(57)【要約】  支持体１１と、支持体１１上に設けられた分極層１２と、分極層１２上に設けられた触媒層１３とを有する触媒部材１０である。また、触媒部材１０を備える反応器である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持体と、前記支持体上に設けられた分極層と、前記分極層上に設けられた触媒層とを有する触媒部材。
【請求項２】
前記分極層は誘電体から形成されている、請求項１に記載の触媒部材。
【請求項３】
前記触媒層は、金属を有する触媒を含む、請求項１又は２に記載の触媒部材。
【請求項４】
前記触媒は金属錯体触媒である、請求項３に記載の触媒部材。
【請求項５】
前記金属錯体触媒は不斉触媒である、請求項４に記載の触媒部材。
【請求項６】
前記支持体はセラミックスから形成されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の触媒部材。
【請求項７】
前記支持体が透光性を有し、且つ前記支持体の一部に分極層及び触媒層が設けられていない、請求項１〜６のいずれか一項に記載の触媒部材。
【請求項８】
前記支持体、前記分極層及び前記触媒層の少なくとも一部が透光性を有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の触媒部材。
【請求項９】
前記支持体はハニカム構造体の隔壁である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の触媒部材。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の触媒部材を備える反応器。
【請求項１１】
前記触媒部材を収容する容器をさらに備える、請求項１０に記載の反応器。
【請求項１２】
前記容器の少なくとも一部が透光性を有する、請求項１１に記載の反応器。
【請求項１３】
前記触媒部材の支持体が、ハニカム構造体の隔壁であり、前記容器が、前記ハニカム構造体の外周壁を被覆する管状容器である、請求項１１又は１２に記載の反応器。
【請求項１４】
フロー合成に用いられる請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の反応器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒部材及び反応器に関する。詳細には、本発明は、医薬品、香料などに用いられる化合物の合成に用いられる触媒部材及び反応器に関する。
【背景技術】
【０００２】
化合物の合成は、原料や触媒などを反応器に投入して反応させ、反応が終了した際に反応生成物を取り出すバッチ法を用いて一般に行われている。バッチ法は、医薬品、香料などに用いられる、複雑な構造を有する化合物の合成が可能である反面、反応生成物から触媒を分離回収する必要があるため、生産性が低いなどの問題がある。【０００３】
そこで、反応器の一端から原料を連続的に投入し、反応器の他端から反応生成物を連続的に排出するフロー法に注目が集まっている。例えば、非特許文献１には、原料と液体触媒とを含む混合物を管状の反応器に流通させて反応を行う方法が提案されている。また、特許文献１には、原料の流路を形成する支持体に触媒を担持させた反応器（マイクロチャネル）に原料を流通させて反応を行う方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００７／１１１９９７号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】マーチン・Ｄ・ジョンソン（Martin D. Johnson）ら他５名，「Design and Comparison of Tubular and Pipes-in-Series Continuous Reactors for Direct Asymmetric Reductive Amination」， Organic Process Research & Development，第２０巻，第１３０５−１３２０頁，２０１６年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、非特許文献１の方法は、液体触媒を用いているため、反応後に反応生成物から液体触媒を分離回収する必要がある。
また、特許文献１の方法は、気体反応では触媒が支持体から脱離することは少ないが、液体反応では触媒が支持体から脱離し易く、反応生成物に触媒が混入してしまうことがある。そのため、この方法でも、反応生成物から触媒を分離回収しなければならないことがある。また、支持体から触媒が脱離するにつれて反応効率も低下するため、反応器を交換する必要も生じてしまう。
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、支持体から触媒が脱離し難く、反応生成物から触媒を分離回収する必要がない触媒部材及び反応器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記の問題を解決すべく鋭意研究を行った結果、支持体と触媒層との間に分極層を設けることにより、触媒層を支持体に強固に固定させ得ることを見出し、本発明を完成するに至った。【０００８】
すなわち、本発明の一側面に係る触媒部材は、支持体と、前記支持体上に設けられた分極層と、前記分極層上に設けられた触媒層とを有する。
本発明の一側面に係る触媒部材は、一実施形態において、分極層が誘電体から形成されている。
本発明の一側面に係る触媒部材は、別の一実施形態において、触媒層が、金属を有する触媒を含む。
本発明の一側面に係る触媒部材は、別の一実施形態において、触媒が金属錯体触媒である。
本発明の一側面に係る触媒部材は、別の一実施形態において、金属錯体触媒が不斉触媒である。【０００９】
本発明の一側面に係る触媒部材は、別の一実施形態において、支持体がセラミックスから形成されている。
本発明の一側面に係る触媒部材は、別の一実施形態において、支持体が透光性を有し、且つ支持体の一部に分極層及び触媒層が設けられていない。
本発明の一側面に係る触媒部材は、別の一実施形態において、支持体、分極層及び触媒層の少なくとも一部が透光性を有する。
本発明の一側面に係る触媒部材は、別の一実施形態において、支持体がハニカム構造体の隔壁である。【００１０】
本発明の別の一側面に係る反応器は、上記の触媒部材を備える。
本発明の別の一側面に係る反応器は、一実施形態において、触媒部材を収容する容器をさらに備える。
本発明の別の一側面に係る反応器は、別の一実施形態において、容器の少なくとも一部が透光性を有する。
本発明の別の一側面に係る反応器は、別の一実施形態において、触媒部材の支持体がハニカム構造体の隔壁であり、容器が、ハニカム構造体の外周壁を被覆する管状容器である。
本発明の別の一側面に係る反応器は、別の一実施形態において、フロー合成に用いられる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、支持体から触媒が脱離し難く、反応生成物から触媒を分離回収する必要がない触媒部材及び反応器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態１に係る触媒部材の断面図である。
【図２】本発明の実施形態２に係る触媒部材の断面図である。
【図３】本発明の実施形態３に係る触媒部材の斜視図である。
【図４】本発明の実施形態３に係る触媒部材の断面図である。
【図５】本発明の実施形態４に係る反応器の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施形態に対し変更、改良などが適宜加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。
【００１４】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る触媒部材の断面図である。図１に示されるように、本発明の実施形態１に係る触媒部材１０は、支持体１１と、支持体１１上に設けられた分極層１２と、分極層１２上に設けられた触媒層１３とを備える。
【００１５】
支持体１１としては、反応を阻害しないものであれば、その材質及び形状は特に限定されない。
支持体１１の材質としては、例えば、セラミックス、金属、シリカ、ポリエチレン、ポリスチレンなどが挙げられる。これらの中でも、支持体１１の材質は、分極層１２（特に、誘電体から形成された分極層１２）との接着性の観点から、セラミックスであることが好ましい。セラミックスとしては、特に限定されないが、ジルコニア、コージェライト、ゼオライト、アルミナなどが挙げられる。
【００１６】
支持体１１は、熱伝導率が２Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。支持体１１の熱伝導率を２Ｗ／ｍ・Ｋ以上とすることにより、反応が発熱反応の場合に、支持体１１を介して外部に放熱されるため、触媒部材１０を備える反応器内に熱が籠り難い。したがって、反応が過剰に進行することを抑制できるため、反応制御が容易になる。
【００１７】
支持体１１の形状としては、例えば、ハニカム状、フォーム状、モノリス状、コルゲート状などが挙げられる。これらの中でも、支持体１１の形状は、ハニカム状であることが好ましい。ハニカム状の支持体１１であれば、比表面積が大きいため、反応効率を高めることができると共に、触媒部材１０の小型化も可能になる。なお、これらの形状は、押出し成形法又はモールドキャスト成形法によって得ることができる。
【００１８】
分極層１２としては、電気分極が可能な材料から形成されていれば特に限定されない。電気分極が可能な材料としては、例えば、誘電体を用いることができる。その中でも、自然状態でも電荷の偏り（自発分極）が生じる強誘電体を用いることが好ましい。
強誘電体としては、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3）、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰｂＺｒＴｉＯ3；ＰＺＴ）、ＰＺＴの鉛の一部をランタンＬａで置換したＰＬＺＴなどが挙げられる。
【００１９】
分極層１２は、支持体１１側が正電荷、触媒層１３側が負電荷に分極していることが好ましい。このように分極した分極層１２であれば、正電荷を有する触媒層１３と静電相互作用によって結合させることができるため、分極層１２から触媒層１３が脱離し難くなる。
【００２０】
分極層１２は、結晶方位（結晶軸）が一方向に揃った配向性分極層であることが好ましい。配向性分極層は、緻密な構造の層であるため、配向性分極層上に触媒層１３を良好に形成することができる。また、配向性分極層は、触媒層１３に用いる触媒として不斉触媒を用いた場合に、不斉触媒のキラリティを保持したまま担持させることができる。
【００２１】
触媒層１３としては、特に限定されず、公知の触媒から形成された層であることができる。触媒の種類は、触媒部材１０が使用される反応の種類に応じて適宜選択すればよく、特に限定されない。
触媒は、分極層１２との結合力の観点から、金属を有することが好ましい。金属を有する触媒は、正電荷を有しており、負電荷に分極した分極層１２の表面と静電相互作用によって結合させることができるため、分極層１２から触媒層１３が脱離し難くなる。
【００２２】
金属を有する触媒としては、例えば、白金、パラジウムなどの貴金属、酸化鉄などが挙げられる。また、活性炭やシリカゲルなどの担体に担持させ貴金属を触媒として用いてもよい。さらに、金属イオンに配位子が結合した金属錯体触媒、特に不斉配位子を有する不斉触媒を触媒として用いてもよい。このような触媒を用いることにより、複雑な構造を有する化合物（例えば、少なくとも１つの不斉原子を有する化合物など）を合成することが可能になる。不斉触媒としては、ルテニウム、ロジウム、パラジウムなどの金属イオンにＢＩＮＡＰなどの不斉配位子が結合したものが挙げられる。
【００２３】
上記のような構造を有する触媒部材１０は、支持体１１に分極層１２及び触媒層１３を順次形成することによって製造することができる。
分極層１２の形成方法としては、特に限定されず、公知の方法に準じて行うことができる。例えば、水熱合成法などを用いることによって分極層１２を形成することができる。分極層１２は、必要に応じて、分極の向きを揃えるために、高電圧を加える分極処理を行ってもよい。
触媒層１３の形成方法としては、特に限定されず、公知の方法に準じて行うことができる。例えば、触媒を溶解又は分散した液を分極層１２上に塗布して乾燥することよって触媒層１３を形成することができる。
【００２４】
上記のようにして製造された触媒部材１０は、分極層１２と触媒層１３とが静電相互作用によって結合しているため、分極層１２に触媒層１３が強固に固定されている。そのため、この触媒部材１０は、分極層１２から触媒層１３が脱離し難く、反応生成物に触媒が混入することを抑制することができると共に、触媒機能も低下し難い。
【００２５】
（実施形態２）
図２は、本発明の実施形態２に係る触媒部材の断面図である。なお、本発明の実施形態１に係る触媒部材１０と同一の構成要素には同一符号を付し、重複する部分は説明を省略する。
【００２６】
図２に示されるように、本発明の実施形態２に係る触媒部材２０は、支持体１１の一部に分極層１２及び触媒層１３が設けられていない。また、支持体１１は透光性を有する。
上記のような構成とすることにより、支持体１１を介して触媒層１３側の反応状況を確認することが可能になる。
【００２７】
ここで、本明細書において「透光性」とは、厚さ０．５ｍｍのサンプルにおいて、可視光、特に４００〜７００ｎｍの波長の光の直線透過率を測定した場合に、直線透過率が２０％以上であることを意味する。直線透過率は、３０％以上が好ましく、４０％以上がより好ましく、５０％以上がさらに好ましい。光の直線透過率は、分光光度計（パーキンエルマー社製ＬＡＭＢＤＡ  ９００  紫外可視近赤外分光光度計）を用いて測定することができる。
【００２８】
透光性を有する支持体１１の材質としては、特に限定されず、ジルコニア又はアルミナを主成分とする透光性セラミックス、石英ガラスなどが挙げられる。ジルコニアを主成分とする透光性セラミックスとしては、例えば、立方晶イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）からなる透光性ジルコニアを用いることができる。この透光性ジルコニアは、直線透過率が約２５％、熱伝導率が３Ｗ／ｍ・Ｋである。また、アルミナを主成分とする透光性セラミックスとしては、例えば、高純度アルミナからなる透光性アルミナを用いることができる。この透光性アルミナは、直線透過率が約５０％、熱伝導率が３８Ｗ／ｍ・Ｋである。
【００２９】
また、支持体１１の全体に分極層１２及び触媒層１３が設けられていても、支持体１１、分極層１２及び触媒層１３の少なくとも一部が透光性を有していれば、支持体１１を介して触媒層１３側の反応状況を確認することができる。
透光性を有する分極層１２としては、特に限定されず、ＰＬＺＴ、窒化ガリウム、窒化アルミニウムなどの透明誘電体から形成される層が挙げられる。分極層１２は、単結晶体であっても多結晶体であってもよいが、分極が大きい軸に結晶配向させることが好ましい。例示した上記３つの材料はいずれもｃ軸に分極を有するので、ｃ軸配向させることが好ましいが、ａ軸に分極を有する材料を用いる場合はａ軸配向させるとよい。
透光性を有する触媒層１３としては、特に限定されず、透光性を有する触媒から形成され得る層としてもよいし、触媒の付着量を低減（すなわち、触媒層１３の厚みを低減）することによって透光性を確保してもよい。
【００３０】
（実施形態３）
図３は、本発明の実施形態３に係る触媒部材の斜視図である。また、図４は、本発明の実施形態３に係る触媒部材の断面図（セルが延びる方向に垂直な断面図）である。なお、本発明の実施形態１及び２に係る触媒部材１０，２０と同一の構成要素には同一符号を付し、重複する部分は説明を省略する。また、図３では、外側表面から透過して観察される内部構造を点線で表している。
【００３１】
図３及び４に示されるように、本発明の実施形態３に係る触媒部材３０は、支持体１１がハニカム状、すなわちハニカム構造体の隔壁３３である。具体的には、触媒部材３０は、流体流入端面３１ａから流体流出端面３１ｂまで延びる複数のセル３２を区画形成する隔壁３３と、隔壁３３上に設けられた分極層１２と、分極層１２上に設けられた触媒層１３とを有する。この触媒部材３０は、外周面が外周壁３４で包囲されているため、それ自体を反応器として用いることができる。
【００３２】
ハニカム構造体のセル３２が延びる方向に垂直な断面の形状としては、特に限定されないが、円形、楕円形、三角形、四角形、六角形、八角形などの各種形状とすることができる。その中でも、ハニカム構造体の当該形状は、円形であることが好ましい。
なお、ハニカム構造体の大きさは、特に限定されず、反応の種類やスケールなどに応じて適宜調整すればよい。
【００３３】
セル３２の形状（セル３２が延びる方向に垂直な断面におけるセル３２の形状）としては、特に限定されないが、円形、楕円形、三角形、四角形、六角形、八角形などの各種形状であることができる。その中でも、セル３２の形状は、四角形（正方形又は長方形）であることが好ましい。
【００３４】
セル３２の大きさとしては、特に限定されないが、セル３２が延びる方向に垂直な断面におけるセル３２の径が、好ましくは１〜３ｍｍ、より好ましくは１．５〜２．５ｍｍである。セル３２の径を１ｍｍ以上とすることにより、セル３２内に供給可能な原料の量を増大させることができる。また、セル３２の径を３ｍｍ以下とすることにより、触媒との接触面積が増えるため、反応効率を向上させることができる。ここで、セル３２の径とは、径が最大となる部分の長さのことを意味する。
【００３５】
隔壁３３の厚さとしては、特に限定されないが、好ましくは０．０５〜０．３ｍｍ、より好ましくは０．０８〜０．１５ｍｍである。隔壁３３の厚さを０．０５ｍｍ以上とすることにより、強度を確保することができる。また、隔壁３３の厚さを０．３ｍｍ以下とすることにより、セル３２内に供給可能な原料の量を増大させることができる。
【００３６】
上記のような構造を有する触媒部材３０は、原料をセル３２内に投入することで、セル３２内で反応を行うことができる。この触媒部材３０は、バッチ法又はフロー法のいずれでも用いることができるが、フロー法で用いるのに特に適している。
触媒部材３０をバッチ法で用いる場合、流体流出端面３１ｂのセル３２を目封止することにより、原料をセル３２内に収容して反応を行う。また、触媒部材３０をフロー法で用いる場合、原料を流体流入端面３１ａから連続的に投入してセル３２内で反応を行い、流体流出端面３１ｂから反応生成物を連続的に排出させる。この触媒部材３０は、分極層１２から触媒層１３が脱離し難いため、バッチ法又はフロー法のいずれにおいても反応生成物に触媒が混入することを抑制することができると共に、触媒機能も低下し難い。
【００３７】
また、本発明の実施形態２に係る触媒部材２０と同様に、支持体１１である隔壁３３が透光性を有し、隔壁３３の一部に分極層１２及び触媒層１３が設けられていない構成とすることにより、反応器である触媒部材３０の内部の様子を確認することが可能になる。
同様に、隔壁３３、分極層１２及び触媒層１３の少なくとも一部が透光性を有する構成とすることにより、反応器である触媒部材３０の内部の様子を確認することが可能になる。
【００３８】
ハニカム構造体の隔壁３３及び外周壁３４は、反応に用いられる原料が気体である場合、気体を透過しない材料から形成されていることが好ましい。このような材料としては、金属、シリカ、ポリエチレン、ポリスチレンなどが挙げられる。
また、ハニカム構造体の隔壁３３及び外周壁３４は、反応に用いられる原料が液体である場合、液体を透過せず且つ気体を透過する材料から形成されていることが好ましい。このような構成とすることにより、反応中に発生する気体の分離を、外周壁３４を介して行うことが可能になる。液体を透過せず且つ気体を透過する材料としては、セラミックスなどの多孔質材料が挙げられる。このような多孔質材料は、気孔径を制御することによって得ることができる。具体的には、多孔質材料の気孔径を、反応中に発生する気体の分子径よりも大きく、且つ反応に用いられる原料や反応生成物の分子径よりも小さくすればよい。多孔質材料の気孔径は、多孔質材料の調製に用いる成分（例えば、造孔剤）の種類や配合割合などを調整することによって制御することができる。
【００３９】
（実施形態４）
本発明の実施形態４に係る反応器は、本発明の実施形態１〜３に係る触媒部材１０，２０，３０を収容する容器をさらに備える。このような構成とすることにより、触媒部材１０，２０，３０が外部から遮断されるため、触媒部材１０，２０，３０が外部からの衝撃などによって破損する恐れを低減することができる。
容器としては、触媒部材１０，２０，３０を収容することが可能であり、反応を阻害しないものであれば、特に限定されない。
容器は、例えば、金属、ガラス、セラミックス、プラスチックなどから作製することができる。
【００４０】
本発明の実施形態４に係る反応器について、一例として、実施形態３に係る触媒部材３０を用いた場合の反応器の断面図（触媒部材３０のセル３２が延びる方向に平行な断面図）を図５に示す。なお、図５では、見易くする観点から、触媒部材３０の詳細な構造について省略している点に留意すべきである。
図５に示されるように、反応器４０は、触媒部材３０と、触媒部材３０の外周壁３４を被覆する管状容器４１とを備える。反応器４０をフロー法で用いる場合、原料を触媒部材３０の流体流入端面３１ａから連続的に投入してセル３２内で反応を行い、触媒部材３０の流体流出端面３１ｂから反応生成物を連続的に排出させる。なお、図５において、矢印は、原料の流れ方向を表している。この反応器４０は、触媒部材３０を用いているため、反応生成物に触媒が混入することを抑制することができると共に、触媒機能も低下し難い。
【００４１】
触媒部材３０の隔壁３３が透光性を有し、隔壁３３の一部に分極層１２及び触媒層１３が設けられていない場合、管状容器４１の少なくとも一部が透光性を有することが好ましい。このような構成とすることにより、反応器４０の内部の様子を確認することが可能になる。
同様に、触媒部材３０の隔壁３３、分極層１２及び触媒層１３の少なくとも一部が透光性を有する場合、管状容器４１の少なくとも一部が透光性を有することが好ましい。このような構成とすることにより、反応器４０の内部の様子を確認することが可能になる。
【符号の説明】
【００４２】
１０，２０，３０  触媒部材
１１  支持体
１２  分極層
１３  触媒層
３１ａ  流体流入端面
３１ｂ  流体流出端面
３２  セル
３３  隔壁
３４  外周壁
４０  反応器
４１  管状容器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年7月6日(2020.7.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハニカム状の支持体と、前記支持体上に設けられた分極層と、前記分極層上に設けられた触媒層とを有する触媒部材。
【請求項２】
液体原料の投入が可能である、請求項１に記載の触媒部材。
【請求項３】
前記分極層は誘電体から形成されている、請求項１又は２に記載の触媒部材。
【請求項４】
前記触媒層は、金属を有する触媒を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の触媒部材。
【請求項５】
前記触媒は金属錯体触媒である、請求項４に記載の触媒部材。
【請求項６】
前記金属錯体触媒は不斉触媒である、請求項５に記載の触媒部材。
【請求項７】
前記支持体はセラミックスから形成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の触媒部材。
【請求項８】
前記支持体が透光性を有し、且つ前記支持体の一部に分極層及び触媒層が設けられていない、請求項１〜７のいずれか一項に記載の触媒部材。
【請求項９】
（削除）
【請求項１０】
前記支持体、前記分極層及び前記触媒層の少なくとも一部が透光性を有する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の触媒部材。
【請求項１１】
請求項１〜８及び１０のいずれか一項に記載の触媒部材を備える反応器。
【請求項１２】
前記触媒部材を収容する容器をさらに備える、請求項１１に記載の反応器。
【請求項１３】
前記容器の少なくとも一部が透光性を有する、請求項１２に記載の反応器。
【請求項１４】
前記触媒部材の支持体が、隔壁及び外周壁を備え、前記容器が、前記外周壁を被覆する管状容器である、請求項１２又は１３に記載の反応器。
【請求項１５】
フロー合成に用いられる請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の反応器。
【国際調査報告】
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