Continuous flow photooxidation of alkyl benzenes using fine bubbles for mass transfer enhancement

Tetrahedron Letters
Volume 90, 2 February 2022, 153613
Available online 27 December 2021, Version of Record 29 January 2022.

医薬品や香料などの精密化学品を製造するプロセスにおいて、「酸化反応」は欠かせない工程の一つです。しかし、従来の製造方法である「バッチ法（大きな釜で材料を混ぜ合わせる方法）」には、光の届きにくさや爆発の危険性、そして反応効率の低さといった、長年エンジニアを悩ませてきた根深い課題がありました。

「もし、特別な薬品を使わず、身の回りにある『空気』と『光』だけで、安全かつ劇的に効率よく化学反応を進める方法があるとしたら？」

そんな化学工学の理想を、目に見えないほど小さな「泡」が現実のものにしようとしています。今回は、最新の研究論文に基づき、化学プロセスの未来を変える「ファインバブル（微細気泡）」の可能性を探ります。

【ポイント1】「光の壁」を突破する：Beer-Lambert法則への挑戦

光を利用した化学反応（光化学反応）において、最大の物理的な壁は「光が奥まで届かない」という現象です。これは「Beer-Lambert（ベール・ランバート）の法則」として知られ、光の強さは溶液の深さに応じて指数関数的に減少してしまいます。

従来の大きな容器を用いるバッチ法では、容器の壁際しか十分に光が当たらず、中央部には光が届きません。その結果、反応が不均一になり、完了までに膨大な時間を要するという限界がありました。

この問題を解決したのが、太さわずか1mm以下の細い管を用いる「連続流マイクロリアクター」です。反応液を極めて薄い層として流すことで、光（フォトン）を均一かつ効率的に浸透させることが可能になります。この工夫により、エネルギー効率が飛躍的に高まり、過剰な照射による副反応を抑えながら、驚異的な短時間での反応を実現したのです。

【ポイント2】140ナノメートルの魔法：微細気泡（ファインバブル）の威力

今回の研究で最も革新的なのは、直径約140ナノメートル（nm）という極小の気泡「ファインバブル（微細気泡）」を導入した点です。

この極小の泡は、従来の「スラグ流（管の中にガスと液体が大きな塊として交互に流れる状態）」と比較して、主に2つの科学的メリットをもたらします。

気液界面の面積増大：泡が小さくなることで、ガスと液体が接する面積が劇的に増え、酸素の移動がスムーズになります。
ガスの溶解促進：気泡内の高い圧力などの要因により、酸素が液体に溶け込みやすくなります。

その結果、従来の方式と比べて反応効率は、低流量（2 mL/min）で1.4倍、高流量（5 mL/min）では1.8倍も向上しました。論文内では、この効果について次のように述べられています。

「ファインバブル発生器によってもたらされる強化された気液伝質は、リアクターの生産性を大幅に向上させ、高い転化率と収率を実現した。」

【ポイント3】「純酸素」を捨て、「空気」で勝負する：究極の安全性

化学製造の現場において、可燃性の有機溶媒と純粋な酸素を混ぜることは、常に爆発のリスクと隣り合わせです。しかし、微細気泡技術を活用すれば、酸素濃度の低い安価な「圧縮空気」を用いても、従来の純酸素を用いた場合と同等以上の効率で反応を進めることができます。これは、安全性とコストを両立させる大きなパラダイムシフトです。

さらに、マイクロリアクター自体が「本質的な安全設計」を備えています。

少量の反応液：装置内に保持される液量が極めて少ないため、万が一の際も被害を限定できます。
優れた熱管理：比表面積が大きく放熱性に優れるため、発火の原因となる「ホットスポット（局所的な異常発熱）」を排除できます。
低濃度化：チャネル内の局所的な酸素および可燃性溶媒の濃度が低く抑えられるため、爆発のリスクを最小限にできるのです。

【ポイント4】5分間の奇跡：驚異の選択性とスピード

研究チームがエチルベンゼンからアセトフェノン（香料などに使われる化合物）を合成する酸化反応を行ったところ、驚くべき結果が得られました。

従来のバッチ法では同様の反応に24時間から48時間もの時間を要していましたが、この技術を用いた「滞留時間（装置内に留まる時間）」は、わずか5分。この短時間で、原料の90%が反応（転化率）し、そのうち92%が目的の生成物になる（選択性）という圧倒的な成果を収めました。

この反応を支える主役が、**SAS（アントラキノン-2-スルホン酸ナトリウム）**という水溶性の光触媒です。

SASが光を浴びて励起状態（SAS*）になります。
SAS*が原料から水素原子を引き抜き、SAS-Hラジカルを生成します。
このSAS-Hが微細気泡から供給される酸素（O_2）と反応することで、SASへと再生され、再び触媒サイクルに戻ります。

この循環プロセスにおいて、微細気泡が提供する「豊富な酸素供給量」が、触媒を素早く再生させるための鍵となっているのです。

【ポイント5】広がる可能性：多様な化合物への応用

この技術の価値は、特定の化合物だけでなく、多様な基質に応用できる「汎用性」にあります。

4-エチルアニソール：電子を供与する性質（メトキシ基）を持つため、転化率96%・選択性98.5%という極めて高い反応性を示しました。
ペンチルベンゼン：より複雑な構造を持つ化合物でも、良好な結果が得られています。
1-ブロモ-4-エチルベンゼン：電子を引き抜く性質を持つ臭素（Br）の影響で、転化率は35〜40%程度の「中程度」に留まりましたが、それでも微細気泡を用いない場合に比べれば、その性能向上効果は顕著に現れました。

このように、化合物の化学的な性質によって反応性に違いは出るものの、あらゆる基質において一貫して「微細気泡による恩恵」が実証されたことは、実用化に向けた大きな一歩です。

結論：未来のラボは「泡」で満たされるか？

今回の研究成果は、環境負荷を最小限に抑える「グリーンケミストリー」の実現に大きく貢献するものです。廃棄物を減らし、温和な条件下で、空気と光というクリーンなエネルギー源を活用するこの技術は、持続可能なモノづくりの理想形と言えるでしょう。

近い将来、化学工場から巨大な煙突や危険な高圧酸素タンクが消え、静かな光と目に見えない空気の泡だけで、私たちの生活を支える薬や材料が作られる日が来るのかもしれません。

もし、あなたが既存のプロセスの効率を2倍にできるとしたら、どの「泡」を使いますか？微細気泡がもたらす化学革命は、まだ始まったばかりです。

本稿は、掲載論文に基づき生成AIを用いて要約・表現を作成しています。内容の正確性には配慮していますが、解釈や表現の過程で不正確な記載が含まれる可能性があります。特に構造式については不正確です。正式な情報は原論文をご確認ください。