キャピラリーとキャピラリーへの触媒固定化方法、並びにマイクロリアクターとこれを用いた固相−液相−気相反応方法
【課題】キャピラリー及びキャピラリーへの触媒固定化方法とマイクロリアクター、並びにこのマイクロリアクターを用いた固相−液相−気相反応方法を提供する。
【解決手段】マイクロリアクター１は、キャピラリー２と、キャピラリー２へ液相となる基質を溶解した溶液を供給する反応溶液供給部１０と、キャピラリー２へ気相となる気体を供給する気体供給部２０と、キャピラリー２における反応生成物を回収する回収部３０と、を備え、キャピラリー２は管本体３を有し、管本体の内壁３ａに被覆された高分子被膜４と高分子被膜４に固相となる金属触媒を内包した高分子カルセランド担持型触媒５が担持され、キャピラリー２の一端を反応溶液供給部１０及び気体供給部２０へ接続し、他端３０を回収部へ接続し、基質６を溶解した溶液７及び基質６と反応する気体２２をキャピラリー２へ所定の流量で連続的に流す。
【解決手段】マイクロリアクター１は、キャピラリー２と、キャピラリー２へ液相となる基質を溶解した溶液を供給する反応溶液供給部１０と、キャピラリー２へ気相となる気体を供給する気体供給部２０と、キャピラリー２における反応生成物を回収する回収部３０と、を備え、キャピラリー２は管本体３を有し、管本体の内壁３ａに被覆された高分子被膜４と高分子被膜４に固相となる金属触媒を内包した高分子カルセランド担持型触媒５が担持され、キャピラリー２の一端を反応溶液供給部１０及び気体供給部２０へ接続し、他端３０を回収部へ接続し、基質６を溶解した溶液７及び基質６と反応する気体２２をキャピラリー２へ所定の流量で連続的に流す。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャピラリーとこのキャピラリーへの触媒固定化方法に係り、詳しくは、内壁に高分子被膜が形成されこの高分子被膜に金属触媒が内包された高分子カルセランド担持型触媒を担持したキャピラリーと、このキャピラリーを用いて触媒を固定化する方法に関するものである。
さらに本発明は、上記キャピラリーを用いたマイクロリアクターと、このマイクロリアクターによる固相−液相−気相反応方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金触媒を用いる酸化反応として、例えばアルコールの酸素酸化反応の例が、非特許文献１に、ミリサイズのフロー型リアクターを用いた１級ベンジルアルコール誘導体の酸化反応が報告されている。これは、アルミナ担持型ルテニウム触媒または酸化チタンナノチューブ担持型ルテニウム触媒を、一辺が２ｍｍから５ｍｍの正方形，長さ１０ｃｍのミリリアクターに充填することにより、ベンジルアルコールが高い選択性で対応するアルデヒドに変換され、それぞれの触媒系で、３００または４５０ｈ-1と高い触媒回転数（ＴＯＦ）を実現している。
しかしながら、この場合、反応収率が７５％程度と低いため、満足できる水準とはならない。
【０００３】
ここで、気相（酸素ガス），液相（基質溶液）及び固相（触媒）から成る多相系反応において、各相間の接触面積を大きくすることにより収率が改善されるので、例えば激しく撹拌したり、酸素ガスを細かい泡として吹き込む等の工夫が試みられてきた。さらに、通常の反応容器（以下、適宜、フラスコ反応と呼ぶ。）による酸化反応では、系内に水素ガス，溶媒蒸気，高活性な金属触媒が共存するために、発火や爆発が生ずる可能性がある。
【０００４】
一方、近年、マイクロリアクターを用いる有機合成が急速に発展しつつある。マイクロリアクターは、ガラス等の不活性材料に、その大きさが数〜数百μｍのマイクロ流路（以下、適宜、マイクロチャンネルと呼ぶ。）を有する微小反応器の総称である。マイクロリアクターの反応器は小さいので、厳密な温度コントロールを容易に行うことができる。
従って、マイクロリアクターを用いる合成反応では、単位面積あたりの表面積が大きいので、
（１）温度制御が効率よく行われる、
（２）界面での反応が効率よく発生する、
（３）高速且つ効率的な混合が行われる、
等の利点を有している。
【０００５】
発熱の大きい反応では効率的な断熱が可能となり、反応の制御が容易になると共に、燃焼や爆発の危険性がある反応においても、マイクロリアクターを用いることによって安全性が向上する。例えば、非特許文献２によれば、マイクロリアクターを用いる水素ガスと酸素ガスの触媒反応において、フラスコ型リアクターでは爆発が生じる条件下であっても、管径が消炎距離より小さいことから爆発を伴うことなく反応が進行する例が報告されている。
【０００６】
このように、マイクロリアクターによる合成反応は、通常の反応容器による合成反応よりも反応時間が速く、取り扱う薬液も微少量で済むためにコストが低く、新規な化合物や薬品のために開発用反応器として注目されている。
【０００７】
非特許文献３には、マイクロチャンネル内の微小空間に由来する大きな比界面積を活用した、効率的な気−液−固の三相から成る水素添加反応が報告されている。これにより、マイクロチャンネルの内壁に高分子カルセランド型パラジウム触媒を固定化した触媒担持型リアクターを用い、液相である基質溶液をチャンネル内壁に沿って流し、気相である水素ガスをチャンネル中心部に流すことによって、各相の効率的な接触が実現された結果、アルケンやアルキン類の還元，ベンジル基の脱保護，ニトロ基の還元等の反応が短時間で且つ高収率で進行することが見出された。
【０００８】
このような水素添加反応に対して、例えばアルコールの酸素酸化反応は、高い触媒活性を得ることが困難であり、マイクロリアクターを用いた報告例は非常に少ない。例えば、非特許文献４においては、銀をチャンネル内にコーティングしたマイクロリアクターを用いて、図９に示すように、プレノール（３−メチル−ブテン−１−オール）の気相中酸化反応（４００℃）を行うことにより、転換率６０〜７０％で目的のアルデヒド体（３−メチル−２−ブテノール）が得られた。
【０００９】
非特許文献５においては、均一系の酸素酸化反応で高い活性を示すＴＰＡＰを活性アルミナに担持し、これをマイクロチャンネルリアクターの経路内に充填することで、図１０に示すように、ベンジルアルコールの酸化反応を行うことにより、ＮＭＯを用いた液−固の二相系反応ではベンズアルデヒドへの１００％の転換率が得られたが、酸素を用いた気−液−固の三相系反応では、ベンズアルデヒドへの転換率は３０〜４０％であった。さらに、反応時間の経過による触媒の失活が観測されており、基質一般性に関してもベンジルアルコール以外の反応性は報告されていない。この場合、触媒をチャンネル内にコーティングまたは充填することによって、三相系の反応が行われているが、気相反応のために使用される基質が限定されてしまい、触媒活性が十分ではなく原料が残存してしまう。従って、基質適用範囲が広くマイクロフロー系に適した高活性な触媒が要求されている。
【００１０】
これに対して、非特許文献６においては、平均１ｎｍの金ナノクラスターを形成する高分子カルセランド型金触媒（ＰＩＡｕ）は、室温下で種々のアルコールの酸化反応を触媒で促進し、無溶媒下１６０℃の条件で、ＴＯＦが２００００ｈ-1に到達することが確認されている。この場合、反応後のクラスターの凝集はみられず、１０回の繰返し再使用実験において触媒活性の低下を伴うことなく反応収率９９％以上を維持していることが確認されている。従って、ＰＩＡｕをマイクロリアクターに担持することにより、効率的な三相系酸素酸化反応が期待されるが、これまでに、金担持型マイクロリアクターを用いたアルコールの酸化反応の報告はない。
【００１１】
なお、非特許文献７において、内部に海綿体状多孔質の金触媒が担持されたマイクロリアクターを用いて、図１１に示すように、Ｄ−グルコースをＤ−グルコン酸に転化する酸化反応が報告されている。しかしながら、原料の送液方法として電気浸透流方式が採用されているため、適用可能な基質が制限されてしまうおそれがある。
【００１２】
【非特許文献１】D. V. Bavykin, A. A. Lapkin, S. T. Kolaczkowski, P. K. Plucinski, Appl. Catal. A, 2005, 288, 175.
【非特許文献２】M. T. Janicke, H. Kestenbaum, U. Hagendorf, F. Schuth, M. Fichtner, K. Schubert, J. Catal., 2000, 191, 282.
【非特許文献３】J. Kobayashi, Y. Mori, K. Okamoto, R. Akiyama, M. Ueno, T. Kitamori, S. Kobayashi, Science, 2004, 304, 1305.
【非特許文献４】E. Cao, A. Gavriilidis, W. B. Motherwell, Chem. Eng. Sci.. 2004, 59, 4803.
【非特許文献５】E. Cao, W. B. Motherwell, A. Gavriilidis, Chem. Eng.Technol., 2006, 29, 1372.
【非特許文献６】H. Miyamura, R. Matsubara, Y. Miyazaki, S. Kobayashi, Amgew. Chem. Int. Ed., 2007, 46, 4151.
【非特許文献７】M. Haruta, T. Kobayashi, H. Sano, N. Yamada, Chem. Lett., 1987, 405.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、このようにして、従来金触媒を用いた三相系の酸化反応をマイクロリアクターにより効果的に実現した例は報告されていない。また、従来の酸化方法では、転換率を向上させるために、助触媒や共酸化剤の使用が不可欠である。
【００１４】
非特許文献７の方法を金触媒の固定化に応用する場合、例えば図１１に示すように、ポリスチレン基盤の高分子とパラジウム源から調製したミセル溶液（ＭＣ Ｐｄ）を予めアミノ基によって内壁を修飾しておいたマイクロリアクターに作用させることにより固定化を行うことになる。
【００１５】
しかしながら、高分子カルセランド型金触媒を用いる酸素酸化反応は、図１２に示すように、塩基性水溶液存在下で行われるため、パラジウム触媒の場合と同様の方法で固定化しようとすると、酸化反応の際にシラノール部位の切断によって触媒が内壁から剥離するおそれがある。実際に図１１に示した方法で金触媒を固定化したマイクロリアクターを用いて酸素酸化反応を行ったところ、開始直後は転換率９５％以上の高い触媒活性を示すが、５時間程度経過すると高分子担体が剥離してチャンネルが閉塞する結果となった。
【００１６】
本発明は、上記課題に鑑み、助触媒や共酸化剤を使用せずにアルコール等の有機物を高効率で酸化できると共に、繰返し使用しても触媒が剥離しないようにした、高分子カルセランド担持型触媒を担持したキャピラリーを提供することを第１の目的とする。
本発明の第２の目的は、上記キャピラリーへの触媒固定化方法を提供することにある。
本発明の第３の目的は、上記キャピラリーを用いたマイクロリアクターを提供することである。
また、本発明の第４の目的は、このマイクロリアクターを用いた固相−液相−気相反応方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記第１の目的を達成するため、本発明のキャピラリーは、管本体とこの管本体の内壁に被覆された高分子被膜とこの高分子被膜に担持される触媒と、を備え、触媒は、金属触媒を内包した高分子カルセランド担持型触媒からなる。
【００１８】
上記構成において、好ましくは、管本体はガラスからなり、高分子被膜がポリシロキサンからなる。金属触媒は、好ましくは、金、パラジウム、白金、ルテニウム、タングステン、コバルト、銅、鉄、ニッケル、マンガン、レニウム、クロム、モリブデン、銀、ロジウムの何れか一つ又はこれらの金属触媒の二つ以上を含む。
高分子カルセランド担持型触媒は、好ましくは、クロロ（トリフェニルホスフィン）金（Ｉ）触媒からなる。
【００１９】
上記第２の目的を達成するため、本発明の管本体の内壁に高分子被膜を備えたキャピラリーへの触媒の固定化方法は、高分子被膜の管本体内部側の表面を高分子カルセランド担持型触媒と結合する基で修飾する第１の工程と、マイクロカプセル化した高分子カルセランド型触媒を調製する第２の工程と、マイクロカプセル化した高分子カルセランド型触媒をキャピラリー内に送液して、加熱架橋によりキャピラリー内壁に固定化する第３の工程と、を含む。
【００２０】
上記構成において、好ましくは、高分子被膜はポリシロキサンであり、第１工程において、水素化リチウムアルミニウムのエーテル溶液を送液ポンプによりキャピラリー内に送液する。
第２の工程において、好ましくは、エポキシ基と基質鎖を架橋部位として有するポリスチレン基盤のコポリマーと水素化ホウ素ナトリウムのＴＨＦ溶液に対してクロロ（トリフェニルホスフィン）金（Ｉ）触媒を添加した後、貧溶媒となるシクロヘキサンを滴下してマイクロカプセル化金触媒を調製する。
【００２１】
上記第３の目的を達成するため、本発明のマイクロリアクターは、キャピラリーと、キャピラリーへ液相となる基質を溶解した溶液を供給する反応溶液供給部と、キャピラリーへ気相となる気体を供給する気体供給部と、キャピラリーにおける反応生成物を回収する回収部と、を備え、キャピラリーは管本体を有し、管本体の内壁に被覆された高分子被膜とこの高分子被膜に固相となる金属触媒を内包した高分子カルセランド担持型触媒が担持され、キャピラリーは一端が反応溶液供給部及び気体供給部へ接続され、他端が回収部へ接続され、基質を溶解した溶液及び基質と反応する気体が、キャピラリーへ所定の流量で連続的に流れるように構成されている。
【００２２】
上記構成において、好ましくは、さらに制御部を有し、制御部は、反応溶液供給部及び気体供給部を、キャピラリーの流路へ所定の流量で連続的に流すように制御する。
好ましくは、管本体はガラスからなり、高分子被膜はポリシロキサンからなり、高分子カルセランド担持型触媒は、金、パラジウム、白金、ルテニウム、タングステン、コバルト、銅、鉄、ニッケル、マンガン、レニウム、クロム、モリブデン、銀、ロジウムの何れか一つ又はこれらの金属触媒の二つ以上を含む。
【００２３】
上記第４の目的を達成するため、本発明のマイクロリアクターを用いて固相−液相−気相の間で被酸化物質を反応させる方法は、キャピラリーの流路の内壁に高分子被膜を形成し、金属触媒を内包した固相のカルセランド担持型触媒を上記高分子被膜に担持し、キャピラリーの流路に液相となる被酸化物質を溶解した溶液及び気相となるガスを流し、溶液とガスとの反応をカルセランド担持型触媒によって促進させることで、固相−液相−気相の間で被酸化物質を酸化させることを特徴とする。
上記気相として、好ましくは酸素ガスを用いる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、助触媒や共酸化剤を使用せずにアルコール等の有機物を高効率で酸化できると共に、繰返し使用しても金属触媒を内包した高分子カルセランド担持型触媒金触媒が剥離しないようにしたキャピラリーと、このキャピラリーへの触媒の固定方法、このキャピラリーを用いたマイクロリアクター、そしてこのマイクロリアクターによる固相−液相−気相反応が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面に示した実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１及び図２は本発明の実施の形態に用いるキャピラリー及びマイクロリアクターの構成を模式的に示す図であり、図２は図１のＹ−Ｙ線に沿う断面図である。
マイクロリアクター１は、キャピラリー２と、キャピラリー２へ液相となる基質６と溶液７とからなる反応溶液８を供給する反応溶液供給部１０と、キャピラリー２へ気相となるガス２２を供給する気体供給部２０と、キャピラリー２を通過した反応溶液８とガス２２と反応生成物とを回収する回収部３０と、を備えている。
【００２６】
図２に示すように、キャピラリー２は、不活性材料のガラスなどからなる中空の管本体３と、この管本体３の内壁３ａに担持される高分子被膜４と、この高分子被膜４に担持される高分子カルセランド担持型触媒５と、を備えて構成されている。
ここで、管本体３は、市販されているガスクロマトグラフ用のフューズドシリカキャピラリーを始め、アルミナキャピラリー、チタニアキャピラリー、ジルコニアキャピラリーや、テフロン（登録商標）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）のような高分子を素材としたもの、及びそれらに対して高分子カルセランド担持型触媒５の担持が可能な表面処理を施したものであれば、どのような素材であっても構わない。断面形状も丸、三角、四角、楕円、長四角、星型の何れでも構わない。キャピラリー２に流れるガス２２の流れを均一にするためには、キャピラリー２の断面形状は丸が好ましい。
【００２７】
管本体３の内径は５μｍ〜５ｍｍが好ましく、１００μｍ〜８００μｍが特に好ましいが、長さは特に制限はない。
【００２８】
反応溶液供給部１０は、基質６と溶液７と、基質６及び溶液７のそれぞれの流量調整部９，９と、この調整部９，９へ配管１１，１２を介して接続されるコネクタ１３と、コネクタ１３からキャピラリー２への配管１４と、から構成されている。流量調整部９には、シリンジポンプなどの送液ポンプを用いることができる。配管１４を流れる液相は、基質６及び溶液７からなる反応溶液８である。
【００２９】
気体供給部２０は、酸化性物質となるガス２２を供給するガスボンベ２２ａと、ガスボンベ２２ａを開閉しその流量を調節するガスバルブ２３と、配管２４と、から構成されている。ガス２２の微少流量を制御する場合には、必要に応じてマスフローコントローラーなどを用いたガス流量調整部２６を設けてもよい。ガス２２としては、酸素ガス等を用いることができる。
【００３０】
図示の場合には、キャピラリー２の一端には、コネクタ２８を介して送液ポンプ９からの配管１４と酸素ガス用の配管２４とが接続されている。コネクタ１３，２８はフッ素樹脂やステンレスからなるＴ型コネクタを用いることができる。配管１１，１２，２４は、フッ素樹脂やステンレスからなる配管を使用することができる。酸素ガスボンベ２２ａは、ガスバルブ２３とテフロン（登録商標）を用いた配管２４などにより接続され、マスフローコントローラーなどを用いたガス流量調整部２６によってその供給量が制御される。反応溶液８及び酸素ガス２２は、キャピラリーの入力部２ａにおいて合流する。回収容器などからなる回収部３０は、キャピラリーの出口部２ｂにテフロン（登録商標）の配管２４などにより接続されている。
【００３１】
本発明のマイクロリアクター１には、キャピラリー２の内部の流体の形態を測定して、流量調整部９及びガス流量調整部２６を制御してもよい。後述する実施例の酸化反応では、パイプフロー状態が好ましい。このパイプフローであるか否かのような流体の形態判定のためには、キャピラリー２の内部の流体の形態を計測するセンサーと、このセンサーからの出力が入力される制御部と、をさらにマイクロリアクター１に備えるようにして、この制御部により、流量調整部９及びガス流量調整部２６を制御するようにしてもよい。
【００３２】
キャピラリー２は、マイクロチャンネルを使用してもよい。図３は、マイクロチャンネルの一実施例の構成を模式的に示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）はＹ−Ｙ線断面図である。
図３に示すように、マイクロチャンネル３２は、不活性材料であるガラス等からなる基板３３と基板３３に蛇行して設けられる流路部３２ａとから構成することができる。流路部３３ａは、エンドミル等の工具による研削やマスクを用いたエッチングにより、その断面が矩形や半円形状に刻設される。図３（ｂ）に示すように、マイクロチャンネル３２が設けられた基板３３は、同じ大きさの流路部３２ａを刻設しない基板３４と対向するようにして基質６と溶液７及び酸素ガス２２が漏れないように密着固定されている。これらの基板３３，３４は、被酸化物質や有機溶媒に侵されない材料であればよく、ガラスの他には樹脂や金属等の材料から構成されていてもよい。流路部３２ａの内壁には、キャピラリー２と同様に高分子被膜４が被覆され、高分子被膜４には高分子カルセランド担持型触媒５が担持されている。
【００３３】
本発明の特徴は、キャピラリー２の管本体３の内壁３ａに被覆されたポリシロキサン表面を化学処理により特定の基で修飾、つまり、改質した後で、ポリシロキサン被膜４の表面に高分子カルセランド担持型触媒５を担持することにある。これにより、高分子カルセランド担持型触媒５をキャピラリー２の管本体３の内壁３ａに強固に固定することができる。
【００３４】
本発明の高分子カルセランド担持型触媒５は、高分子と金属触媒とからなる高分子カルセランド担持型触媒である。金属触媒としては金（Ａｕ）、パラジウム、白金、ルテニウム、タングステン、コバルト、銅、鉄、ニッケル、マンガン、レニウム、クロム、モリブデン、銀、ロジウムの何れか又はこれらの金属触媒の二つ以上を含む金属触媒を用いることができる。金を触媒とした高分子カルセランド担持型触媒５の一例は、化学式:ＡｕＣｌＰＰｈ３で表わされる化合物であり、クロロ（トリフェニルホスフィン）金（Ｉ）触媒である。
【００３５】
高分子被膜４の材料として、高分子カルセランド担持型触媒５を強固に担持することが可能な表面で有れば良い。高分子被膜４の表面は、高分子カルセランド担持型触媒５と結合する基を備えていることが好ましく、このような基は、高分子カルセランド担持型触媒５を担持する。例えば、ガラスの表面のシラノール基に結合させた高分子被膜４をキャピラリー２の内部側の表面、つまり、高分子カルセランド担持型触媒５が担持される表面を改質して、高分子カルセランド担持型触媒５と結合する基を修飾してもよい。例えば、高分子被膜４の表面を修飾する基としては、アミノ基、ヒドロキシル基、エポキシ基、イミノ基、アルキニル基、チオール基、ビニル基、アルキル基、パーフルオロアルキル基等が挙げられる。
【００３６】
次に、本発明の高分子カルセランド担持型触媒５を管本体の内壁３ａに担持する方法について説明する。
下記の第１から第３の工程を含む工程によって、管本体の内壁３ａに被覆された高分子被膜の表面を改質して、さらに、この高分子被膜４へ高分子カルセランド担持型触媒５を固定化することができる。高分子被膜としては、ポリシロキサンを用いることができる。
（第１の工程）
管本体の内壁３ａ上のポリシロキサンなどからなる高分子被膜４の表面を改質する。ポリシロキサン被膜４は、ポリシロキサンのシアノ基を水素化リチウムアルミニウムのエーテル溶液により還元して、ガラス等からなる管本体の内壁３ａをポリシロキサン被膜４とすることで形成することができる。
【００３７】
第１の工程では、水素化リチウムアルミニウムのエーテル溶液をシリンジポンプ９によりキャピラリー２内に送液する場合には、送液供給量を適宜に調整することができる。
【００３８】
（第２の工程）
高分子カルセランド担持型触媒からマイクロカプセル化した高分子カルセランド担持型触媒５を調製する。この工程は、エポキシ基と基質鎖を架橋部位として有するポリスチレン基盤のコポリマー及び還元剤となる水素化ホウ素ナトリウムのＴＨＦ溶液に対してクロロ（トリフェニルホスフィン）金（Ｉ）触媒を添加した後、貧溶媒となるシクロヘキサンを滴下してマイクロカプセル化することができ、例えば、１ｎｍの金ナノクラスターを含有させることができる。ここで、還元剤とクロロ（トリフェニルホスフィン）金（Ｉ）触媒等との管本体の内壁３ａに送液する順番はどちらが先でもよい。この順番は得られた高分子カルセランド担持型触媒５の基質６の酸化反応性に着目して、酸化反応性の良い方を適宜に選択すればよい。
【００３９】
（第３の工程）
マイクロカプセル化した高分子カルセランド担持型触媒５を管本体３内に送液し、加熱して架橋反応により管本体の内壁に被覆されたポリシロキサン被膜４に固定化する。送液をシリンジポンプ９によって行う場合には、高分子カルセランド担持型触媒５を形成する溶液の供給量を適宜に調整することができる。
【００４０】
架橋反応は、加熱若しくは電磁波照射等の外部刺激を与えるが、加熱方式が簡便な操作であり好ましい。加熱温度は５０℃〜３００℃、とくに１００〜１６０℃が好ましい。加熱時間は１０分から４８時間が好ましく、１時間〜１２時間が特に好ましい。例えば、１７０℃で５時間加熱されることにより行われる。この工程によれば、マイクロカプセル化された金等を含む高分子カルセランド型触媒５を、管本体の内壁３ａに被覆されたポリシロキサン被膜４に確実に固定することができる。このため、金等を含む高分子カルセランド型触媒５が簡単に管本体の内壁３ａから剥離することを防止することができる。
【００４１】
上記の触媒固定化方法によれば、マイクロリアクター１の管本体の内壁３ａに備えられたポリシロキサン被膜４が第１の工程で還元されるので、第２の工程で調製されたマイクロカプセル化した高分子カルセランド型触媒５が第３の工程で管本体の内壁３ａに強固に担持される。
【００４２】
これにより、上記高分子カルセランド型触媒５は、室温下で種々の基質６の酸化反応の触媒とすることができる。その際、例えば酸化反応を１６０℃の条件で行ったとき、ＴＯＦが２００００／時間に達すると共に、反応後のクラスターの凝集がなく、例えば１０回の繰返し実験でも、触媒活性が低下することなく、反応収率９９％以上を維持することができる。このようにして、本発明による方法によれば、助触媒や共酸化剤を使用することなく、基質６の酸素酸化反応を効率的に且つ連続的に行うことができ、効率的な三相系酸素酸化反応を実現することができる。
【００４３】
本発明のマイクロリアクター１を用いて固相−液相−気相反応を行うには、送液ポンプ９から反応溶液８を、ガスバルブ２３から酸素ガス２２をキャピラリー２内の流路３ｂにパイプフローとなるように注入する。管本体の流路３ｂを通過中に、その内壁３ａに担持した高分子カルセランド担持型触媒５の作用により、管本体の流路３ｂを通過する反応溶液８及び酸素ガス２２を反応させる。反応により生成した反応生成物を含む反応溶液８は、回収容器等からなる回収部３０に集められ、必要に応じて外部に取り出される。
【００４４】
図４は、本発明のマイクロリアクター１の流路を通過する反応溶液８及び酸素ガス２２の状態を示す断面図である。図示するように、キャピラリーを通過する酸素２２は、キャピラリー２の中心部を通過する。キャピラリー２を通過する反応溶液８は、通過する酸素ガス２２と管本体の内壁３ａに担持された高分子カルセランド担持型触媒５との間を通過し、所謂、パイプフロー状態となり、キャピラリーの入力部２ａから出力部２ｂまでを通過する。この際、基質６及び溶液７の流量調整部９及び酸素ガス２２のガス流量調整部２６により、基質６、溶液７及び酸素ガス２２の流量が上記のパイプフロー状態となるように制御される。
【００４５】
本発明のマイクロリアクター１を用いた固相−液相−気相反応によれば、酸素ガス２２を用いた酸化反応を高効率で進行させることができる。
【００４６】
金等の触媒を内包した高分子カルセランド担持型触媒５を用いて連続反応を行ったところ、９６時間後においても転換率の低下はなく、金等の触媒漏れ出しも観測されなかった。このマイクロリアクター１は反応後の再使用も可能であり、種々の基質６に適用できることが分かった。
【００４７】
本発明のマイクロリアクター１に用いる高分子カルセランド担持型触媒５は、ポリシロキサン被膜４に固定されているので、触媒自体が高活性を維持しつつ、かつ、繰返し使用に耐える。従って、従来の高分子固定化触媒と比べて極めて高効率で還元体を供給でき、担持された金等の触媒の流出も無く、繰返し若しくは長時間連続運転も可能である。
【００４８】
本発明のキャピラリー２を用いたマイクロリアクター１によれば、高分子カルセランド担持型触媒５の管本体の内壁３ａへの担持方法も簡便であり、反応に用いる溶媒等の反応溶液８の制限を受けないことが特徴である。
【００４９】
本発明の３相系接触酸化反応方法によれば、被酸化物質となる基質６を含む反応溶液８を高分子カルセランド担持型触媒５が担持された管本体の内壁３ａに接するように流し、酸素ガス２２がキャピラリー２の中央部を流れる、所謂パイプフロー状態で３相系接触反応を短時間に行うことができる。この際、管本体の内壁３ａに高分子カルセランド担持型触媒５が担持されているので、例えば高価な金を含む触媒の回収再生の手間が不要となり、さらに、マイクロリアクター１による反応であるので、反応に使用する反応溶液８及び酸素ガス２２の使用量も激減することから、低コストである。
さらに、多数のキャピラリー２を平行に並べるだけで、マイクロリアクター１のスケールアップは容易である。このため、望ましい生成物を容易に迅速に、且つ必要量だけ得られ、原料消費量、所要時間、空間が少なく、分離精製のような処理を要しないほど純粋な形で生成物を得ることができる。
従って、本発明の３相系接触還元反応方法によれば、医薬の開発とその製造工程の開発に極めて好適な反応方法となる。また、グリーン化学（環境適合化学）にも好適である。
【実施例１】
【００５０】
（金を触媒とした高分子カルセランド担持型触媒）
以下、実施例により本発明の実施の形態をさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
図１に示すマイクロリアクター１として、管本体の内壁３ａに高分子カルセランド担持型触媒５を担持してマイクロリアクター１を作製した。
マイクロリアクター１として、外径０．２５ｍｍ、長さ５０ｃｍのポリシロキサン修飾型キャピラリー２（ジーエルサイエンス株式会社製、ＩｎａｅｔＣｕｐ２２５）を使用した。このキャピラリー２の管本体の内壁３ａには、膜厚０．２５μｍのポリシロキサンが被覆されている。
【００５１】
図５は、マイクロリアクター１のキャピラリー２に担持する工程を模式的に示す図であり、それぞれ、（ａ）は管本体の内壁３ａの還元反応、（ｂ）はマイクロカプセル化金触媒の生成反応、（ｃ）は金触媒の固定化反応を示す図である。
水素化リチウムアルミニウムのエーテル溶液（Ａｌｄｒｉｃｈ社製の１．０Ｍ溶液）を、室温下でシリンジポンプ９によりキャピラリー２内に流速０．１ｃｍ３／時間でゆっくりと４８時間送液して、ポリシロキサン中のシアノ基を還元する。
【００５２】
その後、水及び０．５Ｎ水酸化ナトリウム水溶液及びメタノールを各１０ｃｍ３づつ順次にマイクロリアクター１のキャピラリー２内に通液し、上述した還元反応の停止及び内部の洗浄を行う。
【００５３】
別途合成したコポリマー、即ちエポキシ基とアルコール鎖を架橋部位として有するポリスチレン基盤のコポリマー（Ｐ４）４００ｇを、ＴＨＦ（７．５ｃｍ３）を３０ｃｍ３フラスコに溶解し、室温下で水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）のジグリム溶液（２重量％，０．２５ｃｍ３）を加えて３０分間撹拌後に、クロロ（トリフェニルホスフィン）金（Ｉ）のＴＨＦ水溶液（１．５ｃｍ３）を加えてさらに３時間撹拌する。そして、この溶液２．０ｃｍ３に対して、シクロヘキサン０．９５ｃｍ３をゆっくり加えて、相分離を発生させた後、触媒層をシリンジで抜き取る。これにより、金を触媒としマイクロカプセル化した高分子カルセランド担持型触媒５を調製した。
【００５４】
最後に、図５（ｃ）に示すように、このマイクロカプセル化した高分子カルセランド担持型触媒５をシリンジポンプ９により、先に還元，洗浄した管本体３の内部に５０℃，０．２ｃｍ３／時間の流速で、１２．５時間通液する。その後、同様の操作を管本体３の反対側の口から行って、上記マイクロカプセル化した高分子カルセランド担持型触媒５を管本体の内壁３ａのガラス壁面に十分担持した。
その後、マイクロリアクター１のキャピラリー２を１７０℃で５時間焼成して、マイクロカプセル化した高分子カルセランド担持型触媒５の加熱架橋を行った。
これにより、マイクロカプセル化した高分子カルセランド担持型触媒５がポリシロキサン被膜４の表面に修飾されたアミノ基を介して管本体の内壁３ａに担持されたマイクロリアクター１が得られる。
【実施例２】
【００５５】
次に、上述した金触媒を固定化したキャピラリー２を有するマイクロリアクター１によるアルコールの酸素酸化反応の一例について説明する。
図１に示したマイクロリアクター１を使用して、被酸化物質となる基質６として、アルコール、即ち１−フェニルエタノールの酸素酸化を行った。
図１において、基質６となる１，２−ジクロロエタン溶液（０．１Ｍ，流速０．１ｃｍ３／時間）と溶液７となる炭酸水溶液Ｋ２ＣＯ３ａｑ．（０．３Ｍ，流速０．０３ｃｍ３／時間）とからなる反応溶液８をそれぞれシリンジポンプ９により送液してＴ字型のコネクタ１３により合流させて、原料アルコールとする。
【００５６】
さらに、合流させた原料アルコールを、別のＴ字型コネクタ２８により酸素ガス２２（１．５ｃｍ３／分）と合流させて、マイクロリアクター１のキャピラリー２（長さ５０ｃｍ）内に導入する。酸素ガス２２の流量は、例えばマスフローコントローラー２６により制御する。
そして、マイクロリアクター１のキャピラリー２の触媒部分のみを加温し、キャピラリーの出力部２ｂを、チューブを介してヘキサンを満たした回収容器３０にバブリングさせて、生成物を回収する。
最後に、酸素酸化反応の進行状況を、一定時間回収した生成物に対して内部標準を添加して、ガスクロマトグラフ分析で定量する。
【００５７】
マイクロリアクター１を使用して、９６時間連続反応を行って、１２時間または２４時間毎の触媒活性を確認した。その結果は、表１に示すように、開始直後から１２時間までに採取した生成物では、転換率が９６％と低い。これは、マイクロリアクター１の安定化に少なくとも数時間要することに起因するものと考えられる。マイクロリアクター１の安定化後は、転換率９９％を維持しており、９６時間後まで触媒活性の低下は全く見られず、非常に高い活性を維持していることが明らかである。
なお、金の漏出は、ＩＣＰ分析によれば検出下限（約０．２％）以下であり、反応後にキャピラリー２の金の担持量をＩＣＰにより測定したところ、０．１μモルであることが明らかとなった。
【表１】
【００５８】
続いて、反応溶液８、その濃度、反応溶液８及び酸素ガス２２の流速を変化させて、反応条件の最適化を試みた。
図６は、実施例１における基質、炭酸カリウム水溶液の濃度、流速及び酸素ガスの流量を変化させた場合の転換率を示す図である。
図６に示すように、エントリー１から１０まで、アルコール（１−フェニルエタノール）の濃度を０．１，０．３，０．５（Ｍ）とし、その流速を０．１，０．０６，０．０６７（ｃｍ３／時間）とし、炭酸カリウム水溶液の濃度を０．３，０．６（Ｍ）とし、その流速を０．０３，０．０６（ｃｍ３／時間）とし、酸素ガス２２の流速を１．５，２．０（ｃｍ３／分）に変化させて、転換率を測定した。
【００５９】
その結果、エントリー１の条件である、アルコール濃度０．１Ｍ，流速０．１ｃｍ３／時間、炭酸カリウム水溶液の濃度０．３Ｍ，流速０．０３ｃｍ３／時間、酸素ガス２２の流速１．５ｃｍ３／分では、原料であるアルコールは完全に消費され、対応するケトンのピークのみがガスクロマトグラフ分析によって確認された。
エントリー２で、基質６の濃度を５倍濃くした場合には、アルコールの転換率は８２％に減少する。同条件で基質６の溶液の流速を０．０６ｃｍ３／時間に落とした場合（エントリー３）にも、原料アルコールが若干量残存する結果となった。この場合、生産性としてはエントリー１の三倍になる。
【００６０】
また、基質６の濃度を０．３Ｍとして種々の反応条件を検討した。基質６を、１，２−ジクロロエタン（エントリー４）からトリフルオロメチルベンゼン（エントリー５）又はテトラヒドロフラン（エントリー６）に替えると、転換率は８６％，７１％，７１％と低下した。
これに対して、溶液７となる炭酸カリウム水溶液の流速を０．０６ｃｍ３／時間と上げることによって、基質６に対する炭酸カリウム当量を３０から６０モル％に増加（エントリー７）させ、また酸素ガス２２の流量を１．５から２．０ｃｍ３／分に増加（エントリー８）させてみたが、転換率は７０％，６７％と減少した。
【００６１】
一方、溶液７となる炭酸カリウム水溶液の濃度を濃くすることによってエントリー９のように基質６に対する炭酸カリウム当量を３０から６０モル％に増加させた場合には、転換率は８４％となり、エントリー４に対して大きな変化は見られなかった。これにより、塩基の当量は重要な因子ではないと考えられる。
【００６２】
さらに、エントリー１０のように、基質６の溶液の流速を０．１から０．０６７ｃｍ３／時間に下げた場合には、転換率が９５％と向上した。従って、キャピラリー２内における滞在時間が反応性に大きな影響を与えることが明らかになった。
【００６３】
以上のエントリー１から１０における転換率の結果から、エントリー１の条件を標準条件として採用して、以下に図７を参照して種々の実施例について説明する。
図７は、標準条件及び実施例３〜９の酸素酸化反応の転換率及び収率を示す図である。なお、この標準条件では、基質６（濃度０．１Ｍ）を流速０．１ｃｍ３／時間で、酸素ガス２２を１．５ｃｍ３／分の流速で、また、溶液７となる炭酸カリウム水溶液（濃度０．３Ｍ）及び１，２−ジクロロエタンを、それぞれマイクロリアクター１の金触媒固定化キャピラリー２内に供給する。この場合、図６の最上欄に示すように、基質６（酸化物質）として１−フェニルエタノールを温度６０℃にて酸素酸化させたところ、生成物としてアセトフェノンが生成され、転換率は９９％以上と、基質６がほぼ完全に酸化された。
【実施例３】
【００６４】
実施例３では、基質６（被酸化物質）としてパラメトキシ−１−フェニルエタノールを使用し、基質６の濃度及び流速、溶液７となる炭酸カリウムの濃度及び流速、酸素ガス２２の流速を標準条件と同じ条件で、温度６０℃にて酸化反応を行った。
これにより、生成物パラメトキシアセトフェノンが得られると共に、転換率は９９％以上と、基質６であるパラメトキシ−１−フェニルエタノールがほぼ完全に酸化された。
【実施例４】
【００６５】
実施例４では、基質６としてパラクロロ−１−フェニルエタノールを使用し、基質６の濃度及び流速、溶液７となる炭酸カリウムの濃度及び流速、酸素ガス２２の流速を標準条件と同じ条件で、また温度７０℃にて酸化反応を行った。この場合、電子求引性基を有する基質６であることから、若干反応性が低下するので、７０℃で酸化反応を行った。
これにより、生成物パラクロロアセトフェノンが得られると共に、転換率は９９％以上と、基質６であるパラメトキシ−１−フェニルエタノールがほぼ完全に酸化された。
【実施例５】
【００６６】
実施例５では、基質６として４−フェニル−３−ブテン−２−オールを使用し、基質６の濃度及び流速、溶液７となる炭酸カリウムの濃度及び流速、酸素ガス２２の流速を標準条件と同じ条件で、また温度７０℃にて酸化反応を行った。
これにより、生成物４−フェニル−２−オキソ−３−ブテンが得られると共に、転換率は９９％以上と、基質６である４−フェニル−３−ブテン−２−オールがほぼ完全に酸化された。
【実施例６】
【００６７】
実施例６では、基質６として１−チオフェニル−１−エタノールを使用し、基質６の濃度及び流速、溶液７となる炭酸カリウムの濃度及び流速、酸素ガス２２の流速を標準条件と同じ条件で、また温度６０℃にて酸化反応を行った。
これにより、生成物チオフェニルメチルケトンが得られると共に、転換率は９９％以上と、基質６である１−チオフェニル−１−エタノールがほぼ完全に酸化された。
【実施例７】
【００６８】
実施例７では、基質６として（４−メチルフェニル)−１−エタノールを使用し、基質６の濃度及び流速、溶液７となる炭酸カリウムの濃度及び流速、酸素ガス２２の流速を標準条件と同じ条件で、また温度７０℃にて酸化反応を行った。
これにより、生成物４−メチルフェニルメチルケトンが得られると共に、転換率及び収率が９９％以上と、基質６である（４−メチルフェニル)−１−エタノールがほぼ完全に酸化された。
【実施例８】
【００６９】
実施例８では、基質６としてインダノールを使用し、基質６の濃度及び流速、溶液７となる炭酸カリウムの濃度及び流速、酸素ガス２２の流速を標準条件と同じ条件で、また温度６０℃にて酸化反応を行った。
これにより、生成物インダノンが得られると共に、転換率及び収率が９９％以上と、基質６であるインダノールがほぼ完全に酸化された。
【実施例９】
【００７０】
実施例９では、基質６としてベンジルアルコールを使用し、基質６の濃度及び流速、溶液７となる炭酸カリウムの濃度及び流速、酸素ガス２２の流速を標準条件と同じ条件で、また温度６０℃にて酸化反応を行った。
これにより、生成物ベンズアルデヒドが得られると共に、転換率及び収率が９９％以上であったが、収率が５３％であり、実施例９の生成物を分析したところ、過剰反応が進行し、安息香酸や安息香酸ベンジルエステルが観測され、このような副生成物によりベンズアルデヒドの収率が低下することが分かった。
【００７１】
以上の実施例２の標準条件及び実施例３，４によれば、芳香族二級アルコールについては、定量的に反応が進行し、対応するケトンが得られた。実施例５〜８によれば、アリルアルコール誘導体やヘテロ環含有化合物についても、副生物を伴うことなく、定量的に目的のケトンが得られることが明らかである。しかしながら、実施例９の１級アルコールであるベンジルアルコールの酸化反応では、収率が悪く副生物が生成し、目的のアルデヒドの収率が悪いことが判明した。
【実施例１０】
【００７２】
（金及びパラジウムを触媒とした高分子カルセランド担持型触媒の調製１）
次に、金及びパラジウムを触媒とした高分子カルセランド担持型触媒５を調製した。ポリシロキサン修飾型キャピラリー（ジーエルサイエンス株式会社製ＩｎａｅｔＣａｐ２２５（登録商標）、外径０．２５ｍｍ、膜厚さ０．２５μｍ、長さ５０ｃｍ）に水素化リチウムアルミニウムのエーテル溶液（１．０Ｍ溶液、Ａｌｄｒｉｃｈ社製）を室温下シリンジポンプ９を用いてゆっくり通液（０．１ｃｍ３／時間、４８時間)した後、水、０．５規定（Ｎ）水酸化ナトリウム水溶液、メタノール（各１０ｃｍ３）を順次通液し反応の停止及び洗浄を行った。
３０ｃｍ３フラスコ中に別途合成したコポリマー（４００ｍｇ）のＴＨＦ（７．０ｃｍ３）溶液を調製し、室温下でクロロトリフェニルフォスフィン金(１５．０ｍｇ)及び酢酸パラジウム（６．８ｍｇ）のＴＨＦ溶液(１．０ｃｍ３)を加え３０分間撹拌後、水素化ホウ素ナトリウムのジグリム溶液（２ｗｔ％、０．２５ｃｍ３）を加え、さらに３時間撹拌を行った。
この溶液２．０ｃｍ３を別のフラスコに移し、シクロヘキサン０．５ｃｍ３から１．０ｃｍ３程度を相分離が起きるまでゆっくり加え、触媒をシリンジで抜き取り、シリンジポンプ９を用いて、先に調製したキャピラリー２に５０℃下で通液した(０．２ｃｍ３／時間、１２．５時間)。ここで、相分離した触媒はゆっくりと凝集してくるので、上記相分離の操作は通液直前に毎回行った。
通液後、同様な操作を、さらに３回キャピラリーの反対側の口から行い、触媒をガラス壁面に充分担持させた後に、１７０℃で５時間焼成し、管本体の内壁３に被覆されたポリシロキサン被膜４へ金及びパラジウムを触媒とした高分子カルセランド担持型触媒５を担持した。
ここで、ＴＨＦは脱水操作を施したものを用いると担持操作が充分に行われないため、市販の特級ＴＨＦをそのまま用いた。
【実施例１１】
【００７３】
（金及びパラジウムを触媒とした高分子カルセランド担持型触媒の調製２）
実施例１０の金及びパラジウムを触媒とした高分子カルセランド担持型触媒５をキャピラリーの内壁に担持するとき、最初に還元剤となる水素化ホウ素ナトリウムのジグリム溶液（２ｗｔ％、０．２５ｃｍ３）を送液し、次にクロロ（トリフェニルホスフィン）金（Ｉ）(１５．０ｍｇ)及び酢酸パラジウム（６．８ｍｇ）のＴＨＦ溶液(１．０ｃｍ３)を送液した。これ以外の工程は、実施例１０と同じ方法で行い、管本体の内壁３に被覆されたポリシロキサン被膜４へ金及びパラジウムを触媒とした高分子カルセランド担持型触媒５を担持した。
【実施例１２】
【００７４】
実施例１０の金及びパラジウムを触媒とした高分子カルセランド担持型触媒５を担持したキャピラリー２を用いた以外は、実施例２と同様のマイクロリアクターによって酸素ガス２２を用いた酸化反応を行った。基質６はベンジルアルコールの１，２−ジクロロエタン溶液（０．１Ｍ、流速０．１０ｃｍ３／時間)を用い、溶液７として水(流速０．０３ｃｍ３／時間）を使用した。酸素ガス２２の流量（１．５ｃｍ３／分）はマスフローコントローラー２６で制御した。金及びパラジウムを触媒とした高分子カルセランド担持型触媒５は５０℃に加温した。キャピラリーの出力部２ｂ部分において、生成物を含む反応溶液８をヘキサンを満たした容器でバブリングさせ、生成物を回収した。反応の進行状況は、一定時間回収した後で内部標準を添加し、ガスクロマトグラフィーで定量した。
図８は、実施例１０及び１１と後述する実施例１３の高分子カルセランド担持型触媒５を用いたマイクロリアクターによってベンジルアルコールの酸素酸化反応の転換率及び収率を示す図である。
これにより、図８に示すように、実施例１２では酸素酸化により生成物ベンズアルデヒドが得られると共に、転換率は９９％以上で収率が９２％であり、基質６であるベンジルアルコールがほぼ完全に酸化された。
【実施例１３】
【００７５】
実施例１１の金及びパラジウムを触媒とした高分子カルセランド担持型触媒５を担持したキャピラリーを用いた以外は、実施例１２と同様にベンジルアルコールの酸化を行った。これにより、図８に示すように、実施例１３では酸素酸化により生成物であるベンズアルデヒドが得られると共に、転換率は９９％以上で収率が８８％であり、基質６であるベンジルアルコールがほぼ完全に酸化された。実施例１２と比較すると、実施例１３のベンズアルデヒドの収率は４％低い。実施例１２で用いたキャピラリーは、実施例１０で調整した。従って、実施例１０のように、管本体の内壁３ａに形成されたポリシロキサン被膜４へ高分子カルセランド担持型触媒５を担持させるとき、金属種を還元剤よりも先に加える方が、ベンズアルデヒドの収率が良いことが分かった。
【００７６】
実施例９において、金を触媒とした高分子カルセランド担持型触媒５を用いてベンジルアルコールを酸化したが、過剰反応が進行し、安息香酸や安息香酸ベンジルエステルが観測され、ベンズアルデヒドの収率は５３％であった。これに対して、塩基を加えずに、水相だけを用いた実施例１２及び１３のベンジルアルコールの酸化では収率が、それぞれ、９２％、８８％となり、何れの場合も実施例９よりも著しく収率を高くできることが判明した。
【実施例１４】
【００７７】
（金及び白金を触媒とした高分子カルセランド担持型触媒の調製）
実施例１０の酢酸パラジウムの代わりにヘキサクロロ白金ナトリウム六水和物（１７ｍｇ）と、水素化ホウ素ナトリウムのジグリム溶液（２ｗｔ％、０．３７５ｃｍ３）と、を用いる以外は実施例１０と同様の手法によって、管本体の内壁３ａに被覆されたポリシロキサン４へ金及び白金を触媒とした高分子カルセランド担持型触媒５を担持した。
【実施例１５】
【００７８】
実施例１４の金及び白金を触媒とした高分子カルセランド担持型触媒５を担持したキャピラリー２を使用して、実施例１２と同様に、ベンジルアルコールの酸化を行った。
これにより、図８に示すように、実施例１５では酸素酸化により生成物としてベンズアルデヒドが得られると共に、転換率は６５％以下であった。実施例１２の転換率は、実施例８の金を触媒とした高分子カルセランド担持型触媒５及び実施例の金とパラジウムを触媒とした高分子カルセランド担持型触媒５の実施例の転換率である９９％以上と比較すると低いが、ベンジルアルコールの酸化が行えることが分かった。
【００７９】
以上の実施例によれば、助触媒や共酸化剤を使用せずにアルコールを高効率で酸化できると共に、繰返し使用しても金触媒が剥離しないようにした、金属触媒を担持したマイクロリアクター１内部への金触媒の固定化方法と、この方法により金属触媒を担持したマイクロリアクター１、そしてこのマイクロリアクター１による酸化反応方法が提供される。
【００８０】
本発明によれば、多相系触媒反応において各相間の飛躍的な接触面積の向上が期待されるマイクロリアクター１を使用して、微小空間の特徴を活用したアルコール等の基質６の効率的な酸素酸化反応が可能である。その際、高分子カルセランド担持型触媒５の管本体の内壁３ａへの固定化は、より高い疎水性を発現するポリシロキサン被膜４の表面を化学修飾により還元することによって実現した。
【００８１】
触媒としては、室温下でのアルコール等の基質６の酸素酸化反応に高い活性を示すと共に、触媒の繰返し再使用が可能な高分子カルセランド型金触媒を選択し、本発明の金触媒固定化方法によりマイクロカプセル化して、より多くの金属触媒を管本体の内壁３ａに固定化することができる。
【００８２】
本発明は上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明のマイクロリアクター１は、医薬品中間体などのファインケミカルの製造プロセスに組み込むことが可能であり、標的化合物の探索や絞り込みに用いることができる。例えば、上述した実施形態においては、基質６としてアルコールを使用した場合について説明したが、これに限ることなく、本発明により金触媒を固定化したマイクロリアクター１を使用して、アルコール誘導体やヘテロ環含有化合物等の酸素酸化反応を行うことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明の実施の形態に用いるキャピラリー及びマイクロリアクターの構成を模式的に示す図である。
【図２】図１のＹ−Ｙ線に沿う断面図である。
【図３】マイクロチャンネルの一実施例の構成を模式的に示し、（ａ）は平面図、（ｂ）はＹ−Ｙ線断面図である。
【図４】本発明のマイクロリアクターの流路を通過する反応溶液及び酸素ガスの状態を示す断面図である。
【図５】マイクロリアクターのキャピラリーに担持する工程を模式的に示す図で、それぞれ、（ａ）は管本体の内壁３ａの還元反応、（ｂ）はマイクロカプセル化金触媒の生成反応、（ｃ）は金触媒の固定化反応を示す図である。
【図６】実施例１において、基質、炭酸カリウム水溶液の濃度、流速及び酸素ガスの流量を変化させた場合の転換率を示す図である。
【図７】標準条件及び実施例３〜９の酸素酸化反応の転換率と収率を示す図である。
【図８】実施例１０及び１１と実施例１３の高分子カルセランド担持型触媒を用いたマイクロリアクターによってベンジルアルコールの酸素酸化反応の転換率及び収率を示す図である。
【図９】従来の銀触媒によるプレノールの気相酸化反応を示す図である。
【図１０】従来の固定化ＴＰＡＰによるベンジルアルコールの酸素酸化反応を示す図である。
【図１１】金担持キャピラリーを用いたグルコースの酸化反応を示す図である。
【図１２】パラジウム触媒固定化キャピラリーの調製を示す図である。
【符号の説明】
【００８５】
１：マイクロリアクター
２：キャピラリー
２ａ：入力部
２ｂ：出力部
３：管本体
３ａ：内壁
３ｂ：中空部（流路）
４：高分子被膜
５：高分子カルセランド担持型触媒
６：基質
７：溶液
８：反応溶液
９：流量調整部（送液ポンプ）
１０：反応溶液供給部
１１，１２，１４，２４：配管
１３，１８：コネクタ
２０：気体供給部
２２：ガス（酸素ガス）
２２ａ：ガスボンベ
２３：ガスバルブ
２６：ガス流量調整部（マスフローコントローラー）
３０：回収部
３２：マイクロチャンネル
３２ａ：流路部
３３，３４：基板
３
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャピラリーとこのキャピラリーへの触媒固定化方法に係り、詳しくは、内壁に高分子被膜が形成されこの高分子被膜に金属触媒が内包された高分子カルセランド担持型触媒を担持したキャピラリーと、このキャピラリーを用いて触媒を固定化する方法に関するものである。
さらに本発明は、上記キャピラリーを用いたマイクロリアクターと、このマイクロリアクターによる固相−液相−気相反応方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金触媒を用いる酸化反応として、例えばアルコールの酸素酸化反応の例が、非特許文献１に、ミリサイズのフロー型リアクターを用いた１級ベンジルアルコール誘導体の酸化反応が報告されている。これは、アルミナ担持型ルテニウム触媒または酸化チタンナノチューブ担持型ルテニウム触媒を、一辺が２ｍｍから５ｍｍの正方形，長さ１０ｃｍのミリリアクターに充填することにより、ベンジルアルコールが高い選択性で対応するアルデヒドに変換され、それぞれの触媒系で、３００または４５０ｈ-1と高い触媒回転数（ＴＯＦ）を実現している。
しかしながら、この場合、反応収率が７５％程度と低いため、満足できる水準とはならない。
【０００３】
ここで、気相（酸素ガス），液相（基質溶液）及び固相（触媒）から成る多相系反応において、各相間の接触面積を大きくすることにより収率が改善されるので、例えば激しく撹拌したり、酸素ガスを細かい泡として吹き込む等の工夫が試みられてきた。さらに、通常の反応容器（以下、適宜、フラスコ反応と呼ぶ。）による酸化反応では、系内に水素ガス，溶媒蒸気，高活性な金属触媒が共存するために、発火や爆発が生ずる可能性がある。
【０００４】
一方、近年、マイクロリアクターを用いる有機合成が急速に発展しつつある。マイクロリアクターは、ガラス等の不活性材料に、その大きさが数〜数百μｍのマイクロ流路（以下、適宜、マイクロチャンネルと呼ぶ。）を有する微小反応器の総称である。マイクロリアクターの反応器は小さいので、厳密な温度コントロールを容易に行うことができる。
従って、マイクロリアクターを用いる合成反応では、単位面積あたりの表面積が大きいので、
（１）温度制御が効率よく行われる、
（２）界面での反応が効率よく発生する、
（３）高速且つ効率的な混合が行われる、
等の利点を有している。
【０００５】
発熱の大きい反応では効率的な断熱が可能となり、反応の制御が容易になると共に、燃焼や爆発の危険性がある反応においても、マイクロリアクターを用いることによって安全性が向上する。例えば、非特許文献２によれば、マイクロリアクターを用いる水素ガスと酸素ガスの触媒反応において、フラスコ型リアクターでは爆発が生じる条件下であっても、管径が消炎距離より小さいことから爆発を伴うことなく反応が進行する例が報告されている。
【０００６】
このように、マイクロリアクターによる合成反応は、通常の反応容器による合成反応よりも反応時間が速く、取り扱う薬液も微少量で済むためにコストが低く、新規な化合物や薬品のために開発用反応器として注目されている。
【０００７】
非特許文献３には、マイクロチャンネル内の微小空間に由来する大きな比界面積を活用した、効率的な気−液−固の三相から成る水素添加反応が報告されている。これにより、マイクロチャンネルの内壁に高分子カルセランド型パラジウム触媒を固定化した触媒担持型リアクターを用い、液相である基質溶液をチャンネル内壁に沿って流し、気相である水素ガスをチャンネル中心部に流すことによって、各相の効率的な接触が実現された結果、アルケンやアルキン類の還元，ベンジル基の脱保護，ニトロ基の還元等の反応が短時間で且つ高収率で進行することが見出された。
【０００８】
このような水素添加反応に対して、例えばアルコールの酸素酸化反応は、高い触媒活性を得ることが困難であり、マイクロリアクターを用いた報告例は非常に少ない。例えば、非特許文献４においては、銀をチャンネル内にコーティングしたマイクロリアクターを用いて、図９に示すように、プレノール（３−メチル−ブテン−１−オール）の気相中酸化反応（４００℃）を行うことにより、転換率６０〜７０％で目的のアルデヒド体（３−メチル−２−ブテノール）が得られた。
【０００９】
非特許文献５においては、均一系の酸素酸化反応で高い活性を示すＴＰＡＰを活性アルミナに担持し、これをマイクロチャンネルリアクターの経路内に充填することで、図１０に示すように、ベンジルアルコールの酸化反応を行うことにより、ＮＭＯを用いた液−固の二相系反応ではベンズアルデヒドへの１００％の転換率が得られたが、酸素を用いた気−液−固の三相系反応では、ベンズアルデヒドへの転換率は３０〜４０％であった。さらに、反応時間の経過による触媒の失活が観測されており、基質一般性に関してもベンジルアルコール以外の反応性は報告されていない。この場合、触媒をチャンネル内にコーティングまたは充填することによって、三相系の反応が行われているが、気相反応のために使用される基質が限定されてしまい、触媒活性が十分ではなく原料が残存してしまう。従って、基質適用範囲が広くマイクロフロー系に適した高活性な触媒が要求されている。
【００１０】
これに対して、非特許文献６においては、平均１ｎｍの金ナノクラスターを形成する高分子カルセランド型金触媒（ＰＩＡｕ）は、室温下で種々のアルコールの酸化反応を触媒で促進し、無溶媒下１６０℃の条件で、ＴＯＦが２００００ｈ-1に到達することが確認されている。この場合、反応後のクラスターの凝集はみられず、１０回の繰返し再使用実験において触媒活性の低下を伴うことなく反応収率９９％以上を維持していることが確認されている。従って、ＰＩＡｕをマイクロリアクターに担持することにより、効率的な三相系酸素酸化反応が期待されるが、これまでに、金担持型マイクロリアクターを用いたアルコールの酸化反応の報告はない。
【００１１】
なお、非特許文献７において、内部に海綿体状多孔質の金触媒が担持されたマイクロリアクターを用いて、図１１に示すように、Ｄ−グルコースをＤ−グルコン酸に転化する酸化反応が報告されている。しかしながら、原料の送液方法として電気浸透流方式が採用されているため、適用可能な基質が制限されてしまうおそれがある。
【００１２】
【非特許文献１】D. V. Bavykin, A. A. Lapkin, S. T. Kolaczkowski, P. K. Plucinski, Appl. Catal. A, 2005, 288, 175.
【非特許文献２】M. T. Janicke, H. Kestenbaum, U. Hagendorf, F. Schuth, M. Fichtner, K. Schubert, J. Catal., 2000, 191, 282.
【非特許文献３】J. Kobayashi, Y. Mori, K. Okamoto, R. Akiyama, M. Ueno, T. Kitamori, S. Kobayashi, Science, 2004, 304, 1305.
【非特許文献４】E. Cao, A. Gavriilidis, W. B. Motherwell, Chem. Eng. Sci.. 2004, 59, 4803.
【非特許文献５】E. Cao, W. B. Motherwell, A. Gavriilidis, Chem. Eng.Technol., 2006, 29, 1372.
【非特許文献６】H. Miyamura, R. Matsubara, Y. Miyazaki, S. Kobayashi, Amgew. Chem. Int. Ed., 2007, 46, 4151.
【非特許文献７】M. Haruta, T. Kobayashi, H. Sano, N. Yamada, Chem. Lett., 1987, 405.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、このようにして、従来金触媒を用いた三相系の酸化反応をマイクロリアクターにより効果的に実現した例は報告されていない。また、従来の酸化方法では、転換率を向上させるために、助触媒や共酸化剤の使用が不可欠である。
【００１４】
非特許文献７の方法を金触媒の固定化に応用する場合、例えば図１１に示すように、ポリスチレン基盤の高分子とパラジウム源から調製したミセル溶液（ＭＣ Ｐｄ）を予めアミノ基によって内壁を修飾しておいたマイクロリアクターに作用させることにより固定化を行うことになる。
【００１５】
しかしながら、高分子カルセランド型金触媒を用いる酸素酸化反応は、図１２に示すように、塩基性水溶液存在下で行われるため、パラジウム触媒の場合と同様の方法で固定化しようとすると、酸化反応の際にシラノール部位の切断によって触媒が内壁から剥離するおそれがある。実際に図１１に示した方法で金触媒を固定化したマイクロリアクターを用いて酸素酸化反応を行ったところ、開始直後は転換率９５％以上の高い触媒活性を示すが、５時間程度経過すると高分子担体が剥離してチャンネルが閉塞する結果となった。
【００１６】
本発明は、上記課題に鑑み、助触媒や共酸化剤を使用せずにアルコール等の有機物を高効率で酸化できると共に、繰返し使用しても触媒が剥離しないようにした、高分子カルセランド担持型触媒を担持したキャピラリーを提供することを第１の目的とする。
本発明の第２の目的は、上記キャピラリーへの触媒固定化方法を提供することにある。
本発明の第３の目的は、上記キャピラリーを用いたマイクロリアクターを提供することである。
また、本発明の第４の目的は、このマイクロリアクターを用いた固相−液相−気相反応方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記第１の目的を達成するため、本発明のキャピラリーは、管本体とこの管本体の内壁に被覆された高分子被膜とこの高分子被膜に担持される触媒と、を備え、触媒は、金属触媒を内包した高分子カルセランド担持型触媒からなる。
【００１８】
上記構成において、好ましくは、管本体はガラスからなり、高分子被膜がポリシロキサンからなる。金属触媒は、好ましくは、金、パラジウム、白金、ルテニウム、タングステン、コバルト、銅、鉄、ニッケル、マンガン、レニウム、クロム、モリブデン、銀、ロジウムの何れか一つ又はこれらの金属触媒の二つ以上を含む。
高分子カルセランド担持型触媒は、好ましくは、クロロ（トリフェニルホスフィン）金（Ｉ）触媒からなる。
【００１９】
上記第２の目的を達成するため、本発明の管本体の内壁に高分子被膜を備えたキャピラリーへの触媒の固定化方法は、高分子被膜の管本体内部側の表面を高分子カルセランド担持型触媒と結合する基で修飾する第１の工程と、マイクロカプセル化した高分子カルセランド型触媒を調製する第２の工程と、マイクロカプセル化した高分子カルセランド型触媒をキャピラリー内に送液して、加熱架橋によりキャピラリー内壁に固定化する第３の工程と、を含む。
【００２０】
上記構成において、好ましくは、高分子被膜はポリシロキサンであり、第１工程において、水素化リチウムアルミニウムのエーテル溶液を送液ポンプによりキャピラリー内に送液する。
第２の工程において、好ましくは、エポキシ基と基質鎖を架橋部位として有するポリスチレン基盤のコポリマーと水素化ホウ素ナトリウムのＴＨＦ溶液に対してクロロ（トリフェニルホスフィン）金（Ｉ）触媒を添加した後、貧溶媒となるシクロヘキサンを滴下してマイクロカプセル化金触媒を調製する。
【００２１】
上記第３の目的を達成するため、本発明のマイクロリアクターは、キャピラリーと、キャピラリーへ液相となる基質を溶解した溶液を供給する反応溶液供給部と、キャピラリーへ気相となる気体を供給する気体供給部と、キャピラリーにおける反応生成物を回収する回収部と、を備え、キャピラリーは管本体を有し、管本体の内壁に被覆された高分子被膜とこの高分子被膜に固相となる金属触媒を内包した高分子カルセランド担持型触媒が担持され、キャピラリーは一端が反応溶液供給部及び気体供給部へ接続され、他端が回収部へ接続され、基質を溶解した溶液及び基質と反応する気体が、キャピラリーへ所定の流量で連続的に流れるように構成されている。
【００２２】
上記構成において、好ましくは、さらに制御部を有し、制御部は、反応溶液供給部及び気体供給部を、キャピラリーの流路へ所定の流量で連続的に流すように制御する。
好ましくは、管本体はガラスからなり、高分子被膜はポリシロキサンからなり、高分子カルセランド担持型触媒は、金、パラジウム、白金、ルテニウム、タングステン、コバルト、銅、鉄、ニッケル、マンガン、レニウム、クロム、モリブデン、銀、ロジウムの何れか一つ又はこれらの金属触媒の二つ以上を含む。
【００２３】
上記第４の目的を達成するため、本発明のマイクロリアクターを用いて固相−液相−気相の間で被酸化物質を反応させる方法は、キャピラリーの流路の内壁に高分子被膜を形成し、金属触媒を内包した固相のカルセランド担持型触媒を上記高分子被膜に担持し、キャピラリーの流路に液相となる被酸化物質を溶解した溶液及び気相となるガスを流し、溶液とガスとの反応をカルセランド担持型触媒によって促進させることで、固相−液相−気相の間で被酸化物質を酸化させることを特徴とする。
上記気相として、好ましくは酸素ガスを用いる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、助触媒や共酸化剤を使用せずにアルコール等の有機物を高効率で酸化できると共に、繰返し使用しても金属触媒を内包した高分子カルセランド担持型触媒金触媒が剥離しないようにしたキャピラリーと、このキャピラリーへの触媒の固定方法、このキャピラリーを用いたマイクロリアクター、そしてこのマイクロリアクターによる固相−液相−気相反応が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面に示した実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１及び図２は本発明の実施の形態に用いるキャピラリー及びマイクロリアクターの構成を模式的に示す図であり、図２は図１のＹ−Ｙ線に沿う断面図である。
マイクロリアクター１は、キャピラリー２と、キャピラリー２へ液相となる基質６と溶液７とからなる反応溶液８を供給する反応溶液供給部１０と、キャピラリー２へ気相となるガス２２を供給する気体供給部２０と、キャピラリー２を通過した反応溶液８とガス２２と反応生成物とを回収する回収部３０と、を備えている。
【００２６】
図２に示すように、キャピラリー２は、不活性材料のガラスなどからなる中空の管本体３と、この管本体３の内壁３ａに担持される高分子被膜４と、この高分子被膜４に担持される高分子カルセランド担持型触媒５と、を備えて構成されている。
ここで、管本体３は、市販されているガスクロマトグラフ用のフューズドシリカキャピラリーを始め、アルミナキャピラリー、チタニアキャピラリー、ジルコニアキャピラリーや、テフロン（登録商標）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）のような高分子を素材としたもの、及びそれらに対して高分子カルセランド担持型触媒５の担持が可能な表面処理を施したものであれば、どのような素材であっても構わない。断面形状も丸、三角、四角、楕円、長四角、星型の何れでも構わない。キャピラリー２に流れるガス２２の流れを均一にするためには、キャピラリー２の断面形状は丸が好ましい。
【００２７】
管本体３の内径は５μｍ〜５ｍｍが好ましく、１００μｍ〜８００μｍが特に好ましいが、長さは特に制限はない。
【００２８】
反応溶液供給部１０は、基質６と溶液７と、基質６及び溶液７のそれぞれの流量調整部９，９と、この調整部９，９へ配管１１，１２を介して接続されるコネクタ１３と、コネクタ１３からキャピラリー２への配管１４と、から構成されている。流量調整部９には、シリンジポンプなどの送液ポンプを用いることができる。配管１４を流れる液相は、基質６及び溶液７からなる反応溶液８である。
【００２９】
気体供給部２０は、酸化性物質となるガス２２を供給するガスボンベ２２ａと、ガスボンベ２２ａを開閉しその流量を調節するガスバルブ２３と、配管２４と、から構成されている。ガス２２の微少流量を制御する場合には、必要に応じてマスフローコントローラーなどを用いたガス流量調整部２６を設けてもよい。ガス２２としては、酸素ガス等を用いることができる。
【００３０】
図示の場合には、キャピラリー２の一端には、コネクタ２８を介して送液ポンプ９からの配管１４と酸素ガス用の配管２４とが接続されている。コネクタ１３，２８はフッ素樹脂やステンレスからなるＴ型コネクタを用いることができる。配管１１，１２，２４は、フッ素樹脂やステンレスからなる配管を使用することができる。酸素ガスボンベ２２ａは、ガスバルブ２３とテフロン（登録商標）を用いた配管２４などにより接続され、マスフローコントローラーなどを用いたガス流量調整部２６によってその供給量が制御される。反応溶液８及び酸素ガス２２は、キャピラリーの入力部２ａにおいて合流する。回収容器などからなる回収部３０は、キャピラリーの出口部２ｂにテフロン（登録商標）の配管２４などにより接続されている。
【００３１】
本発明のマイクロリアクター１には、キャピラリー２の内部の流体の形態を測定して、流量調整部９及びガス流量調整部２６を制御してもよい。後述する実施例の酸化反応では、パイプフロー状態が好ましい。このパイプフローであるか否かのような流体の形態判定のためには、キャピラリー２の内部の流体の形態を計測するセンサーと、このセンサーからの出力が入力される制御部と、をさらにマイクロリアクター１に備えるようにして、この制御部により、流量調整部９及びガス流量調整部２６を制御するようにしてもよい。
【００３２】
キャピラリー２は、マイクロチャンネルを使用してもよい。図３は、マイクロチャンネルの一実施例の構成を模式的に示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）はＹ−Ｙ線断面図である。
図３に示すように、マイクロチャンネル３２は、不活性材料であるガラス等からなる基板３３と基板３３に蛇行して設けられる流路部３２ａとから構成することができる。流路部３３ａは、エンドミル等の工具による研削やマスクを用いたエッチングにより、その断面が矩形や半円形状に刻設される。図３（ｂ）に示すように、マイクロチャンネル３２が設けられた基板３３は、同じ大きさの流路部３２ａを刻設しない基板３４と対向するようにして基質６と溶液７及び酸素ガス２２が漏れないように密着固定されている。これらの基板３３，３４は、被酸化物質や有機溶媒に侵されない材料であればよく、ガラスの他には樹脂や金属等の材料から構成されていてもよい。流路部３２ａの内壁には、キャピラリー２と同様に高分子被膜４が被覆され、高分子被膜４には高分子カルセランド担持型触媒５が担持されている。
【００３３】
本発明の特徴は、キャピラリー２の管本体３の内壁３ａに被覆されたポリシロキサン表面を化学処理により特定の基で修飾、つまり、改質した後で、ポリシロキサン被膜４の表面に高分子カルセランド担持型触媒５を担持することにある。これにより、高分子カルセランド担持型触媒５をキャピラリー２の管本体３の内壁３ａに強固に固定することができる。
【００３４】
本発明の高分子カルセランド担持型触媒５は、高分子と金属触媒とからなる高分子カルセランド担持型触媒である。金属触媒としては金（Ａｕ）、パラジウム、白金、ルテニウム、タングステン、コバルト、銅、鉄、ニッケル、マンガン、レニウム、クロム、モリブデン、銀、ロジウムの何れか又はこれらの金属触媒の二つ以上を含む金属触媒を用いることができる。金を触媒とした高分子カルセランド担持型触媒５の一例は、化学式:ＡｕＣｌＰＰｈ３で表わされる化合物であり、クロロ（トリフェニルホスフィン）金（Ｉ）触媒である。
【００３５】
高分子被膜４の材料として、高分子カルセランド担持型触媒５を強固に担持することが可能な表面で有れば良い。高分子被膜４の表面は、高分子カルセランド担持型触媒５と結合する基を備えていることが好ましく、このような基は、高分子カルセランド担持型触媒５を担持する。例えば、ガラスの表面のシラノール基に結合させた高分子被膜４をキャピラリー２の内部側の表面、つまり、高分子カルセランド担持型触媒５が担持される表面を改質して、高分子カルセランド担持型触媒５と結合する基を修飾してもよい。例えば、高分子被膜４の表面を修飾する基としては、アミノ基、ヒドロキシル基、エポキシ基、イミノ基、アルキニル基、チオール基、ビニル基、アルキル基、パーフルオロアルキル基等が挙げられる。
【００３６】
次に、本発明の高分子カルセランド担持型触媒５を管本体の内壁３ａに担持する方法について説明する。
下記の第１から第３の工程を含む工程によって、管本体の内壁３ａに被覆された高分子被膜の表面を改質して、さらに、この高分子被膜４へ高分子カルセランド担持型触媒５を固定化することができる。高分子被膜としては、ポリシロキサンを用いることができる。
（第１の工程）
管本体の内壁３ａ上のポリシロキサンなどからなる高分子被膜４の表面を改質する。ポリシロキサン被膜４は、ポリシロキサンのシアノ基を水素化リチウムアルミニウムのエーテル溶液により還元して、ガラス等からなる管本体の内壁３ａをポリシロキサン被膜４とすることで形成することができる。
【００３７】
第１の工程では、水素化リチウムアルミニウムのエーテル溶液をシリンジポンプ９によりキャピラリー２内に送液する場合には、送液供給量を適宜に調整することができる。
【００３８】
（第２の工程）
高分子カルセランド担持型触媒からマイクロカプセル化した高分子カルセランド担持型触媒５を調製する。この工程は、エポキシ基と基質鎖を架橋部位として有するポリスチレン基盤のコポリマー及び還元剤となる水素化ホウ素ナトリウムのＴＨＦ溶液に対してクロロ（トリフェニルホスフィン）金（Ｉ）触媒を添加した後、貧溶媒となるシクロヘキサンを滴下してマイクロカプセル化することができ、例えば、１ｎｍの金ナノクラスターを含有させることができる。ここで、還元剤とクロロ（トリフェニルホスフィン）金（Ｉ）触媒等との管本体の内壁３ａに送液する順番はどちらが先でもよい。この順番は得られた高分子カルセランド担持型触媒５の基質６の酸化反応性に着目して、酸化反応性の良い方を適宜に選択すればよい。
【００３９】
（第３の工程）
マイクロカプセル化した高分子カルセランド担持型触媒５を管本体３内に送液し、加熱して架橋反応により管本体の内壁に被覆されたポリシロキサン被膜４に固定化する。送液をシリンジポンプ９によって行う場合には、高分子カルセランド担持型触媒５を形成する溶液の供給量を適宜に調整することができる。
【００４０】
架橋反応は、加熱若しくは電磁波照射等の外部刺激を与えるが、加熱方式が簡便な操作であり好ましい。加熱温度は５０℃〜３００℃、とくに１００〜１６０℃が好ましい。加熱時間は１０分から４８時間が好ましく、１時間〜１２時間が特に好ましい。例えば、１７０℃で５時間加熱されることにより行われる。この工程によれば、マイクロカプセル化された金等を含む高分子カルセランド型触媒５を、管本体の内壁３ａに被覆されたポリシロキサン被膜４に確実に固定することができる。このため、金等を含む高分子カルセランド型触媒５が簡単に管本体の内壁３ａから剥離することを防止することができる。
【００４１】
上記の触媒固定化方法によれば、マイクロリアクター１の管本体の内壁３ａに備えられたポリシロキサン被膜４が第１の工程で還元されるので、第２の工程で調製されたマイクロカプセル化した高分子カルセランド型触媒５が第３の工程で管本体の内壁３ａに強固に担持される。
【００４２】
これにより、上記高分子カルセランド型触媒５は、室温下で種々の基質６の酸化反応の触媒とすることができる。その際、例えば酸化反応を１６０℃の条件で行ったとき、ＴＯＦが２００００／時間に達すると共に、反応後のクラスターの凝集がなく、例えば１０回の繰返し実験でも、触媒活性が低下することなく、反応収率９９％以上を維持することができる。このようにして、本発明による方法によれば、助触媒や共酸化剤を使用することなく、基質６の酸素酸化反応を効率的に且つ連続的に行うことができ、効率的な三相系酸素酸化反応を実現することができる。
【００４３】
本発明のマイクロリアクター１を用いて固相−液相−気相反応を行うには、送液ポンプ９から反応溶液８を、ガスバルブ２３から酸素ガス２２をキャピラリー２内の流路３ｂにパイプフローとなるように注入する。管本体の流路３ｂを通過中に、その内壁３ａに担持した高分子カルセランド担持型触媒５の作用により、管本体の流路３ｂを通過する反応溶液８及び酸素ガス２２を反応させる。反応により生成した反応生成物を含む反応溶液８は、回収容器等からなる回収部３０に集められ、必要に応じて外部に取り出される。
【００４４】
図４は、本発明のマイクロリアクター１の流路を通過する反応溶液８及び酸素ガス２２の状態を示す断面図である。図示するように、キャピラリーを通過する酸素２２は、キャピラリー２の中心部を通過する。キャピラリー２を通過する反応溶液８は、通過する酸素ガス２２と管本体の内壁３ａに担持された高分子カルセランド担持型触媒５との間を通過し、所謂、パイプフロー状態となり、キャピラリーの入力部２ａから出力部２ｂまでを通過する。この際、基質６及び溶液７の流量調整部９及び酸素ガス２２のガス流量調整部２６により、基質６、溶液７及び酸素ガス２２の流量が上記のパイプフロー状態となるように制御される。
【００４５】
本発明のマイクロリアクター１を用いた固相−液相−気相反応によれば、酸素ガス２２を用いた酸化反応を高効率で進行させることができる。
【００４６】
金等の触媒を内包した高分子カルセランド担持型触媒５を用いて連続反応を行ったところ、９６時間後においても転換率の低下はなく、金等の触媒漏れ出しも観測されなかった。このマイクロリアクター１は反応後の再使用も可能であり、種々の基質６に適用できることが分かった。
【００４７】
本発明のマイクロリアクター１に用いる高分子カルセランド担持型触媒５は、ポリシロキサン被膜４に固定されているので、触媒自体が高活性を維持しつつ、かつ、繰返し使用に耐える。従って、従来の高分子固定化触媒と比べて極めて高効率で還元体を供給でき、担持された金等の触媒の流出も無く、繰返し若しくは長時間連続運転も可能である。
【００４８】
本発明のキャピラリー２を用いたマイクロリアクター１によれば、高分子カルセランド担持型触媒５の管本体の内壁３ａへの担持方法も簡便であり、反応に用いる溶媒等の反応溶液８の制限を受けないことが特徴である。
【００４９】
本発明の３相系接触酸化反応方法によれば、被酸化物質となる基質６を含む反応溶液８を高分子カルセランド担持型触媒５が担持された管本体の内壁３ａに接するように流し、酸素ガス２２がキャピラリー２の中央部を流れる、所謂パイプフロー状態で３相系接触反応を短時間に行うことができる。この際、管本体の内壁３ａに高分子カルセランド担持型触媒５が担持されているので、例えば高価な金を含む触媒の回収再生の手間が不要となり、さらに、マイクロリアクター１による反応であるので、反応に使用する反応溶液８及び酸素ガス２２の使用量も激減することから、低コストである。
さらに、多数のキャピラリー２を平行に並べるだけで、マイクロリアクター１のスケールアップは容易である。このため、望ましい生成物を容易に迅速に、且つ必要量だけ得られ、原料消費量、所要時間、空間が少なく、分離精製のような処理を要しないほど純粋な形で生成物を得ることができる。
従って、本発明の３相系接触還元反応方法によれば、医薬の開発とその製造工程の開発に極めて好適な反応方法となる。また、グリーン化学（環境適合化学）にも好適である。
【実施例１】
【００５０】
（金を触媒とした高分子カルセランド担持型触媒）
以下、実施例により本発明の実施の形態をさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
図１に示すマイクロリアクター１として、管本体の内壁３ａに高分子カルセランド担持型触媒５を担持してマイクロリアクター１を作製した。
マイクロリアクター１として、外径０．２５ｍｍ、長さ５０ｃｍのポリシロキサン修飾型キャピラリー２（ジーエルサイエンス株式会社製、ＩｎａｅｔＣｕｐ２２５）を使用した。このキャピラリー２の管本体の内壁３ａには、膜厚０．２５μｍのポリシロキサンが被覆されている。
【００５１】
図５は、マイクロリアクター１のキャピラリー２に担持する工程を模式的に示す図であり、それぞれ、（ａ）は管本体の内壁３ａの還元反応、（ｂ）はマイクロカプセル化金触媒の生成反応、（ｃ）は金触媒の固定化反応を示す図である。
水素化リチウムアルミニウムのエーテル溶液（Ａｌｄｒｉｃｈ社製の１．０Ｍ溶液）を、室温下でシリンジポンプ９によりキャピラリー２内に流速０．１ｃｍ３／時間でゆっくりと４８時間送液して、ポリシロキサン中のシアノ基を還元する。
【００５２】
その後、水及び０．５Ｎ水酸化ナトリウム水溶液及びメタノールを各１０ｃｍ３づつ順次にマイクロリアクター１のキャピラリー２内に通液し、上述した還元反応の停止及び内部の洗浄を行う。
【００５３】
別途合成したコポリマー、即ちエポキシ基とアルコール鎖を架橋部位として有するポリスチレン基盤のコポリマー（Ｐ４）４００ｇを、ＴＨＦ（７．５ｃｍ３）を３０ｃｍ３フラスコに溶解し、室温下で水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）のジグリム溶液（２重量％，０．２５ｃｍ３）を加えて３０分間撹拌後に、クロロ（トリフェニルホスフィン）金（Ｉ）のＴＨＦ水溶液（１．５ｃｍ３）を加えてさらに３時間撹拌する。そして、この溶液２．０ｃｍ３に対して、シクロヘキサン０．９５ｃｍ３をゆっくり加えて、相分離を発生させた後、触媒層をシリンジで抜き取る。これにより、金を触媒としマイクロカプセル化した高分子カルセランド担持型触媒５を調製した。
【００５４】
最後に、図５（ｃ）に示すように、このマイクロカプセル化した高分子カルセランド担持型触媒５をシリンジポンプ９により、先に還元，洗浄した管本体３の内部に５０℃，０．２ｃｍ３／時間の流速で、１２．５時間通液する。その後、同様の操作を管本体３の反対側の口から行って、上記マイクロカプセル化した高分子カルセランド担持型触媒５を管本体の内壁３ａのガラス壁面に十分担持した。
その後、マイクロリアクター１のキャピラリー２を１７０℃で５時間焼成して、マイクロカプセル化した高分子カルセランド担持型触媒５の加熱架橋を行った。
これにより、マイクロカプセル化した高分子カルセランド担持型触媒５がポリシロキサン被膜４の表面に修飾されたアミノ基を介して管本体の内壁３ａに担持されたマイクロリアクター１が得られる。
【実施例２】
【００５５】
次に、上述した金触媒を固定化したキャピラリー２を有するマイクロリアクター１によるアルコールの酸素酸化反応の一例について説明する。
図１に示したマイクロリアクター１を使用して、被酸化物質となる基質６として、アルコール、即ち１−フェニルエタノールの酸素酸化を行った。
図１において、基質６となる１，２−ジクロロエタン溶液（０．１Ｍ，流速０．１ｃｍ３／時間）と溶液７となる炭酸水溶液Ｋ２ＣＯ３ａｑ．（０．３Ｍ，流速０．０３ｃｍ３／時間）とからなる反応溶液８をそれぞれシリンジポンプ９により送液してＴ字型のコネクタ１３により合流させて、原料アルコールとする。
【００５６】
さらに、合流させた原料アルコールを、別のＴ字型コネクタ２８により酸素ガス２２（１．５ｃｍ３／分）と合流させて、マイクロリアクター１のキャピラリー２（長さ５０ｃｍ）内に導入する。酸素ガス２２の流量は、例えばマスフローコントローラー２６により制御する。
そして、マイクロリアクター１のキャピラリー２の触媒部分のみを加温し、キャピラリーの出力部２ｂを、チューブを介してヘキサンを満たした回収容器３０にバブリングさせて、生成物を回収する。
最後に、酸素酸化反応の進行状況を、一定時間回収した生成物に対して内部標準を添加して、ガスクロマトグラフ分析で定量する。
【００５７】
マイクロリアクター１を使用して、９６時間連続反応を行って、１２時間または２４時間毎の触媒活性を確認した。その結果は、表１に示すように、開始直後から１２時間までに採取した生成物では、転換率が９６％と低い。これは、マイクロリアクター１の安定化に少なくとも数時間要することに起因するものと考えられる。マイクロリアクター１の安定化後は、転換率９９％を維持しており、９６時間後まで触媒活性の低下は全く見られず、非常に高い活性を維持していることが明らかである。
なお、金の漏出は、ＩＣＰ分析によれば検出下限（約０．２％）以下であり、反応後にキャピラリー２の金の担持量をＩＣＰにより測定したところ、０．１μモルであることが明らかとなった。
【表１】
【００５８】
続いて、反応溶液８、その濃度、反応溶液８及び酸素ガス２２の流速を変化させて、反応条件の最適化を試みた。
図６は、実施例１における基質、炭酸カリウム水溶液の濃度、流速及び酸素ガスの流量を変化させた場合の転換率を示す図である。
図６に示すように、エントリー１から１０まで、アルコール（１−フェニルエタノール）の濃度を０．１，０．３，０．５（Ｍ）とし、その流速を０．１，０．０６，０．０６７（ｃｍ３／時間）とし、炭酸カリウム水溶液の濃度を０．３，０．６（Ｍ）とし、その流速を０．０３，０．０６（ｃｍ３／時間）とし、酸素ガス２２の流速を１．５，２．０（ｃｍ３／分）に変化させて、転換率を測定した。
【００５９】
その結果、エントリー１の条件である、アルコール濃度０．１Ｍ，流速０．１ｃｍ３／時間、炭酸カリウム水溶液の濃度０．３Ｍ，流速０．０３ｃｍ３／時間、酸素ガス２２の流速１．５ｃｍ３／分では、原料であるアルコールは完全に消費され、対応するケトンのピークのみがガスクロマトグラフ分析によって確認された。
エントリー２で、基質６の濃度を５倍濃くした場合には、アルコールの転換率は８２％に減少する。同条件で基質６の溶液の流速を０．０６ｃｍ３／時間に落とした場合（エントリー３）にも、原料アルコールが若干量残存する結果となった。この場合、生産性としてはエントリー１の三倍になる。
【００６０】
また、基質６の濃度を０．３Ｍとして種々の反応条件を検討した。基質６を、１，２−ジクロロエタン（エントリー４）からトリフルオロメチルベンゼン（エントリー５）又はテトラヒドロフラン（エントリー６）に替えると、転換率は８６％，７１％，７１％と低下した。
これに対して、溶液７となる炭酸カリウム水溶液の流速を０．０６ｃｍ３／時間と上げることによって、基質６に対する炭酸カリウム当量を３０から６０モル％に増加（エントリー７）させ、また酸素ガス２２の流量を１．５から２．０ｃｍ３／分に増加（エントリー８）させてみたが、転換率は７０％，６７％と減少した。
【００６１】
一方、溶液７となる炭酸カリウム水溶液の濃度を濃くすることによってエントリー９のように基質６に対する炭酸カリウム当量を３０から６０モル％に増加させた場合には、転換率は８４％となり、エントリー４に対して大きな変化は見られなかった。これにより、塩基の当量は重要な因子ではないと考えられる。
【００６２】
さらに、エントリー１０のように、基質６の溶液の流速を０．１から０．０６７ｃｍ３／時間に下げた場合には、転換率が９５％と向上した。従って、キャピラリー２内における滞在時間が反応性に大きな影響を与えることが明らかになった。
【００６３】
以上のエントリー１から１０における転換率の結果から、エントリー１の条件を標準条件として採用して、以下に図７を参照して種々の実施例について説明する。
図７は、標準条件及び実施例３〜９の酸素酸化反応の転換率及び収率を示す図である。なお、この標準条件では、基質６（濃度０．１Ｍ）を流速０．１ｃｍ３／時間で、酸素ガス２２を１．５ｃｍ３／分の流速で、また、溶液７となる炭酸カリウム水溶液（濃度０．３Ｍ）及び１，２−ジクロロエタンを、それぞれマイクロリアクター１の金触媒固定化キャピラリー２内に供給する。この場合、図６の最上欄に示すように、基質６（酸化物質）として１−フェニルエタノールを温度６０℃にて酸素酸化させたところ、生成物としてアセトフェノンが生成され、転換率は９９％以上と、基質６がほぼ完全に酸化された。
【実施例３】
【００６４】
実施例３では、基質６（被酸化物質）としてパラメトキシ−１−フェニルエタノールを使用し、基質６の濃度及び流速、溶液７となる炭酸カリウムの濃度及び流速、酸素ガス２２の流速を標準条件と同じ条件で、温度６０℃にて酸化反応を行った。
これにより、生成物パラメトキシアセトフェノンが得られると共に、転換率は９９％以上と、基質６であるパラメトキシ−１−フェニルエタノールがほぼ完全に酸化された。
【実施例４】
【００６５】
実施例４では、基質６としてパラクロロ−１−フェニルエタノールを使用し、基質６の濃度及び流速、溶液７となる炭酸カリウムの濃度及び流速、酸素ガス２２の流速を標準条件と同じ条件で、また温度７０℃にて酸化反応を行った。この場合、電子求引性基を有する基質６であることから、若干反応性が低下するので、７０℃で酸化反応を行った。
これにより、生成物パラクロロアセトフェノンが得られると共に、転換率は９９％以上と、基質６であるパラメトキシ−１−フェニルエタノールがほぼ完全に酸化された。
【実施例５】
【００６６】
実施例５では、基質６として４−フェニル−３−ブテン−２−オールを使用し、基質６の濃度及び流速、溶液７となる炭酸カリウムの濃度及び流速、酸素ガス２２の流速を標準条件と同じ条件で、また温度７０℃にて酸化反応を行った。
これにより、生成物４−フェニル−２−オキソ−３−ブテンが得られると共に、転換率は９９％以上と、基質６である４−フェニル−３−ブテン−２−オールがほぼ完全に酸化された。
【実施例６】
【００６７】
実施例６では、基質６として１−チオフェニル−１−エタノールを使用し、基質６の濃度及び流速、溶液７となる炭酸カリウムの濃度及び流速、酸素ガス２２の流速を標準条件と同じ条件で、また温度６０℃にて酸化反応を行った。
これにより、生成物チオフェニルメチルケトンが得られると共に、転換率は９９％以上と、基質６である１−チオフェニル−１−エタノールがほぼ完全に酸化された。
【実施例７】
【００６８】
実施例７では、基質６として（４−メチルフェニル)−１−エタノールを使用し、基質６の濃度及び流速、溶液７となる炭酸カリウムの濃度及び流速、酸素ガス２２の流速を標準条件と同じ条件で、また温度７０℃にて酸化反応を行った。
これにより、生成物４−メチルフェニルメチルケトンが得られると共に、転換率及び収率が９９％以上と、基質６である（４−メチルフェニル)−１−エタノールがほぼ完全に酸化された。
【実施例８】
【００６９】
実施例８では、基質６としてインダノールを使用し、基質６の濃度及び流速、溶液７となる炭酸カリウムの濃度及び流速、酸素ガス２２の流速を標準条件と同じ条件で、また温度６０℃にて酸化反応を行った。
これにより、生成物インダノンが得られると共に、転換率及び収率が９９％以上と、基質６であるインダノールがほぼ完全に酸化された。
【実施例９】
【００７０】
実施例９では、基質６としてベンジルアルコールを使用し、基質６の濃度及び流速、溶液７となる炭酸カリウムの濃度及び流速、酸素ガス２２の流速を標準条件と同じ条件で、また温度６０℃にて酸化反応を行った。
これにより、生成物ベンズアルデヒドが得られると共に、転換率及び収率が９９％以上であったが、収率が５３％であり、実施例９の生成物を分析したところ、過剰反応が進行し、安息香酸や安息香酸ベンジルエステルが観測され、このような副生成物によりベンズアルデヒドの収率が低下することが分かった。
【００７１】
以上の実施例２の標準条件及び実施例３，４によれば、芳香族二級アルコールについては、定量的に反応が進行し、対応するケトンが得られた。実施例５〜８によれば、アリルアルコール誘導体やヘテロ環含有化合物についても、副生物を伴うことなく、定量的に目的のケトンが得られることが明らかである。しかしながら、実施例９の１級アルコールであるベンジルアルコールの酸化反応では、収率が悪く副生物が生成し、目的のアルデヒドの収率が悪いことが判明した。
【実施例１０】
【００７２】
（金及びパラジウムを触媒とした高分子カルセランド担持型触媒の調製１）
次に、金及びパラジウムを触媒とした高分子カルセランド担持型触媒５を調製した。ポリシロキサン修飾型キャピラリー（ジーエルサイエンス株式会社製ＩｎａｅｔＣａｐ２２５（登録商標）、外径０．２５ｍｍ、膜厚さ０．２５μｍ、長さ５０ｃｍ）に水素化リチウムアルミニウムのエーテル溶液（１．０Ｍ溶液、Ａｌｄｒｉｃｈ社製）を室温下シリンジポンプ９を用いてゆっくり通液（０．１ｃｍ３／時間、４８時間)した後、水、０．５規定（Ｎ）水酸化ナトリウム水溶液、メタノール（各１０ｃｍ３）を順次通液し反応の停止及び洗浄を行った。
３０ｃｍ３フラスコ中に別途合成したコポリマー（４００ｍｇ）のＴＨＦ（７．０ｃｍ３）溶液を調製し、室温下でクロロトリフェニルフォスフィン金(１５．０ｍｇ)及び酢酸パラジウム（６．８ｍｇ）のＴＨＦ溶液(１．０ｃｍ３)を加え３０分間撹拌後、水素化ホウ素ナトリウムのジグリム溶液（２ｗｔ％、０．２５ｃｍ３）を加え、さらに３時間撹拌を行った。
この溶液２．０ｃｍ３を別のフラスコに移し、シクロヘキサン０．５ｃｍ３から１．０ｃｍ３程度を相分離が起きるまでゆっくり加え、触媒をシリンジで抜き取り、シリンジポンプ９を用いて、先に調製したキャピラリー２に５０℃下で通液した(０．２ｃｍ３／時間、１２．５時間)。ここで、相分離した触媒はゆっくりと凝集してくるので、上記相分離の操作は通液直前に毎回行った。
通液後、同様な操作を、さらに３回キャピラリーの反対側の口から行い、触媒をガラス壁面に充分担持させた後に、１７０℃で５時間焼成し、管本体の内壁３に被覆されたポリシロキサン被膜４へ金及びパラジウムを触媒とした高分子カルセランド担持型触媒５を担持した。
ここで、ＴＨＦは脱水操作を施したものを用いると担持操作が充分に行われないため、市販の特級ＴＨＦをそのまま用いた。
【実施例１１】
【００７３】
（金及びパラジウムを触媒とした高分子カルセランド担持型触媒の調製２）
実施例１０の金及びパラジウムを触媒とした高分子カルセランド担持型触媒５をキャピラリーの内壁に担持するとき、最初に還元剤となる水素化ホウ素ナトリウムのジグリム溶液（２ｗｔ％、０．２５ｃｍ３）を送液し、次にクロロ（トリフェニルホスフィン）金（Ｉ）(１５．０ｍｇ)及び酢酸パラジウム（６．８ｍｇ）のＴＨＦ溶液(１．０ｃｍ３)を送液した。これ以外の工程は、実施例１０と同じ方法で行い、管本体の内壁３に被覆されたポリシロキサン被膜４へ金及びパラジウムを触媒とした高分子カルセランド担持型触媒５を担持した。
【実施例１２】
【００７４】
実施例１０の金及びパラジウムを触媒とした高分子カルセランド担持型触媒５を担持したキャピラリー２を用いた以外は、実施例２と同様のマイクロリアクターによって酸素ガス２２を用いた酸化反応を行った。基質６はベンジルアルコールの１，２−ジクロロエタン溶液（０．１Ｍ、流速０．１０ｃｍ３／時間)を用い、溶液７として水(流速０．０３ｃｍ３／時間）を使用した。酸素ガス２２の流量（１．５ｃｍ３／分）はマスフローコントローラー２６で制御した。金及びパラジウムを触媒とした高分子カルセランド担持型触媒５は５０℃に加温した。キャピラリーの出力部２ｂ部分において、生成物を含む反応溶液８をヘキサンを満たした容器でバブリングさせ、生成物を回収した。反応の進行状況は、一定時間回収した後で内部標準を添加し、ガスクロマトグラフィーで定量した。
図８は、実施例１０及び１１と後述する実施例１３の高分子カルセランド担持型触媒５を用いたマイクロリアクターによってベンジルアルコールの酸素酸化反応の転換率及び収率を示す図である。
これにより、図８に示すように、実施例１２では酸素酸化により生成物ベンズアルデヒドが得られると共に、転換率は９９％以上で収率が９２％であり、基質６であるベンジルアルコールがほぼ完全に酸化された。
【実施例１３】
【００７５】
実施例１１の金及びパラジウムを触媒とした高分子カルセランド担持型触媒５を担持したキャピラリーを用いた以外は、実施例１２と同様にベンジルアルコールの酸化を行った。これにより、図８に示すように、実施例１３では酸素酸化により生成物であるベンズアルデヒドが得られると共に、転換率は９９％以上で収率が８８％であり、基質６であるベンジルアルコールがほぼ完全に酸化された。実施例１２と比較すると、実施例１３のベンズアルデヒドの収率は４％低い。実施例１２で用いたキャピラリーは、実施例１０で調整した。従って、実施例１０のように、管本体の内壁３ａに形成されたポリシロキサン被膜４へ高分子カルセランド担持型触媒５を担持させるとき、金属種を還元剤よりも先に加える方が、ベンズアルデヒドの収率が良いことが分かった。
【００７６】
実施例９において、金を触媒とした高分子カルセランド担持型触媒５を用いてベンジルアルコールを酸化したが、過剰反応が進行し、安息香酸や安息香酸ベンジルエステルが観測され、ベンズアルデヒドの収率は５３％であった。これに対して、塩基を加えずに、水相だけを用いた実施例１２及び１３のベンジルアルコールの酸化では収率が、それぞれ、９２％、８８％となり、何れの場合も実施例９よりも著しく収率を高くできることが判明した。
【実施例１４】
【００７７】
（金及び白金を触媒とした高分子カルセランド担持型触媒の調製）
実施例１０の酢酸パラジウムの代わりにヘキサクロロ白金ナトリウム六水和物（１７ｍｇ）と、水素化ホウ素ナトリウムのジグリム溶液（２ｗｔ％、０．３７５ｃｍ３）と、を用いる以外は実施例１０と同様の手法によって、管本体の内壁３ａに被覆されたポリシロキサン４へ金及び白金を触媒とした高分子カルセランド担持型触媒５を担持した。
【実施例１５】
【００７８】
実施例１４の金及び白金を触媒とした高分子カルセランド担持型触媒５を担持したキャピラリー２を使用して、実施例１２と同様に、ベンジルアルコールの酸化を行った。
これにより、図８に示すように、実施例１５では酸素酸化により生成物としてベンズアルデヒドが得られると共に、転換率は６５％以下であった。実施例１２の転換率は、実施例８の金を触媒とした高分子カルセランド担持型触媒５及び実施例の金とパラジウムを触媒とした高分子カルセランド担持型触媒５の実施例の転換率である９９％以上と比較すると低いが、ベンジルアルコールの酸化が行えることが分かった。
【００７９】
以上の実施例によれば、助触媒や共酸化剤を使用せずにアルコールを高効率で酸化できると共に、繰返し使用しても金触媒が剥離しないようにした、金属触媒を担持したマイクロリアクター１内部への金触媒の固定化方法と、この方法により金属触媒を担持したマイクロリアクター１、そしてこのマイクロリアクター１による酸化反応方法が提供される。
【００８０】
本発明によれば、多相系触媒反応において各相間の飛躍的な接触面積の向上が期待されるマイクロリアクター１を使用して、微小空間の特徴を活用したアルコール等の基質６の効率的な酸素酸化反応が可能である。その際、高分子カルセランド担持型触媒５の管本体の内壁３ａへの固定化は、より高い疎水性を発現するポリシロキサン被膜４の表面を化学修飾により還元することによって実現した。
【００８１】
触媒としては、室温下でのアルコール等の基質６の酸素酸化反応に高い活性を示すと共に、触媒の繰返し再使用が可能な高分子カルセランド型金触媒を選択し、本発明の金触媒固定化方法によりマイクロカプセル化して、より多くの金属触媒を管本体の内壁３ａに固定化することができる。
【００８２】
本発明は上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明のマイクロリアクター１は、医薬品中間体などのファインケミカルの製造プロセスに組み込むことが可能であり、標的化合物の探索や絞り込みに用いることができる。例えば、上述した実施形態においては、基質６としてアルコールを使用した場合について説明したが、これに限ることなく、本発明により金触媒を固定化したマイクロリアクター１を使用して、アルコール誘導体やヘテロ環含有化合物等の酸素酸化反応を行うことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明の実施の形態に用いるキャピラリー及びマイクロリアクターの構成を模式的に示す図である。
【図２】図１のＹ−Ｙ線に沿う断面図である。
【図３】マイクロチャンネルの一実施例の構成を模式的に示し、（ａ）は平面図、（ｂ）はＹ−Ｙ線断面図である。
【図４】本発明のマイクロリアクターの流路を通過する反応溶液及び酸素ガスの状態を示す断面図である。
【図５】マイクロリアクターのキャピラリーに担持する工程を模式的に示す図で、それぞれ、（ａ）は管本体の内壁３ａの還元反応、（ｂ）はマイクロカプセル化金触媒の生成反応、（ｃ）は金触媒の固定化反応を示す図である。
【図６】実施例１において、基質、炭酸カリウム水溶液の濃度、流速及び酸素ガスの流量を変化させた場合の転換率を示す図である。
【図７】標準条件及び実施例３〜９の酸素酸化反応の転換率と収率を示す図である。
【図８】実施例１０及び１１と実施例１３の高分子カルセランド担持型触媒を用いたマイクロリアクターによってベンジルアルコールの酸素酸化反応の転換率及び収率を示す図である。
【図９】従来の銀触媒によるプレノールの気相酸化反応を示す図である。
【図１０】従来の固定化ＴＰＡＰによるベンジルアルコールの酸素酸化反応を示す図である。
【図１１】金担持キャピラリーを用いたグルコースの酸化反応を示す図である。
【図１２】パラジウム触媒固定化キャピラリーの調製を示す図である。
【符号の説明】
【００８５】
１：マイクロリアクター
２：キャピラリー
２ａ：入力部
２ｂ：出力部
３：管本体
３ａ：内壁
３ｂ：中空部（流路）
４：高分子被膜
５：高分子カルセランド担持型触媒
６：基質
７：溶液
８：反応溶液
９：流量調整部（送液ポンプ）
１０：反応溶液供給部
１１，１２，１４，２４：配管
１３，１８：コネクタ
２０：気体供給部
２２：ガス（酸素ガス）
２２ａ：ガスボンベ
２３：ガスバルブ
２６：ガス流量調整部（マスフローコントローラー）
３０：回収部
３２：マイクロチャンネル
３２ａ：流路部
３３，３４：基板
３
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管本体とこの管本体の内壁に被覆された高分子被膜とこの高分子被膜に担持される触媒と、を備え、
上記触媒は、金属触媒を内包した高分子カルセランド担持型触媒からなる、キャピラリー。
【請求項２】
前記管本体がガラスからなり、前記高分子被膜がポリシロキサンからなる、請求項１に記載のキャピラリー。
【請求項３】
前記金属触媒が、金、パラジウム、白金、ルテニウム、タングステン、コバルト、銅、鉄、ニッケル、マンガン、レニウム、クロム、モリブデン、銀、ロジウムの何れか一つ又はこれらの金属触媒の二つ以上を含む、請求項１に記載のキャピラリー。
【請求項４】
前記高分子カルセランド担持型触媒が、クロロ（トリフェニルホスフィン）金（Ｉ）触媒からなる、請求項１に記載のキャピラリー。
【請求項５】
管本体の内壁に高分子被膜を備えたキャピラリーへの触媒の固定化方法であって、
上記高分子被膜の表面を高分子カルセランド担持型触媒と結合する基で修飾する第１の工程と、
マイクロカプセル化した高分子カルセランド型触媒を調製する第２の工程と、
上記マイクロカプセル化した高分子カルセランド型触媒をキャピラリー内に送液して加熱架橋によりキャピラリー内壁に固定化する第３の工程と、
を含む、キャピラリーへの触媒固定化方法。
【請求項６】
前記高分子被膜がポリシロキサンであり、前記第１工程において、水素化リチウムアルミニウムのエーテル溶液を送液ポンプによりキャピラリー内に送液する、請求項５に記載のキャピラリーの触媒固定化方法。
【請求項７】
前記第２の工程において、エポキシ基と基質鎖を架橋部位として有するポリスチレン基盤のコポリマーと水素化ホウ素ナトリウムのＴＨＦ溶液に対してクロロ（トリフェニルホスフィン）金（Ｉ）触媒を添加した後、貧溶媒となるシクロヘキサンを滴下してマイクロカプセル化金触媒を調製する、請求項５又は６に記載のキャピラリーの触媒固定化方法。
【請求項８】
キャピラリーと、
上記キャピラリーへ液相となる基質を溶解した溶液を供給する反応溶液供給部と、
上記キャピラリーへ気相となる気体を供給する気体供給部と、
上記キャピラリーにおける反応生成物を回収する回収部と、を備え、
上記キャピラリーは管本体を有し、該管本体の内壁に被覆された高分子被膜とこの高分子被膜に固相となる金属触媒を内包した高分子カルセランド担持型触媒が担持され、
上記キャピラリーは一端が上記反応溶液供給部及び気体供給部へ接続され、他端が上記回収部へ接続され、
上記基質を溶解した溶液及び基質と反応する気体を、上記キャピラリーへ所定の流量で連続的に流す、マイクロリアクター。
【請求項９】
さらに制御部を有し、該制御部は、前記反応溶液供給部及び前記気体供給部を、前記キャピラリーの流路へ所定の流量で連続的に流すように制御する、請求項８に記載のマイクロリアクター。
【請求項１０】
前記管本体がガラスからなり、前記高分子被膜はポリシロキサンからなり、前記高分子カルセランド担持型触媒が、金、パラジウム、白金、ルテニウム、タングステン、コバルト、銅、鉄、ニッケル、マンガン、レニウム、クロム、モリブデン、銀、ロジウムの何れか一つ又はこれらの金属触媒の二つ以上を含む、請求項８に記載のマイクロリアクター。
【請求項１１】
マイクロリアクターを用いて固相−液相−気相の間で被酸化物質を反応させる方法であって、
キャピラリーの流路の内壁に高分子被膜を形成し、
金属触媒を内包した固相のカルセランド担持型触媒を上記高分子被膜に担持し、
上記キャピラリーの流路に液相となる被酸化物質を溶解した溶液及び気相となるガスを流し、
上記溶液と上記ガスとの反応を上記カルセランド担持型触媒によって促進させることを特徴とする、マイクロリアクターを用いた固相−液相−気相反応方法。
【請求項１２】
前記気相が酸素ガスである、請求項１１に記載のマイクロリアクターを用いた固相−液相−気相反応方法。
【請求項１】
管本体とこの管本体の内壁に被覆された高分子被膜とこの高分子被膜に担持される触媒と、を備え、
上記触媒は、金属触媒を内包した高分子カルセランド担持型触媒からなる、キャピラリー。
【請求項２】
前記管本体がガラスからなり、前記高分子被膜がポリシロキサンからなる、請求項１に記載のキャピラリー。
【請求項３】
前記金属触媒が、金、パラジウム、白金、ルテニウム、タングステン、コバルト、銅、鉄、ニッケル、マンガン、レニウム、クロム、モリブデン、銀、ロジウムの何れか一つ又はこれらの金属触媒の二つ以上を含む、請求項１に記載のキャピラリー。
【請求項４】
前記高分子カルセランド担持型触媒が、クロロ（トリフェニルホスフィン）金（Ｉ）触媒からなる、請求項１に記載のキャピラリー。
【請求項５】
管本体の内壁に高分子被膜を備えたキャピラリーへの触媒の固定化方法であって、
上記高分子被膜の表面を高分子カルセランド担持型触媒と結合する基で修飾する第１の工程と、
マイクロカプセル化した高分子カルセランド型触媒を調製する第２の工程と、
上記マイクロカプセル化した高分子カルセランド型触媒をキャピラリー内に送液して加熱架橋によりキャピラリー内壁に固定化する第３の工程と、
を含む、キャピラリーへの触媒固定化方法。
【請求項６】
前記高分子被膜がポリシロキサンであり、前記第１工程において、水素化リチウムアルミニウムのエーテル溶液を送液ポンプによりキャピラリー内に送液する、請求項５に記載のキャピラリーの触媒固定化方法。
【請求項７】
前記第２の工程において、エポキシ基と基質鎖を架橋部位として有するポリスチレン基盤のコポリマーと水素化ホウ素ナトリウムのＴＨＦ溶液に対してクロロ（トリフェニルホスフィン）金（Ｉ）触媒を添加した後、貧溶媒となるシクロヘキサンを滴下してマイクロカプセル化金触媒を調製する、請求項５又は６に記載のキャピラリーの触媒固定化方法。
【請求項８】
キャピラリーと、
上記キャピラリーへ液相となる基質を溶解した溶液を供給する反応溶液供給部と、
上記キャピラリーへ気相となる気体を供給する気体供給部と、
上記キャピラリーにおける反応生成物を回収する回収部と、を備え、
上記キャピラリーは管本体を有し、該管本体の内壁に被覆された高分子被膜とこの高分子被膜に固相となる金属触媒を内包した高分子カルセランド担持型触媒が担持され、
上記キャピラリーは一端が上記反応溶液供給部及び気体供給部へ接続され、他端が上記回収部へ接続され、
上記基質を溶解した溶液及び基質と反応する気体を、上記キャピラリーへ所定の流量で連続的に流す、マイクロリアクター。
【請求項９】
さらに制御部を有し、該制御部は、前記反応溶液供給部及び前記気体供給部を、前記キャピラリーの流路へ所定の流量で連続的に流すように制御する、請求項８に記載のマイクロリアクター。
【請求項１０】
前記管本体がガラスからなり、前記高分子被膜はポリシロキサンからなり、前記高分子カルセランド担持型触媒が、金、パラジウム、白金、ルテニウム、タングステン、コバルト、銅、鉄、ニッケル、マンガン、レニウム、クロム、モリブデン、銀、ロジウムの何れか一つ又はこれらの金属触媒の二つ以上を含む、請求項８に記載のマイクロリアクター。
【請求項１１】
マイクロリアクターを用いて固相−液相−気相の間で被酸化物質を反応させる方法であって、
キャピラリーの流路の内壁に高分子被膜を形成し、
金属触媒を内包した固相のカルセランド担持型触媒を上記高分子被膜に担持し、
上記キャピラリーの流路に液相となる被酸化物質を溶解した溶液及び気相となるガスを流し、
上記溶液と上記ガスとの反応を上記カルセランド担持型触媒によって促進させることを特徴とする、マイクロリアクターを用いた固相−液相−気相反応方法。
【請求項１２】
前記気相が酸素ガスである、請求項１１に記載のマイクロリアクターを用いた固相−液相−気相反応方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００９−２１４０５６（Ｐ２００９−２１４０５６Ａ）
【公開日】平成２１年９月２４日（２００９．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−６１９２３（Ｐ２００８−６１９２３）
【出願日】平成２０年３月１１日（２００８．３．１１）
【出願人】（５０３３６０１１５）独立行政法人科学技術振興機構 (1,734)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月２４日（２００９．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月１１日（２００８．３．１１）
【出願人】（５０３３６０１１５）独立行政法人科学技術振興機構 (1,734)
【Ｆターム（参考）】
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