溶媒選択の幅を広げ、迅速な開発と柔軟な生産に貢献
2018/04/12 産総研
ポイント
- フロー型マイクロ波加熱技術を発展させ低極性溶媒中でも高温反応が可能に
- 加熱で変化する溶媒の誘電特性に合わせてマイクロ波の周波数をフィードバック制御
- モデル反応としてフラーレン誘導体合成において、10倍の生産性向上を実証
概要
国立研究開発法人 産業技術総合研究所【理事長 中鉢 良治】（以下「産総研」という）電子光技術研究部門【研究部門長 森 雅彦】分子集積デバイスグループ 則包 恭央 研究グループ長、小山 恵美子 主任研究員、ナノ材料研究部門【研究部門長 佐々木 毅】ナノ粒子構造設計グループ 杉山 順一 主任研究員は、株式会社 サイダ・ＦＤＳ【代表取締役 斎田 久人】（以下「サイダ」という）ジョシュア バーハム 国際研究協力ジャパントラスト招へい研究者、大根田 訓之 マネージャーと共同で、以前から両者で共同開発してきたフロー型の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。
近年、チューブなどの流路に溶液を流しながら連続的に化学反応を起こすフロー合成が注目を集めている。また、有機合成の新たな技術として、特定の物質を選択的かつ急速に加熱できるマイクロ波加熱が注目されている。しかしこれまでは、流路に対する均一なマイクロ波照射や、マイクロ波エネルギーの効率の良い利用が困難であったため、小型反応容器の中で反応溶液を攪拌・加熱を行うバッチ反応などの、小さなスケールの反応に限られていた。
今回開発したフロー型のマイクロ波合成装置は、温度で変化する照射対象の反応溶液の誘電特性や温度などの状態に対応して、マイクロ波のエネルギーを適切に制御でき、効率的な連続合成が行える。その実例として、有機半導体材料として知られるフラーレン誘導体の連続合成に取り組み、従来のフラーレン誘導体合成では用いることができなかった非ハロゲン系溶媒を用いて、1時間の運転で0.74 gの連続生産ができた。これは既報におけるマイクロ波加熱バッチ反応（0.04 g/h)の18倍、ヒーター加熱フロー反応(0.07 g/h)の10倍の生産性向上であり、低コスト化への貢献が期待される。
なお、この技術の詳細は、2018年4月11日（米国東部夏時間）にアメリカ化学会が発行する学術誌Journal of Organic Chemistryで発表される。
今回開発したフロー型マイクロ波合成装置とフラーレン誘導体連続合成の模式図
開発の社会的背景
従来の小型容器内で行うバッチ反応での有機合成では、生産規模を拡張する際に、実験室で見出した最適条件を再検討する必要があり、開発時間やコストの浪費が問題となる。これに対してチューブ内などで連続的に反応させるフロー反応では、実験室内での反応条件そのままで、運転時間延長によって生産量が確保できるため、容易に生産規模の拡張が可能である。そのため、さまざまな規模で多品種の生産が求められる製薬や機能材料分野で特に期待されている。
一方、マイクロ波加熱は、迅速な加熱による反応時間の短縮、収率向上、反応温度の低温化などの特長がある。しかし、これまで反応液の状態に応じた適切なマイクロ波照射が困難であったため、小さな反応容器を用いたバッチ反応での利用が主流であった。
研究の経緯
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、サイダから上市している。しかし加熱対象は水やアセトニトリルなど一部の極性溶媒に限られており、反応事例が少なかったので、各種の有機合成反応に対応できるように装置を改良し、信頼性を向上させ、実証試験を積み重ねる必要があった。本研究開発は、静岡県の「先端企業育成プロジェクト推進事業」の支援を受けて行った。
研究の内容
今回、各種の有機合成反応に対応できるように装置を改良し、信頼性を向上させ、合成の実証試験を積み重ねた。以前から両者で共同開発してきたフロー型マイクロ波合成装置は、主に以下の特長を備えている。1) 反応流路はガラス製の蛇菅構造の反応管を用いており、流路長が長いことでマイクロ波の照射時間を稼ぐことができる。2) この反応流路は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により、均一にマイクロ波加熱ができる。3) マイクロ波発振器として、携帯電話の地上局などにも用いられている半導体パワーデバイスを用いている。4) 背圧弁を用いて高圧（2.5 MPaまで）で反応を行うことができるため、沸点以上の高温での反応が可能である。
しかしながら上記装置を用いて、多様な条件での有機合成の実証実験を積み重ねる中で、以下の課題を解決する必要があった。マイクロ波加熱に使用できる周波数（ISM周波数帯）には規制があり、日本国内では主に2.45 GHz帯（2.45 GHz±50 MHz）が用いられる。この周波数帯では、トルエンなどの低極性溶媒はエネルギー吸収率が低いため加熱することは難しく、また一方で水などの非常に高い極性を持つ溶媒は加熱に伴ってマイクロ波の吸収量が大きく変化するため、温度上昇が頭打ちとなる。
そこで、この課題を解決するため、主に以下の装置改良を行うことで、適用溶媒の範囲を拡張した。1)加熱によって変化する内部の共振周波数を計測し、発振周波数を変調するフィードバックによって効率良くマイクロ波を照射できる制御システムを新たに開発し導入。2) キャビティを交換しなくても使用溶媒の誘電特性に合わせたキャビティのサイズや形態を簡便に調整する機構を導入。3) キャビティ内に誘電体を設置することにより共振周波数を調整する機構を導入。以上により、共振周波数をISM周波数帯域内に保ったまま、従来の有機合成で広く利用されている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。
図1 キャビティの内部（左）、反応管（中央）、マイクロ波加熱の模式図（右）
図2 フラーレン誘導体の合成スキーム
図3 フラーレン誘導体の従来の報告例と今回の結果
図4 条件②を用いて合成した他のフラーレン誘導体
モデル反応として、有機半導体材料として広く知られるフラーレン誘導体ICMAの効率的生産に取り組んだ（図2）。フラーレンにインデン１分子が結合するとICMA、2分子が結合するとICBAとなる。従来法と本手法の結果の比較を図3に示す。ヒーター加熱によるバッチ反応、マイクロ波加熱によるバッチ反応、ヒーター加熱によるフロー反応などのこれまでの報告では、いずれもインデンが過剰に付加したICBAが主生成物である。また、この反応では、1,2-ジクロロベンゼン（o-DCB）や1,2,4-トリクロロベンゼンなどのハロゲン系溶媒が使用されているため、環境負荷を考慮するとハロゲンを含まない溶媒の使用が望まれる。
そこで、非ハロゲン系溶媒であるトルエンを用いて、本装置で反応を行ったところ、到達温度190 ℃、キャビティ内滞留時間5.8分（流速0.9 mL/分）で、ICMAとICBAがそれぞれ57 %と19 %の収率で得られた（図3、条件①）。溶媒をフラーレン（炭素数60）の溶解性がより高いo-キシレンに変えたところ、収率をほぼ保ったまま、生産性が向上した（図3、条件②）。さらに、流速を増加させると、トルエンの場合に比べて70倍以上生産性が向上し、0.74 g/hに達した（図3、条件③）。これは、流速を上げても十分に加熱できるためである。
図3表中の条件②で、他の反応を試みたところ、図4に示す2種類の化合物の生成を確認した。フロー型マイクロ波合成装置は、他のフラーレン誘導体の合成にも適用できる。
今後の予定
今後は、滞留時間を延ばし生産量を増やすようフロー型マイクロ波合成装置の改良を進める。また、この装置を用いた他の有機材料の高効率合成手法を開発する。さらに従来のヒーターによる加熱では困難であった有機合成反応にも取り組み、新材料の探索と低コスト生産に寄与する。
用語の説明
- ◆マイクロ波加熱
- マイクロ波のエネルギーが極性を持つ物質に吸収され、エネルギーが熱になることで物質が加熱されること。外部からヒーターで加熱するよりも、熱伝導や対流の影響が少なく、特定の物質を選択的に急速に加熱できる。電子レンジの加熱では、水分がマイクロ波を吸収することによって加熱される。マイクロ波とは一般的に、300 MHz（メガヘルツ）から3 THz（テラヘルツ）［波長では1 mから100 μm（マイクロメートル）］の電磁波である。加熱に使用されるマイクロ波は、非通信用の周波数（ISM周波数帯）が用いられている。
- ◆低極性溶媒
- 極性とは分子の持つプラスとマイナスの偏りであり、トルエンやキシレンなどの単純な炭化水素の極性は低い。トルエンやキシレンは一般的な反応溶媒として用いられるが、極性が低いため、マイクロ波加熱の熱源として用いられる例は少なかった。本装置では流路に強い電界振動を与えることができるため、低極性溶媒でも十分に加熱ができる。
- ◆誘電特性
- 被照射体にマイクロ波を照射すると、電界に対応して被照射体を構成する原子・分子レベルの電気的な偏り（分極）が生じる。この偏りや、被照射体の温度によって、吸収されるマイクロ波の周波数や吸収率が変化する。効率的に加熱するためには、この特性変化に対応したマイクロ波の照射が必要である。
- ◆有機半導体
- 半導体特性を持つ有機物質のことで、軽量で柔軟性があることからフィルム基板上にデバイスを作製するフレキシブルエレクトロニクスや、印刷でデバイスを作製するプリンテッドエレクトロニクスへの実用化に向けた研究が行われている。
- ◆フラーレン誘導体、ICMA、ICBA
- 数十個の炭素原子のみからなる球状または楕円形状の化合物のことをフラーレンと呼ぶ。炭素原子60個からなりサッカーボール状の構造を持つC60フラーレンが最も一般的で、これを単にフラーレンと呼ぶことがある、他に炭素数が70個のフラーレンなどがある。
フラーレンは一般的な有機溶媒への溶解性が低いため、溶液の塗布または印刷によってデバイスを作製することが難しい。そこで、フラーレンに化合物を付加することにより溶解度を向上させる。フラーレンに化合物を付加したものをフラーレン誘導体といい、有機薄膜太陽電池やペロブスカイト太陽電池などの次世代太陽電池に用いられているが、実用化には、効率的な合成による低コスト化が必須である。インデンをC60に1つ付加させたモノアダクト（一分子付加）構造のICMA、2つ付加させたビスアダクト（二分子付加）構造のICBAなど、さまざまな誘導体構造が提案されている。 - ◆静岡県の「先端企業育成プロジェクト推進事業」
- 静岡県が、新技術・新製品の実用化を目的として産総研と共同研究を実施する企業を公募し、共同研究開発費を助成する事業。（2015年3月19日産総研プレス発表）
- ◆半導体パワーデバイス
- 電力を制御する半導体素子。インバーター、コンバーター、レギュレーター、周波数変換などの働きをする。マイクロ波の発振が可能な素子は、主に通信用デバイスとして開発されており、マイクロ波を高精度に制御できるので、今回の装置に利用した。なお、従来のマイクロ波加熱で用いられているマグネトロン発振器は、安価で高出力発信が可能であるが、マイクロ波を高精度に制御することは困難であった。
- ◆ISM周波数帯
- 国際電気通信連合（ITU）により、電波を無線通信以外に利用するために割り当てられたIndustry Science Medical（産業・科学・医療）周波数帯のこと。利用する目的によっていくつかの周波数帯が指定されているが、2.45 GHz帯（2.45 GHz±50 MHz）は電子レンジやプラズマ発生装置に使用されている。
- ◆共振周波数
- 特定の周波数でキャビティ内にエネルギーが蓄えられ振幅が最大になる現象を共振と呼び、その時の周波数が共振周波数である。共振周波数から外れた周波数では著しく加熱効率が下がる。
