(57)【要約】【課題】複数の有機化合物を連続的に合成することができる高温高圧水によるマルチ有機合成方法及び有機化合物合成システムを提供する。【解決手段】一つの原料から、少なくとも３種類の有機化合物を合成するマルチ有機合成方法であって、亜臨海状態ないし超臨海状態の水又は二酸化炭素等の高温高圧状態の反応媒体中、無触媒で、乳酸を、α−アラニン、アクリル酸、又は、β−アラニンへ変換することを特徴とするマルチ有機合成方法、及びその有機化合物合成システム。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一つの原料から、少なくとも３種類の有機化合物を合成するマルチ有機合成方法であって、高温高圧状態の反応媒体中、無触媒で、乳酸を、α−アラニン、アクリル酸、又は、β−アラニンへ変換することを特徴とするマルチ有機合成方法。
【請求項２】
乳酸をアンモニアの存在下でα―アラニンに変換する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
乳酸をアクリル酸に変換し、これをアンモニアの存在下でβ−アラニンに変換する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
高温高圧状態の反応媒体が、温度１００〜５００℃、圧力０．１〜５０ＭＰａである、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
高温高圧状態の反応媒体が、亜臨界状態ないし超臨界状態の反応媒体である、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
高温高圧状態の反応媒体が、水又は二酸化炭素である、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
請求項１に記載のマルチ有機合成方法で使用する、反応基質及び又は反応媒体を所定の温度に急速に昇温させて反応させる有機化合物合成システムであって、高温高圧媒体供給手段、該手段から高温高圧媒体を送液する高温高圧ライン系、該ライン系に接続された反応器、該反応器を収容するオーブン、該反応器に反応基質を導入するための反応基質供給手段、及び反応基質導入ライン、及び、温度調節用媒体供給手段、及び、該媒体導入ラインを構成要素として含み、上記反応器の上流側の高圧ライン系に上記反応基質導入ラインを接続すると共に、上記高温高圧反応媒体、反応基質、及び温度調節用媒体の温度、流速を制御することにより、反応器における反応温度を調整するようにしたことを特徴とする有機化合物合成システム。
【請求項８】
温度調節用媒体及び／又は反応基質を導入するラインを、反応器を収納するオーブン内を通過させることにより、温度調節用媒体及び／又は反応基質の温度調整を行う、請求項７に記載の有機化合物合成システム。
【請求項９】
反応器を直列に接続し、各反応器には、各反応器において遂行される化学反応に必要な基質を含む媒体を導入して、反応器ごとに異なる化学反応を遂行させることにより、連続した一連の化学反応をシステム内において遂行するようにした、請求項７記載の有機化合物合成システム。
【請求項１０】
上流の反応器から流出する、所期の有機化合物を含有する反応終了媒体を、次の下流側に接続されている反応器中に導入するに当たり、下流の反応器を収容するオーブン中の熱媒体により、該熱媒体と同一の温度に調整するようにした、請求項７に記載の有機化合物合成システム。
【請求項１１】
反応器から流出する所期の有機化合物を含有する反応終了媒体を、次の下流側に接続されている反応器中に導入するに当たり、温度調節用媒体の導入ラインより、多量の反応媒体又は冷媒を導入することにより反応終了媒体を急冷するようにした、請求項７に記載の有機化合物合成システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温高圧状態の反応媒体中での反応を利用して、単一の合成システムで複数の有機化合物を合成することができる新規な合成システムに関するものであり、更に詳しくは、本発明は、温度l00ないし500℃、圧力0．1ないし50MPaの高温高圧状態の反応媒体を使用して有機化合物を合成するシステムであって、一つの原料から、少なくとも3種類の有機化合物を連続的に合成できるシステムに関するものである。本発明は、亜臨界状態ないし超臨界状態の水又は二酸化炭素を反応媒体として使用する、超臨界水等による有機合成の技術分野において、複数の有機化合物を連続合成することに適合したシステムを提供するものである。本発明は、こうした近未来の新しい有機合成システムのリーダーシップをとることの可能性を有するシステムである。
【０００２】
本発明の有機化合物合成システムは、亜臨界状態ないし超臨界状態の反応媒体を利用する高温高圧反応システムであり、さまざまな有機化合物の合成に応用することができる。しかも、本発明は、有用な有機化合物を効率よく、短時間で、大量に、しかも、環境にやさしく合成することができる新規な有機化合物合成システムを提供するものとして有用でもある。本発明は、例えば、アミノカルボン酸類、ビニル化合物類、有機酸類、アルコール類、オレフィン系炭化水素類、ε−カプロラクタム等の有機化合物の合成に広く利用できる。そして、本発明の合成システムによって合成されたこれらの化合物は、例えば、各種機能性有機化合物を合成するための原料として、また、有用な工業製品を製造する原料の出発物質として、また、医薬、農薬合成の中間体の基本骨格作りに欠かせない化合物として、また、金属イオンの分析用試薬として、重要かつ有用な化合物である。
【背景技術】
【０００３】
従来、有機化合物を合成するにあたって利用する化学反応工程は、目的とする有機化合物の化学構造、合成に利用する化学反応の種類、化学反応が生起する温度、圧力等の条件、原料物質等に応じて異なる合成条件を必要とする。また、同じ原料物質から同じ有機化合物を合成するにしても、利用する化学反応の経路が相違すれば自ずと反応を遂行するに必要な条件も異なってくることは当業者が熟知するところである。したがって、従来の有機化合物合成システムは、目的とする有機化合物ごとに、また、利用する化学反応ごとに特有の合成システムを構築して目的とする有機化合物を合成しなければ、効率的な有機化合物の合成システムとはなり得なかった。また、公知の有機化合物の合成システムにおいては、たとえ、反応原料、反応条件等が似通っていても、効率的な合成、合成システムの簡便な操作性等を考慮すると、単一の有機化合物を合成する単機能の合成システムとならざるを得ない状態であった。したがって、いくつかの構造の異なる有機化合物及び反応条件の異なる合成方法に適用できる、効率的な単一の合成システムが、将来、新しい有機化合物の合成システムを開拓する一端として期待されている。
【０００４】
従来、有機化合物の合成には種々の方法があり、これまでに、多くの事例が報告されている。ここでは、アミノカルボン酸類の合成を例にとって従来技術を説明する。これまでに報告された、アミノカルボン酸の合成方法には種々の方法があり、多くの事例のなかには、例えば、ニトリル基を有する原料化合物を有機溶媒中で酸化する方法、また、アルコールを硫酸中でパラジウム触媒存在下に電極酸化する方法、また、過酸化物の存在下又は紫外線照射下に臭化水素をアンチマルコニコフ付加することによりハロゲン化合物を一旦製造した後、アミノカルボン酸とする方法、アルデヒドにシアン化水素とアンモニアを作用させた後、加水分解するシュトレッカー法、カルボン酸のα炭素をクロル化又はブロム化した後に大過剰のアンモニアを加えてアミノ基とする方法、また、酵素の作用によってアスパラギン酸をアラニンに転化する方法等がある。
【０００５】
更に詳しくは、β−アラニンは、有機溶媒中でβ−アミノプロピオニトリルから合成する方法(非特許文献１)、β−ヒドロキシプロピオニトリルから合成する方法(特許文献1)、また、隔膜法でないパラジウム電極を使用して硫酸中で3−アミノ−１−プロパノールを電気的に酸化して合成する方法(非特許文献2)等により合成されている。また、過酸化物の存在下或いは紫外線の照射下で、ウンデセン酸にHBrをアンチマルコニコフ付加反応により付加させることよってナイロン１１の原料であるω−アミノウンデカン酸が合成されている。(非特許文献３)
【０００６】
アミノカルボン酸は、アミノ基及びカルボキシル基を有するという点では、共通の化学構造を有する一群の有機化合物ではあるが、以上例示したように、従来報告されているアミノカルボン酸の合成法は、多段プロセスが用いられることが多く、しかも、触媒、有機溶媒、酸、アルカリ等の使用が不可欠であったり、特殊な電気化学的装置を必要とするものであった。また、触媒、有機溶媒、化学反応の経路等はそれぞれの化合物を合成する上で独自の物質又は条件を採用している関係上、これらの化合物の全てを合成することができる単一の合成システムは皆無であった。即ち、公知の合成反応を利用した化合物の製造方法又はその合成システムは、製造効率などを追求するため、製造する目的化合物に応じて、目的の化合物の合成にのみ適用できるシステムを構成することを必要とし、他の化合物の製造にも転用できるようなシステムは皆無であった。
【０００７】
したがって、単一の合成システムを、いくつもの異なる有機化合物の合成に転用することができれば、設備投資を軽減することができ、製品のコスト低減に寄与することができる。また、高温高圧状態の反応媒体中で合成反応を遂行する有機化合物の合成反応には、上記のように、シクロヘサノンオキシムからε−カプロラクタムの反応等いくつかの例が知られているが、高温高圧水を利用した有機化合物の合成システムにおいて、単一のシステムで複数の化合物の製造に適用できるように構成されたシステムはこれまでに知られていない。また、従来の製造方法では、有機溶媒、触媒等を使用するので、廃液、廃物が多量排出され、近年、大きなウエートで注目されている環境問題と調和させるには、それらの廃液、廃物を無害化処理することが要請されている。しかしながら、廃液、廃物等の無害化処理に多大の時間と費用が必要となっていた。そこで、環境問題をもクリアできるとともに製造効率の良い複数の有機化合物の合成に適合した合成システムの開発が要望されていた。
【０００８】
【特許文献１】Boatright,米国特許第2,734,081号明細書(1956)
【非特許文献１】Ford,Org.Syn、coll.III,34(1955)
【非特許文献２】Jubilee Vol. Emil Barell l946, 85-91
【非特許文献３】Klaus Weisserme1, Hans-Jurgen,Industrial Organische Chemie、向山光昭監訳「工業有機化学」、東京化学同人、P282(2001)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、単一の有機化合物の合成システムによって、化学構造の異なる有機化合物を合成することができ、しかも、複雑な又は特殊な装置を必要としないで、環境にやさしい合成システムを開発することを目標にして鋭意研究を積み重ねた結果、高温高圧状態の媒体中で反応を遂行する高温高圧反応システムにおいて、本目標を達成することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
即ち、本発明は、一つの原料から少なくとも3種類の、化学構造の異なる有機化合物を連続的に合成できる有機合成システムを提供することを目的とするものである。また、本発明の他の目的は、有機溶媒、触媒、酸等を極力使用せずに反応を遂行し、有機化合物を効率よく合成することができるシステムを提供することである。また、本発明の他の目的は、生体反応ルートを化学工業的なシステムとして構築することを可能にした有機合成システムを提供することである。また、本発明の他の目的は、廃水、廃物がほとんど発生しない製造方法であって、廃水、廃物の処理を必要としない有機化合物の合成システムを提供することである。更に、本発明の他の目的は、高温高圧の条件下に、バルブ操作などの化学工業的手法によって、一つの原料から多種類の有機化合物を連続的に合成できる、環境にやさしいマルチ有機合成システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術手段から構成される。
(1)一つの原料から、少なくとも3種類の有機化合物を合成するマルチ有機合成方法であって、高温高圧状態の反応媒体中、無触媒で、乳酸を、α−アラニン、アクリル酸、又は、β−アラニンヘ変換することを特徴とするマルチ有機合成方法。
(2)乳酸をアンモニアの存在下でα−アラニンに変換する、(1)に記載の方法。
(3)乳酸をアクリル酸に変換し、これをアンモニアの存在下でβ−アラニンに変換する、(1)に記載の方法。
(4)高温高圧状態の反応媒体が、温度100〜500℃、圧力0.1〜50MPaである、(1)に記載の方法。
(5)高温高圧状態の反応媒体が、亜臨界状態ないし超臨界状態の反応媒体である、(1)に記載の方法。
(6)高温高圧状態の反応媒体が、水又は二酸化炭素である、(4)に記載の方法。
(7)(1)に記載のマルチ有機合成方法で使用する、反応基質及び又は反応媒体を所定の温度に急速に昇温させて反応させる有機化合物合成システムであって、高温高圧媒体供給手段、該手段から高温高圧媒体を送液する高温高圧ライン系、該ライン系に接続された反応器、該反応器を収容するオープン、該反応器に反応基質を導入するための反応基質供給手段、及び反応基質導入ライン、及び、温度調節用媒体供給手段、及び、該媒体導入ラインを構成要素として含み、上記反応器の上流側の高圧ライン系に上記反応基質導入ラインを接続すると共に、上記高温高圧反応媒体、反応基質、及び温度調節用媒体の温度、流速を制御することにより、反応器における反応温度を調整するようにしたことを特徴とする有機化合物合成システム。
(8)温度調節用媒体及び/又は反応基質を導入するラインを、反応器を収納するオーブン内を通過させることにより、温度調節用媒体及び/又は反応基質の温度調整を行う、(7)に記載の有機化合物合成システム。
(9)反応器を直列に接続し、各反応器には、各反応器において遂行される化学反応に必要な基質を含む媒体を導入して、反応器ごとに異なる化学反応を遂行させることにより、連続した−連の化学反応をシステム内において遂行するようにした、(7)記載の有機化合物合成システム。
(10)上流の反応器から流出する、所期の有機化合物を含有する反応終了媒体を次の下流側に接続されている反応器中に導入するに当たり、下流の反応器を収容するオーブン中の熱媒体により、該熱媒体と同一の温度に調整するようにした、(7)に記載の有機化合物合成システム。
(11)反応器から流出する所期の有機化合物を含有する反応終了媒体を、次の下流側に接続されている反応器中に導入するに当たり、温度調節用媒体の導入ラインより、多量の反応媒体又は冷媒を導入することにより反応終了媒体を急冷するようにした、(7)に記載の有機化合物合成システム。
【００１２】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明を理解しやすく説明するために、2個の反応器を直列に接続した有機化合物合成システムを例として、図１の記載を参照しながら説明する。反応器が、更に増加したシステムにおいてもその作動状況は以下の説明と同様である。本発明に係る流通反応システムは、高温高圧水供給装置(HH-H2O  unit)、オーブン1(Oven1)、オーブン2(Oven2)が順次設置されたものであり、オーブン1には第1の反応器(R1)、オーブン2には第2の反応器(R2)が収容されている。各オーブン中に収納されている熱媒体は各反応器の温度を所定の反応温度付近に保持するために用いられる。反応器を所定の反応温度に精度良く制御する操作は、後述するように、高温高圧媒体、基質流体及び温度調整用の媒体の温度及びそれらの混合割合を制御することによって実施される。
【００１３】
高温高圧水供給装置は、第1及び第2の反応器と直列に高温高圧ライン系の主ライン(L1)を経由して接続されており、第1の反応器から流出した第1の反応生成物は、次に、下流に接続されている第2の反応器に流入し、そこでは、第2の反応の基質として、更に、第2の反応器に導入される反応基質と反応し、所期の有機化合物が合成される。
第1の反応器の上流の高温高圧水供給装置から、主ライン(L1)を経由して送られた高温高圧媒体が第1の反応器(R1)に流入する前の高温高圧ライン系(L1)には、反応基質の反応媒体の導入口が設けられ、反応基質は、基質ライン(L2)、(L3)を経由して反応器(R1)に導入される。導入箇所において、反応基質は、高温高圧媒体と瞬時に混合される。このとき、それぞれの流体の温度、流入量及びオーブン1内の熱媒体の温度に応じて、反応器内での反応温度が正確に調整される。
【００１４】
オーブン2内の第2の反応器においても、オーブン1内の第1の反応器と同様にして反応器内の反応温度が調整される。温度調節用の媒体及び/又は反応基質は、オーブン1内の熱媒体中を予め通過させることにより、第1の反応器の設定温度に加熱された状態で反応器2に導入すると、反応器内を所定の温度に保持することが容易となる。そうすると、反応温度調節用の媒体及び/又は基質を予め加熱しておくための加熱装置は不要となり、合成システム全体のエネルギー効率は向上する。しかしながら、第1の反応器のみでの反応で所期の化合物が合成できる場合には、第2の反応器における反応の遂行は必要ではないため、オーブン2内の第2の反応器には、新たに基質を導入しないで、第2の反応器は、第1の反応器から流出する反応終了媒体が通過する単なる経路となる。しかし、第2の反応器を経路のみとして利用すると、長い管内を通過しなければならないので、反応液の通過には抵抗が大きくなり得策ではない。こうした点は、第2の反応器に、通過抵抗が過大とならない程度の長さの短いバイパスを並列して設けておき、通路を適宜選択することができるようすることにより解決できる。
【００１５】
このように第2の反応器は、第2の反応が遂行される反応の場として、また、反応生成物が通過するだけの経路ともなるものであるが、更に、反応終了媒体の後処理器としても利用できる。例えば、有機合成反応を高温の下で遂行し、生成した反応終了液を、次の処理、例えば、化合物の抽出分離工程、に適した温度にまで冷却する必要があることはしばしば発生する。そこで、第2の反応器を、反応終了媒体の冷却装置として利用することができる。そのときは、第2の反応器を収容するオーブンの熱媒体を低温に保持するとか、温度調整ラインより多量の媒体又は冷媒を導入することにより冷却することができる。また、加熱装置としても利用できることは言うまでもない。第1の反応器内に滞留した時間内では反応が十分に完了しない場合には、第2の反応器を、第1の反応器の反応条件と同一に維持することにより反応を完結させるために利用することができる。
【００１６】
本発明の反応システムを、図１に示した具体例に即して、更に説明する。第1の反応器のみによる反応生成物を得ることができるともに、第1の反応器及び第2の反応器と連続した反応に使用して有機化合物を合成するシステムとしても利用できる。本発明の流通反応システムにおいて、複数の反応を順次継続して多段階で遂行し、最終生成物を得るためには、第1及び第2の反応器内に、基質ラインを経由して基質を導入し、合成反応を遂行するが、このとき、第1及び第2の反応器は、反応が完結するに十分なものでなければならないことは言うまでもない。第1の反応器には、ラインL2、L3から基質が導入され、反応器内で反応する。このとき必要に応じて、温度調節用の媒体がポンプP2又はP5によりラインL2から導入される。第2の反応器には、ラインL4,L5から基質又は温度調節用の媒体が適宜導入され、第1の反応器で生成した化合物と更に反応し、所望の有機化合物が合成される。
【００１７】
基質が、ラインL4を経由して第2の反応器に導入される時は、オーブン1を通すことによって予め加熱しておくと、第2の反応器の反応温度を調節する上で都合が良い。第1の反応器での反応のみで所期の反応が達成できる場合は、反応を終了した反応媒体はバイパスの経路を通ることにより、第2の反応器を経由しないで速やかに圧力調整器に達し、外界へと流出する。
温度調整のために必要とされる温度モニターは、T1〜T5の位置に設置され、検知された温度と、高圧ポンプPl〜P5、バルブB1〜B4とを適宜連動して調整することにより、反応媒体、基質を所定の温度、流量に制御して、ラインL2〜L5より、反応基質及び/又は温度調整用の媒体を反応器に導入する。それにより、本発明の有機合成システムを目的の化合物に応じて最適に運転することができる。
【００１８】
本発明の、高温高圧状態の媒体中で有機化合物を合成するシステムは、以下の研究展開の過程において、本件発明者等が鋭意研究を重ねた結果、開発されたものである。本発明を完成するに至った経緯を簡単に説明する。高温高圧水を使用して有機化合物を合成する方法を研究する過程において、高温高圧水の急速昇温を可能とする、図１に示すような独自のシステムを開発した。このシステムで、乳酸とアンモニア水とを反応させると、乳酸の水酸基がアミノ基に変換されてα−アラニンが0.3秒台という非常に短時間で合成できることを発見した。更に、α−アラニンの合成反応機構を解明するために生成物を詳細に分析した結果、乳酸とアンモニアとの反応よりα−アラニンが生成し、乳酸のみの反応ではアクリル酸が生成し、アクリル酸とアンモニアとの反応ではβ−アラニンが生成することを見出した。これらの合成ルートを下記(化1)に示す。ルートA、B、Cの反応は、反応基質、反応時間、反応温度は異なるが、これらは、化学工学的操作により対応する一つの合成システムにまとめることが可能であり、この合成システムにより、一つの原料から少なくとも3種類の有機化合物を合成することができる。
【００１９】
このように、本発明では、乳酸から、α−アラニン、アクリル酸、β−アラニン等が、高温高圧の水を反応媒体とする単一の合成システムで、滞在時間、基質の種類、反応温度等を簡単に操作するだけで、選択的に、効率良く合成することが可能である。更に、本発明の有機化合物合成システムは、下記(化1)の反応式で示されるような生体内反応ルートを初めて、化学工学的なシステムにおいて構築した点でも意義あるものである。これまで、生体内の合成模倣モデルは、実験室規模、酵素工学的あるいは微生物工学的に行われている例は数多く存在している。アルコール発酵等がその代表であるが、これらは、触媒、酵素あるいは微生物を介して行われているものであった。本発明の有機化合物合成システムは、高温高圧状態の媒体中で、環境に優しく、単一のシステムで複数の有機化合物を合成できる、新しい有機合成システムである。
【００２０】
【化１】
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【発明の効果】
【００２１】
本発明は、高温高圧状態の反応媒体中での反応を利用して有機化合物を合成するシステムに係るものであり、本発明により、(1)一つの原料から複数の有機化合物を連続的に合成するのに適合した有機化合物合成システムを提供できる、(2)高温高圧状態の反応場に基質を高速で圧入することによって、短時間で有機化合物を製造できる、(3)反応媒体として水が使用でき、有機溶媒を必須とはしない、(4)反応触媒、ハロゲン化物等が必要ないため、生成物に不純物が混入する恐れがない、(5)反応媒体が水であるため、反応生成物の取り扱いが容易であり、また、反応媒体から生成物を容易に分離できる、(6)反応媒体として水を使用し、有機溶媒、触媒等を使用しないため、製造工程から、廃物、廃液の排出がなく、それらの処理が不要である、という効果が奏される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に、本発明を、実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例によって何ら限定されるものではない。以下に、本発明の、高温高圧状態の媒体中で複数の有機化合物を合成できる有機合成システムを、上記(化1)に示した具体的な化合物によって説明する。
【実施例１】
【００２３】
〔α−アラニンの合成〕
本実施例では、上記(化1)に記載の、ルートCの反応式に示される、乳酸とアンモニアとの反応によって、α−アラニンを合成した。α−アラニンの合成に使用したシステムを図２に示す。
【００２４】
合成条件及び装置
使用した試薬は、30%乳酸(シグマ製)、28％アンモニア水(和光純薬製)、水(純水をヘリウム及び窒素により脱酸素した。) である。
反応条件は、反応圧力：40MPa、反応温度：385℃、反応器内の乳酸濃度：標準状態で50mM、アンモニア濃度：100mMであり、システムの温度及び圧力は、それぞれ±1℃、±0.05MPa以内に制御した。
流通式反応装置の全ての反応ルートは、図２で示される装置を用い、反応媒体は急速昇温法により昇温した。
反応管ラインは、ハステロイC-276製、他はSUS316製であり、各ラインと高圧ポンプの間には逆止弁がセットされた。
反応器は、1/16インチ外径、内径0.5mm、長さは500mm及び1000mmであった。
高温高圧水速度は、最小単位0.001ml/minで制御した。
基質導入速度は、最小単位0.001ml/minで制御した。
【００２５】
生成物の分析
以下の定量分析装置及び条件により、生成物を分析した。
分析使用機器：高速液体クロマトグラフィー・質量分析装置 LC-MSD (liquid
chromatography) system 1100 Series (by Agilent Technologies)
高速液体クロマトグラフィー用カラム: Develosil C30-US-3Colum, 4.6×l50mm(#14049), Develosil Packed Column for Liquid
Chromatography made in Japan (NOMURA CHEMICAL CO. LTD.)
高速液体クロマトグラフィーの移動相第I：Aが90％,Bが10%、そのA及びBは、以下のように調整された。
A = 5 mM IPCC-MS-7(by GL Science Inc. Japan)in CAN：H2O(3：7)、
B = H2O
高速液体クロマトグラフィー用カラム温度：35℃、流量:0.6ml/min、注入量：5μリッター
【００２６】
以下の質量分析装置及び条件により、生成物を分析した。
イオン化モード：API-ES、乾燥窒素ガス流量(litter/min)：10、噴霧圧力(psig)：42、乾燥ガス温度(℃)：350、  Skiｍ  1：25.0  V、フラグメント(v)：130、イオンモード：ポジティブ
高速液体クロマトグラフィーの移動相第II(紫外線吸収スペクトル分析用)：0.1 M H2PO4(pH2.5、H2SO4)
高速液体クロマトグラフィー用カラム温度：35℃、流量：0.6ml/min、注入量：5μリッター
また、紫外線吸収スペクトル分析は、以下の条件で行った。
測定セル温度：35℃、検出波長：210nm
【００２７】
高温高圧有機合成システムの操作
本システム(図２参照)を構成するユニット及びその符号、並びに、設定条件を表１に示す。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
システムの立ち上げ操作を、以下の手順により行った。尚、α−アラニンの合成システムで使用されるラインは、図２中で太い実線で示してある。ラインに設定圧力より高い圧力に制御した流体を送液した後、まず、水を用いて、超臨界流体供給ユニット、バルブ、ラインの液漏れをチェックし、オーブン温度及び各反応器出入り口温度の計測が正常になされていることを確かめた。最後に高圧ポンプPl〜P5を作動させて、設定圧力での各ポンプの送液量を確認した。実験の条件に関わる密度、濃度、滞在時間、分析等の全ての準備は、これまでに終了しておいた。冷却水を流し、高温高圧水供給装置を設定温度でスタートさせた。全てのラインは、水を用い、設定条件の状態で稼働させた。その時の流速は反応条件の中で何れの値を設定しても良い。各基質用ポンプのタンクにそれぞれ基質をセットした。このシステムでは、基質の合流点より3.5cm下流にT2、T4をセットした。したがって、設定温度は流速と管の内径より計算された時間(例えば、総液量14ml/min、400℃/40MPaで到達距離3〜4cmの場合、0.004〜0.005秒)後の合流温度を示した。実験をスタートさせた後、サンプリングは、反応器の設定温度に到達後、5分後に行った。
【００３０】
結果
α−アラニンの生成と温度との関係(40MPaで280〜440℃のアラニン合成実験の結果)を表２に示す。
【００３１】
【表２】
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【００３２】
図３は、表２に示した結果を図にまとめたものである。温度270℃〜450℃の温度範囲において、α−アラニン、アクリル酸及び2−ヒドロキシプロピオン酸の混合物が生成するが、温度365℃付近より高温側で、α−アラニンの生成割合が最大となり、それ以上の温度では、ほぼ一定の値を示した。アクリル酸の生成割合は、385℃付近より最大となり、それより高温になってもあまり変化はない。2−ヒドロキシプロピオン酸アミドの生成割合は、温度上昇に伴って360℃付近まで急激に減少することが、図３からわかる。表２及び図３における、ALAはα−アラニン、HPPAは2−ヒドロキシプロピオン酸アミド、AAはアクリル酸の略号である。これらのデータを得たときの合成システムのラインは、図２の太い実線が使用された。反応媒体の温度変動は、通常、高温高圧水供給装置自体で温度コントロールするが、この温度制御は、供給装置本体内にある温度制御又は温度モニターT1に基づく制御のどちらでも可能である。
【００３３】
α−アラニンの生成速度
同装置を使用して、40MPa、385℃でのα−アラニンの生成速度を求める実験を行った。高圧ポンプ、P1、P3、P4の送液量の変化量をT1の温度モニターの値に基づいて制御し、385℃に維持した。
表３に、実験結果を示す。α−アラニンの生成速度は、反応圧力40MPa、反応温度385℃の条件で、0.0042s-1であった。
【００３４】
【表３】
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【実施例２】
【００３５】
〔β−アラニンの合成〕
本実施例では、図４に示された反応システムを使用して、上記の(化1)に記載の、ルートAの反応をR1の反応器で行い、ルートBの反応をR2の反応器で行い、乳酸からβ−アラニンを合成した。
【００３６】
合成条件及び装置
使用した試薬は、30%乳酸(シグマ製)、28%アンモニア水(和光純薬製)、水(純水をヘリウム及び窒素により脱酸素した。) である。
反応条件は、反応圧力：40MPa、反応温度：385℃、反応器内の乳酸濃度：常温大気圧下で50 mM、アンモニア濃度：100mMであり、システムの温度及び圧力は、それぞれ±1℃、±0.05MPa以内に調整した。
反応管は、ハステロイC-276製、他はSUS316製であり、各ラインと高圧ポンプの間には逆止弁がセットされた。
反応器として、1/16インチ外径、内径0.5mm、長さ500mm及び1000mmを使用した。
高温高圧水速度は、最小単位0.001ml/minで制御した。
基質導入速度は、最小単位0.001ml/minで制御した。
流通式反応装置は、図４で示される急速昇温装置による。
【００３７】
生成物の分析
以下の定量分析装置及び条件により、生成物を分析した。
分析使用機器：高速液体クロマトグラフィー・質量分析装置LC-MSD (liquid
chromatography) system 1100 Series (by Agilent Technologies)
高速液体クロマトグラフィー用カラム： Develosil C30-US-3Colum,
4.6×l50mm(#14049),
Develosil Packed Column for Liquid Chromatography made in Japan (NOMURA
CHEMICAL CO. LTD.)
高速液体クロマトグラフィーの移動相第I：Aが90％、Bが10%、そのA及びBは、以下のように調整した。
A = 5 mM IPCC-MS-7(by GL Science lnc. Japan)in ACN：H2O (3：7)、
B = H2O
高速液体クロマトグラフィー用カラム温度：35℃、流量：0.6ml/min、注入量：5μリッター
【００３８】
以下の質量分析装置及び条件により、生成物を分析した。
イオン化モード：API-ES、乾燥窒素ガス流量(1/min)：10、噴霧圧力(psig)：42、乾燥ガス温度(℃)：350、Skim１：25.0V、フラグメント(V)：30、イオンモード：ポジティブ
高速液体クロマトグラフィーの移動相第II(紫外線吸収スペクトル分析用)：0.1  M NH4H2PO4(pH2.5、H2SO4)
高速液体クロマトグラフィー用カラム温度：35℃、流量：0.6ml/min、注入量：5μリッター
また、紫外線吸収スペクトル分析は、以下の条件で行った。
測定セル温度：35℃、検出波長：210nm
【００３９】
高温高圧有機化合物合成システムの操作
α−アラニン合成の場合と、システム立ち上げはほぼ同じであるが、実際には、より複雑な操作となった。システムの立ち上げ操作を、以下の手順により行った。ラインに設定圧力より高い圧力で制御した流体の送液を行った後、水で、超臨界流体供給ユニット、バルブ、ラインの液漏れのチェックをし、オーブン温度及び各反応器出入り口温度計測が正常であることを確かめた。最後に高圧ポンプP1〜P5を作動させ、設定圧力で各ポンプの送液量を確認した。実験の条件に関わる密度、濃度、滞在時間、設定温度への合流比、分析等の全ての準備を、ここまでに終了した。冷却水を流し、高温高圧水供給装置を設定温度でスタートさせた。全てのライン(L1、L3、L4、L5)は、水を用い、設定条件で稼働させた。各基質用ポンプ(P3：乳酸、P4：アンモニア水)のタンクにそれぞれ基質をセットした。このプロセスで基質の合流点より3.5cm下流にT2、T4の温度センサーをセットした。したがって、設定温度は流速と管の内径より計算された時間(例えば、総液量14ml/min、400℃/40MPaで到達距離3〜4cmの場合、0.004〜0.005秒)後の合流温度を示した。実験をスタートさせた後、サンプリングは、反応器の設定温度に到達後、5分後に行った。β−アラニン製造の反応システムの設定は、表４に記載のごとく各条件を設定した。
【００４０】
【表４】
2005089428.tif 000007
【００４１】
結果
表５に、β−アラニンの生成と温度との関係(40MPaの圧力、100-400℃の温度範囲でβ−アラニンの合成を実施した際の結果)を示す。
【００４２】
【表５】
2005089428.tif 000008
【００４３】
そして、図５は、表５を図に表したものである。温度100℃〜400℃の範囲では、温度300℃でβ−アラニンの収率は最大値を示す。そして、実験した範囲内の条件では、目的とするβ−アラニンのみが生成し、副反応によるアクリルアミド等の生成は認められない。表５及び図５における、ALAはβ−アラニン、HPPAは2−ヒドロキシプロピオン酸アミド、AAはアクリル酸の略号である。これらのデータを得るときのシステムのライン図は、図４における太い実線で示す。乳酸からアクリル酸の生成と、アクリル酸からβ−アラニンの生成条件とは相違し、アクリル酸からβ−アラニンの生成は若干低温度で実施するのが望ましい。
【００４４】
次に、40MPa/300℃の条件下でのβ−アラニンの生成速度を求める実験を行った。この場合の使用ラインは、図４のβ−アラニンの合成と同じであるが、作動表の高圧ポンプ、P1、P3、P4、P5の送液量を変化させるとともに、温度センサーT1の温度を制御することにより第2の反応器の反応温度を300℃に維持した点で相違する。その実験結果を表６に示す。β−アラニンの生成速度は、反応圧力40MPa、反応温度300℃の条件で、0.0209s-1と求められた。
【００４５】
【表６】
2005089428.tif 000009
【実施例３】
【００４６】
〔アクリル酸の合成〕
本実施例では、図６に示した装置によって、上記の(化1)に記載の、ルー卜Aの反応式により、乳酸からアクリル酸を合成した。
【００４７】
合成条件及び装置
使用した試薬は、30%乳酸(シグマ製)、水(純水をヘリウム及び窒素により脱酸素した。) である。反応条件は、反応圧力：40MPa、反応器内の乳酸濃度：標準状態下で50mMである。
システムの温度及び圧力は、それぞれ±1℃、±0.05MPa以内で調整した。
反応管は、ハステロイC-276製、他はSUS316製であり、各ラインと高圧ポンプの間に逆止弁をセットした。
反応器として、1/16インチ外径、内径0.5mm、長さ500mm及び1000mmを使用した
。
高温高圧水速度は、最小単位0.001ml/minで制御した。
基質導入速度は、最小単位0.001ml/minで制御した。
【００４８】
生成物の分析
以下の定量分析装置及び条件により、生成物を分析した。
分析使用機器：高速液体クロマトグラフィー・質量分析装置LC-MSD (liquid
chromatography) system l100 Series (by Agilent Technologies)
高速液体クロマトグラフィー用カラム： Develosil C30-US-3Colum,
4.6×l50mm(#14049),
Develosil Packed Column for Liquid Chromatography made in Japan (NOMURA
CHEMICAL CO. LTD.)
高速液体クロマトグラフィーの移動相第II(紫外線吸収スペクトル分析用)：0.1 M NH4H2PO4、(PH2.5、 H2SO4)
高速液体クロマトグラフィー用カラム温度：35℃、流量：0.6ml/min、注入量：5μリッター
また、紫外線吸収スペクトル分析は、以下の条件で行った。
測定セル温度35℃、検出波長：210nm
【００４９】
高温高圧有機化合物合成システムの操作
流通式反応装置、反応は、図６で示される装置を使用し、急速昇温法によった。
α−アラニン合成の合成と、システム立ち上げはほぼ同じであるが、アンモニアを使用しないので簡略化される。作動操作は、表７にまとめて示した。
【００５０】
【表７】
2005089428.tif 000010
【００５１】
結果
表８に、アクリル酸の生成割合と温度との関係を示す。ここで、ALAはα−アラニン、HPPAは2−ヒドロキシプロピオン酸アミド、AAはアクリル酸の略号である。表８には、40KPa、280℃〜400℃の温度範囲でアクリル酸を合成した実験結果を示す。図７は、表８に記載の結果を図に表したものである。図より、高温サイドになるにつれてアクリル酸の生成が増大し、ピルビン酸の生成は減少する。図８は、反応時間とアクリル酸の生成との関係を示すものである。280〜400℃の範囲では、アクリル酸は反応温度を高く、反応時間を長くすることによって生成量を増大させることができる。それに対して、ピルビン酸の生成量は、反応温度を高く、反応時間を長くすることにより減少する。図６のフロー図の太い実線で示されたラインが、アクリル酸の合成に使用されたラインである。
【００５２】
【表８】
2005089428.tif 000011
【００５３】
次に、同装置による40MPa/385℃でのアクリル酸の生成速度を求める実験を行った。この場合の使用ラインは、図６のアクリル酸合成作動図と同じであるが、この場合、作動表の高圧ポンプ、P1、P3の送液量を変化させることによりT2の温度を385℃に維持した。実験結果を、表９に示した。アクリル酸及びピルビン酸の反応速度は、反応温度385℃、反応圧力40MPaで、それぞれ0.0066及び0.00089s-1であった。
【００５４】
【表９】
2005089428.tif 000012
【産業上の利用可能性】
【００５５】
以上詳述したように、本発明は、高温高圧状態の反応媒体中での反応を利用して有機化合物を合成するシステムであって、単一の合成システムで複数の有機化合物を合成することができる新規な合成システムに係るものである。本発明は、温度100ないし450℃、圧力0.1、ないし50MPaの高温高圧水又は亜臨界水、超臨界水を反応媒体として有機化合物を合成するシステムであって、単一の合成システムで複数の有機化合物を合成することができるシステムとして適用できる。本発明は、単一の合成システムで複数の有機化合物を合成することができる利点を有している新規な合成システムであり、本合成システムを採用することによって、有機化合物の合成システムを新たに構築するにあたっては、設備投資の軽減、システムの運用費の軽減等の実用上の利点が多い有機物合成システムである。
【００５６】
そして、本発明では、例えば、高温高圧水を反応媒体とするため、有機溶媒、触媒あるいはハロゲン化合物を使用しない反応系が実現でき、廃液、廃触媒、廃酸等の処理をしなくても良く、環境にやさしい有機化合物の合成システムを提供することができる。また、上記反応プロセスで使用している原料は、主に水とアンモニアであるため、本発明は、原料の再利用がしやすい反応であり、高速反応であり、また、反応生成物に不純物が少ない利点を有しているため、産業上の利用価値のきわめて高い有機化合物の合成システムである。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の高温高圧状態の媒体中で有機合成反応を行う合成システムの全体図のー例を示す。
【図２】α−アラニンを合成するための本発明の合成システムを示す。
【図３】α−アラニンの収率と反応温度との関係を示す。
【図４】β−アラニンを合成するための本発明の合成システムを示す。
【図５】β−アラニンの収率と反応温度との関係を示す。
【図６】アクリル酸を合成するための本発明の合成システムを示す。
【図７】アクリル酸の収率と反応温度との関係を示す。
【図８】アクリル酸の合成における、反応時間とアクリル酸及びピルピン酸の収率の変化を示す。
【符号の説明】
【００５８】
(図１、2、4、6の符号の説明)
R1：第１の反応器
R2：第2の反応器
P1〜P5：高圧ポンプ
HH-H2 O unit：高温高圧水供給装置
L1〜L5：基質又は温度調整用媒体の輸送ライン
B1〜B4：ライン切り替えバルブ
T1〜T5：温度モニター
オーブン１（Oven 1）、オーブン２（Oven 2）：反応器用の保温槽
【図１】
2005089428.tif 000013
【図２】
2005089428.tif 000014
【図３】
2005089428.tif 000015
【図４】
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【図５】
2005089428.tif 000017
【図６】
2005089428.tif 000018
【図７】
2005089428.tif 000019
【図８】
2005089428.tif 000020