超音波による相間移動触媒反応の誘起と促進

高出力超音波は、さまざまな化学反応への寄与でよく知られています。これは、いわゆるソノケミストリーです。不均一系反応 – 特に相間移動反応 – は、高出力超音波の応用分野として非常に有望です。試薬に加えられる機械的エネルギーとソノケミカルエネルギーにより、反応の開始、反応速度の大幅な向上、さらに高い転化率、収率、より優れた生成物の実現が可能になります。超音波の線形なスケールアップが可能であり、信頼性の高い超音波産業用装置が利用できることから、この技術は化学製品の製造にとって魅力的なソリューションです。

超音波用ガラス製フローセル

相間移動触媒反応

相間移動触媒反応（PTC）は、不均一系触媒反応の特殊な形態であり、有機合成の実用的な方法として知られています。相間移動触媒を使用すると、多くの場合、水相には溶けるものの有機相には溶けないイオン性反応物を可溶化できます。つまり、PTCは、混合物の異なる相に存在する二つの物質が、試薬同士が接触できないために相互作用を妨げられる反応において、不均一性の問題を克服するための代替手段です。（Esen et al. 2010）相間移動触媒反応の一般的な利点には、調製の手間が少ないこと、実験操作が簡単であること、反応条件が穏やかであること、高い反応速度、高い選択性、第四級アンモニウム塩などの安価で環境負荷の低い試薬や溶媒を使用できること、大規模な調製が可能であることが挙げられます（Ooi et al. 2007）。
第四級アンモニウム塩やpolyethylene glycol-400などの単純な相間移動（PT）触媒を使用することで、さまざまな液体–液体反応および液体–固体反応が促進され、選択性が向上しています。これらの触媒は、イオン種を水相から有機相へ移動させます。これにより、有機反応物の水相への溶解度が極めて低いことに伴う問題を克服できます。農薬産業および製薬産業では、PTCが広く使用され、事業の基盤を変えてきました。（Sharma 2002）

高出力超音波

高出力超音波の利用は、極めて微細なエマルションを生成する手段としてよく知られています。化学分野では、このような極めて微細なエマルションを化学反応の促進に使用します。これは、互いに混ざり合わない二種類以上の液体間の界面接触面積が飛躍的に増大し、反応がより良好に、より完全に、かつ／またはより速く進行することを意味します。
相間移動触媒反応でも – 他の化学反応と同様に – 反応を開始するためには十分な運動エネルギーが必要です。
これにより、化学反応に次のようなさまざまな好ましい効果がもたらされます。

運動エネルギーが低いため通常は起こらない化学反応を、超音波処理によって開始できます。
超音波支援PTCによって化学反応を加速できます。
相間移動触媒の使用を完全に回避できます。
原料をより効率的に使用できます。
副生成物を低減できます。
高コストで危険な強塩基を、安価な無機塩基に置き換えられます。

これらの効果により、PTCは、互いに混ざり合わない二種類以上の反応物から有機合成を行うための極めて有用な化学的方法となっています。相間移動触媒反応（PTC）により、化学プロセスの原料をより効率的に使用し、より低コストで製造できます。PTCによる化学反応の促進は、化学製品の製造にとって重要な手段であり、超音波の使用によって飛躍的に改善できます。

液体中のキャビテーション

超音波で促進されるPTC反応の例

超音波処理下でPEG-400を使用した、新規N’-(4,6-disubstituted-pyrimidin-2-yl)-N-(5-aryl-2-furoyl)thiourea誘導体の合成。（Ken et al. 2005）
イオン液体中でPTCによって行う超音波支援マンデル酸合成では、常温常圧条件下で反応収率が大幅に向上します。（Hua et al. 2011）
Kubo et al.（2008）は、無溶媒環境でのフェニルアセトニトリルの超音波支援C-アルキル化を報告しています。超音波による反応促進効果は、二つの液相間の界面面積が極めて大きいことに起因するとされました。超音波処理による反応速度は、機械的混合よりもはるかに速くなります。
ジクロロカルベンを生成するための四塩化炭素とマグネシウムの反応中に超音波処理を行うと、オレフィンの存在下でgem-ジクロロシクロプロパンの収率が向上します。（Lin et al. 2003）
超音波は、相間移動条件下での p-クロロベンズアルデヒドのカニッツァーロ反応を加速します。Polácková et al.（1996）が試験した三種類の相間移動触媒 – 塩化ベンジルトリエチルアンモニウム（TEBA）、Aliquat、18-crown-6 – のうち、TEBAが最も有効であることがわかりました。フェロセンカルバルデヒドと p-ジメチルアミノベンズアルデヒドは、同様の条件下で、主生成物として1,5-diaryl-1,4-pentadien-3-onesを生成しました。
Lin-Xiao et al.（1987）は、超音波処理とPTCの組み合わせによって、クロロホルムからのジクロロカルベン生成が効果的に促進され、より短時間で、より高い収率と少ない触媒量を実現できることを示しました。
Yang et al.（2012）は、環境に配慮した超音波支援によるbenzyl 4-hydroxybenzoateの合成を、触媒として4,4′-bis(tributylammoniomethyl)-1,1′-biphenyl dichloride（QCl₂）を用いて研究しました。QCl₂を使用することで、新しい二部位型相間移動触媒反応を開発しました。この固体–液体相間移動触媒反応（SLPTC）は、超音波処理を伴うバッチプロセスとして実施されました。強力な超音波処理下で、添加されたQ2+の33%（45.2%のQ(Ph(OH)COO)₂ を含む）が有機相へ移動して臭化ベンジルと反応し、その結果、反応全体の速度が向上しました。この向上した反応速度は0.106 min^-1 として300Wの超音波照射下で得られ、一方、超音波処理なしでは0.0563 min^-1 の速度が観測されました。これにより、相間移動触媒反応における二部位型相間移動触媒と超音波の相乗効果が実証されました。

写真1：UP200Htは、出力200ワットの強力な超音波ホモジナイザーです

超音波による不斉相間移動反応の促進

a-アミノ酸とその誘導体の不斉合成のための実用的な方法を確立することを目的として、MaruokaとOoi（2007）は「N-スピロ型キラル第四級アンモニウム塩の反応性を高め、その構造を簡素化できるかどうか」を研究しました。「超音波照射は均質化、すなわち極めて微細なエマルションの生成をもたらすため、反応が起こり得る界面面積を大幅に増大させ、液体–液体相間移動反応の速度を大きく加速する可能性があります。実際、2、ヨウ化メチル、および(S,S)-ナフチルサブユニット（1 mol%）の反応混合物を、トルエン/50% KOH水溶液中、0 degCで1 h超音波処理すると、対応するアルキル化生成物が収率63%、88%eeで得られました。化学収率およびエナンチオ選択性は、混合物を八時間単純に撹拌して行った反応の結果（0 degC、64%、90%ee）と同程度でした。」（Maruoka et al. 2007; p. 4229）

スキーム1：超音波処理はα-アミノ酸の不斉合成中の反応速度を高めます [Maruoka et al. 2007]

不斉触媒反応の別の反応形式として、マイケル反応があります。カルコンに対する N-アセチルアミノマロン酸ジエチルのマイケル付加は、超音波処理によって好ましい影響を受け、収率が12%増加します（超音波を使用しない反応で得られた72%から、超音波処理下で82%まで向上）。高出力超音波を使用すると、超音波を使用しない反応と比較して、反応時間の点で六倍速くなります。エナンチオマー過剰率（ee）は変化せず、両方の反応 – 超音波を使用した場合と使用しない場合 – で40%eeでした。（Mirza-Aghayan et al. 1995）
Li et al.（2003）は、カルコン類をアクセプター、マロン酸ジエチル、ニトロメタン、シクロヘキサノン、アセト酢酸エチル、アセチルアセトンなどのさまざまな活性メチレン化合物をドナーとし、KF/塩基性アルミナを触媒とするマイケル反応では、超音波照射下でより短時間に高収率で付加生成物が得られることを実証しました。別の研究では、Li et al.（2002）が、KF-Al₂O₃を触媒とする超音波支援カルコン合成の成功を示しています。
上記のPTC反応は、超音波照射の潜在能力と可能性のごく一部のみを示しています。
PTCを促進できるかどうかについて、超音波を試験・評価することは非常に簡単です。Hielscherの UP200Ht （200ワット）などの超音波実験室用装置や、Hielscherの UIP1000hd （1000ワット）などの卓上システムを使用して、初期試験を行えます。（写真1および2を参照）

スキーム2：カルコンに対するN-アセチルアミノマロン酸ジエチルの超音波支援不斉マイケル付加 [Török et al. 2001]

化学製品市場で競争力を発揮する効率的な製造

超音波相間移動触媒反応を利用すると、次のさまざまな利点のうち一つ以上の恩恵を受けられます。

他の方法では実行できない反応の開始
収率の向上
高価な無水非プロトン性溶媒の使用量削減
反応時間の短縮
反応温度の低下
調製の簡素化
アルカリ金属アルコキシド、ナトリウムアミド、水素化ナトリウム、または金属ナトリウムの代わりに、水性のアルカリ金属を使用
より安価な原料、特に酸化剤の使用
選択性の変更
生成物比率の変更（例：O-/C-アルキル化）
単離および精製の簡素化
副反応の抑制による収率の向上
非常に高い処理能力でも、工業生産規模へ簡単かつ線形にスケールアップ

1000W超音波プロセッサー、フローセル、タンク、ポンプによる構成

化学における超音波効果の簡単でリスクのない試験

超音波が特定の材料や反応にどのような影響を与えるかを確認するために、まず小規模で実現可能性試験を行えます。50–400ワットの範囲の手持ち式またはスタンド取り付け式実験室用装置を使用すると、ビーカー内で小型および中型のサンプルを超音波処理できます。初期結果が有望であれば、例えば UIP1000hd （1000W、20kHz）などの産業用超音波プロセッサーを使用して、卓上規模でプロセスを開発・最適化できます。Hielscherの出力 500 ワット– 2000 ワットの超音波卓上システムは、研究開発と最適化に理想的な装置です。これらの超音波システム – ビーカー内およびインラインでの超音波処理用に設計 – では、最も重要なプロセスパラメーターである振幅、圧力、温度、粘度、濃度を完全に制御できます。
パラメーターを正確に制御することで、得られた結果の 厳密な再現性と線形なスケールアップ が可能になります。さまざまな構成を試験した後、最適と判断された構成を使用して、生産条件下で連続運転（24h/7d）できます。オプションのPC-Control（ソフトウェアインターフェース）は、個々の試験の記録も容易にします。危険環境（ATEX、FM）で可燃性の液体や溶媒を超音波処理するために、 UIP1000hd にはATEX認証取得バージョンが用意されています： UIP1000-Exd.

化学分野における超音波処理の一般的な利点：

超音波処理を適用すると、反応が加速する場合や、必要な反応条件がより穏やかになる場合があります。
誘導期間は、多くの場合、このような反応に通常伴う発熱と同様に、大幅に低減されます。
ソノケミカル反応は、多くの場合、添加剤を必要とせずに超音波によって開始されます。
合成経路で通常必要となる工程数を削減できる場合があります。
状況によっては、反応を別の経路に誘導できます。

文献・参考資料

Esen, Ilker et al. (2010)：超音波作用下の水中における芳香族アルデヒドの縮合反応用長鎖二カチオン性相間移動触媒。Bulletin of the Korean Chemical Society 31/8, 2010; pp. 2289–2292.
Hua, Q. et al. (2011)：イオン液体中での相間移動触媒反応による超音波促進マンデル酸合成。掲載誌：Ultrasonics Sonochemistry Vol. 18/5, 2011; pp. 1035–1037.
Li, J.-T. et al. (2003)：超音波照射下でのKF/塩基性アルミナを触媒とするマイケル反応。Ultrasonics Sonochemistry 10, 2003. pp. 115–118.
Lin, Haixa et al. (2003)：超音波照射を使用した四塩化炭素とマグネシウムの反応によるジクロロカルベン生成の簡便な方法。掲載誌：Molecules 8, 2003; pp. 608–613.
Lin-Xiao, Xu et al. (1987)：超音波照射と相間移動触媒反応によるdichlorocebene生成の新しい実用的な方法。掲載誌：Acta Chimica Sinica, Vol. 5/4, 1987; pp. 294–298.
Ken, Shao-Yong et al. (2005)：超音波照射下での相間移動触媒によるN’-(4,6-disubstituted-pyrimidin-2-yl)-N-(5-aryl-2-furoyl)thiourea誘導体の合成と生物活性。掲載誌：Indian Journal of Chemistry Vol. 44B, 2005; pp. 1957–1960.
Kubo, Masaki et al. (2008)：超音波照射を使用したフェニルアセトニトリルの無溶媒C-アルキル化の反応速度論。Chemical Engineering Journal Japan, Vol. 41, 2008; pp. 1031–1036.
Maruoka, Keiji et al. (2007)：不斉相間移動触媒反応の最近の進展。掲載誌：Angew. Chem. Int. Ed., Vol. 46, Wiley-VCH, Weinheim, 2007; pp. 4222–4266.
Mason, Timothy et al. (2002)：応用ソノケミストリー：化学および加工処理における高出力超音波の利用。Wiley-VCH, Weinheim, 2002.
Mirza-Aghayan, M. et al (1995)：不斉マイケル反応に対する超音波照射の効果。Tetrahedron: Asymmetry 6/11, 1995; pp. 2643–2646.
Polácková, Viera et al. (1996)：相間移動条件下での超音波促進カニッツァーロ反応。掲載誌：Ultrasonics Sonochemistry Vol. 3/1, 1996; pp. 15–17.
Sharma, M. M. (2002)：小規模で反応を行うための戦略。選択性工学とプロセス強化。掲載誌：Pure and Applied Chemistry, Vol. 74/12, 2002; pp. 2265–2269.
Török, B. et al. (2001)：ソノケミストリーにおける不斉反応。Ultrasonics Sonochemistry 8, 2001; pp. 191–200.
Wang, Maw-Ling et al. (2007)：超音波支援相間移動触媒による1,7-octadieneのエポキシ化 – 反応速度論的研究。掲載誌：Ultrasonics Sonochemistry Vol. 14/1, 2007; pp. 46–54.
Yang, H.-M.; Chu, W.-M. (2012)：超音波支援相間移動触媒反応：固体–液体系で新規二部位型相間移動触媒を用いる、環境に配慮した置換安息香酸エステルの合成。掲載論文集：第14^回アジア太平洋化学工学連合会議 APCChE 2012.

知っておきたい情報

超音波組織ホモジナイザーは、プローブ式超音波処理装置、超音波溶解装置、超音波破砕装置、超音波粉砕機、ソノラプター、ソニファイアー、ソニックディスメンブレーター、細胞破砕装置、超音波分散装置、または溶解装置と呼ばれることがよくあります。これらの異なる呼び方は、超音波処理で実現できるさまざまな用途に由来します。