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フロー型マイクロ波合成装置で有機材料の高効率合成が可能に ~溶媒選択の幅を広げ,迅速な開発と柔軟な生産に貢献~

 国立研究開発法人 産業技術総合研究所(産総研)は2018年4月12日,同研究所電子光技術研究部門分子集積デバイスグループ 則包 恭央 研究グループ長らが,株式会社サイダ・FDSと共同で,フロー型マイクロ波加熱装置を改良し,トルエンやキシレンなどの低極性溶媒でも加熱高温化を可能とした連続合成装置を開発した,と発表した.フラーレン誘導体の生産性が一桁上がるという.本研究は,静岡県の「先端企業育成プロジェクト推進事業」の支援を受けて行われ,技術の詳細は,米国化学会の発行するJournal of Organic Chemistry誌で発表された(注).

 近年,チューブ状の反応器に原料を連続的に流しながら反応させるフロー式反応装置が,有機合成反応の開発に利用されるようになってきた.実験室で開発された反応条件をそのままスケールアップが可能で,容易に生産規模の拡大に対応でき,多品種生産が必要な製薬や,機能材料分野での使用が期待されている.

 一方,有機合成反応の多くは反応液の加熱が必要であり,反応液を直接かつ急速に加熱可能な方法としてマイクロ波照射が知られている.これまで産総研とサイダは,マイクロ波加熱を用いるフロー型反応装置を開発しているが,加熱対象となる反応液は水,アセトニトリルなどの一部の極性溶媒を使用する系に限られていた.この反応器はガラス製の蛇管構造で,反応流路が共振空洞マイクロ波照射炉(キャビティ)内の強電界部分の近傍を通過することで,反応液が均一に加熱される.しかし,マイクロ波加熱に使用される周波数は2.45GHz±50MHzに規制されており,この周波数帯ではトルエンなどの低極性溶媒のエネルギー吸収率が低く加熱が難しく,また,水のような高い極性を持つ溶媒は加熱に伴いマイクロ波の吸収量が大きく変化し,温度上昇が頭打ちとなる問題もあった.

 本研究において,従来の装置に次のような改良が行われた;(1)照射炉の共振周波数の変化に合わせた発振周波数のフィードバック制御,(2)使用溶媒の誘電特性に合わせたキャビティサイズと形状の調整機構設置,(3)キャビティ内の共振周波数調整用誘電体設置.これにより,共振周波数を規制範囲内に保ちつつ,従来は加熱困難であったトルエンやキシレンなどの低極性溶媒の加熱が可能になった.

 開発された反応装置のキャビティ長は200mm,反応管容積は10mLである.これを用いてフラーレンへのインデン付加反応が行われた.従来は,1,2-ジクロロベンゼンのような高極性のハロゲン系溶媒を使わねばならなかったが,本装置では,非ハロゲン溶媒のトルエンやo-キシレンを用いて190~270℃の高い反応温度が得られた.フラーレンの溶解性が良好なo-キシレンを用いた場合,流速を4.8mL/minに高めても十分な加熱が行われ,フラーレン誘導体の生産性は従来法の10倍を超える0.74g/hに達した.短時間で昇温可能な本方法によれば,ICMA(インデンモノ付加体)の選択性向上が可能である.

 今後,研究グループは,生産量増大や新規材料開発に取組み,コスト低減に寄与したいという.

(注)J. P. Barham, S. Tanaka, E. Koyama, N. Ohneda, T. Okamoto, H. Odajima, J. Sugiyama, and Y. Norikane, "Selective, Scalable Synthesis of C60-Fullerene/Indene Monoadducts Using a Microwave Flow Applicator", Journal of Organic Chemistry, Article ASAP, DOI: 10.1021/acs.joc.7b03209; Publication Date (Web): April 11, 2018