록 하였다. 이후, 상분리용 유로를 통해 나온 유기층을 수집하여 5% NaHCO3 수용액으로 세척하고 유기층을 GC/MS로 분석하여 수율을 계산하고 그 결과를 도 3에 도시하였다.
도 3에서 확인할 수 있듯이, 60℃에서는 반응이 거의 진행되지 않았으며, 100℃까지도 반응 수율이 30%에 미치지 못하였다. 120℃에서 최고 수율 75%를 얻을 수 있었으나, 120℃에서는 액적이 서로 빠르게 합해지고 HI가 분해되기 때문에 해당 액-액 접촉표면 대 부피비에서의 정확한 수율을 계산하는 것이 어려웠다. 액-액 접촉표면 대 부피비는 저온보다 고온에서 수율에 더 많은 영향을 미쳤다.
상기 결과로부터, 톨루엔 층의 액-액 접촉표면 대 부피비는 수층에 존재하는 요오드화수소산의 이동 효율에 관련되며, 톨루엔 액적의 길이가 길어질수록 회분식 반응에서와 같이 톨루엔 층으로의 HI의 전달이 효율적이지 못하므로 HI의 농도가 감소하여 수율(반응속도)가 낮아지는 결과를 초래함을 알 수 있다.
2) 요오드산의 농도에 따른 수율 확인
HI와 H3PO2의 농도를 조절한 것을 제외하고는 1)과 동일한 방법에 의해 2-메틸벤즈하이드롤의 환원반응을 진행하고 그 결과를 도 4에 도시하였다. 반응 온도는 120℃로 고정하였으며, HI의 농도는 1.3M (H3PO2, 7.4M)에서 7.3 M (H3PO2, 0M)로 조정하였다.
예측한 바와 같이 도 4에서 HI의 농도가 증가할수록 수율이 증가함을 확인할 수 있었다. 2.2~4.9M 농도의 HI 수용액을 사용한 경우, 액-액 접촉표면 대 부피비의 변화에 대한 수율의 영향이 현저하였으며, 농도가 그보다 낮거나 높은 경우에는 영향이 크기 않았다. 즉, HI의 농도가 1.3M 이하인 경우에는 액-액 접촉표면 대 부피비와 무관하게 반응이 유용하지 않았으며, 7.3M 이상에서는 액-액 접촉표면 대 부피비와 크게 영향받지 않고 높은 수율을 나타내었다. 높은 농도의 HI를 사용하는 것은 가격 면에서나 안전성 면에서 모두 바람직하지 않기 때문에 하기 2.2~4.9M 농도의 HI와 액적의 길이가 짧은 조건에서 반응하는 것이 더 바람직하다고 판단된다.
3) 여러 가지 알콜의 환원반응에의 적용
다양한 벤질릭 알콜 유도체에 대하여 1)에 기재된 방법에 따라 비혼화성 액-액 반응을 실시하였다. 알콜 유도체는 0.25M 농도의 톨루엔 용액을, 3.5M HI, 4.8M H3PO2 수용액을 사용하였다. 반응온도는 120℃로 고정하였으며, 액-액 접촉표면 대 부피비는 1.846mm-1이 되도록 액적의 길이를 조절하였다. 반응 시간과 수율은 하기 표 1에 기재하였다.
Figure pat00001
2-메틸벤즈하이드롤, 4-클로로벤즈하이드롤과 비스(4-플루오로페닐)메탄올의 2차 알콜기는 10분 이내에 높은 수율로 제거되었다. 트리페닐메탄올과 1-페닐에탄올 역시 각각 10분 및 20분의 반응에 의해 우수한 수율로 환원반응이 진행되었다(entry 6, 5). 그러나 2-페닐프로판-2-ol의 경우에는 환원반응 이전에 알콜기의 환원 이전에 제거반응(elimination reaction)이 진행되어 2-페닐프로펜이 먼저 생성된 후, 쿠멘(Cumene)으로 변환되었다. 이는 체류시간, 즉 반응시간에 따른 2-페닐프로펜과 큐멘의 수율에 대한 도 5로부터 확인할 수 있다. 도 5는 또한 본 발명의 시스템에서 상기 반응에 대해 체류시간을 정밀히 조절하는 것에 의해 제거반응에 의한 알켄의 제조에 사용할 수 있음을 나타낸다.

Claims (11)

  1. 제1주입구 및 제2주입구와 연결된 제1T-정션;
    상기 제1T-정션에 연결되며 제1주입구와 제2주입구로 각각 주입되는 비혼화성 제1액과 제2액이 상호 액적이 형성된 상태에서 반응하는 반응용 유로;
    상기 반응용 유로의 말단에 연결되어 있으며, 반응용 유로에 비해 유로 폭이 넓고 중력방향으로 설치되어 밀도 차에 의해 반응액 중 비혼화성 액-액이 층분리되는 상분리용 유로;
    상기 상분리용 유로의 하단 및 상단에 각각 연결되며 상기 상분리용 유로에 비해 좁은 폭으로 형성된 제1배출구 및 제2배출구; 및
    상기 제1주입구, 제1배출구, 제2주입구, 제2배출구로부터 선택된 두 곳에 각각 연결되는 제1펌프 및 제2펌프;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 비혼화성 액-액 반응용 연속식 미세유체 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상분리용 유로 내부는 상기 반응용 유로에 연결되며, 상분리용 유로에 비해 폭이 좁고 길이가 짧은 반응액 공급구가 형성되어 있어, 반응용 유로를 통해 나오는 비혼화성 액-액 반응액이 상기 반응액 공급구를 통해 상분리용 유로에 공급되는 것을 특징으로 하는 비혼화성 액-액 반응용 연속식 미세유체 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 반응액 공급구는 상기 비혼화성 액-액 중 밀도가 높은 액이 친수성이라면 소수성 재질로 이루어진 것을, 밀도가 높은 액이 소수성이라면 친수성 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 비혼화성 액-액 반응용 연속식 미세유체 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응용 유로의 폭은 0.1 ~ 5.0mm인 것을 특징으로 하는 비혼화성 액-액 반응용 연속식 미세유체 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상분리용 유로 중 비혼화성 액-액의 계면위치를 검출하는 검출기;와
    상기 검출기로부터 검출된 계면위치 정보를 분석하여 제1액과 제2액의 유량을 조절하는 제어기;
    를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 비혼화성 액-액 반응용 연속식 미세유체 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제3주입구가 연결된 제2T-정션을 추가로 포함하며,
    제2T-정션에는 제1주입구 또는 제2주입구와 제1T-정션이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 비혼화성 액-액 반응용 연속식 미세유체 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 반응용 유로는 비혼화성 액-액의 액적이 안정적으로 형성되는 A유로와, A유로에 이어지며 실제 반응이 진행되는 B유로로 구성되는 것을 특징으로 하는 비혼화성 액-액 반응용 연속식 미세유체 시스템.
  8. 제 1 항의 비혼화성 액-액 반응용 연속식 미세유체 시스템을 사용한 비혼화성 액-액 반응 방법으로,
    제1펌프와 제2펌프의 가동에 의해 제1주입구로는 제1액을 주입하고, 제2주입구로는 제2액을 주입하여 반응용 유로에 제1액과 제2액의 액적이 생성된 상태에서 반응시키며,
    반응이 종료된 반응액이 상분리용 유로에서 층분리되어 제1액과 제2액 중 밀도가 높은 액은 제1배출구로, 밀도가 낮은 액은 제2배출구로 분리되어 배출시키는 것을 특징으로 하는 비혼화성 액-액 반응 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    반응 후 제1배출구 또는 제2배출구로 배출되는 액 중 회수에 의해 재사용되는 촉매를 포함하는 반응액은 제1주입구 또는 제2주입구를 통하여 재주입되어 반응에 순환사용되는 것을 특징으로 하는 비혼화성 액-액 반응 방법.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    반응 시료가 포함되는 액적의 액-액 접촉표면 대 부피비는 1.0mm-1 이상인 것을 특징으로 하는 비혼화성 액-액 반응 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    제3주입구가 연결된 제2T-정션을 추가로 포함하는 제 4 항의 비혼화성 액-액 연속식 미세유체 시스템을 사용하며,
    반응용 유로의 일부 영역에 비혼화성 액-액의 액적이 안정적으로 형성되면,
    제3주입구로 용매를 주입하여 반응용 유로 중 반응액의 유속을 조절하는 것에 의해 반응시간을 조절하는 것을 특징으로 하는 비혼화성 액-액 반응 방법.
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