JP2006248972A - Method of catalytic hydrogenation using microreactor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アルデヒド化合物またはニトロ化合物を、マイクロリアクターを用いて穏和な条件で効率的に接触水素化（還元）する方法に関する。 The present invention relates to a method for efficiently catalytic hydrogenation (reduction) of an aldehyde compound or a nitro compound under mild conditions using a microreactor.
近年、環境問題が注目されるようになってきており、環境負荷を低減した各種化学反応方法の開発が求められるようになってきている。 In recent years, environmental problems have attracted attention, and the development of various chemical reaction methods with reduced environmental loads has been demanded.
環境負荷を低減しつつ各種化学反応を進行させるためには、例えば、微生物や酵素を使用するといった方法が考えられる。しかし、微生物や酵素を用いた反応では、室温で反応を進行させることができるが、これらの反応では、反応系が水系に限定される、分離精製工程が煩雑になる等の問題があった。 In order to advance various chemical reactions while reducing the environmental load, for example, a method of using microorganisms or enzymes can be considered. However, in reactions using microorganisms and enzymes, the reaction can proceed at room temperature, but these reactions have problems such as the reaction system being limited to an aqueous system and the separation and purification process becoming complicated.
ところで、近年、１ｍｍ以下のマイクロ流路を有する微小反応器として、マイクロリアクターが用いられるようになってきている（例えば、非特許文献１）。マイクロリアクターを用いた反応は、微小空間で行われるため、微少量での合成ができることに加え、温度制御が容易であるといった利点に加え、単位面積当たりの表面積が非常に大きく、レイノルズ数が小さいので層流が容易に達成できるといった利点もある。そのため、穏和な条件で各種反応を進行させることができると期待される。 By the way, in recent years, a microreactor has come to be used as a microreactor having a microchannel of 1 mm or less (for example, Non-Patent Document 1). Since the reaction using a microreactor is performed in a minute space, in addition to being able to synthesize in a very small amount, the temperature control is easy, and the surface area per unit area is very large and the Reynolds number is small. Therefore, there is an advantage that laminar flow can be easily achieved. Therefore, it is expected that various reactions can proceed under mild conditions.
本発明の目的は、マイクロリアクターを用いることにより、従来の化学反応条件よりもより穏和な条件で、効率よく不飽和有機化合物（ニトロ化合物、アルデヒド化合物）を水素化する方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a method for efficiently hydrogenating unsaturated organic compounds (nitro compounds, aldehyde compounds) under milder conditions than conventional chemical reaction conditions by using a microreactor. .
本発明者は、前記課題を解決すべく、鋭意検討を重ねた結果、アルデヒド化合物や、ニトロ化合物を、マイクロリアクターを用いて水素化することにより、通常の反応条件と比較して、より穏和な条件でこれらの化合物を効率よく水素化できることを見出した。 As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventor has made hydrogenation of an aldehyde compound and a nitro compound using a microreactor, so that it is milder than normal reaction conditions. It was found that these compounds can be efficiently hydrogenated under conditions.
すなわち、本発明は、アルデヒド化合物を水素源と混合した後、水素化触媒を含むマイクロリアクターを通過させて接触水素化させることを特徴とするアルデヒド化合物の水素化方法；ニトロ化合物を水素源と混合した後、水素化触媒を含むマイクロリアクターを通過させて接触水素化させることを特徴とするニトロ化合物の水素化方法に関する。 That is, the present invention is a method for hydrogenating an aldehyde compound, wherein the aldehyde compound is mixed with a hydrogen source, then passed through a microreactor containing a hydrogenation catalyst and catalytically hydrogenated; the nitro compound is mixed with the hydrogen source. Then, the present invention relates to a method for hydrogenating a nitro compound, wherein the hydrogenation is carried out by passing through a microreactor containing a hydrogenation catalyst.
本発明によれば、従来の化学反応方法による水素化よりも低温、低圧で反応を効率よく進行させることができるため、反応に使用される消費エネルギーを低減でき、環境負荷を低減することができる。 According to the present invention, the reaction can be efficiently carried out at a lower temperature and lower pressure than hydrogenation by a conventional chemical reaction method, so that the energy consumption used for the reaction can be reduced and the environmental load can be reduced. .
本発明は、アルデヒド化合物またはニトロ化合物（以後、アルデヒド化合物、ニトロ化合物をまとめて単に基質という場合がある。）をマイクロリアクター中で接触水素化することにより穏和な条件で水素化を行う方法に関する。具体的には、粉末状水素化触媒を充填したマイクロリアクターを用い、水素源（水素）によるアルデヒド化合物またはニトロ化合物の水素化反応を促進し、穏和な条件で効率的に還元体を製造する方法であり、マイクロリアクターを用いた固体水素化触媒と、溶液間の二層系（固−液）の還元反応を含む方法である。 The present invention relates to a method for performing hydrogenation under mild conditions by catalytic hydrogenation of an aldehyde compound or a nitro compound (hereinafter, the aldehyde compound and the nitro compound may be simply referred to as a substrate) in a microreactor. Specifically, using a microreactor filled with a powdered hydrogenation catalyst, promoting a hydrogenation reaction of an aldehyde compound or a nitro compound with a hydrogen source (hydrogen), and efficiently producing a reductant under mild conditions The method includes a solid-state hydrogenation catalyst using a microreactor and a two-layer (solid-liquid) reduction reaction between solutions.
本発明で水素化の対象となるアルデヒド化合物としては、アルデヒド基を１つ以上有する化合物であれば、特に限定されず、公知のものを用いることができる。当該アルデヒド化合物は、一般式（１）：Ｒ１−ＣＨＯ（式中、Ｒ１は、置換基を有してもよいアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、フェニル基、ナフチル基またはビフェニル基を示す。）で表されるものが例示できる。 The aldehyde compound to be hydrogenated in the present invention is not particularly limited as long as it is a compound having one or more aldehyde groups, and known compounds can be used. The aldehyde compound has the general formula (1): R 1 —CHO (wherein R 1 represents an alkyl group, an alkenyl group, an alkynyl group, a phenyl group, a naphthyl group, or a biphenyl group, which may have a substituent. .) Can be exemplified.
上記式中、アルキル基としては、直鎖または分岐鎖の炭素数１〜２０のアルキル基が挙げられる。アルケニル基としては、直鎖または分岐鎖の炭素数１〜２０のアルケニル基が挙げられる。アルキニル基としては、直鎖または分岐鎖の炭素数１〜２０のアルキニル基が挙げられる。 In the above formula, examples of the alkyl group include linear or branched alkyl groups having 1 to 20 carbon atoms. Examples of the alkenyl group include linear or branched alkenyl groups having 1 to 20 carbon atoms. Examples of the alkynyl group include linear or branched alkynyl groups having 1 to 20 carbon atoms.
これらの具体例としては、例えば、アクロレイン、グリオキザール、クロトンアルデヒド、ｎ−ブチルアルデヒド、ヘプタナール、オクタナール、ステアリンアルデヒド、クロラール、アセトアルデヒド、フルフラール等の非芳香族アルデヒド化合物、ベンズアルデヒド等の芳香族アルデヒド化合物などが挙げられる。 Specific examples of these include non-aromatic aldehyde compounds such as acrolein, glyoxal, crotonaldehyde, n-butyraldehyde, heptanal, octanal, stearaldehyde, chloral, acetaldehyde and furfural, and aromatic aldehyde compounds such as benzaldehyde. Can be mentioned.
当該アルデヒド化合物のアルデヒド基（−ＣＨＯ）は、本発明の水素化方法により還元されて、通常、ヒドロキシメチル基（−ＣＨ２ＯＨ）に変換される。置換基として、不飽和結合、ハロゲン原子、カルボニル基等の還元されうる基を有する場合には、これらの基が還元された置換基を有する化合物が得られる。 The aldehyde group (—CHO) of the aldehyde compound is reduced by the hydrogenation method of the present invention and is usually converted to a hydroxymethyl group (—CH 2 OH). When the substituent has a group that can be reduced, such as an unsaturated bond, a halogen atom, or a carbonyl group, a compound having a substituent in which these groups are reduced is obtained.
本発明で水素化の対象となるニトロ化合物としては、ニトロ基を１つ以上有する化合物であれば、特に限定されず、公知のものを用いることができる。当該ニトロ化合物は、一般式（２）Ｒ２−ＮＯ２（式中、Ｒ２は、置換基を有してもよいアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、フェニル基、ナフチル基、（その他あれば追加してください）またはビフェニル基を示す。）で表されるものが例示できる。 The nitro compound to be hydrogenated in the present invention is not particularly limited as long as it is a compound having one or more nitro groups, and known compounds can be used. The nitro compound has the general formula (2) R 2 —NO 2 (wherein R 2 is an alkyl group, alkenyl group, alkynyl group, phenyl group, naphthyl group, which may have a substituent) Add) or a biphenyl group)).
上記式中、アルキル基としては、直鎖または分岐鎖の炭素数１〜２０のアルキル基が挙げられる。アルケニル基としては、直鎖または分岐鎖の炭素数１〜２０のアルケニル基が挙げられる。アルキニル基としては、直鎖または分岐鎖の炭素数１〜２０のアルキニル基が挙げられる。 In the above formula, examples of the alkyl group include linear or branched alkyl groups having 1 to 20 carbon atoms. Examples of the alkenyl group include linear or branched alkenyl groups having 1 to 20 carbon atoms. Examples of the alkynyl group include linear or branched alkynyl groups having 1 to 20 carbon atoms.
これらの具体例としては、例えば、ニトロエタン、１−ニトロプロパン、２−ニトロプロパン、１−ニトロブタン、１−ニトロ−ｎ−ペンタン等のニトロアルカン類、ニトロエチレン、１−ニトロ−１−プロペン、３−ニトロ−１−プロペン、１−ニトロ−２−メチル−１−プロペン等のニトロアルケン、２−ニトロエタノール、３−ニトロ−１−プロパノール、２−ニトロ−１−プロパノール等のニトロアルコール、メチル−２−ニトロエチルエーテル、３−メトキシ−２−ニトロブタン等のニトロエーテル類、ニトロアセトン等のニトロケトン類などの非芳香族ニトロ化合物、ｐ−ニトロトルエン、ｏ−ニトロトルエン、ニトロベンゼン、ジニトロトルエン、ピクリン酸、テトリル等の芳香族ニトロ化合物などが挙げられる。 Specific examples thereof include, for example, nitroalkanes such as nitroethane, 1-nitropropane, 2-nitropropane, 1-nitrobutane, 1-nitro-n-pentane, nitroethylene, 1-nitro-1-propene, 3 Nitroalkenes such as nitro-1-propene and 1-nitro-2-methyl-1-propene, nitroalcohols such as 2-nitroethanol, 3-nitro-1-propanol and 2-nitro-1-propanol, methyl- Non-aromatic nitro compounds such as 2-nitroethyl ether and 3-methoxy-2-nitrobutane, nitroketones such as nitroacetone, p-nitrotoluene, o-nitrotoluene, nitrobenzene, dinitrotoluene, picric acid, tetril Aromatic nitro compounds such as
当該ニトロ化合物のニトロ基（−ＮＯ２）は、本発明の水素化方法により還元されて、通常、アミノ基（−ＮＨ２）に変換される。置換基として、不飽和結合、ハロゲン原子、カルボニル基等の還元されうる基を有する場合には、これらの基が還元された置換基を有する化合物が得られる。 The nitro group (—NO 2 ) of the nitro compound is reduced by the hydrogenation method of the present invention and is usually converted to an amino group (—NH 2 ). When the substituent has a group that can be reduced, such as an unsaturated bond, a halogen atom, or a carbonyl group, a compound having a substituent in which these groups are reduced is obtained.
本発明で用いるマイクロリアクターとは、化学反応を行うために用いられる小型の三次元構造体であり、微細流路を有する微小反応器を意味し、このような微小反応器であれば特に限定されない。当該マイクロリアクターは、例えば、”Microreactors New Technology for Modern Chemistry”(Wolfgang Ehrfeld, Volker Hessel, Holger Loewe著、WILEY-VCH社 2000年発行)等に記載されている。本発明においてはこれらマイクロリアクターを広く用いることができる。 The microreactor used in the present invention is a small three-dimensional structure used for performing a chemical reaction, and means a microreactor having a microchannel, and is not particularly limited as long as it is such a microreactor. . The microreactor is described in, for example, “Microreactors New Technology for Modern Chemistry” (Wolfgang Ehrfeld, Volker Hessel, Holger Loewe, published by WILEY-VCH 2000). In the present invention, these microreactors can be widely used.
マイクロリアクターを用いた反応は、微小空間中で反応を行うため、微少量の合成が可能となるうえ、温度制御を精密に効率よく行うことができる。また、単位面積あたりの表面積が大きくなり、レイノルズ数が小さいために層流が容易に達成できる。 Since the reaction using a microreactor is performed in a minute space, a very small amount of synthesis is possible, and temperature control can be precisely and efficiently performed. Further, since the surface area per unit area is large and the Reynolds number is small, laminar flow can be easily achieved.
マイクロリアクターに供給される原料同士の混合手段は、上述の”Microreactors New Technology for Modern Chemistry”(Wolfgang Ehrfeld, Volker Hessel, Holger Loewe著、WILEY-VCH社 2000年発行)の４３〜４６頁に記載されている種々のものを用いることができる。 The means for mixing raw materials supplied to the microreactor is described on pages 43 to 46 of the above-mentioned "Microreactors New Technology for Modern Chemistry" (Wolfgang Ehrfeld, Volker Hessel, Holger Loewe, published by WILEY-VCH 2000). The various things which can be used can be used.
マイクロリアクターの具体例としては、インスティテュート・フュール・マイクロテクニック・マインツ社（Institute fur Mikrotechnik Mainz GmbH, Germany）（以下、ＩＭＭ社という場合がある。）の刊行物に記載されたマイクロリアクター、セルラー・プロセス・ケミストリー社（Cellular Process Chemistry Systems GmbH, Frankfurt/Main）のセレクト(Selecto；商標)、シトス（Cytos；商標）等を挙げることができる。その他、ＷＯ９６／１２５４０、ＷＯ９６／１２５４１、特表２００１−５２１８１６号公報、特開２００２−１８２７１号公報、特開２００２−５８４７０号公報、特開２００２−９０３５７号公報、特開２００２−１０２６８１号公報等に記載されたマイクロリアクター等を挙げることもできる。 Specific examples of microreactors include microreactors and cellular processes described in publications of Institute fur Mikrotechnik Mainz GmbH, Germany (hereinafter sometimes referred to as IMM). Examples thereof include Selecto (trademark) and Cytos (trademark) of Chemistry (Cellular Process Chemistry Systems GmbH, Frankfurt / Main). In addition, WO96 / 12540, WO96 / 12541, JP-T-2001-521816, JP-A-2002-18271, JP-A-2002-58470, JP-A-2002-90357, JP-A-2002-102681, etc. And the microreactor described in the above.
本発明のマイクロリアクターの典型例としては、その流路の直径（内径）が１ｍｍ程度以下、好ましくは０．０１〜１ｍｍ程度、より好ましくは０．１〜１ｍｍ程度のものが挙げられる。流路をこのような範囲にすることでリアクターの形状は特に限定されない。例えば、キャピラリー状、チューブ状、基板状に流路を形成したものなどが挙げられる。その流路の長さは、還元対象物、水素化反応の条件、触媒の種類などに応じて変化するが、通常、１〜１００ｃｍ程度、好ましくは５〜５０ｃｍ程度であればよい。 A typical example of the microreactor of the present invention is one having a diameter (inner diameter) of the flow path of about 1 mm or less, preferably about 0.01 to 1 mm, more preferably about 0.1 to 1 mm. By setting the flow path in such a range, the shape of the reactor is not particularly limited. For example, a capillary shape, a tube shape, or a substrate having a channel formed therein can be used. The length of the flow path varies depending on the object to be reduced, the hydrogenation reaction conditions, the type of catalyst, and the like, but is usually about 1 to 100 cm, preferably about 5 to 50 cm.
本発明のマイクロリアクターには、後述する水素化触媒が充填されている。具体的には、例えば、内径１ｍｍ以下のリアクター流路に、０．１〜１００μｍ程度の微粉末状の水素化触媒が充填されてなる。基質溶液と水素源との混合物を、充填された水素化触媒に接触させながらマイクロリアクターの微細流路を通過させることにより、当該基質を効果的に還元することができる。これにより、バルク還元では達成できない良好な収率で目的物である還元体を得ることができる。 The microreactor of the present invention is filled with a hydrogenation catalyst described later. Specifically, for example, a reactor flow path having an inner diameter of 1 mm or less is filled with a fine powder hydrogenation catalyst of about 0.1 to 100 μm. The substrate can be effectively reduced by passing the mixture of the substrate solution and the hydrogen source through the microchannel of the microreactor while being in contact with the filled hydrogenation catalyst. Thereby, the reduced form which is a target object can be obtained with the favorable yield which cannot be achieved by bulk reduction.
本発明のマイクロリアクターの材質は水素化反応に悪影響を与えない材料であれば特に限定はなく、例えば、ガラス、アルミニウム、ＳＵＳ、プラスチック（特に、ポリエーテルエーテルケトンなどのエンジニアリングプラスチック）などを適宜選択して用いることができる。 The material of the microreactor of the present invention is not particularly limited as long as it does not adversely affect the hydrogenation reaction. For example, glass, aluminum, SUS, plastic (especially engineering plastic such as polyetheretherketone), etc. are appropriately selected. Can be used.
本発明のマイクロリアクター内で用いられる水素化触媒としては、パラジウム触媒、ニッケル触媒、白金触媒、ルテニウム触媒、レニウム触媒、銅触媒、ロジウム触媒またはこれらの混合触媒等が挙げられ、中でも反応性、経済性の点から、パラジウム触媒、ニッケル触媒、白金触媒、ルテニウム触媒が好ましい。 Examples of the hydrogenation catalyst used in the microreactor of the present invention include a palladium catalyst, a nickel catalyst, a platinum catalyst, a ruthenium catalyst, a rhenium catalyst, a copper catalyst, a rhodium catalyst, or a mixed catalyst thereof. From the viewpoint of properties, a palladium catalyst, a nickel catalyst, a platinum catalyst, and a ruthenium catalyst are preferable.
パラジウム触媒としては、例えば、パラジウムカーボン、パラジウムアルミナ、パラジウムシリカ、パラジウムシリカアルミナ、ゼオライト担持パラジウム、などが挙げられ、ニッケル触媒としては、例えばニッケル珪藻土、スポンジニッケル、ニッケルアルミナ、ニッケルシリカ、ニッケルカーボンなどが挙げられ、白金触媒としては、例えば白金シリカ、白金シリカアルミナ、ゼオライト担持白金などが挙げられ、ルテニウム触媒としては、例えばルテニウムカーボン、ルテニウムアルミナ、ルテニウムシリカ、ルテニウムシリカアルミナ、ゼオライト担持ルテニウムなどが挙げられる。 Examples of the palladium catalyst include palladium carbon, palladium alumina, palladium silica, palladium silica alumina, palladium on zeolite, and the like. Examples of the nickel catalyst include nickel diatomaceous earth, sponge nickel, nickel alumina, nickel silica, nickel carbon, and the like. Examples of the platinum catalyst include platinum silica, platinum silica alumina, and platinum supported on zeolite. Examples of the ruthenium catalyst include ruthenium carbon, ruthenium alumina, ruthenium silica, ruthenium silica alumina, and ruthenium supported on zeolite. It is done.
水素化触媒は、マイクロリアクターの微細流路に充填できる微粉末が好ましく、その平均粒子径は、通常、０．１〜１００μｍ程度、特に１〜５０μｍ程度が好適である。微細流路に充填する場合には、触媒表面の増大および反応器への触媒充填の容易さの点から、（触媒の平均粒子径）／（流路の直径）を０．１程度以下、特に０．０７以下とすることが好ましい。また、流体の圧力損失の点から（触媒の平均粒子径）／（流路の直径）を０．０００１程度以上、特に０．００１以上とすることが好ましい。 The hydrogenation catalyst is preferably a fine powder that can be filled in a microchannel of a microreactor, and the average particle size is usually about 0.1 to 100 μm, particularly about 1 to 50 μm. In the case of filling the fine channel, the (average catalyst particle diameter) / (channel diameter) is about 0.1 or less, particularly from the viewpoint of the increase of the catalyst surface and the ease of catalyst filling into the reactor. It is preferable to set it to 0.07 or less. Further, from the viewpoint of the pressure loss of the fluid, (the average particle diameter of the catalyst) / (the diameter of the flow path) is preferably about 0.0001 or more, particularly preferably 0.001 or more.
水素化触媒は、直接リアクター内に充填しても良く、水素化触媒を担体に担持したものをリアクター内に充填しても良い。水素化触媒を担持する担体としては、例えば、チタニア、シリカ、アルミナ、ジルコニア、活性炭等が挙げられる。水素化触媒を触媒に担持する方法としては、沈殿法、か焼法、含浸法、イオン交換法等の公知の方法を採用すればよい。担体を用いる場合のその粒径は、水素化触媒そのものを用いる場合の前記平均粒子径の範囲とすることが好ましい。 The hydrogenation catalyst may be filled directly into the reactor, or the hydrogenation catalyst supported on a carrier may be filled into the reactor. Examples of the carrier supporting the hydrogenation catalyst include titania, silica, alumina, zirconia, activated carbon and the like. As a method for supporting the hydrogenation catalyst on the catalyst, a known method such as a precipitation method, a calcination method, an impregnation method, or an ion exchange method may be employed. The particle diameter in the case of using a support is preferably in the range of the average particle diameter in the case of using the hydrogenation catalyst itself.
水素化触媒をリアクター内に充填する方法としては特に限定されず、公知の方法を採用することができるが、例えば、水素化触媒を、当該触媒を溶解しない溶媒に分散させて、０．０１〜１０ｍｌ／分、好ましくは０．０５〜０．５ｍｌ／分の流速で加圧・振動させながらマイクロリアクター内に充填することが好ましい。 The method for filling the hydrogenation catalyst into the reactor is not particularly limited, and a known method can be adopted. For example, the hydrogenation catalyst is dispersed in a solvent that does not dissolve the catalyst, and 0.01 to The microreactor is preferably filled while being pressurized and vibrated at a flow rate of 10 ml / min, preferably 0.05 to 0.5 ml / min.
水素化触媒のマイクロリアクター内への充填密度は、通常、０．０５〜５ｇ／ｍｌ程度、好ましくは０．１〜０．５ｇ／ｍｌであり、水素化触媒の比表面積１〜２０００ｍ２／ｇ程度、好ましくは５０〜１５００ｍ２／ｇである。 The packing density of the hydrogenation catalyst into the microreactor is usually about 0.05 to 5 g / ml, preferably 0.1 to 0.5 g / ml, and the specific surface area of the hydrogenation catalyst is 1 to 2000 m 2 / g. Degree, preferably 50-1500 m 2 / g.
本発明で用いられる水素源としては、水素、ギ酸（またはその塩）およびＮＨ２ＮＨ２等が例示され、好ましくは水素である。 Examples of the hydrogen source used in the present invention include hydrogen, formic acid (or a salt thereof), NH 2 NH 2 and the like, preferably hydrogen.
本発明で用いられる溶媒は、前記基質および水素源を溶解しやすく、基質と反応せず、その溶媒自身が水素化されないものであり、基質の種類に応じて適宜選択すれば良い。具体的には、例えば、エーテル系溶媒（例えば、ジエチルエーテル、ジオキサン、テトラヒドロフランなど）、炭化水素系溶媒（例えば、ヘキサン、ヘプタン、シクロヘキサン、石油エーテル等）、アルコール系溶媒（例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール等）などが挙げられる。なお、これら溶媒は、混合溶媒であっても良い。 The solvent used in the present invention is easy to dissolve the substrate and the hydrogen source, does not react with the substrate, and the solvent itself is not hydrogenated, and may be appropriately selected according to the type of the substrate. Specifically, for example, ether solvents (for example, diethyl ether, dioxane, tetrahydrofuran, etc.), hydrocarbon solvents (for example, hexane, heptane, cyclohexane, petroleum ether, etc.), alcohol solvents (for example, methanol, ethanol, Propanol, butanol, pentanol, hexanol, etc.). These solvents may be mixed solvents.
本発明の水素化は、基質を、マイクロリアクターを通過させることにより行われる。
基質をマイクロリアクターに供給する際には、通常、基質を溶媒に溶解して溶液として供給する。溶液の濃度は、基質の溶媒に対する溶解度にもよるが、通常１〜１００重量％程度、特に１〜５０重量％程度であれば良い。
The hydrogenation of the present invention is performed by passing the substrate through a microreactor.
When supplying a substrate to a microreactor, the substrate is usually dissolved in a solvent and supplied as a solution. The concentration of the solution is usually about 1 to 100% by weight, particularly about 1 to 50% by weight, although it depends on the solubility of the substrate in the solvent.
基質溶液は、通常、送液ポンプによりミキサーに送られ、水素源と混合される。ミキサーとしては、Ｔ字型ミキサー等の公知のミキサーを採用することができる。特に、水素源として水素を用いた場合、ミキサーでは気−液混合となるため、混合時に微小流を発生し、効率的に混合できるマイクロミキサーを採用するのが好ましい。マイクロミキサーとは、２種以上の被混合物を微小流とし、これら微小流を衝突させて混合させることにより混合効率を高めることを目的とする混合装置である。マイクロミキサーを用いることにより効率的かつ均質に基質と水素源を混合できるため、マイクロリアクター内での水素化反応の性が向上する。なお、マイクロミキサーの具体例としては、ＩＭＭ社のマイクロミキサーを例示できる The substrate solution is usually sent to a mixer by a feed pump and mixed with a hydrogen source. As the mixer, a known mixer such as a T-shaped mixer can be employed. In particular, when hydrogen is used as the hydrogen source, since the mixer performs gas-liquid mixing, it is preferable to employ a micromixer that generates a micro flow during mixing and can be mixed efficiently. A micromixer is a mixing device intended to increase mixing efficiency by making two or more types of mixed materials into microflows and colliding the microstreams for mixing. By using a micromixer, the substrate and the hydrogen source can be mixed efficiently and uniformly, so that the hydrogenation reaction in the microreactor is improved. As a specific example of the micromixer, a micromixer manufactured by IMM can be exemplified.
水素源として水素を用いた場合には、ミキサーにおける水素と基質の混合比（モル比）は、反応条件により適宜選択できるが、例えば、水素：基質＝０．１：１〜１００００：１程度、好ましくは１：１〜１００：１程度であればよい。水素の量が少なすぎると還元反応が不十分となり、多すぎると生産性が悪くなる。 When hydrogen is used as the hydrogen source, the mixing ratio (molar ratio) of hydrogen and substrate in the mixer can be appropriately selected depending on the reaction conditions. For example, hydrogen: substrate = 0.1: 1 to about 10,000: 1, Preferably, it may be about 1: 1 to 100: 1. If the amount of hydrogen is too small, the reduction reaction will be insufficient, and if it is too large, the productivity will deteriorate.
また、上記の混合物は、基質がリアクター内に０．５〜６０分程度滞留するように、その流速を適宜選択すれば良い。 The flow rate of the above mixture may be appropriately selected so that the substrate stays in the reactor for about 0.5 to 60 minutes.
ミキサーで混合された混合物は、マイクロリアクターに供給される。リアクター内における反応条件は、基質の種類に応じて適宜選択すればよい。例えば、リアクター内の内応圧力は、常圧でも加圧でも良く、通常０．１〜２０ＭＰａ程度であれば良い。また、リアクター内の反応温度は、通常１０〜３００℃程度であればよい。 The mixture mixed by the mixer is supplied to the microreactor. What is necessary is just to select the reaction conditions in a reactor suitably according to the kind of substrate. For example, the internal pressure in the reactor may be normal pressure or pressurization, and is usually about 0.1 to 20 MPa. Moreover, the reaction temperature in a reactor should just be about 10-300 degreeC normally.
具体的には、アルデヒド化合物の水素化では、通常、圧力０．１〜５ＭＰａ程度で、温度１０〜１００℃程度であればよい。 Specifically, in the hydrogenation of an aldehyde compound, the pressure is usually about 0.1 to 5 MPa and the temperature is about 10 to 100 ° C.
ニトロ化合物の水素化では、通常、圧力０．１〜２０ＭＰａ程度で、温度１０〜２５０℃程度であればよい。より具体的には、ニッケル触媒を用いる場合には、０．１〜２０ＭＰａ程度、５０〜２５０℃程度が好ましく、パラジウム触媒、白金触媒、ルテニウム触媒、レニウム触媒を用いる場合には、０．１〜５ＭＰａ程度、１０〜１５０℃程度が好ましい。 In hydrogenation of a nitro compound, the pressure is usually about 0.1 to 20 MPa and the temperature is about 10 to 250 ° C. More specifically, when using a nickel catalyst, about 0.1-20 MPa and about 50-250 degreeC are preferable, and when using a palladium catalyst, a platinum catalyst, a ruthenium catalyst, and a rhenium catalyst, it is 0.1 About 5 MPa and about 10 to 150 ° C. are preferable.
反応後、反応混合物を回収し、公知の方法により所望の水素化物（還元体）を精製単離すれば良い。 After the reaction, the reaction mixture may be recovered and the desired hydride (reduced form) may be purified and isolated by a known method.
なお、当該マイクロリアクターに、リアクター内の圧力を一定にするために圧力調節弁（例えば、商品名：バックプレッシャーレギュレーターＰ−７８７、Upchurch Scientific製）を用いた場合には、目的物の収率を向上させることができるため好ましい。また、水素ガスの供給速度を一定にするために、ガス流量調節機（例えば、商品名：マスフローコントローラー５８５０Ｓ、Brooks製）を用いた場合には、反応の再現性を向上させることができるため好ましい。 In addition, when a pressure control valve (for example, trade name: Back Pressure Regulator P-787, manufactured by Upchurch Scientific) is used in the microreactor in order to keep the pressure in the reactor constant, the yield of the target product is reduced. It is preferable because it can be improved. Further, in order to make the supply rate of hydrogen gas constant, it is preferable to use a gas flow controller (for example, trade name: Mass Flow Controller 5850S, manufactured by Brooks) because the reproducibility of the reaction can be improved. .
なお、本発明のマイクロリアクターを用いて大量に目的物を合成する場合には、ナンバーリングアップという手法を用いることができる。ナンバーリングアップ法とは、複数のリアクターを用いて反応を行い、単位時間当たりの生産性を向上させるための方法である。具体的には、例えば、前記水素化触媒を充填したマイクロリアクターを複数並列に接続する方法や、直径1mm以下の微細流路を複数構成する容器に水素化触媒を充填したリアクターを用いる方法などが挙げられる。 In addition, when synthesizing a target object in large quantities using the microreactor of the present invention, a technique called numbering up can be used. The numbering-up method is a method for improving productivity per unit time by performing a reaction using a plurality of reactors. Specifically, for example, a method of connecting a plurality of microreactors filled with the hydrogenation catalyst in parallel, a method of using a reactor filled with a hydrogenation catalyst in a container having a plurality of fine flow channels having a diameter of 1 mm or less, etc. Can be mentioned.
実施例１ （オクタナールの水素化反応）
５％Ｒｕ／Ｃ粉末（平均粒径２０μｍ；エヌ・イー・ケムキャット（株）製）０．０５ｇを充填した内径１ｍｍ、長さ１５ｃｍのカラムをフローリアクターとして用いた。オクタナールのエタノール溶液（０．０３ｍｏｌ／ｌ）と水素ガスをＴ字型のミキサーで混合し、０．５ＭＰａの圧力でフローリアクターに導入した。なお、オクタナール溶液の送液速度を０．０３８ｍｌ／分に（滞留時間：１．６分）、反応温度を室温に設定した。
反応生成物をガスクロマトグラフにより分析した。その結果、オクタノールが１００％得られた。
Example 1 (hydrogen reaction of octanal)
A column having an inner diameter of 1 mm and a length of 15 cm packed with 0.05 g of 5% Ru / C powder (average particle diameter 20 μm; manufactured by NEM Chemcat Co., Ltd.) was used as a flow reactor. An ethanol solution of octanal (0.03 mol / l) and hydrogen gas were mixed with a T-shaped mixer and introduced into the flow reactor at a pressure of 0.5 MPa. The feeding speed of the octanal solution was set to 0.038 ml / min (residence time: 1.6 minutes), and the reaction temperature was set to room temperature.
The reaction product was analyzed by gas chromatography. As a result, 100% octanol was obtained.
比較例１
内容積５０ｍｌのオートクレーブにオクタナールのエタノール溶液（０．０３ｍｏｌ／ｌ）１５ｍｌ、５％Ｒｕ／Ｃ粉末（平均粒径２０μｍ；エヌ・イー・ケムキャット（株）製）０．０５ｇを入れた。反応器内を３回水素置換した後、０．５ＭＰａの水素を導入し、攪拌を始め室温で１．６分間反応を行った。
反応生成物をガスクロマトグラフにより分析した。その結果、原料のオクタナールが９５％残存し、オクタノールが５％得られた。
Comparative Example 1
An autoclave having an internal volume of 50 ml was charged with 15 ml of octanal ethanol solution (0.03 mol / l) and 0.05 g of 5% Ru / C powder (average particle diameter 20 μm; manufactured by N.E. Chemcat Co., Ltd.). After the inside of the reactor was replaced with hydrogen three times, 0.5 MPa of hydrogen was introduced, and stirring was started and the reaction was performed at room temperature for 1.6 minutes.
The reaction product was analyzed by gas chromatography. As a result, 95% of the starting octanal remained and 5% of octanol was obtained.
実施例２ （オクタナールの水素化反応）
５％Ｐｄ／Ｃ粉末（平均粒径３７μｍ；エヌ・イー・ケムキャット（株）製）０．０５ｇを充填した内径１ｍｍ、長さ１５ｃｍのカラムをフローリアクターとして用いた。オクタナールのエタノール溶液（０．０３ｍｏｌ／ｌ）と水素ガスをＴ字型のミキサーで混合し、０．２ＭＰａの圧力でフローリアクターに導入した。なお、オクタナール溶液の送液速度を０．０３８ｍｌ／分に（滞留時間：１．６分）、反応温度を室温に設定した。
反応生成物をガスクロマトグラフにより分析した。その結果、原料のオクタナールは消失し、オクタノール９８％が得られた。
Example 2 (hydrogen reaction of octanal)
A column having a diameter of 1 mm and a length of 15 cm packed with 0.05 g of 5% Pd / C powder (average particle size: 37 μm; manufactured by N.E. Chemcat Co., Ltd.) was used as a flow reactor. An ethanol solution of octanal (0.03 mol / l) and hydrogen gas were mixed with a T-shaped mixer and introduced into the flow reactor at a pressure of 0.2 MPa. The feeding speed of the octanal solution was set to 0.038 ml / min (residence time: 1.6 minutes), and the reaction temperature was set to room temperature.
The reaction product was analyzed by gas chromatography. As a result, the raw material octanal disappeared and 98% octanol was obtained.
比較例２
内容積５０ｍｌのオートクレーブにオクタナールのエタノール溶液（０．０３ｍｏｌ／ｌ）１５ｍｌ、５％Ｐｄ／Ｃ粉末（平均粒径３７μｍ；エヌ・イー・ケムキャット（株）製）０．０５ｇを入れた。反応器内を３回水素置換した後、０．２ＭＰａの水素を導入し、攪拌を始め室温で１．６分間反応を行った。
反応生成物をガスクロマトグラフにより分析した。その結果、原料のオクタナールが９２％残存し、オクタノールが８％得られた。
Comparative Example 2
An autoclave having an internal volume of 50 ml was charged with 15 ml of octanal ethanol solution (0.03 mol / l) and 0.05 g of 5% Pd / C powder (average particle size 37 μm; manufactured by N.E. Chemcat Co., Ltd.). After the inside of the reactor was replaced with hydrogen three times, 0.2 MPa of hydrogen was introduced, and stirring was started and the reaction was performed at room temperature for 1.6 minutes.
The reaction product was analyzed by gas chromatography. As a result, 92% of the starting octanal remained and 8% of octanol was obtained.
実施例３ （１−ニトロプロパンの水素化反応）
５％Ｐｄ／Ｃ粉末（平均粒径３７μｍ；エヌ・イー・ケムキャット（株）製）０．０５ｇを充填した内径１ｍｍ、長さ１５ｃｍのカラムをフローリアクターとして用いた。１−ニトロプロパンのエタノール溶液（０．０３ｍｏｌ／ｌ）と水素ガスをＴ字型のミキサーで混合し、０．５ＭＰａの圧力でフローリアクターに導入した。なお、１−ニトロプロパン溶液の送液速度を０．０３８ｍｌ／分に（滞留時間：１．６分）、反応温度を５０℃に設定した。
反応生成物をガスクロマトグラフにより分析した。その結果、１−ニトロプロパンが５４％残存し、プロピルアミンが４５％得られた。
Example 3 (hydrogenation reaction of 1-nitropropane)
A column having a diameter of 1 mm and a length of 15 cm packed with 0.05 g of 5% Pd / C powder (average particle size: 37 μm; manufactured by N.E. Chemcat Co., Ltd.) was used as a flow reactor. An ethanol solution of 1-nitropropane (0.03 mol / l) and hydrogen gas were mixed with a T-shaped mixer and introduced into the flow reactor at a pressure of 0.5 MPa. The feeding speed of the 1-nitropropane solution was set to 0.038 ml / min (residence time: 1.6 minutes), and the reaction temperature was set to 50 ° C.
The reaction product was analyzed by gas chromatography. As a result, 54% of 1-nitropropane remained and 45% of propylamine was obtained.
比較例３
内容積５０ｍｌのオートクレーブに１−ニトロプロパンのエタノール溶液（０．０３ｍｏｌ／ｌ）１５ｍｌ、５％Ｐｄ／Ｃ粉末（平均粒径３７μｍ；エヌ・イー・ケムキャット（株）製）０．０５ｇを入れた。反応器内を３回水素置換した後、０．５ＭＰａの水素を導入し、攪拌を始め５０℃で１．６分間反応を行った。
反応生成物をガスクロマトグラフにより分析した。その結果、原料の１−ニトロプロパンが１００％残存した。
Comparative Example 3
An autoclave with an internal volume of 50 ml was charged with 15 ml of 1-nitropropane ethanol solution (0.03 mol / l) and 0.05 g of 5% Pd / C powder (average particle size 37 μm; manufactured by N.E. Chemcat Co., Ltd.). . After the inside of the reactor was replaced with hydrogen three times, 0.5 MPa of hydrogen was introduced, and stirring was started and the reaction was performed at 50 ° C. for 1.6 minutes.
The reaction product was analyzed by gas chromatography. As a result, 100% of the raw material 1-nitropropane remained.
実施例４ （ｐ−ニトロトルエンの水素化反応）
５％Ｐｄ／Ｃ粉末（平均粒径３７μｍ；エヌ・イー・ケムキャット（株）製）０．０５ｇを充填した内径１ｍｍ、長さ１５ｃｍのカラムをフローリアクターとして用いた。ｐ−ニトロトルエンの２−プロパノール溶液（０．０３ｍｏｌ／ｌ）と水素ガスをＴ字型のミキサーで混合し、１ＭＰａの圧力でフローリアクターに導入した。なお、ｐ−ニトロトルエン溶液の送液速度を０．０３８ｍｌ／分に（滞留時間：１．６分）、反応温度を１２０℃に設定した。
反応生成物をガスクロマトグラフにより分析した。その結果、ｐ−トルイジンが８６％得られた。
Example 4 (hydrogenation reaction of p-nitrotoluene)
A column having a diameter of 1 mm and a length of 15 cm packed with 0.05 g of 5% Pd / C powder (average particle size: 37 μm; manufactured by N.E. Chemcat Co., Ltd.) was used as a flow reactor. A 2-propanol solution of p-nitrotoluene (0.03 mol / l) and hydrogen gas were mixed with a T-shaped mixer and introduced into the flow reactor at a pressure of 1 MPa. The feeding rate of the p-nitrotoluene solution was set to 0.038 ml / min (residence time: 1.6 minutes), and the reaction temperature was set to 120 ° C.
The reaction product was analyzed by gas chromatography. As a result, 86% of p-toluidine was obtained.
比較例４
内容積５０ｍｌのオートクレーブにｐ−ニトロトルエンの2−プロパノール溶液（０．０３ｍｏｌ／ｌ）１５ｍｌ、５％Ｐｄ／Ｃ粉末（平均粒径３７μｍ；エヌ・イー・ケムキャット（株）製）０．０５ｇを入れた。反応器内を３回水素置換した後、１ＭＰａの水素を導入し、攪拌を始め室温で１．６分間反応を行った。
反応生成物をガスクロマトグラフにより分析した。その結果、原料のp−ニトロトルエンが９８％残存し、ｐ−トルイジンが２％得られた。
Comparative Example 4
Into an autoclave with an internal volume of 50 ml, p-nitrotoluene in a 2-propanol solution (0.03 mol / l) 15 ml, 5% Pd / C powder (average particle size 37 μm; manufactured by NEM Chemcat Co., Ltd.) 0.05 g It was. After the inside of the reactor was replaced with hydrogen three times, 1 MPa of hydrogen was introduced, and stirring was started and the reaction was performed at room temperature for 1.6 minutes.
The reaction product was analyzed by gas chromatography. As a result, 98% of the raw material p-nitrotoluene remained and 2% of p-toluidine was obtained.
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