JP2004530044A - Micro-engineered reactor - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、密接に結合した反応装置と電気化学的セルとからなるマイクロ工学的反応装置、及びかかる装置を、有機化合物の合成のために、電気化学的反応を含む処理によって用いる方法に関する。合成処理は、原料物質を、チャネルか、又はチャンバ内の反応領域で前駆体物質に暴露される反応性一次生産物に電気化学的に変換させ、一次生産物及び前駆体物質を反応させ二次生産物を生じさせる種類のものである。The present invention provides a micro-engineered reactor consisting of a tightly coupled reactor and an electrochemical cell, and uses such a device for the synthesis of organic compounds by a process involving an electrochemical reaction. About the method. The synthesis process electrochemically converts the source material into a reactive primary product that is exposed to the precursor material in a channel or reaction zone within the chamber, and reacts the primary product and the precursor material with the secondary product. It is of the kind that gives rise to products.
Description
【技術分野】
【0001】
本発明は、電気化学的反応を含む処理によって有機化合物の合成において用いるための微細工学的(micro-engineered)反応装置、及びかかる微細工学的反応装置を用いる方法に関する。合成処理は、原料物質を、電気化学的に、チャネル又はチャンバ内の反応領域で暴露される反応性一次生産物、前駆体物質に転換させ、一次生産物及び前駆体物質を反応させて二次生産物を生じさせる種類のものである。
【背景技術】
【0002】
電気化学的反応は有機物の合成において比較的わずかにしか用いられていない。これは種々の制限のためのであり、それらには、有機物の種のほとんどが清浄でないこと及び直接的な電気化学的転換の識別、多くの有機物合成処理に不適合な極性のイオン伝導性媒体に対する制限、及び有機溶液の比較的低いイオン導電性が含まれ、それらは電流及び処理量を制限する場合がある。印加する電位を増加させることによって電流を増加させることができるが、このことは、イオン伝導性流体本体の加熱を増加させ及び電極での制御された電位及び清浄な電気化学的処理の達成に困難を与える傾向がある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【0003】
しかし、多くが合成反応に広範に用いられており、これらは反応性の高エネルギー反応物質を利用している。かかる反応物質の例は、リチウム又はナトリウムのアルキルのような有機金属物質、及びグリニャール試薬である。かかる物質の長期貯蔵は、実用的でないか、又は有害であることがあり、及びそれらは用いるすぐ前に前駆体試薬と活性金属とから合成されることが多い。活性金属は、有機金属の合成に用いられ、特にアルカリ金属であり、それら自体が有害であるか、又は取り扱いが難しく、及びそれらの有機物合成における使用を妨げる腐食生産物を貯蔵中に蓄積することがある。活性金属は、通常、生産者によって、シート、ロッド、又は顆粒として供給され、それらは、有機物の合成に用いる前に酸素を含まない乾燥状態でか、又はそうではなく保護された環境中で切断するか、又はそうではなく機械的に処理し、十分に清浄で活性な表面積を生産させなければならないことがある。これらの活性金属の取り扱い及び処理は有害であることがあり、及び処理の困難性及び望ましい有機金属試薬を生じさせる費用を加えることがある。通常の方法に従って有機金属種を合成する際に用いるための活性金属は、電気化学的に生じさせることができるか、又は生じる。提案する装置の利点は、かかる物質をその位置で前駆体試薬との反応のための一次生産物として生じさせることである。提案する装置は、過剰な物質の取り扱い及び汚染物質への暴露と関連する危険を最小にする封入された装置において活性金属及びそれらの誘導体の制御された生成を可能にする。
【0004】
微細加工技術は、集積回路及び小型化電子装置の製造のための半導体産業において知られている。また、ミクロン(10−6メータ)ほどの小さいチャネル大きさを有する複雑な流体の流れ系を作製することもできる。これらの装置は安価に大量生産可能であり、及び単純な分析試験のための広範囲の使用が直ちに期待される。例えば、Ramsey(ラムジー), J. M. 等の(1995年)、“Microfabricated chemical measurement Systems(微細加工された化学測定システム)”、Nature Medicine 1:1093-1096頁;及びHarrison(ハリソン), D. J. 等の(1993年),“Micro-machining a miniaturised capillary electrophoresis-based chemical analysis system on a chip(チップ上での小型化キャピラリ電気泳動系化学分析システムのマイクロマシニング)”、Science 261:895-897を参照。実験技術の小型化は、それらの大きさを減少させる単純な事柄ではない。小さな規模では異なった効果が重要になり、いくつかの処理を効率的でないようにし及び他に使いものにならないようにする。いくつかの装置のより一層小さい変形を模写することは、物質又は処理の制限により困難である。これらの理由のため、一般的な実験室の仕事を微細規模にするための新しい方法を開発することが必要である。
【0005】
マイクロマシニング平面基材によって作られる装置は、化学的な分離、分析、及び検出のために作製され、及び用いられている。例えば、Manz(マンツ), A. 等の(1994年)、 “Electro-osmotic pumping and electrophoretic separations for miniaturised chemical analysis system(小型化された化学分析系のための電気浸透性ポンピング及び電気泳動的分離)”、J. Micromech. Microeng. 4:257-265参照。加えて、装置は、流体の2つのストリームを積層流にし、互いに分子を1種のストリームから次のものに拡散させる準備的な、分析的な及び診断的な方法のために提案されており、それらの例は、国際公開第WO9612541号、WO9700442号パンフレット及び米国特許第US5716852号明細書に提案されている。
【0006】
本明細書の開示において、用語“微細加工”及び“微細工学的”には、プラスチック、ガラス、シリコンウェファ又はフォトリソグラフィ、スクリーン印刷、湿式又は乾式の等方性及び異方性エッチング処理、反応性イオンエッチング(RIE)、レーザアシスト化学エッチング(LACE)、金属、セラミック、及びプラスチック基材のレーザ及び機械的切断、プラスチック積層技術、LIGA、熱可塑性プラスチックマイクロパターントランスファ、樹脂系マイクロキャスティング、キャピラリ中のマイクロモルディング(MIMIC)、及び、又は微細加工の技術内で知られている他の技術のような微細加工の技術を実行する者が容易に入手できる任意の他の物質上で作製される装置が含まれる。シリコン微細加工の場合におけるように、より一層大きなウェファを用いて複数の本発明の装置を複数の構成において適合させることができる。いくつかの標準的なウェファの大きさは3″(7.5cm)、4″(10cm)、6″(15cm)、及び8″(20cm)である。本明細書に示す新しい及び新生の微細加工の方法を用いる原理の適用は、本発明の範囲及び意図の範囲内である。微細加工された装置は、(1)フォトリソグラフィ、顕微鏡的パターンを作成する光学的処理、(2)エッチング、基材物質を除去する処理及び(3)堆積、それによって、特定の機能を有する物質を基材の表面上に被覆することができる処理のような製造処理の組み合わせによって作成することができる。
【0007】
装置に対する外部の液体貯蔵機との接続は、微細な管及びキャピラリへの接着結合、正極の又は巨視的ユニオンに結合したマニホールド構造への他の結合、又はMourlas(ムルラス), N. J. 等のProceedings of the μTAS’98 Workshop, Kluwer Academic Publishers 27-による方法、及びそこに引用される文献による方法を含む種々の手段によって作ることができる。
【0008】
本発明の目的は、微細工学的反応装置、及びかかる微細工学的反応装置を用いる方法を提供することであり、これらは、過去に受けた少なくともいくつかの問題を克服する電気化学的手段によってその位置で生産される物質との反応を含む有機化合物の合成のために適切であり、及び微細工学的な流れ通過の利点を利用する。
【0009】
微細工学的寸法の反応装置を用いることによって、抵抗電圧降下及び加熱を制限する短いイオン伝導性経路の達成が可能である。冷却され得る表面に対する流体の短い直径は、オーム(ジュール)加熱からのか、又は高エネルギー生産物からのいずれかの過剰な温度上昇を避ける。比較的狭いチャネル又はチャンバによる試薬の流れによって、試薬の表面への迅速な拡散性の輸送が可能になり、前駆体試薬が効率的に及び迅速に、反応性金属層のような一次電気化学的生産物に与えられる。活性の一次生産物及びその後の生産物を反応装置内で要求に応じ生じさせることは、有害な在庫の蓄積を避け、及び装置が制限の水準を提供し、及び物質の取り扱いにおいて固有の危険が避けられる。
【0010】
微細工学的技術を用いることによって、通常、深さの特徴が物質のエッチング又は堆積によって画成され、及び〜1μmに至るまでの深さ寸法を有する導管又はフローチャネルを形成することができる。概して、本発明では、用語“微細工学的”は、0.1〜1000μmの深さを有するチャネルを参照する。1000μmまでのチャネル深さは著しく高い処理量、及びより一層低い粘性を可能にするが、好ましい範囲の大きさは、1〜500μmの間及び特に30〜300μmである。チャネルの幅及び長さは概してリソグラフィ技術によって画成され、及び数μmからcmまでの寸法でよい。かかる導管及びフローチャネルの組合せを使用することによって、秒程度から液体中でのミリ秒、及び気体中でのマイクロ秒に至るまでの運送及び混合時間を達成することができる。
【0011】
酸化還元反応を導く電気の使用はよく知られており、及び融解した電解質を用いたアルミニウム金属の原鉱からの電解抽出、電気めっき及び再充電可能な電池において適用される。電気化学的酸化還元処理は、電気化学セルにおいて1種又はそれより多い電子を電極及び化学種の間で輸送させるものである。このように電子を獲得するか又は喪失することができる化学種は酸化還元活性な種である。かかる種は電荷の輸送によって他の種に転換し、及び再配列、反応、及び相変化を含む追加の転換を受けることがある。
【0012】
本発明の追加の目的は、反応装置内で酸化還元処理を導きその位置で合成反応の一部として装置内で反応する反応性生産物を生産するために電気を用いる基本技術の新しい使用を提供することである。
【0013】
本発明の反応装置の操作には、反応装置の構成及び寸法によって影響を受ける多数の運搬処理が含まれ、好ましい寸法は微細工学的技術に適切な範囲内である。代表的に含まれる処理には、エレクトロマイグレーション、電着、及び物質及び試薬の電極及び電着物のような反応位置への拡散、流体試薬ストリームの混合、反応、及び熱生成又は熱消費及び熱運搬が含まれる。後述するように、反応装置中での迅速なイオン移動、拡散による物質輸送、及び流体層を横切る熱輸送のための条件は改善することができ、及び反応フラックスの反応域容積に対する比率を高めることができ、そこで交差する層の厚さは1μmから1000μmまでの微細工学的な範囲であり、及び好ましくは30μm〜300μmの範囲である。
【0014】
本発明の1種の観点では、有機化合物の電気化学的合成に適切な微細工学的反応装置を提供する。
【0015】
本発明の他の観点では、有機化合物を製造する目的のための微細工学的反応装置を用いる方法を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
次に、本発明を、添付図面を参照して、例によって説明する。
図1a〜17において、反応装置は断面図で示し、チャネルの高さ及び長さを図解的に表す。チャネルの幅は表示していないが、反応装置の高さと同様であるか、又はより一層大きく、反応装置を製造するのに用いる物質又は基材の幅によって与えられる制限までである。
【0017】
一般論として、本発明は、有機化合物の合成について、原料物質から電気化学的に生じさせる反応性の一次生産物を用いる反応によって広く適用できる。一般論として、原料物質は電気化学的に反応性の一次生産物に変換され、これはチャネル又はチャンバ内の反応領域で前駆体物質に暴露され、一次生産物及び前駆体物質が反応し、二次生産物を生じさせる。例えば、前駆体物質は、流体の有機試薬からなるか、又はそれを含有することができる。有機試薬は溶媒中に溶解させることができる。1例において、一次生産物は、塩又は金属の他の酸化還元活性な化合物でよい原料物質から電気化学的に生じさせる反応性金属である。前駆体及び一次生産物が反応して二次生産物を形成し、これは有機金属化合物である場合がある。
【0018】
原料物質は、電極に存在するか、又はそれに隣接することができ、及び流体流によって電極領域に輸送することができる。好ましくは、原料物質は、移動し易く、及びできるだけ溶媒に溶解させることができるものである。原料物質は、好ましくは、電解によって変換され、一次生産物を形成し得る塩又は他の酸化還元活性な化合物である。
【0019】
反応装置は、二次生産物と追加の反応物質との反応のための設備を、チャネル、又はチャンバ内のいずれにおいても含むことができ、二次生産物が、そこで形成されるか、又は他のチャネル、又はチャンバ中で形成され、そこに、二次生産物が流体流によって運ばれる。装置は2種以上の離れた電極、作用電極及び対極を有し、その間で、イオン伝導性物質が与えられ、及び電流が、一次生産物の電気化学的生成中に、電極及び介在するイオン伝導性物質(又は相)によって流れる。一次生産物は作用電極で電気化学的に形成される。他の酸化還元処理は対極で起こる。
【0020】
イオン伝導性物質は、原料物質からなるか、又はそれを含有することができ、及び溶媒及び支持電解質及び酸化還元活性な物質を含み、対極で電気化学的処理を支持することができる。原料物質、支持電解質、及び前駆体物質のために用いる溶媒は、同一か、又は異なる物質でよく、及び混和性又は不混和性でよい。極性の非プロトン溶媒が、イオン伝導相を提供するのに特に有利に働く。
【0021】
微細工学的反応装置において遂行する処理は、反応性の金属堆積物又は他の高反応性のか又は電気化学的に生じる不安定な種のような一次生産物を生じる電気化学的酸化還元処理、及び一次生産物と、供給される試薬又は前駆体物質との反応であって、同じ微細工学的反応装置内か、又は同様の微細工学的反応装置内で、有機金属種のような二次生産物を生じさせる反応の組合せであり得る。
【0022】
本発明の好適例は、一次生産物としての反応性金属を電気化学的に生じさせ、及びその反応によって二次生産物としての有機金属を生産することによる有機金属の合成を対象とするが、非金属の一次生産物のその後の反応のための生成を包含する。かかる一次生産物は、電気化学的に生じさせる非金属物質でよく、成分及び化合物が含まれ、及び有機イオンを含む有機種の直接的な電気化学的酸化又は還元によって生じる種又は物質を含むことができ、及び遊離基種を含むことができる。一次生産物は、電極でか、又はそれに隣接して形成され、前駆体物質に暴露され及び反応して、流体流によって反応位置から処理される二次生産物を形成するまで、少なくとも一時的に残ることができる。あるいはまた、反応装置、又は同様の微細工学的反応装置の第一の部分において生じた一次生産物は、溶解されてか、又は懸濁液として、流体相(例えば、粒子状又はコロイド状金属として)において運ばれ、及び反応装置又は複数の反応装置のその第1の部分から流体流によって混合及び反応のための第2の部分に搬送され、二次生産物を形成することができる。二次性生物は、それ自体反応物質として用いられ、その装置内でか、又は他の装置又は環境への輸送後のいずれかで三次生成物を生じさせることができる。
【0023】
いくつかの場合、一次及び二次生産物及び任意の中間体形の形成処理が解明されないことがあり、及びそれらが解明されることによって本発明の目的が達成される必要はない。
【0024】
本発明の好適例では、提案する微細工学的反応装置は、導管を有し1種又はそれより多い反応物質溶液を、1種又はそれより多い電極を含むチャンバに運び、及び生成物溶液をチャンバから輸送する。導管及びチャンバは微細工学的技術によって形成される。
【0025】
有機金属種の合成に用いる活性の金属は、電気化学的に生じさせることができ、及びかかる物質を前駆体物質との反応のための一次生産物としてその位置で生じさせることが提案した反応装置の利点である。電気化学的に生じさせた一次生産物への前駆体試薬の適用は、直ちにか、又はわずかに遅れた後に行い、反応性の有機金属種のような二次生産物を生じさせる。反応装置は、容易に利用でき及び有害でない前駆対からの有機金属のような試薬の要求に応じる便利な供給源であり得る。追加の利点は、二次生産物が、貯蔵損失及び危険を避けながらその位置で用いることができることである。
【0026】
提案された反応装置は、一連の原料又は前駆体物質又は試薬を、要求に応じてのみ適用される電解処理を用いた制御された方法において引き合わせる。したがって、酸化還元活性の試薬を用い、及び酸化還元活性の生産物を生じさせる一方、それらを電気化学的転換処理に曝すのを制御することができる。
【0027】
反応装置を通じて電荷を通すための電子回路を操作し、電位及び電流を制御し、及びこれらを長い時間変化させることができる。これらには、定電圧回路及び定電流回路が含まれる。
【0028】
本発明の反応装置は2種の態様において操作することができる。第1の態様(以下、“連続モード”と称する。)において、一次生産物の電気化学的生成及び前駆体の供給を同時に遂行し連続反応及び二次生産物の生成を行う。第2の態様、以下“不連続モード”と称するにおいて、一次生産物の電気化学的生成を第1の時間期間に遂行し、及び前駆体の供給を第2の時間期間に遂行する。一次生産物は第1の期間に蓄積し、及び二次生産物を生じさせるために蓄積した一次生産物と前駆体との反応を第2の期間内に起こす。第1及び第2の期間は交互に繰り返すことができる。他の時間期間は、第1及び第2、及び第2及び第1の期間を分離することができる。フラッシング溶液又は洗浄溶液をこれらの他の期間中に反応装置に適用することができる。不連続モードにおける操作によって、一次生産物形成の処理及び二次生産物を形成するための一次生産物と前駆体との反応の処理中に、異なった溶媒系を用いることができる。このことは、化学反応の範囲を広げ、これを至適条件として用いることができ、及び溶媒環境を、一次生産物形成の処理及び二次生産物を形成するための一次生産物と前駆体との反応の処理について同じにしなくてよい。
【0029】
2種の基本的な幾何学的配列又は種類は本発明の反応装置にとって好ましい。第1の種類又は幾何学的配列(図1aに図解的に示す。)の装置は、電気化学的セルを組み込み、そこで、作用電極及び対極の間の少なくともいくつかの空間が、原料物質、イオン伝導性物質、及び酸化還元活性の物質を含有する流体によって占められ、対極での電気化学的処理を支持し、それらの物質は同じか又は異なることができ、イオン伝導性通路が電極を結合して電極の間に電流を運び、及びその空間もまた生成させるべき試薬のための前駆体によって、上述のように同時にか、又は異なった時間のいずれかで占められる。電極は、図1a及び1bに図解的に表示するように、チャンバ又はフローチャネルの対辺にか、又はチャンバ又はフローチャネルの壁上に並列して並べることができる。
【0030】
第2の種類又は幾何学的配列(図1bに図解的に示す。)の装置は、電気化学セルを組み込み、そこで、空間が一次生産物の電気化学的生成中にイオン導電のために用いられ、及び前駆体の添加及び輸送のめの空間が、一次生産物を生じさせる電極構造を少なくとも含む構造によって分離され、及びそこで、かかる分離構造によって、互いに引き合わされるべき一次生産物及び前駆体の物質の輸送が実現する。
【0031】
第2の種類又は幾何学的配列の装置は、第1の種類又は幾何学的配列の装置についてのように、連続又は不連続モードにおいて運転することができる。第2の種類の幾何学的配列を用いれば、前駆体又は生産物の流体流通路の外の電解質を清浄にする必要がない。しかし、不連続な、又はパルス状の態様において、装置を運転することは便利であり、十分な一次生産物(アルカリ金属のような)を作用電極上で構築させるか、又は前駆体物質、及び原料物質の供給を交代させ、そこで、原料物質が流体中に供給され、及び流体が前駆体供給のためのものとは異なるか、又は作用電極及びそれからの生産物に前駆体を輸送するために用いる溶媒中で変化させる。複合的な流体入口及び出口を有する構造もまた第2の種類又は幾何学的配列の装置のために用いることができる。
【実施例1】
【0032】
図1a及び1bに関して、第1の種類の反応装置を図1aに図解的に示し、これは、2種の電極、作用電極13、及び対極14を形成する2種の導電性の構造又は基材が設置されるチャンバ11を含む。電極13,14を使用して電力供給に接続し、電位を電極13,14間に印加する。チャンバ11は1種又はそれより多い流体を受け取るための入口12を有し、それは流体又は複数の流体をチャンバ11中での電気化学的生産物の形成及び反応に用いる。
【0033】
チャンバ11に入る第1の流体は、イオン導電性物質、及び例えば、有機流体中に溶解した金属塩のような原料物質からなるか、又はそれを含有し、電極13及び14の間のチャンバ11を経るイオン伝導性経路が存在する。電極13及び14の間の電流通過に続き、例えば、金属のような一次生産物の電気化学的形成が、金属16を電極13上に堆積させる。
【0034】
チャンバ11に入る第2の流体は、第1の流体と同じか又は第1の流体ストリームと結合されることができ、前駆体反応物質、(例えば、ハロゲン化アルキルのような)からなるか、又はそれを含有することができる。前駆体試薬は一次生産物と反応し、二次生産物、(例えば、有機金属化合物のような)を形成する。第2流体(前駆体反応物質)はチャンバ11を介し電極13に隣接する流体経路17に沿って流れ、それはチャンバ11の全てか、又は一部だけを占めることができる。
【0035】
基材13の1種又はそれより多い表面上に電気化学的に堆積された一次生産物16は、使用に際し、チャンバ11中で前駆体試薬に曝される。一次生産物16は前駆体試薬と反応し二次生産物を形成する。原料物質及びイオン伝導性物質は同じであるか、又は異なった物質でよく、及び異なった物質の場合、それらは共に電流が通過し一次生産物16を形成する際にチャンバ11中に存在しなければならない。
【0036】
原料物質及び前駆体物質は、同じか、又は異なった流体中で、同時にか、異なった時間に搬送することができる。チャンバ11は、出口15を有し、それを介して、例えば、有機金属化合物のような反応性産物を除去することができる。減少した原料物質及び前駆体試薬を含有する使用した流体又は複数の流体は、出口15を介して、チャンバ11を出ることができる。入口12及び出口15の機能は、チャンバ11を介した流体流の反転によってその時々に変化させることができる。
【0037】
第2の種類又は幾何学的配列の反応装置を図1bに図解的に示す。この種の装置では、イオン伝導のために用いる容積は前駆体添加及び輸送に用いるものから分離される。
【0038】
第2の種類の反応装置は、電極、作用電極13、及び対極14を形成する2種の電気導電性の基材が設置されているチャンバ11を含む。電極13,14を使用して電力供給に接続し、電極13,14間に電位を印加する。チャンバ11は、チャンバ11を介して、電極13に隣接するが、電極13及び14の間でない流体経路17に沿って出口15に運ばれる1種又はそれより多い流体を受け取るための入口12を有する。
【0039】
図1bに示す第2の種類の反応装置は、チャンバ11内に容積の分離を伴う。容積11aはイオン伝導のために用いられ、前駆体及び試薬の添加、及び作用電極13を横切って輸送される物質が可能になる浸透性の電極13による反応の生産物の輸送のために用いる容積11bと分離される。このようにして、一次生産物及び前駆体反応物質は容積11b内で接触するに至り、隣接する流体流通路17中に輸送され得る二次生産物を形成する。
【0040】
電極13の浸透性は、孔を有する構造か、又はメッシュ又はストリップの配置のような径由を用いることによってか、又は一次生産物に対してか、又は前駆体試薬及び二次生産物を含有する流体に対し本質的に浸透性の電極物質を用いることによって達成することができる。
【0041】
第2の種類の幾何学的配列の追加の要求は、対極14がチャンバ11内であるが、前駆体試薬の流路17の外に設置されること、及び電極13及び14の間の、チャンバ11のその領域18が、イオン伝導性物質を、電極13での一次生産物16の電解生成中に少なくとも含有することである。
【0042】
領域18は、図1a及びbに示していない入口及び出口管を備えることができるか、又は流体の、半固体の、又は固体のイオン導体であり得る静的なイオン伝導性相によって占めることができる。イオン伝導性相は原料物質を含有するか、又はそれからなることができる。一次生産物への電気化学的変換のための原料物質は、選定した化学的反応に応じて領域18又は流路17に導入することができる。好ましくは、この配置により、電極13及び14の間のイオン伝導性物質を介した電流の通過による原料物質上の電気化学的反応によって作用電極13で生産される一次生産物が、電極13を介して与えられ、及び隣接する流路17において前駆体試薬と相互作用するようになる。
【0043】
チャンバ11の領域18を介した電極13及び14の間の電流通過は、例えば、金属堆積16のような一次生産物の電極13での電気化学的形成を起こす。電極13に隣接する流路17に沿ってチャンバ11に入る流体は、例えば、ハロゲン化アルキルのような前駆体反応物質であるか、又はそれを含有し、例えば、有機金属化合物のような二次生産物を一次生産物との反応によって形成する。
【0044】
流体経路17は、電極13及び14の間のチャンバ11のその部分を占有しないことがある。基材13の1種又はそれより多い表面上に電気化学的に堆積される一次生産物16は、使用され、チャンバ11中の前駆体試薬に曝される。一次生産物16は、例えば、電極13上の金属の犠牲的な層のように、前駆体試薬と反応し、二次化合物を形成する。
【0045】
上述したように、第1の種類の装置に関し、第2の種類の装置を有する場合、原料物質及び前駆体物質は、同じか、又は異なった流体中で、同時にか、又は異なった時間に搬送することができる。
【0046】
チャンバ11は出口15を有し、そこを介して、例えば、有機金属のような反応生産物を除去する。減少した原料物質及び前駆体試薬を含有する使用した流体又は複数の流体は出口15を介してチャンバ11を出ることができる。入口12及び出口15の機能は、チャンバ11を介した流体流の反転によってその時々に変化させることができる。
【0047】
第1及び第2の種類の双方の装置のために、原料物質及びイオン伝導性物質は同じであるか、又は異なっていてよく、及び異なる場合、共に電流が電極13,14の間を通過し一次生産物16を形成する際にチャンバ11中に存在しなければならない。原料物質及び前駆体物質は、同じか、又は異なった流体中で、同時にか、又は異なった時間にチャンバに入ることができる。
【0048】
一次生産物16は作用電極13での電荷輸送によって原料物質から生じる。一次生産物16が還元処理によって生じる場合、一次生産物が作用電極13での金属塩又は化合物の電気化学的還元によって生産される金属である場合のように、その作用電極は負極として接続される。これは、電気化学セルの電極13及び14を外部の電気回路に接続することによって達成され、電気回路は電極間の電位バイアスを維持し、通常の電流が作用電極13から外部回路へ流れる。最も一般的には、これは、負極としての作用電極13が、図1a及び1bに図解的に表示するように正極としての対極14に関して潜在的に陰性で偏っていることに対応する。
【0049】
あるいはまた、一次生産物16が酸化処理によって生じる場合、一次生産物が例えばハロゲン化物塩の原料物質から作用電極13で生じるハロゲンである場合のように、その作用電極は正極として接続される。これは、電気化学セルの電極13及び14を外部の電気回路に接続することによって達成され、電気回路は電極間の電位バイアスを維持し、通常の電流が対電極14から外部回路へ流れる。最も一般的には、これは、負極としての作用電極13が、負極としての対極14に関して潜在的に陽性で偏っていることに対応する。
【0050】
操作中、例えば、犠牲金属層のような一次生産物16は、負極としての電極13と正極としての電極14とが電気回路中で接続されることによって電極13上に電気化学的に堆積される。イオン伝導性物質は、電極13及び14の間の空間中に存在し、及び金属の塩又は酸化還元活性な化合物であり得る原料物質は、少なくとも作用電極13に与えられる。電極13,14の間での電位差の適用は、電流を発生させ、正極及び負極の間を流れ、それによって、一次生産物16(例えば、金属のような)が作用電極13上に電着される。
【0051】
不連続モードの操作において、一次生産物16の電気化学的生成は、十分な一次生産物が作用電極13上に堆積されるまで前駆体試薬の欠損状態で遂行される。セルを介して正極及び負極の間で電流を維持する電位が除去され、及び有機前駆体試薬がチャンバ11を介して流路17に沿って流れ、一次生産物16と反応する。このモードの操作は効率的な“不連続”又はバッチ処理である。
【0052】
ここに記載した具体例において、一次生産物16は、チャンバ11中に前駆体試薬を導入するのに先立って堆積される。代わりの具体例、連続モードの操作において、一次生産物16を、流路17を介した前駆体試薬の通過及び前駆体試薬と一次生産物16との反応を遂行するのと同時に電気化学的に生じさせることができる。このモードの操作は、効率的な“連続”処理である。
【0053】
本発明の種々の具体例及び本発明に従って構成される種々の微細工学的反応装置の構造の操作を、図2〜17に例示する。
【0054】
図2は第1の種類の反応装置における連続処理を図解的に示すもので、原料物質を含有するイオン伝導性試薬混合物のチャンバ11を介した連続流が示されており、それらは塩(例えば、M+Y−)及び前駆体試薬(例えば、R−X)でよい。原料物質(例えば、M+Y−)は励起された電極13及び14の間の流路17において流され、電解による一次生産物16(例えば、M0)を電極13でか、又はそれに隣接した流路17において生産し、次いで、一次生産物は有機前駆体試薬(例えば、R−X)と反応し、有用な二次生産物(例えば、M−R)を生産する。一次生産物は、付着性の堆積として作用電極上に形成されるか(図2の上側半分に図解的に表すように)、又はそれは図2の下側半分に図解的表すように、溶液又は懸濁液としての流体流になることがある。電解による中間体の一次生産物16(例えば、M0)が確認可能に(identifiably)形成される必要はない。有用な二次生産物(例えば、M−R)は流体流によって次の接合部19に運ばれ、そこに、追加の反応物質(例えば、R′−W)が混合及び反応(例えば、M− → R−R′)のために導管20を介して持ち込まれる。三次生産物R−R′は、出力導管21を介して流れにおいて運び去られる。試薬R′−W及び三次生産物R−R′マットは化合物であり、それらが電気化学セル区分を介して通過する場合、例えば、R′−Wが電気化学セルへの供給ストリーム中に導入され得ない場合、改変の対象になる。上記を達成する最も単純な構造は、図2に図解的に表し、そこで、表示した処理は、負極として操作される陰性に分極した作用電極13でのM+の還元を含む。
【0055】
代わりの処理は、陽性に偏った作用電極13を正極として操作する場合に形成される酸化処理(例えば、Cl−を含有する原料物質から生じたCl2)によって形成された一次生産物16との反応を含むことがある。
【0056】
1価の陽イオンM+の電気化学的変換は示されるが、その処理は、多価の、負荷電の、及び中性の種でさえ、それらが電気化学的に活性である限り、これらを含む原料物質に適用可能である。電気泳動、拡散、移流処理(advective processes)の電荷及び相対的重要度は、電極への物質輸送に影響を及ぼすことがある。図2に図解的に示す単純な構造では、正極及び負極の双方は直接試薬のストリームに接触し、及び正極の領域及び負極の領域の双方からの生産物は、その後の反応域に運ばれる。これらは、正極の及び負極の電極領域からの副産物(side product)を含む場合がある。要求される反応において直接含まれない対極14からの副産物は、適切な流れの配置によってその後の反応域からそらすことができる。
【0057】
望まない生産物を反応域からそらす方法を、図3の装置において図解的に表示する。これはチャンバ11から出口15を介して出る所望の生産物、及び出力導管22に沿って通過する電極14に隣接する領域からの不要な生産物を有する対極14及び作用電極13の周りからの分離流(separating flow)を含むことができる。
【0058】
電極は図4に表示するようにその後の反応位置に導かれる流れストリームの外側に位置することができる。
【0059】
図4に表示するように、十分なイオン伝導性経路を電極13及び14の間に維持することができる限り、対極14は電極13に隣接する流れストリーム17の外側の出口導管22に位置することができる。不要な生産物は、出口15を介した所望の生産物を汚染することなく導管22を介して運び出される。
【0060】
図5に表示するように、正極14及び負極13への供給ストリームは、異なることができ、電極13に隣接するチャンバ11に流れ込む入口12からの原料物質及び前駆体試薬の流れ、及び電極14を流れ去る入口23からの流体を有することがある。2種の流体は異なった組成でよく、及び共に十分なイオン伝導性を有し正極14及び負極13の間の導電性通路を維持する限り、不混和性であってよい。
【0061】
2種の電極からの生産物を上記に表示したような流れの配置によって分離するのはもちろん、流体通路を正極及び負極の領域の間のイオン浸透性障壁を加えることによって制御することができる。これは、多孔性シート(素焼板)、透析膜、イオン交換膜、又はゲル化したか、又はそうでない固定化電解質の領域でよい。
【0062】
2種の電極13,14からの生産物を上記に表示したような流れの配置によって分離するのはもちろん、流体通路は電極13,14に隣接する領域の間のイオン浸透性障壁24の位置を制御することができる。この障壁24は、図6に示すように、チャンバ11を負極及び正極区画に分ける。この障壁24は、多孔性シート、透析膜、イオン交換膜、又はゲル化したか、又はそうでない固定化電解質の領域でよい。
【0063】
1種又はそれより多い電極は、図7に示すように、多孔性か、又は網状の種類の導電性構造として構築することができる。これは、電極の表面積を増加させることができ、及び多孔性体を用いて、チャンバ11内に、流体の一部が通過する領域を確立することができる。多孔性電極構造内で、拡散及び溶液から電極物質までの熱伝導距離が減少する。図7の装置において、一次生産物形成及び反応のための作用電極13は、導電性多孔性体の形態をとる。かかる多孔性電極は図6に表示する種類のイオン浸透性膜と組み合わせて用いることができる。
【0064】
図2〜17に示す反応装置において、流体が流れるチャネルの寸法は、作用電極13又は電極14を流れ去る試薬が、例えば、拡散によって電極表面に効率的に運ばれ、各々の電極と反応するようなものである。電極13,14はチャネル壁(図2〜6に示すような)の一部を形成するか、又はチャネル又はチャンバ壁から分離した別個の構造であることができる。電極は加えて導電性物質の多孔性ブロック又は網として構成することができる。流体は多孔性電極の表面上を通過するか、又はポンプによって多孔性電極を流れ、電極処理及び電極位置が孔壁(pore wall)に発生することがある。
【0065】
多孔性電極を有する改良型は、本明細書に記載する他の選択肢に基づくことができ、及び連続又は不連続操作によって用いることができる。
【0066】
連続操作について示すが、上述の図2〜7の構造は、また、不連続操作に対して用いることもできる。このモードでは、電流は、電極13,14の間を流れ、一次生産物、例えば、リチウムのような金属を生産し、リチウムは作用電極13でか、又はそれに隣接して保持される。したがって、電極13に隣接する領域は、一次生産物を負荷される。その後、前駆体試薬、又はその前駆体試薬の溶液を電極13に与え、それは一次生産物によって負荷され、試薬は一次生産物と反応し、二次生産物を生産する。
【0067】
一次生産物及び前駆体試薬の間の反応は、装置を介して通過する電流を含む必要はなく、及び前駆体試薬溶液はイオン伝導性である必要はない。この二次生産物は、前駆体反応物質を含有する流体中に溶解することができ、及びその流体によって装置内の追加の反応位置に運ぶことができる。代わりに、形成される際一次生産物は、チャンバ11又は出口チャネル15内、又は出口チャネル15からの出口で貯蔵所中に堆積することができる。
【0068】
他の流体は二次生産物と接触して通過し、装置中に堆積するか、又はそれが生じる流体中で保持されるかのいずれかであり、複数の流体間での分離又は輸送によって二次生産物を受け取り、及び電極領域から二次生産物を運ぶことができ、及びその流れは二次生産物を装置の外部からか、又は装置内で追加の反応位置に運ぶことができる。
【0069】
反応装置を交互に通過する2種の流体を用いる不連続モードにおける反応装置の操作は、図8に例示する。
【0070】
図8Aでは、入口23からのイオン伝導性溶液(M+Y−、例えば、リチウム塩の溶液)がチャンバ11を介して流れ、及び電流が電極13,14の間を通過し、電極13で一次生産物16(M0、例えば、負極でのリチウム金属の堆積)の蓄積が起こる。十分な堆積が構築されると、電流が停止し、及び流体流が図8Bに表示するように変化し、入口23からの電解質の流れが終了し、及び前駆体試薬流体(R−X溶液)が入口12を介して導入される。試薬流体は、生産物を生じる負極13上に堆積した一次生産物16と反応し、生産物は接合部19で及びそこを超えて混合及び反応が可能な入口導管20からの第2の試薬流を有する接合部19に運ばれる。
【0071】
図8A及び8Bに表すように、異なった流体流の間の接合部は開放しており、及び流れ制御が、入口12,23及び20での圧力及び流れを変化させることによって働かされている。微細装置にとって、これは適切であることが多く、及びこれを用い1種の流体と他のものとの汚染の少ない程度を許容することができる。しかし、1種又はそれより多い接合部の入口12,23及び20で弁構造を挿入することは有利であり、複数の流体の流れを制御し及び複数の流体の間の接触を制御することができる。
【0072】
それらの場合において、前駆体試薬を一次生産物が負荷される電極13に搬送する溶液が、形成される二次生産物を溶解しないか、又は取り除く場合、第3の流体を、図9に表示するような入口24を介して循環中に導入することができる。第3の流体ストリームの使用は、生産物が第2の流体中に溶解しないか、又は取り除かれる場合でさえ有用であることを示す。系の操作のより一層高い制御及び柔軟性は、溶媒又は異なった流体を、入口23を介して導入されるイオン伝導性流体及び入口12を介して導入される前駆体の間に入れることによって達成することができる。また、これは、これらの流体の間の混合が最小にされ、それによって、生産物の汚染及び副反応が減少されるのを確かにすることができる。
【0073】
種々の流体原料の入口12,20,23、又は24を結合するための配置は、製造又は図10に示すような操作の配列において便宜のために選定することができ、及び図11に示すような弁25の使用を含むことができる。図11では、弁が、チャンバ11に入口12,23、又は24の1種を選択的に接続するための回転弁として示される。
【0074】
図12は図1bに表す設計に基づく第2の種類又は幾何学的配列の反応装置を示す。図12の反応装置において、チャンバ11は、電極13によって、電解のためのイオン伝導性通路を提供するイオン伝導性物質を含有する領域18及び前駆体試薬を運ぶための流体通路17とに分かれる。領域17及び18は、分離するが、隣接し、及び浸透性の作用電極13によって分離され、その電極は多孔性であるか、又はそうでない浸透性でなければならず、一次生産物16及び前駆体試薬を接触及び反応させて二次生産物を形成する。
【0075】
図12に示すように、経路17に沿った流体流は、二次生産物を接合部19に運び、入り口20からの他の試薬と混合され及び反応する。作用電極13は多孔性ブロックの形態であることができ、それを、流路17に沿って流れる流体が図7で第1の種類の装置のために示すものと同様にして通過する。同様に、対極14は多孔性ブロックの形態であることができ、それに物質を含有するイオン伝導性流体が流れ、対極での電気化学的処理を支持する。同様に、流体流17によって占められるチャンバ11のその部分に複合的な入り口を設けることができ、図9及び10の装置に関する上述のものと同様にして反応物質及び溶媒が変化する。かかる配置には、図11におけるように弁を組み込むことができる。
【0076】
図12に表す種類の反応装置では、イオン伝導性物質は、一次生産物及び他の種類の電解生成のための原料物質を含有することができ、対極14での電解反応を支持し、コンタクト電極14に流れることができる。この流体は、チャンバ11の領域18に導管26及び27によって至り及び出る。イオン伝導性流体は電極13までの領域18を占め、又は図12に示すようにイオン伝導性流体及び電極13の間に介在する固体の又は半固体のイオン導体層28を設けることができる。
【0077】
図13は、図12の反応装置の変形物を図解的に示し、電極14に接触する流体イオン伝導性溶液、及びイオン導体層28の間のイオン導体又は電気導体29の浸透性層が設けられ、それらは流体であるか、固体であるか、又は半固体であることができ、電極13に接触する。また、図13に表すものは、電極13の構成の変形物であり、それは、電極13を介するバイアス中のイオン導体28の表面上に一次生産物16を堆積させる網又は相互接続ストリップの組合せの形態をとる。浸透性層29は、例えば、水銀(又は水銀又はアマルガムを含有する構造)のような電気導体であることができ、そこでは、輸送される種はナトリウムのような水銀可溶性金属である。層29について表示されるように、選択的浸透性の層の存在は、その層のどちらの側上でも化学的に不適合なイオン伝導性物質が用いられる。例えば、水性塩溶液は電極14に接触することができ、及びβアルミナナトリウムは電極13に接触することができるが、2種の電解質は、βアルミナナトリウムを傷付けることがある加水分解反応のために直接接触してはならない。介在層は、双方のイオン伝導層と化学的に適合性であり、及びこれはナトリウム又はナトリウムイオンを輸送し、かかる化学的に不適合な層の使用を組合せにおいて可能にする。基本的には、適切な浸透性及び化学的な適合性を有する導体の複合的な層を用いることができる。
【0078】
基本的には、第2の種類の反応装置を固体及び流体の電解質の双方と共に用いることができるが、作用電極13に隣接するイオン導体を用いるのが有利であり、これは固体か、又は多孔性構造又はゲルによって固定化された電解質流体のような半固体である。図12及び13に表す配置は、有機金属試薬の生産のような処理を遂行するのに用いることができる。イオン伝導経路区分中の電解は還元生産物M0(例えば、リチウム金属)を多孔性電極で生じさせ、これは、試薬M−R(例えば、アルキルリチウム化合物)を生じさせる前駆体R−X(例えば、ハロゲン化アルキル)と反応する。M−X(例えば、ハロゲン化リチウム)を含む副産物も生産されることがある。同じ領域で生じる生産物M−R及び副産物は、図12及び13に示すような流体流において取り除くことができる。
【0079】
電極13及び14の間のイオン又は電気による連続性が維持される限り、種々の構造及び物質を用いて、電解セル及びイオン伝導性経路を形成することができ、及び所望の種の輸送を可能にし、電極13での一次生産物の電解形成を可能にする。
【0080】
実際には、セラミック又は結晶物質系のソリッドステートのイオン導体は、可動性イオンとして1又はその付近の輸率を有する傾向があり、これは電解質内の集中分極(concentration polarisation)を伴う問題を減少させる。β−アルミナ、又はナシコンのような例は、1の輸率を有するNa+導体として魅力的である。導電性は温度によって上昇するが、室温で〜10−3シーメンス/cm程度の高さの値が達成され、低い導電性による処理量上の制限は極端ではない。セラミックナトリウムのイオン導体のリチウム及びカリウムの類似物も、通常若干低い導電性を有するがそうである。Li3N結晶はc軸に対して垂直に高いリチウムイオン伝導性を有する。混合された酸化物(Si,Ge,P,Zn,Ge,及びV)媒質系の各種のリチウム導体も知られている。他の実際の固体イオン導体は、Ag+,Cu+,H+陽イオン、及びF−,及びO2−陰イオンについてである。正極の導体は、LaF3,及びドープされたZnO2のようなものであり、適切な温度での比較的低い導電性のため有機合成について制限された有用性が証明され易いが、高温の反応のために適用することができる。いくつかのAg+イオン導体、特にAgIに関連するもの(例えば、ヨウ化銀ルビジウム)は極めて高い導電性を有し、及び有機銀化合物の形成において又は他の有機金属を生じさせるための他の原料物質と組み合わせて用いるための電解質として有用であり得る。Cu+導体もまた知られているが、概して導電性が類似のAg+導体より低い。ソリッドステートプロトン導体は、多くの場合において、水の存在に依存する導電性を有し、及び大部分について、水との適合性の化学反応と共に用いるのが制限され、第2の種類又は幾何学的配列の装置において電気化学的水素化又は脱水素化さえ実行する手段を提供する。
【0081】
イオン導体系重合体は、特にLi+イオンのための電池産業において広範に適用される。
それらは、おそらく、より一層実際上、分極に導かれ得るいくつかの陰イオンの移動があるような固定化された液体電解質である。例は、再充電可能な系に適用し、そこで、Li金属が遊離の金属としてか、又は黒鉛媒質(graphitic matrices)内のいずれかで堆積する。かかる重合体の系の使用に伴い、より一層多い制限がある場合があり、これは、前駆体を作用電極に運び、及び作用電極からの生産物を運ぶために用いる流体中での重合体及びリチウム塩の溶解度から生じることがある。重合体及び溶媒系は概してエーテル/ポリエーテルの種類の物質として特徴付けられることがあり、これは各種の有機合成処理系のリチウム金属に適合性であり得る。リチウム又は他の種の浸透性電極を形成するための黒鉛媒質と組み合わせたリチウムイオン導体は、第2の種類又は幾何学的配列の装置において使用するのに適切である。
【0082】
第1の種類又は幾何学的配列の反応装置に用いる同じ液体電解質を、多孔性の作用電極、おそらく多孔性の基材上のものを有する第2の種類又は幾何学的配列の装置において用いることができ、これは、電極及び前駆体/生産物運搬流体(複数の流体)の間の界面で保持される。これは、不混和性流体界面であることができるか、又は流体が混和性であるか、又はいくらかの互いの溶解性を有する多孔性電極内の段階的な界面として存在することができる。
【0083】
本発明の反応装置は、図12及び13に表示するような、生産物試薬の迅速な消耗のための混合機/反応装置段階に結合することができる。
【0084】
電気化学セル内の対極14は輸送されるべきイオンの原料を要求される。これは、電極物質それ自体(例えば、それがアルカリ金属、又はアルカリ金属の合金又はアマルガム、又はアルカリ金属の電気導電性の内位添加化合物であれば)によって提供することができる。関連するイオンの溶液は、対極及び除去される廃棄生産物に隣接する層として設けることができ、分極及び汚染の問題を避けることができる。この補充は、連続してか、又は断続的のいずれでも、図12及び13に表示するように、導管26,27を介して達成することができる。
【0085】
電気化学セル中のイオン伝導性相内に用いることができるイオンの種類の数は著しく制限されるが、いくつかの場合において、他の金属の有機金属試薬を、それらの金属を電極13に隣接する流れ17内の化合物中に提供することによって生じさせることができる。溶液中のこれらの原料物質は、合成装置の不連続又は連続モード操作について前述したように、単独か、又は前駆体試薬と同時のいずれでも用いることができる。
【0086】
図1a〜12及びそれらの図に関する説明は、各装置における2種の電極だけを示す。本発明のその反応装置が、図1a〜13に示す作用電極13及び対極14の機能を遂行する複合的な電極を有することができ、これらを用いて構成することができることは理解すべきことである。
【0087】
図14に図解的に示すように、追加の電極30,31を組み込み、他の機能を遂行することができる。1種又はそれより多い参照電極を装置中に組み込み、作用電極の電位を監視し及び制御することができる。かかる参照電極は、電極13及び14の間のイオン伝導性相に接触し、及びそこで、回路の一部としてそれが用いられるべきであり、作用電極を制御し、次いで、参照電極30は最も通常、図14に示すように電極13に比較的密接に置かれる。他の電極31は流体流ストリーム中に位置し、流体組成の検出を可能にする電位を監視し、及び他の非電気化学的検出器、例えば、光学的又は熱による検出器も用いることができる。操作において、装置中の検出器からの出力を用い、印加される電位及び装置中を通る電流を制御し、及び流体の入力及び出力比を制御することができる。
【0088】
図15に図解的に示すように、熱交換機構造32を装置中に組み込むことができる。かかる熱制御構造には、流体を冷却するか又は加熱する構造、並びに電気加熱機及びペルチェ冷却機を含むことができ、及び複合的な加熱制御構造を装置中に分布させることができる。かかる熱制御構造は、図15に図解的に表示するように、反応域に隣接して位置させることができ、そこでは、熱交換機がチャンバ11に隣接して、及び特に1種又はそれより多い電極に隣接して示され、及び追加の熱交換機構造33が接合部19に続く反応域に隣接する。
【0089】
図16に図解的に示すように、そこでは、一次生産物16は作用電極13に粘着して堆積しないが、流体流17中に取り上げられ、前駆体試薬からなるか、又はそれを含有する流体は、接合部34で、一次生産物生成領域の下流の入り口導管35を介して反応チャンバ中を通り、接合部34で及びそれに隣接して一次生産物と混合され及び反応する。
【0090】
図17に図解的に示すように、一次生産物が形成され、及び又は前駆体試薬と反応する領域は、いくつかの放射性刺激、例えば、供給源37からの窓又は開口36を介したUV光に曝される。かかる刺激は、一次生産物の形成又は反応を高めるか、又は検出機系の一部として反応を監視する。
【0091】
追加の電極、熱制御構造、及び図14、16、及び17に表すような補充的な放射性刺激の使用は、第1及び第2の種類の双方の装置に適用することができる。
【0092】
第2の種類の装置において、一次生産物が形成される電極の面又は表面は、前駆体物質が最初に与えられるものと異なることができる。かかる配置において、一次生産物が形成される電極構造は、電極の面又は表面の間の物質の輸送が一次生産物及び前駆体物質の間の接触を可能にさせなければならない。一次生産物に対して浸透性の電極は、これを達成することができるか、又は電極が孔又は電極を介したバイアスを提供する物質又は構造で形成される場合、それにより、一次生産物又は前駆体又は一次生産物若しくは前駆体を含有する流体が通過することができる。物理的な孔又はバイアスは、電極を、多孔性物質からか、又は網又はストリップとして形成することによって提供することができる。
【0093】
一次生産物がアマルガムを形成する金属である場合、一次生産物に対して浸透性の電極は、少なくとも部分的に、水銀の膜又は層として形成することができる。水銀によってぬれた多孔性体又は物質のシートは、水銀層を支持することができる。黒鉛は、リチウム及びフッ素のようないくつかの金属種及びいくつかの非金属種に対し浸透性であり、及び黒鉛の層又は膜を用いて、透過性電極を形成することができ、そこで、かかる種は一次生産物である。一次生産物が水素である場合、一次生産物に対して浸透性の電極は、高い水素浸透性を有するパラジウム又は他の金属(例えば、ランタニド、及びそれらの合金、ミッシュメタル)の膜又は層として形成することができる。水素浸透性金属は、前駆体試薬の水素化又は還元のための触媒として働くことができる。
【0094】
最も一般的には、装置において電極構成のために用いる物質は、もっぱら電子的手段によって電荷を導くことができる。かかる電極物質には、金属、多くの半導体、導電性炭素、及びいくつかの導電性重合体及びセラミックが含まれる。かかる電極を有する第2の種類の幾何学的配置の装置では、一次生産物は電極及びイオン伝導性物質の間の接触で形成されなければならない。かかる場合において、電極は一次生産物に対して浸透性であるか、又は一次生産物又は前駆体及び二次生産物、又は生産物又は前駆体を含有する流体を通すことができる電極を介して、孔又はバイアス(経由)を提供する物質又は構造で形成されなければならない。
【0095】
代わりに、電極構成のために用いる物質は混合された伝導物質であることができる。混合伝導物質は、イオン及び電子経路の双方によって電気を導くことができるものである。第2の種類の幾何学的配列の装置において、かかる混合伝導の種類の電極のイオン伝導率は、電気化学セル中の電解質層を構成するイオン伝導性物質から顔をそむけて一次生産物を生じさせる。かかる混合伝導電極が用いられる場合、第2の種類の幾何学的配列の装置内の電極は、一次生産物又は前駆体又は二次生産物又はそれらの溶液に対して浸透性であることを要しない。タングステンブロンズは混合伝導物質のよく知られた部類である。タングステンブロンズナトリウムは、式NaxWOyによって表され、電子及びNa+イオンの双方の伝導が起こる組成範囲を有する。
【0096】
図1a〜17に示す反応装置において、一次生産物が形成される電極の面、又は表面は、原料物質が与えられるものと同じであることができる。これは、通常、原料物質が、電解電流を通す電極の間に介在するイオン伝導相のものと同じ表面又は面に供給される場合である。これには、原料物質がイオン伝導相の1部を構成する場合が含まれる。
【0097】
代わりに、第2の種類の反応装置において、電極の面、又は表面は、そこで、一次生産物が形成され、電極構造、又は物質が、原料物質の一次生産物形成の位置への輸送を可能にする限り、原料物質が最初に与えられるものと異なることができる。これは、原料物質、又は原料物質を含有する流体に対し浸透性の電極であるか、又は電極が、原料物質、又は原料物質を含有する流体を通すことができる電極を介した孔又は経由通過で形成される場合によって達成され得る。物理的孔又は経由は、電極を、多孔性物質からか、又は網又はストリップとして形成することによって提供することができる。
【0098】
原料物質は、一次生産物への変換、又は原料物質を含有する流体のための塩又は酸化還元活性の化合物でよく、及び好ましくは、一次生産物の電気化学的生成中の電極間に介在するイオン伝導性物質の少なくとも一部である。電気化学的に一次生産物に変換される原料物質は、イオン伝導度の全てか、又はその1部を提供することができ、又はイオン伝導度は、1種又はそれより多い電極で電気化学処理中に含まれないことがある電解質イオンを支持することによって提供することができる。
【0099】
代わりに、原料物質又は原料物質を含有するその流体、及び電極間のイオン伝導性物質は、異なることができ、その場合、電解処理中、原料物質は、イオン伝導性物質及び一次生産物が形成されるべき任意の電極の間の接合部の少なくとも一部で接近することができる。これは、原料物質及びイオン伝導性物質が、そのそれぞれが固体又は流体の形態であることができるが、共に同じ電極表面に接触する場合に達成され得る。原料物質及びイオン伝導性物質は、混合された混和性相か、又は不混和性のいずれでもよく、又はストリップ又はストリームとして電極と接触することができる。
【0100】
代わりに、イオン伝導性物質及び一次生産物が形成されるべき任意の電極の間の接合部の少なくとも一部への、原料物質による接近は、原料物質、又は原料物質を含有する流体、及びストリップ又は網として形成されるか、又は電極を介した孔又は経由を有するイオン伝導性物質の間の境界で、又は電極物質が原料物質に対して浸透性である場合に、電極によって達成され得る。イオン伝導性物質は、流体であることができ、あるいはまたセラミックイオン導体のような固体又はイオン伝導性重合体又はゲルのような半固体物質であることができる。代わりに、固体又は半固体の組合せ、及び流体のイオン伝導性相を、イオン伝導性構造又は電極の間に介在する相の集合として用いて一次生産物を電気化学的に生じさせることができる。固体又は半固体のイオン伝導性物質は、電極で一次生産物に変換する可動種を含むことができる。電極で一次生産物に変換する固体又は半固体のイオン導体内の可動種は、例えば、βアルミナナトリウム中のナトリウムイオンのように、伝導率を維持するイオンを含むことができる。それらの可動種が原料物質を構成する場合、例えば、流体相において、原料物質の他の供給が随意である。加えて、電極物質は、混合されたイオン伝導性物質及び導電性物質、及びイオン伝導性物質又は関連イオン若しくはそれらの関連するイオン又は原料物質を含有する流体であり得る隣接相から補給され得る限り、原料物質を構成するもの内の可動性イオンであることができる。
【0101】
本発明の反応装置は、一次生産物の電気化学的生成のための、及び一次生産物及び前駆体の反応で二次生産物を生じさせるための領域を含むことができる。これらの領域は、同じか、又は異なることができ、及び追加の領域及び反応域及び生産物及び試薬の混合のための及び反応のためのものを装置中に組み込むことができる。装置は、電気化学的生成及び反応域の温度を制御するための領域を含むことができる。熱は、電気化学セルにおいて電流及びセル抵抗の組合せによって、電気化学的転換によって、及び一次生産物及び前駆体試薬の間のもののような化学反応によって生じさせることができる。
【0102】
本発明の反応装置の操作は、反応装置の構成及び寸法によって影響を受ける多数の運搬処理を含み、好ましい装置の寸法は、微細工学的技術に適切な範囲内である。処理には、代表的に、エレクトロマイグレーション、電着、及び物質及び試薬の電極及び電着物のような反応位置への拡散、流体試薬ストリームの混合、反応、及び発熱又は熱消費及び熱運搬が含まれる。概して、以下に示すように、物質運搬及び形成、及び流体及び反応位置からのか、又はそこへの熱の輸送の割合は、構造及び流体流の直径が小さく、及び微細工学的技術に適用される範囲内に入るように装置を作製することによって改善される。
【0103】
代表的に、一次生産物の生成には、電解電流を運ぶイオンのエレクトロ−マイグレーション及び一次生産物が形成される電極への原料物質のエレクトロマイグレーション又は拡散が含まれる。一次生産物は残ることができ、そこで、形成されるか、又は分離した反応位置に運ばれるべき流体流中に輸送される。イオン伝導体又はその層内で、熱が、抵抗加熱法のため、電流及び電圧の降下の生産物によって与えられる割合で導き出される。熱はまた、原料物質の一次生産物への変換を含む、電極での電気化学的反応の結果として、生じるか、又は頻度は低いものの吸収されることがある。所望の温度体制の保守は、流体及び壁の熱交換機、ヒートシンク、又は熱源に対する直径を最小にすることによって援助される。
【0104】
前駆体物質は、流体流によって、堆積位置又は分離された反応位置のいずれかで一次生産物にもたらされる。いずれの場合も、前駆体物質は一次生産物と接触に至り、及びこのことは、代表的に、前駆体物質を運ぶストリームを横切る拡散性の輸送が含まれ、前駆体物質を一次生産物の表面に輸送するか、又は前駆体物質及び一次生産物のストリームを混合し、そこで共に流体相中で保持される。一次生産物及び前駆体の間の反応の割合は、運搬によって制限されることがあり、及び割合におけるかかる運搬制限は流体層の物質運搬の直径を最小にすることによって減少する。
【0105】
熱のいくらかの生成又は吸収は、一次生産物及び前駆体が反応し二次反応生産物を生産することに関連する。一次生産物がアルカリ金属堆積物のような反応性物質である場合、反応は概して発熱である。熱が導き出されようと、又は吸収されようと、安定な温度体制の保守は、反応位置から熱交換機、シンク、又は流体層及び壁物質に横切って介在する供給源までの短い熱運搬距離によって改善される。
【0106】
流れによって追加の反応位置にまで運ばれる二次反応性生産物の反応には、同様に、混合、熱生成又は熱吸収及び熱輸送が含まれ、及び関連する輸送距離を最小にすることによって、拡散性の運搬及び熱伝導の割合の上昇が達成される。
【0107】
記載された各処理の速度及び効率は、装置の幾何学的配列及び寸法によって影響を受け、及び好ましくは、微細工学的寸法の装置が用いられ、迅速かつ効率的な密集体及び熱運搬が可能になる。
【0108】
電気化学的試薬生成のために、好ましい寸法は、特に、電流を最大にして生産割合を高めながら、電気化学セルの本体内及び電極での過剰な電圧降下、及び熱生成を避ける要求によって規定される。冷却表面への電気化学セルの密着は、迅速な熱の除去を可能にするが、イオン伝導性電解質層は、十分薄い必要があり、電解質内で生じる熱が効率的に除去されることが確かにされる。比較的乏しいイオン伝導性の非水系電解質相を用いる装置のために、電極の間の電気抵抗を、電解質層の厚さが薄くなるべき配置によって最小にすることが望ましい。この条件は、電解質が流体である場合か、又は重合体の固定化電解質について適用される。
【0109】
セッラミックイオン導体は通常、高められた温度で操作され、イオン伝導率が上昇し、及びそれらの熱伝導率は一般に比較的高い。しかしながら、かかる電解質の層は適切に薄い構造として合成装置内で用い、合成有機化学反応に適合性の比較的低い温度で要求される操作電圧を減少させるのが一層好ましい。電気化学反応は、電極表面か、又はその極めて近くに設置し、及び一次生産物の生成のためのイオン及び原料物質の輸送は、本発明の装置のための生産物生成の割合における制御因子である。
【0110】
上述したように、微細工学的技術を用いると、〜1μmに至るまでの深さ寸法を有する導管又はフローチャネルを形成することができる。しかし、概して、10〜100μmの深さを有するチャネルは、より一層都合よく作製され、及び著しく高い処理量、及びより一層低い抵抗を可能にする。チャネルの幅及び長さは、概して、リソグラフによる技術によって規定され、及び数マイクロメータからセンチメータ寸法まで変動する。かかる導管又はフローチャネルの組合せを用いることによって、液体においてミリ秒、及び気体においてマイクロ秒に至るまでの秒の程度の運送及び混合時間を達成することができる。
【0111】
イオン伝導性電解質又は流れストリームを横切る電極までの及びそれからの物質輸送は、エレクトロマイグレーション、又は拡散のいずれによっても起こさせることができる。薄い電気化学セルのために、セルを横切って印加される適切な電位のみを有する比較的高い電界勾配を提供することが手軽であり;かかる条件下、エレクトロマイグレーションによる運搬は速くなる。代表的に、イオン移動性は、1V/cmの電界勾配について、〜10−4cm2V−1s−1、又は1μm/sの程度である。10〜1000V/cmの電界勾配を、流体の又は固体の電解質層を横切る1秒未満のエレクトロマイグレーション時間が容易に入手できる結果を有する比較的薄い(〜<1mm)電気化学セルにおいて設けることは困難ではない。
【0112】
反応又は混合のための領域は、チャネル又はチャンバの深さd及び長さlとして評価することができ、そこで、tはチャネルの長さに沿って流れる流体についての運送時間である。温度変化は、発熱又は熱消費を生じさせる処理が起こるまでの滞留時間t、発熱又は熱消費の割合、装置中の流体及び他の物質の熱容量、及び熱拡散、及び導電性ヒートシンク構造に対する流体及び他の層の直径のような寸法の関数となる冷却処理のための熱時定数に関連することがある。精密制御が物質運搬及び反応領域内での温度にわたって働くように、領域と関連する熱時定数が低くなることを確実にすべきである。
【0113】
原料物質、電解質、試薬、生産物又は溶媒のような任意の物質が、熱的に不安定である場合、そのとき、温度上昇を制限すべきである。任意の場合、第1の生産物及び第2の生産物を生じさせる処理の収率及び割合は、温度依存性である可能性があり、及びそれで、装置中の温度の制御が望ましい。概して、温度制御は短い熱輸送距離によって改善され、及び従って微細工学的装置において容易に改善される。熱輸送処理の性能は、概して、μt/d2の形態の無次元(dimensionless)のパラメータに関連することがあり、そこで、μは熱拡散性であり、tは熱輸送のために許容される時間であり、及びdは導電性ヒートシンク表面までの距離である。μt/d2>〜1である場合、そのとき、熱平衡が大部分達成された。μt/d2=1において熱時定数及び再配置としてtを採用することはt=(d2/μ)を与え、及び明らかに、これは小さな値のdについて減少する。熱拡散、伝導長さ及び時定数に関連するいくつかの例の値を後述の表にする。
【0114】
これらの値は、1秒未満の短い熱応答時間について、液体層の厚さが100μmか、又はそれ未満であるべきことを示す。エネルギー輸送の割合が低い場合について、これらの制約は適用されない。実際、構造及びその内容が、異なった値のμ及びdを有する混合層を形成する場合、熱輸送の特徴の評価は、必然的により一層複雑であるが、最も熱的に耐性な層及びその上の基本設計計算を特定することは通常適切である。試薬流体及び溶媒の層が含まれる場合、それらが十分に薄く、過剰な温度差の維持が避けられること、及びそれらを、ヒートシンク、又は熱交換機、ヒートパイプ、ペルチェ冷却機、又は抵抗加熱機のような供給源に連結した、薄い金属、ガラス、又はセラミック構成物のようなより一層導電性な構造によって含ませることを確実にするのが通常適切である。
【0115】
微細な規模上では、より一層少ない量の液体が用いられ、及び液体内の拡散の距離(diffusional distance)は迅速な拡散を考慮して劇的に低くなる。拡散の割合は、化学的力学因子及び対流の、移流の、又は拡散の処理による溶媒中での溶解した物質の運搬のような多くの異なった因子によって影響を受けることがある。微細加工装置内では、チャネル横断の寸法は、概して、低いレイノルズ層流条件が適用されることを確実にする。隣接する流れストリームからの種のか、又は壁又は電極上の堆積物と接触させ及び反応させる種のための混合及び反応では、それらの種にとって、流れストリームを横断する必要がある。乱れた流体運搬は、概して、微細工学的な寸法の装置にはなく、流れストリームを横切る種の移動は、拡散又はエレクトロマイグレーションのようなその分子移動によって進行する。拡散性輸送が制限因子である場合、そのとき、拡散の割合は、分子が拡散する通路の長さ及び液体本体の幾何学的配列に関連する。拡散性の輸送割合は、概して、通路の長さ、又は定常状態又は一時的拡散のための条件が適用されるかどうかに依存する通路の長さの平方に逆に関連する。
【0116】
拡散性の輸送は、電気化学的に転換されるべき種が負荷されないか、又は電界領域を通って動かない場合に要求され、及びまた電極で起こる非電気化学的処理に含まれる負荷されない種にとってもそうである。拡散性の輸送は、原料物質がエレクトロマイグレーションによって変換のための電極に運ぶことができる負荷された種でない場合に含まれ、及び拡散性の輸送は、更に支持電解質のような、他のイオン種がほとんどの電流を運び及び電界勾配を減少させる場合、負荷された種を制御することができる。さらに、一次生産物と反応させ二次生産物を生じさせるために求められる前駆体物質は、概して、負荷された種でない。作用電極に隣接して存在する必要がある原料及び前駆体物質を拡散的に輸送する時間の長さは、かかる物質を運ぶ流れを横切る電極表面までの距離が拡散の計算のための特徴的距離として採用される場合、拡散処理を基礎に評価することができる。拡散処理の十分な分析は複雑であり得るが、概して、拡散処理が無次元のパラメータDt/d2〜>1の際に完全に近づく。これは、拡散処理のほぼ平衡、又は完了に相当する。〔Dは拡散係数であり、tは物質輸送を許す時間であり、及びdは流体を横切り変換が起こる表面(電極)までの距離である。〕拡散に基づく滞留時間の値は、最小のガイド値を提供し、電極表面での反応力学が十分に速くない場合、及び他の物質輸送処理が遅延、例えば、固体の反応性生産物の溶解及び表面からのそれらの拡散輸送を導入する場合、より一層長い時間が要求され得る。
【0117】
反応装置寸法及び電気化学的変換段階内の滞留時間についての受け入れられる値は、形成されるべき反応性生産物の安定性、及び所望の処理量に依存する。
【0118】
代表的に、非粘性の流体中で、適切な分子量種の興味ある大きさ範囲(数百の分子量の化学物質)に低めるための拡散係数(D)は10−5〜10−7cm2s−1の範囲内である。Dについて5×10−6cm2s−1の値をとると、通路長さ(l)を横切る拡散輸送時間のためのおおよその時間tは、Dt/d2=0.01〜1の種類の表示から導くことができ、そこで、Dt/d2=0.01は、原料平面からの距離dに達する拡散フロントに近づき、及びDt/d2=1は、拡散処理のほぼ完了に相当する(dを横切る濃度勾配がほとんど排除される)。異なる通路長さ(d)で拡散平衡(Dt/d2=1)に達するためのおおよその時間tは、溶解した物質が動かなければならないが、d=5×10−6又は5×10−7cm2s−1に基づき、以下の拡散混合時間の表において集計する:
【0119】
【表1】
【0120】
約50%の拡散輸送が約10番目の上記時間(Dt/d2〜0.1に相当する)において起こる。上記表に基づいて、拡散単独による比較的迅速な平衡が100秒以内に起こり、そこで、要求される運搬距離dは100μmか又はそれ未満の程度である。2種の流体ストリームの混合のための関連する距離dはチャネルの最も遠い端部からのものであり、そこで、2種の流体が合う。電極上の一次生産物の堆積物へのように、物質の表面へのか、又は表面からの輸送のために、dは、流体ストリームか、又はその表面に対する層の直径である。距離dが小さく作られる微細工学的装置では、距離dによって、拡散により制御された運搬、混合、及び反応時間が減少し、及び制御される。
【0121】
運搬制御の下に操作される処理のために、反応物質消耗及び装置の反応域からの生産物流束(flux)は、反応域中の流体流のための運送時間及びその域における横断流拡散処理に依存する。反応域の流体流の運送時間及び横断流の拡散完了時間が同様になるような流れ割合の選定は、距離dが減少するように改善する装置の単位容積当たりの反応流束(reaction flux)を招く。これは、反応及び/又はオーム(ジュール)加熱からのより一層大きい熱流束を招くことがあるが、熱時定数がdと共に同様に減少するように、装置内の温度は過剰に上昇しない。1000〜50μmの範囲内の寸法dの値は、0.001〜1Amp/cm2の電流密度値に等しい拡散制限された反応流束、微細工学的装置中の電極のために受け入れられる範囲にほぼ相当する。dについてより一層大きい値を有する装置のために、反応流束の割合は、拡散制限のためにより一層低くなる傾向があり、及びそれで単位装置容積当たりの生産の割合がより一層低くなる。したがって、反応性堆積物に対する試薬の混合又は輸送のためのチャネル又はチャンバの直径が小さく及び本発明の装置中のこの寸法が10〜3000μm、及び好ましくは30〜300μmの範囲内であるべきことは有利である。
【0122】
拡散混合以外の混合処理が有効でない場合、チャネル、又はチャンバの好ましいほぼ最大の直径は、その方向で、物質が拡散するように求められ、300μmである。チャネル又はチャンバ内で拡散混合をさせるのに十分な所要の滞留時間は、その寸法の値に依存する。チャネルの幅に沿ったこの寸法は、チャネルの断面積を決定し、及び流体処理量はチャネル又はチャンバの断面積及び長さに、及び流体流の速度に依存する。チャネルの長さは、特に、引き出された管状構造が構成において用いられる場合、著しく伸ばすことができる。しかし、チャネル又はチャンバが電極のような微細工学的構造を組み込むのを要求される場合、及び特に、それらが通常の微細工学的技術によって実質的に平坦な基材上に与えられる場合、全体の長さ及び幅を制限するのが望ましい。代表的に、液体について、微細流体の系において、過剰な圧力運動をかけずに容易に達成できる流速は、10cm/sまで変動し、及び好ましくは、0.01〜1cm/sの範囲である。拡散処理を完了まで進行させるのが可能なチャネル又はチャンバのための適切な長さは、10cmまで変動し、及び好ましくは、0.1〜3cmの範囲にある。
【0123】
層流の条件が装置内の流体流のために維持されることは、本発明の目的に必要ではない。チャネル又はチャンバは、0.1cmより大きい、及びより一層通常、1cm又はそれより大きいことが求められるチャネルの直径を用いて乱れた混合を支持するのに十分大きく作ることができる。混合がチャネル及びチャンバを介した単純な流れによって誘導されるべきである場合、混合及び流れを横切る物質輸送は、これらの寸法で効率的でなくなる。しかし、効率的な混合は、パルス流又は往復流を用いることによるか、又は撹拌パドル又は磁気撹拌棒のような構造による流体の機械的かき混ぜを用いることによって誘導することができる。
【0124】
混合機/反応段階における寸法は、電気化学的な一次生産物生成段階及び前駆体を用いて二次生産物を生じさせる反応のための上記のものと同じ目的の拡散処理によって規定される。2種の層流ストリームが一緒に運転される場合、混合時間を制御する拡散距離dはこの場合もチャネル深さになる。反応が極めて迅速であり、及び1種のストリームが過剰の試薬を有する場合、そのとき、拡散距離を制限する割合は、第2のストリームからの流体に相当するチャネルの幅のその画分にまで減少する傾向がある。これは単純な及び複合的な相の流れの場合である。複合的な相処理について、制限される物質輸送距離及び時間は、いくらか変えることができるが、相が不混和性の液体である場合、すべての結果が、上述の場合を除くか、又は間期(inter-phase)輸送が力学的に妨げられる場合を除き、実質的に変わることがないと思われる。1種の相がガスである場合、そのとき、物質輸送の制限は液相中に完全に存在し、及びその相の直径によって設定されると思われる。反応はもちろん、物質輸送を制限しないことがある。力学的制限が単純な相反応のために適用される場合、微細工学的構造中での部分的な又は完全な混合を遂行し、及び次いで生産物を処理の完了のために保有容器に輸送するのが適切である。複合的な相処理のために、相の再分割及び界面の幾何学的配列の程度は、どのように流体を含み及び動かすかに決定的に依存する。
【0125】
上述のことは、0.1〜10秒の範囲における反応時間について、〜10〜1000μmのチャネル深さが表示されること、及び好ましくは、チャネルの深さが30〜300μmの範囲であることを示す。拡散混合時間についての先の表は、ミリ秒時間規模における混合及び反応が液体試薬に求められる場合、そのとき、チャネルの深さは〜1μmでなけらばならないことを示した。それらの条件下に達成され得るすべての流れの割合は、著しく低い(1cmの広いチャネルについて〜1cc/h又はそれより少ない)。以下の表は、流体の処理量についての値及びチャネルのいくつかの例の寸法についての運送時間を示す。運送時間及び拡散距離の組合せは、適切な分子量の種についての十分な拡散混合に対し有意義であることに相当する。チャネルの長さに対する制限、及び従って任意の与えられた流れの割合での利用可能な運送時間は、都合よく作製することができる構造の大きさに依存する。これらのチャネルでの層流のための所要の運転圧力についての値を、以下の表に表示する。
【0126】
【表2】
【0127】
これらの短いものから適切なものまでの運送時間について、チャネルの長さ又は圧力降下が過剰でない場合、流れの割合が、概して、100cc/時間未満に制限される必要があることが明らかである。これらの流れの割合は、1cm幅のチャネルについてであり及びチャネルの幅に直接関連する。
【0128】
複合的な相の反応は、有用な間期接触面積を維持することができることに依存する。これは、寸法が減少するのでより一層困難になる。上述した種類の微細接触機及び網構造(国際特許公開第WO97/39814号参照)は、チャネルの深さが20μmか、又はそれより大きい場合に適用され得、流れを動かすのに求められる圧力及びその点未満の表面張力の間の均衡は、相中での緩慢な流れ(slugging flow)を生産する傾向がある。反応は緩慢な流れにおいて維持され得るが、スラッジの寸法は、割合及び流速及びスラッジ内で誘導され、及び単純な層流に適切な拡散処理によらない再循環を制御する。
【0129】
電解セルは、再充電可能であり、及び又は解体可能なカートリッジを構成することができ、カートリッジは、除去でき、一次生産物(例えば、金属堆積物)又は原料物質を二次生産物(例えば、有機金属生産物)が生じる処理から離れて補充されるようにすることができ、あるいはまた、一次生産物(金属堆積物)を、電気化学的処理の位置から離れて二次生産物(例えば、有機金属生産物)が生じる際に消費されるようにすることができる。
【0130】
流体ポンピング(圧送)手段を、好ましくは、電気化学セルを含む反応装置に接続し、そこで、流体電解質又は酸化還元活性の物質の原料を用いる。かかる流体圧送手段は、選定された流体に適切なように、遠心力ポンプ、ダイヤフラムポンプ、蠕動ポンプ、エレクトロスモティック流生成構造、磁気流体ポンプ、シリンジポンプ、及び流体力学ヘッドを維持し、流体流を動かすように位置する流体貯蔵機を含むことができる。弁及び流量調整機を、装置に及び装置から導かれる流体経路中に含ませることができる。
【0131】
図1a〜17に記載された反応装置において、一次生産物が形成される電極13は“作用電極”と称され、及び負の電位で保持される(すなわち、負極)一方、電極14は正の電位で保持される(正極)。これは、アルカリ金属のそれらの化合物及び塩からの生成と整合するが、作用電極は電位が原料物質の一次生産物への変換と整合すれば何でも保持することができ、及びこれは、正の電位を含むことができる。図は概して、単純な平坦なアセンブリとして示すが、円筒形のアセンブリ及び積層シートを含む他の幾何学的配列を用いることができる。
【0132】
複合的な正極及び負極及びかかる電極の配列を用いることができ、及び装置は他の電極の電位を監視又は制御する1種又はそれより多い参照電極を組み込むことができる。
【0133】
本発明にかかる電気化学セルを組み込む合成装置において遂行することができる化学反応の種類の例は、以下に例示して説明するが、本発明を制限するものではない。
【0134】
1 ナトリウム、リチウム、又はカリウムのアルコキシド又はフェノキシドの形成。
電解を第1又は第2の種類の反応装置中で遂行し、一次生産物としてリチウム金属を生産する。リチウム塩又はリチウムイオン固体又は重合体導体の溶液を用い、イオン伝導性物質及び原料物質を提供する。溶液中の前駆体反応物質としてのハロゲン化アルキルが流れ、負極上に電着したリチウム金属に接触し、リチウムと反応し及び溶媒によって溶液中で運び去られ得るリチウムアルキルを形成する。化学反応の段階は以下に表す。この処理は、ナトリウム/リチウム/カリウムが直接に有機基の部分か又は他の置換基を攻撃しない限り、ナトリウム又はカリウム又はリチウムのような他の有機ハロゲン化物の前駆体物質に適用することができる。この処理を以下に示す。
Na/K/Li+Y- + e-(負極で) → Na/K/Li0(金属)
(式中、Y-はCF3CO2-のような陰イオンである。)
Na/K/Li0(金属) + R−OH → Na/K/Li+−OR + H2
(式中、R=CH3、C2H5、C3H7、C4H9、フェニル、置換されたフェニル、又はヘテロアリール、又は置換されたヘテロアリール。)
【0135】
リチウム前駆体を用い、副産物ハロゲン化リチウムの溶解度を供給することができる。リチウム臭化物及びヨウ化物は多くの有機溶媒中に比較的可溶であり、リチウムアルキルのその後の反応を妨げないことができ、及び有機ヨウ化物及び臭化物は、従って好ましい前駆体反応物質である。過剰なLi金属が入手でき、前駆体との追加の反応(R−X + Li−R → Li+X− + R−R)によって生産されたリチウムアルキルの消耗を避けるのを確実にするのが好ましく、及びこれは、最初の電極荷電処理を遂行してLi0堆積物を構築することによってか、又は不連続モードの操作を用いることによって達成することができる。リチウム塩電解及びリチウムアルキルの形成は、第1の種類の装置の連続操作を可能にするエーテル溶媒中で遂行することができるが、不連続操作及び第2の種類の装置でも用いることができる。
【0136】
生産されたナトリウム、カリウム又はリチウムのアルキルは、流体流によって混合機段階に運ばれ、それらの試薬について確立された広範な化学反応を遂行することができる。
【0137】
2 ナトリウムナフタレニド(Sodium Napthalenide)の形成
ナトリウム金属を堆積する電解をナフタレン溶液の流れと組合せ、その後に試薬として用いることができるナトリウムナフタレニド生産物を生じさせることができる。この処理は低い溶解度のハロゲン化物、又は生産物及び前駆体(ナフタレン)の反応での問題を含まない。イオン導体としてのナトリウムベータアルミナに基づく第2の種類の装置が適切である。すべての反応は以下に記載することができる:
Na++ e-(作用電極から) →Na0
Na0+ C10H8(ナフタレン) →Na+C10H8 -(ナトリウムナフタレニド)
【0138】
ナトリウムナフタレニドは、ラジカル陰イオンと関連するNa+として存在すると思われる。同様の試薬はアントラセンから導かれ〔従ってナトリウムアントラセニド(Sodium anthacenide)〕、及び芳香族前駆体に関連する他のものから導かれる。同様の試薬は、リチウム及び他の電気的陽性の金属から導くことができる。
【0139】
同様に、カリウムナフタレニドは、原料物質としてのカリウム、及び前駆体としてのナフタレンを用いて合成することができる。また、ナトリウムナフタレニドは、原料物質としてのナトリウム及び前駆体としてのナフタレンを用いて合成することができる。
【0140】
3 ナトリウム/カリウム/リチウムのアントラセニドの合成
本発明は、原料物質としてのナトリウム、カリウム、又はリチウム及び前駆体としてのアントラセンを用いることによって、ナトリウムアントラセニド、カリウムアントラセニド、又はリチウムアントラセニドの合成のために用いることができる。
【0141】
4 ナトリウム/カリウム/リチウムのフェナントレニド(phenanthrenide)の合成
本発明は、原料物質としてのナトリウム、又はカリウム、又はリチウム及び前駆体としてのフェナントレンを用いることによって、ナトリウムフェナントレニド、又はカリウムフェナントレニド、又はリチウムフェナントレニドの合成のために用いることができる。
【0142】
5 有機スズ化合物の変換
例としての反応は以下の種類である:
Na++ e-(電極から) →Na0
(CH3)3Sn -Sn(CH3)3+ 2 Na0→2 (CH3)3Sn-Na+
次いで、ナトリウム化合物を後の混合機/反応装置段階で、例えば、有機ハロゲン化物と反応させ、スズに追加の有機基を加える。
(CH3)3Sn-Na++ CH2=CH-CH-Cl →(CH3)3Sn-CH2-CH=CH + Na+Cl-
【0143】
6 ナトリウム/カリウム/リチウムのアルコキシド又はフェノキシドの生成
ナトリウムアルコキシド又はカリウムアルコキシド又はリチウムアルコキシドを、本発明を用いて合成することができる。次の処理に基づく。
Na/K/Li++ e-(電極から) →Na/K/Li0
Na/K/Li0+ R-OH→Na/K/Li+ -OR +H2
(式中、R=CH3、C2H5、C3H7、C4H9、フェニル、置換されたフェニル、ヘテロアリール、又は置換されたヘテロアリール)
同様に生産することができるナトリウムエトキシド及び他のアルコキシド、例えば、イソプロポキシドは、化学合成において広範に用いられる。合成中に導き出される水素ガスは、概して他の反応を妨げないが、不要な流れの妨害を起こすことがある。アルコキシド及び塩の混合物は水素を発生させることなくエステルから生産することができる。
【0144】
7 ナトリウム金属による芳香族化合物からのハロゲン化物の除去
本発明を用いて次の処理により芳香族化合物からハロゲン化物を除去することができる。
Na++ e-(電極から) →Na0
6-nNa0+ C6HnCl6-n+ 溶媒→C6H6+ Na Hal + 溶媒
(式中、Hal = Cl、Br、又はI。)
例えば、Na + C6HnCl6-n+ ナトリウム金属 + (プロトン供給源溶媒、例えば、アルコール) →C6H6+ NaCl
プロトン供給源の添加は、混合機段階それを添加し、次いで芳香族ハロゲン化物と電着したナトリウム(sodum)金属との反応によって空間的に分離されなければならない場合がある。
【0145】
8 バーチ還元
【化2】
この種の反応は、溶媒との適合性が確立される場合、あるいはまた、液体アンモニアに可溶なナトリウム塩が第1の種類の装置において電解質及び原料物質として用いられる場合、固体ナトリウムイオン導体と共に第2の種類の装置の種類で可能である場合がある。
例には:−
C6H6〔ベンゾン(benzone)〕+ 2 Na + C2H5OH (液体アンモニア中) →C6H8〔1,4シクロヘキサジエン(cyclohexadiene)〕
反応は、アルコールからプロトンを取り出すラジカル陰イオンによって進む。
【0146】
9 グリニャール試薬の生成
全体の反応は:
RX + Mg (エーテル中) →R-Mg-X (式中、R = C6H5及びX = Cl、Br、又はI)
例は、C6H5Br+ Mg →C6H5MgBr
である。
反応は、エーテル溶媒、及びエーテルのように反応を促進する溶媒中で遂行し、それらはMgを配位し、及び試薬を安定化させる。有機溶液からのMg0の電解堆積は可能である一方、また、それは、ナトリウムのような、従って他の反応配列のために表示したように一次生産物として用いられるアルカリ金属による溶解したマグネシウム化合物の還元によって生産することができる。
【0147】
同様に、イオンが適度に導電性の固体相内で可動しない金属、例えば、Mg、Zn、Cd、Sn、Alのような多価イオンを有する金属のための有機金属試薬を作製するために、好ましい方法は、溶液中にそれらの金属を提供し、及び直接電着するか、又は電着したアルカリ金属を用いて第1又は第2の種類のいずれかの装置中で変換を遂行するかのいずれかである。
【0148】
10 ハロゲン化生産物の生成
これは、フッ素、塩素、臭素又はヨウ素を含有する生産物の生成を含むことができる。一次生産物は、可溶性ハロゲン化物の電気化学的酸化によって生産される塩素のような元素のハロゲンでよい。
2Cl- -2 e-(正極で)→Cl2
塩素は、各種の有機種と反応し、付加(不飽和結合への)又は置換によって直接に塩素化生産物を生産することができる。あるいはまた、塩素は、無機反応性中間体に変換することができる。例えば、PCl3及びPCl5を、塩素と流体ストリーム中に供給され懸濁するか又は溶解するリンとの反応によって二次生産物として形成される。これらの二次生産物は装置内でカルボン酸のような追加の試薬と反応し、塩化アシルのような生産物を生産することができる。
【0149】
11 ウィッティヒ(Wittig)反応によってホスホニウム塩陽イオンからのイリドの生成及びイリド及びアルデヒドの反応によるアルカンの生成。例えば:
【0150】
上述のカートリッジ及び方法を大(マクロ)規模で実行するのが高く評価されるが、特に、微細加工されたカートリッジ又は系を生じさせることによって微細規模上に適用することができる。
【0151】
本明細書の開示では、用語“流体”は気体又は超臨界液体又は水性又は非水性液体のいずれかを意味する。好ましくは、流体は液体である。好ましくは、電着されるべき金属の塩又は他の酸化還元活性の化合物は、イオン伝導性であるが、イオン伝導性物質が作用電極及び対極に結合されるように設けられる場合、導電性でなくてもよい。
【0152】
追加の混合要素を、必要に応じて、例えば、チャンバ中に、及び/又はチャンバへの入口、又はチャンバからの出口中に形成され及び位置させる小さな翼又はそれせ板(deflector)のようなものを、反応装置に添加し、流体を回転させるか、又は混合することができる。
【0153】
多数の化学反応が記載した反応装置中での操作のために考えられるが、電気化学的なアルカリ金属の生成及びナトリウムナフタレニド又はリチウムアルキルのような有機金属試薬を形成するための有機試薬とのそれらの反応が好ましい。
【0154】
したがって、かかる反応装置は、合成化学者の実験ベンチ上での用途を見つけることができ、及び製造方法のための複合的な装置又は配列装置の使用によって拡大するか、又は範囲を超えることができる。例えば、本発明の第1の反応装置の出口導管を流れの連続中に本発明に従って構成される他の反応装置の入口導管に接続することができる。
【0155】
同様に、複数の連続して接続された反応装置は共通の構造上に設けることができる。1種又はそれより多い配列の連続して接続された反応装置は、共通の構造上で他の1種又はそれより多い配列の連続して接続された反応装置に関連して配置することができる。この概念は、集積回路チップ上に構築される構成要素のものとは似てないことはないが、この場合、構成要素は微細工学的反応装置である。
【0156】
重要なことには、本発明の反応装置は、危険な廃棄化学物質及び溶媒をより少ない危険性の形態に変換するのに適用することができるが、特に、PCB(ポリ塩化ビフェニル)及びCFC(塩化フルオロカーボン)のようなハロゲン化生産物の変換及び浄化に制限されない。かかる変換は、ナトリウムのような一次生産物と変換すべき化学物質との直接的反応によってか、ナトリウムナフタレニドのような二次生産物の生成、次いで変換すべき化学物質との混合及び反応によって続けることができる。PCBのための分解/浄化試薬としてのナトリウムナフタレニドの使用は、ナトリウム金属によるCFCの反応性の脱ハロゲン化を有するように報告されている。これらの廃棄物は、電気化学的に生じるアルカリ金属(例えば、ナトリウム)を用いるか、本発明にかかる電気化学的に生じるアルカリ金属を用いるカートリッジによって、本発明の装置において直接の処理を受けさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【0157】
【図1】1a及び1bは、本発明を組み入れた2種の微細工学的反応装置を図解的に示す図である。
【図2】本発明の具体例を組み入れた微細工学的反応装置を図解的に示す図である。
【図3】本発明の具体例を組み入れた微細工学的反応装置を図解的に示す図である。
【図4】本発明の具体例を組み入れた微細工学的反応装置を図解的に示す図である。
【図5】本発明の具体例を組み入れた微細工学的反応装置を図解的に示す図である。
【図6】本発明の具体例を組み入れた微細工学的反応装置を図解的に示す図である。
【図7】本発明の具体例を組み入れた微細工学的反応装置を図解的に示す図である。
【図8】本発明の具体例を組み入れた微細工学的反応装置を図解的に示す図である。
【図9】本発明の具体例を組み入れた微細工学的反応装置を図解的に示す図である。
【図10】本発明の具体例を組み入れた微細工学的反応装置を図解的に示す図である。
【図11】本発明の具体例を組み入れた微細工学的反応装置を図解的に示す図である。
【図12】本発明の具体例を組み入れた微細工学的反応装置を図解的に示す図である。
【図13】本発明の具体例を組み入れた微細工学的反応装置を図解的に示す図である。
【図14】本発明の具体例を組み入れた微細工学的反応装置を図解的に示す図である。
【図15】本発明の具体例を組み入れた微細工学的反応装置を図解的に示す図である。
【図16】本発明の具体例を組み入れた微細工学的反応装置を図解的に示す図である。
【図17】本発明の具体例を組み入れた微細工学的反応装置を図解的に示す図である。【Technical field】
[0001]
The present invention relates to micro-engineered reactors for use in the synthesis of organic compounds by processes involving electrochemical reactions, and to methods of using such micro-engineered reactors. The synthesis process electrochemically converts the source materials into reactive primary products, precursor materials that are exposed in the reaction area within the channel or chamber, and reacts the primary products and precursor materials to form a secondary product. It is of the kind that gives rise to products.
[Background Art]
[0002]
Electrochemical reactions have been used relatively little in the synthesis of organics. This is due to various limitations, including the lack of cleanliness of most organic species and the identification of direct electrochemical conversion, limitations on polar ionically conductive media that are incompatible with many organic synthesis processes. And the relatively low ionic conductivity of organic solutions, which can limit current and throughput. The current can be increased by increasing the applied potential, which increases the heating of the ion-conducting fluid body and makes it difficult to achieve a controlled potential and clean electrochemical treatment at the electrodes. Tends to give.
DISCLOSURE OF THE INVENTION
[Means for Solving the Problems]
[0003]
However, many are widely used in synthesis reactions, which utilize reactive high energy reactants. Examples of such reactants are organometallic materials such as lithium or sodium alkyls, and Grignard reagents. Long-term storage of such materials may be impractical or harmful, and they are often synthesized from precursor reagents and active metals shortly before use. Active metals are used in the synthesis of organometallics, especially alkali metals, which themselves are harmful or difficult to handle and which accumulate during storage corrosion products which prevent their use in organic synthesis. There is. The active metals are usually supplied by the producer as sheets, rods, or granules, which are cut in an oxygen-free dry state or otherwise in a protected environment prior to use in organic synthesis. Or otherwise mechanically treated to produce a sufficiently clean and active surface area. The handling and processing of these active metals can be detrimental and can add to the difficulty of processing and the expense of producing the desired organometallic reagent. Active metals for use in synthesizing organometallic species according to conventional methods can or can be generated electrochemically. An advantage of the proposed device is that such a substance is generated at that location as a primary product for reaction with the precursor reagent. The proposed device allows for the controlled production of active metals and their derivatives in an encapsulated device that minimizes the risks associated with handling excess material and exposure to contaminants.
[0004]
Microfabrication techniques are known in the semiconductor industry for the manufacture of integrated circuits and miniaturized electronic devices. In addition, micron (10-6Complex fluid flow systems having channel sizes as small as meters. These devices can be mass-produced inexpensively, and widespread use for simple analytical tests is immediately expected. For example, Ramsey, JM et al. (1995), "Microfabricated chemical measurement Systems", Nature Medicine 1: 1093-1096; and Harrison, DJ et al. 1993), "Micro-machining a miniaturized capillary electrophoresis-based chemical analysis system on a chip", Science 261: 895-897. Miniaturization of experimental techniques is not a simple matter of reducing their size. On a small scale, the different effects become important, making some processes inefficient and otherwise useless. Replicating smaller deformations of some devices is difficult due to material or process limitations. For these reasons, it is necessary to develop new methods for miniaturizing common laboratory work.
[0005]
Devices made with micro-machined planar substrates have been made and used for chemical separation, analysis, and detection. See, for example, Manz, A. et al. (1994), "Electro-osmotic pumping and electrophoretic separations for miniaturized chemical analysis systems." ", J. Micromech. Microeng. 4: 257-265. In addition, devices have been proposed for preparative, analytical and diagnostic methods of laminating two streams of fluid and diffusing molecules from one to the other into one another, Examples thereof are proposed in WO96125541, WO9700442 and US Pat. No. 5,716,852.
[0006]
For the purposes of this disclosure, the terms "microfabrication" and "microengineering" include plastic, glass, silicon wafer or photolithography, screen printing, wet or dry isotropic and anisotropic etching, Ion etching (RIE), laser assisted chemical etching (LACE), laser and mechanical cutting of metal, ceramic, and plastic substrates, plastic lamination technology, LIGA, thermoplastic micropattern transfer, resin-based microcasting, in capillaries Devices fabricated on any other material readily available to those performing microfabrication techniques, such as micromolding (MIMIC) and / or other techniques known within microfabrication techniques Is included. As in the case of silicon micromachining, multiple inventive devices can be adapted in multiple configurations using even larger wafers. Some standard wafer sizes are 3 "(7.5 cm), 4" (10 cm), 6 "(15 cm), and 8" (20 cm). The application of principles using the new and emerging microfabrication methods presented herein is within the scope and intent of the present invention. The microfabricated device comprises (1) photolithography, optical processing to create a microscopic pattern, (2) etching, processing to remove substrate material, and (3) deposition, whereby the material has a specific function. Can be made by a combination of manufacturing processes, such as a process capable of coating on the surface of a substrate.
[0007]
The connection of the device to an external liquid reservoir can be made by adhesive bonding to fine tubes and capillaries, other connections to the cathode structure or to a manifold structure connected to a macroscopic union, or Proceedings of Mourlas, NJ, etc. It can be made by various means, including methods according to the μTAS'98 Workshop, Kluwer Academic Publishers 27-, and methods according to the literature cited therein.
[0008]
It is an object of the present invention to provide micro-engineered reactors and methods of using such micro-engineered reactors, which are provided by electrochemical means which overcome at least some of the problems encountered in the past. Suitable for the synthesis of organic compounds, including reaction with in situ produced materials, and take advantage of micro-engineered flow passage.
[0009]
By using micro-engineered sized reactors, it is possible to achieve short ion conducting paths that limit resistive voltage drop and heating. The short diameter of the fluid relative to the surface that can be cooled avoids excessive temperature rise either from ohmic (Joule) heating or from high energy products. The flow of reagents through relatively narrow channels or chambers allows for rapid, diffusive transport of reagents to the surface, allowing the precursor reagents to be efficiently and quickly converted to primary electrochemical chemicals such as reactive metal layers. Given to the product. Producing active primary and subsequent products in the reactor on demand avoids harmful inventory accumulation, provides equipment with a limited level, and poses inherent risks in material handling. can avoid.
[0010]
By using micro-engineering techniques, depth features can usually be defined by etching or depositing material and forming conduits or flow channels with depth dimensions down to 11 μm. In general, for the purposes of the present invention, the term “microtechnical” refers to a channel having a depth of 0.1 to 1000 μm. Channel depths of up to 1000 μm allow for significantly higher throughput and lower viscosities, but the preferred range size is between 1 and 500 μm and especially between 30 and 300 μm. The width and length of the channel are generally defined by lithographic techniques and may be of a size from a few μm to cm. By using such a conduit and flow channel combination, transport and mixing times from on the order of seconds to milliseconds in liquids and microseconds in gases can be achieved.
[0011]
The use of electricity to drive redox reactions is well known and is applied in electrolytic extraction of aluminum metal from ore using molten electrolytes, electroplating and rechargeable batteries. Electrochemical redox treatment involves transporting one or more electrons between an electrode and a chemical species in an electrochemical cell. Chemical species capable of gaining or losing electrons in this way are redox-active species. Such species are converted to other species by transport of charge and may undergo additional conversions, including rearrangements, reactions, and phase changes.
[0012]
An additional object of the present invention is to provide a new use of the basic technology of using electricity to direct a redox treatment in a reactor and to produce reactive products in situ that react in the reactor as part of a synthesis reaction. It is to be.
[0013]
The operation of the reactor of the present invention involves a number of transport operations that are affected by the configuration and dimensions of the reactor, with preferred dimensions being within the range appropriate for microtechnology. Processes typically involved include electromigration, electrodeposition, and diffusion of substances and reagents to reaction sites such as electrodes and electrodeposits, mixing of fluidic reagent streams, reaction, and heat generation or consumption and heat transport. Is included. As described below, conditions for rapid ion transfer, mass transport by diffusion, and heat transport across the fluid layer in the reactor can be improved, and increasing the ratio of reaction flux to reaction zone volume. Where the thickness of the intersecting layers is in the micro-engineered range from 1 μm to 1000 μm, and preferably in the range from 30 μm to 300 μm.
[0014]
In one aspect of the invention, a micro-engineered reactor suitable for electrochemical synthesis of organic compounds is provided.
[0015]
In another aspect of the present invention, there is provided a method of using a micro-engineered reactor for the purpose of producing an organic compound.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0016]
The present invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings.
1a-17, the reactor is shown in cross-section, and schematically illustrates the height and length of the channel. The width of the channel is not shown, but is similar to or greater than the height of the reactor, up to the limit imposed by the width of the material or substrate used to fabricate the reactor.
[0017]
In general terms, the present invention is broadly applicable to the synthesis of organic compounds by reactions using reactive primary products that are electrochemically generated from raw materials. In general terms, the source material is electrochemically converted to a reactive primary product, which is exposed to the precursor material in a reaction area within the channel or chamber, where the primary product and the precursor material react and react. Produce the next product. For example, the precursor material can consist of or contain a fluid organic reagent. Organic reagents can be dissolved in a solvent. In one example, the primary product is a reactive metal that is electrochemically generated from a source material that can be a salt or other redox-active compound of the metal. The precursor and the primary product react to form a secondary product, which may be an organometallic compound.
[0018]
Source material can be present at or adjacent to the electrode and can be transported to the electrode area by a fluid stream. Preferably, the source material is one that is mobile and can be dissolved in a solvent as much as possible. The source material is preferably a salt or other redox-active compound that can be converted by electrolysis to form a primary product.
[0019]
The reactor may include equipment in any of the channels, or chambers, for the reaction of the secondary product with additional reactants, where the secondary product is formed or otherwise. Channels or chambers in which the secondary products are carried by the fluid stream. The device has two or more separate electrodes, a working electrode and a counter electrode, between which an ion-conducting substance is provided and an electric current is applied during the electrochemical production of the primary product to the electrodes and the intervening ionic conduction. It flows by the sexual substance (or phase). The primary product is formed electrochemically at the working electrode. Other redox treatments occur at the other end.
[0020]
The ion-conducting material can consist of or contain a source material, and can include a solvent and a supporting electrolyte and a redox-active material to support electrochemical processing at the counter electrode. The solvents used for the source material, the supporting electrolyte, and the precursor material can be the same or different materials and can be miscible or immiscible. Polar aprotic solvents work particularly advantageously to provide an ion-conducting phase.
[0021]
The processes performed in the micro-engineered reactor are electrochemical redox processes that produce primary products such as reactive metal deposits or other highly reactive or electrochemically generated unstable species, and A reaction between a primary product and a supplied reagent or precursor material, wherein the secondary product, such as an organometallic species, is in the same micro-engineered reactor or in a similar micro-engineered reactor. Can be combined.
[0022]
A preferred embodiment of the present invention is directed to the synthesis of organometallics by electrochemically producing a reactive metal as a primary product and producing an organometallic as a secondary product by the reaction, Includes the production of non-metallic primary products for subsequent reaction. Such a primary product may be an electrochemically generated non-metallic material, including components and compounds, and including species or materials generated by direct electrochemical oxidation or reduction of organic species, including organic ions. And can include free radical species. The primary product is formed at or adjacent to the electrode, exposed to the precursor material and reacted at least temporarily until it forms a secondary product that is processed from the reaction location by the fluid stream. Can remain. Alternatively, the primary product produced in the first part of the reactor, or a similar micro-engineered reactor, is dissolved or as a suspension, in a fluid phase (eg as particulate or colloidal metal). ) And can be conveyed by a fluid stream from a first portion of the reactor or reactors to a second portion for mixing and reaction to form a secondary product. Secondary products are themselves used as reactants and can produce tertiary products either in their equipment or after transport to other equipment or the environment.
[0023]
In some cases, the process of forming the primary and secondary products and any intermediate forms may not be elucidated, and it is not necessary that the objects of the present invention be achieved by elucidating them.
[0024]
In a preferred embodiment of the present invention, the proposed micro-engineered reactor comprises a conduit and carries one or more reactant solutions to a chamber containing one or more electrodes, and a product solution. Transport from The conduits and chambers are formed by micro engineering.
[0025]
A reaction apparatus in which the active metal used for the synthesis of the organometallic species can be generated electrochemically, and it is proposed that such a material be generated in situ as a primary product for reaction with a precursor material. Is the advantage. The application of the precursor reagent to the electrochemically generated primary product occurs immediately or after a short delay, resulting in a secondary product such as a reactive organometallic species. The reactor can be a convenient source to meet the demand for reagents such as organometallics from readily available and non-hazardous precursors. An additional advantage is that secondary products can be used in that location, avoiding storage losses and dangers.
[0026]
The proposed reactor combines a series of raw materials or precursor materials or reagents in a controlled manner with electrolysis applied only on demand. Thus, it is possible to control the use of redox-active reagents and the production of redox-active products, while exposing them to an electrochemical conversion process.
[0027]
The electronic circuitry for passing charge through the reactor can be manipulated, the potential and current can be controlled, and these can be varied over time. These include a constant voltage circuit and a constant current circuit.
[0028]
The reactor of the present invention can be operated in two ways. In the first embodiment (hereinafter, referred to as “continuous mode”), the electrochemical production of the primary product and the supply of the precursor are simultaneously performed to perform the continuous reaction and the production of the secondary product. In a second embodiment, hereinafter referred to as "discontinuous mode", the electrochemical production of the primary product is performed during a first time period and the precursor supply is performed during a second time period. The primary product accumulates in a first time period, and the reaction between the accumulated primary product and the precursor occurs to produce a secondary product in a second time period. The first and second periods can be alternately repeated. Other time periods can separate the first and second, and the second and first periods. The flushing or washing solution can be applied to the reactor during these other periods. By operating in discontinuous mode, different solvent systems can be used during the processing of the primary product formation and the reaction of the primary product with the precursor to form the secondary product. This extends the range of chemical reactions, which can be used as optimal conditions, and the solvent environment is treated with primary products and precursors to form the primary product and to form secondary products. It is not necessary to make the same for the treatment of the reaction.
[0029]
Two basic geometries or types are preferred for the reactor of the present invention. Devices of the first type or geometry (illustrated schematically in FIG. 1a) incorporate an electrochemical cell, wherein at least some of the space between the working electrode and the counter electrode contains source material, ions Occupied by a fluid containing a conductive material, and a redox-active material, supporting the electrochemical treatment at the counter electrode, the materials can be the same or different, and an ion-conducting passage connects the electrodes. The current between the electrodes and the space is also occupied by the precursors for the reagents to be generated, either simultaneously, as described above, or at different times. The electrodes can be arranged on opposite sides of the chamber or flow channel, or side by side on the walls of the chamber or flow channel, as shown diagrammatically in FIGS. 1a and 1b.
[0030]
Devices of the second type or geometry (illustrated schematically in FIG. 1b) incorporate an electrochemical cell, where space is used for ionic conduction during the electrochemical production of the primary product. And the space for the addition and transport of the precursors are separated by a structure comprising at least the electrode structure giving rise to the primary product, and where by such a separation structure the primary product and the precursor to be attracted to each other Material transport is realized.
[0031]
The device of the second type or geometry can be operated in a continuous or discontinuous mode, as for the device of the first type or geometry. With a second type of geometry, there is no need to clean the electrolyte outside the precursor or product fluid flow passages. However, in a discontinuous or pulsed manner, it is convenient to operate the device so that sufficient primary product (such as an alkali metal) is built up on the working electrode or the precursor material, and Alter the feed of the source material, where the source material is fed into the fluid and the fluid is different from that for the precursor feed, or to transport the precursor to the working electrode and product therefrom. Vary in the solvent used. Structures with multiple fluid inlets and outlets can also be used for devices of the second type or geometry.
Embodiment 1
[0032]
Referring to FIGS. 1a and 1b, a first type of reactor is shown schematically in FIG. 1a, which comprises two types of conductive structures or substrates forming two electrodes, a working electrode 13 and a counter electrode 14. Includes a chamber 11 in which is installed. The electrodes 13, 14 are used to connect to a power supply and a potential is applied between the electrodes 13, 14. Chamber 11 has an inlet 12 for receiving one or more fluids, which uses the fluid or fluids for forming and reacting electrochemical products in chamber 11.
[0033]
The first fluid entering the chamber 11 comprises or contains an ionically conductive material and a source material, such as, for example, a metal salt dissolved in an organic fluid, and the chamber 11 between the electrodes 13 and 14. There is an ion conductive path through Following the passage of current between the electrodes 13 and 14, the electrochemical formation of a primary product, such as a metal, deposits the metal 16 on the electrode 13.
[0034]
The second fluid entering the chamber 11 can be the same as the first fluid or can be combined with the first fluid stream and consists of a precursor reactant, such as, for example, an alkyl halide; Or it can be contained. The precursor reagent reacts with the primary product to form a secondary product, such as, for example, an organometallic compound. The second fluid (precursor reactant) flows through the chamber 11 along a fluid path 17 adjacent to the electrode 13, which may occupy all or only part of the chamber 11.
[0035]
The primary product 16 electrochemically deposited on one or more surfaces of the substrate 13 is exposed to a precursor reagent in the chamber 11 for use. Primary product 16 reacts with the precursor reagent to form a secondary product. The source material and the ion-conducting material may be the same or different materials, and for different materials, they must both be present in the chamber 11 when current is passed to form the primary product 16. Must.
[0036]
The source and precursor materials can be delivered in the same or different fluids, either simultaneously or at different times. The chamber 11 has an outlet 15 through which reactive products such as, for example, organometallic compounds can be removed. Used fluid or fluids containing reduced source material and precursor reagents can exit chamber 11 via outlet 15. The function of the inlet 12 and the outlet 15 can be changed from time to time by reversing the flow of fluid through the chamber 11.
[0037]
A second type or geometry of reactor is shown schematically in FIG. 1b. In this type of device, the volume used for ion conduction is separated from that used for precursor addition and transport.
[0038]
The second type of reactor comprises a chamber 11 in which two electrically conductive substrates forming an electrode, a working electrode 13 and a counter electrode 14 are installed. The electrodes 13 and 14 are used to connect to a power supply, and a potential is applied between the electrodes 13 and 14. Chamber 11 has an inlet 12 for receiving one or more fluids carried through chamber 11 to an outlet 15 along a fluid path 17 adjacent to electrode 13 but not between electrodes 13 and 14. .
[0039]
A second type of reactor, shown in FIG. 1 b, involves a volume separation in the chamber 11. The volume 11a is used for ion conduction and is used for the addition of precursors and reagents and for transporting the product of the reaction by the permeable electrode 13 which allows substances to be transported across the working electrode 13. 11b. In this way, the primary product and the precursor reactant come into contact within the volume 11b, forming a secondary product that can be transported into the adjacent fluid flow passage 17.
[0040]
The permeability of the electrode 13 can be determined by using a structure such as a perforated structure or a mesh or strip arrangement, or to the primary product, or to contain the precursor reagents and secondary products. This can be achieved by using an electrode material that is essentially permeable to the fluid to be made.
[0041]
An additional requirement for a second type of geometry is that the counter electrode 14 is located within the chamber 11 but outside the flow path 17 of the precursor reagent, and the chamber between the electrodes 13 and 14 11 is that its region 18 contains at least an ion-conducting substance during the electrolytic production of the primary product 16 at the electrode 13.
[0042]
Region 18 may comprise inlet and outlet tubes not shown in FIGS. 1a and b, or may be occupied by a static ionic conducting phase, which may be a fluid, semi-solid, or solid ionic conductor. it can. The ion-conducting phase can contain or consist of raw materials. Raw materials for electrochemical conversion to primary products can be introduced into region 18 or channel 17 depending on the chemical reaction selected. Preferably, this arrangement allows the primary product produced at the working electrode 13 by an electrochemical reaction on the source material by the passage of current through the ionically conductive material between the electrodes 13 and 14 to pass through the electrode 13 And interacts with the precursor reagent in the adjacent channel 17.
[0043]
The passage of current between the electrodes 13 and 14 through the region 18 of the chamber 11 causes an electrochemical formation at the electrode 13 of a primary product, such as, for example, a metal deposit 16. The fluid entering the chamber 11 along the flow path 17 adjacent to the electrode 13 is, for example, a precursor reactant such as an alkyl halide, or contains it and a secondary reactant such as an organometallic compound. The product is formed by reaction with the primary product.
[0044]
Fluid path 17 may not occupy that portion of chamber 11 between electrodes 13 and 14. A primary product 16 that is electrochemically deposited on one or more surfaces of a substrate 13 is used and exposed to a precursor reagent in chamber 11. Primary product 16 reacts with a precursor reagent to form a secondary compound, such as, for example, a sacrificial layer of metal on electrode 13.
[0045]
As mentioned above, with respect to the first type of device, if one has the second type of device, the source material and the precursor material can be transported in the same or different fluids simultaneously or at different times. can do.
[0046]
The chamber 11 has an outlet 15 through which reaction products such as, for example, organometallics are removed. The spent fluid or fluids containing reduced source material and precursor reagents can exit chamber 11 via outlet 15. The function of the inlet 12 and the outlet 15 can be changed from time to time by reversing the flow of fluid through the chamber 11.
[0047]
For both devices of the first and second types, the source material and the ion-conducting material may be the same or different, and if different, both pass current between the electrodes 13,14. Must be present in chamber 11 when forming primary product 16. Source and precursor materials may enter the chamber in the same or different fluids, either simultaneously or at different times.
[0048]
Primary products 16 are generated from the source material by charge transport at the working electrode 13. If the primary product 16 is produced by a reduction process, the working electrode is connected as a negative electrode, as if the primary product was a metal produced by electrochemical reduction of a metal salt or compound at the working electrode 13 . This is achieved by connecting the electrodes 13 and 14 of the electrochemical cell to an external electrical circuit, which maintains a potential bias between the electrodes and normal current flows from the working electrode 13 to the external circuit. Most commonly, this corresponds to the fact that the working electrode 13 as the negative electrode is potentially negatively biased with respect to the counter electrode 14 as the positive electrode, as shown diagrammatically in FIGS. 1a and 1b.
[0049]
Alternatively, if the primary product 16 is produced by an oxidation process, the working electrode is connected as a positive electrode, such as when the primary product is a halogen generated at the working electrode 13 from a halide salt source material. This is achieved by connecting the electrodes 13 and 14 of the electrochemical cell to an external electrical circuit, which maintains a potential bias between the electrodes and normal current flows from the counter electrode 14 to the external circuit. Most commonly, this corresponds to the working electrode 13 as the negative electrode being potentially positive and biased with respect to the counter electrode 14 as the negative electrode.
[0050]
In operation, for example, a primary product 16 such as a sacrificial metal layer is electrochemically deposited on the electrode 13 by connecting the electrode 13 as a negative electrode and the electrode 14 as a positive electrode in an electrical circuit. . The ion-conducting substance is present in the space between the electrodes 13 and 14 and the raw material, which can be a metal salt or a redox-active compound, is provided at least to the working electrode 13. The application of a potential difference between the electrodes 13, 14 generates a current and flows between the positive and negative electrodes, whereby the primary product 16 (such as a metal) is electrodeposited on the working electrode 13 You.
[0051]
In the discontinuous mode of operation, the electrochemical production of the primary product 16 is performed in a precursor reagent deficient state until sufficient primary product has been deposited on the working electrode 13. The potential that maintains the current between the positive and negative electrodes through the cell is removed, and the organic precursor reagent flows along the flow path 17 through the chamber 11 and reacts with the primary product 16. Operation in this mode is an efficient "discontinuous" or batch process.
[0052]
In the embodiment described herein, primary product 16 is deposited prior to introducing the precursor reagent into chamber 11. In an alternative embodiment, in a continuous mode of operation, the primary product 16 is electrochemically coupled with the passage of the precursor reagent through the channel 17 and the reaction of the precursor reagent with the primary product 16 at the same time. Can be caused. Operation in this mode is an efficient "continuous" process.
[0053]
The operation of various embodiments of the present invention and the construction of various micro-engineered reactors constructed in accordance with the present invention is illustrated in FIGS.
[0054]
FIG. 2 schematically illustrates a continuous process in a first type of reactor, showing a continuous flow of an ion-conducting reagent mixture containing source materials through a chamber 11, which comprises a salt (eg, , M+Y−) And precursor reagents (e.g., RX). Raw material (eg, M+Y−) Is flowed in a flow path 17 between the excited electrodes 13 and 14 and a primary product 16 (eg, M0) Is produced at the electrode 13 or in the flow path 17 adjacent thereto, and the primary product is then reacted with an organic precursor reagent (e.g. RX) to produce a useful secondary product (e.g. M- R). The primary product is formed on the working electrode as an adherent deposit (as shown schematically in the upper half of FIG. 2), or it is a solution or as shown schematically in the lower half of FIG. It can be a fluid stream as a suspension. Primary products 16 of intermediates by electrolysis (eg, M0) Need not be identifiably formed. Useful secondary products (e.g., MR) are carried by the fluid stream to the next junction 19, where additional reactants (e.g., R'-W) are mixed and reacted (e.g., M-R). → RR ′) is carried in via conduit 20. The tertiary product R-R 'is carried off in the stream via the output conduit 21. Reagents R'-W and the tertiary product R-R'mat are compounds and when they pass through the electrochemical cell section, for example, R'-W is introduced into the feed stream to the electrochemical cell. If not, they will be subject to modification. The simplest structure that accomplishes the above is illustrated schematically in FIG. 2, where the process shown is based on M with a negatively polarized working electrode 13 operated as a negative electrode.+Including the reduction of
[0055]
An alternative treatment is an oxidation treatment (eg, Cl 2) formed when the positively biased working electrode 13 is operated as the positive electrode.−Generated from the raw material containing2) May include a reaction with the primary product 16 formed.
[0056]
Monovalent cation M+Although the electrochemical conversion of is shown, the treatment is applicable to raw materials containing polyvalent, negatively charged, and even neutral species as long as they are electrochemically active. is there. The charge and relative importance of electrophoresis, diffusion, and advective processes can affect mass transport to electrodes. In the simple configuration illustrated schematically in FIG. 2, both the positive and negative electrodes are in direct contact with the reagent stream, and the products from both the positive and negative electrode regions are conveyed to the subsequent reaction zone. These may include side products from the positive and negative electrode areas. By-products from the counter electrode 14 that are not directly involved in the required reaction can be diverted from the subsequent reaction zone by appropriate flow configuration.
[0057]
The manner in which unwanted products are diverted from the reaction zone is represented graphically in the apparatus of FIG. This separates the desired product exiting the chamber 11 via the outlet 15 and around the counter electrode 14 and working electrode 13 with unwanted product from the area adjacent to the electrode 14 passing along the output conduit 22. It can include a separating flow.
[0058]
The electrodes can be located outside the flow stream that is directed to a subsequent reaction location as shown in FIG.
[0059]
As shown in FIG. 4, the counter electrode 14 should be located in the outlet conduit 22 outside of the flow stream 17 adjacent to the electrode 13 as long as a sufficient ion conductive path can be maintained between the electrodes 13 and 14. Can be. Unwanted products are conveyed via conduit 22 without contaminating the desired products via outlet 15.
[0060]
As shown in FIG. 5, the feed streams to the positive electrode 14 and the negative electrode 13 can be different, and the flow of raw materials and precursor reagents from the inlet 12 flowing into the chamber 11 adjacent to the electrode 13 and the flow of the electrode 14 It may have fluid from the inlet 23 flowing off. The two fluids may be of different compositions and may be immiscible as long as they both have sufficient ionic conductivity and maintain a conductive path between the cathode 14 and the anode 13.
[0061]
The fluid path can be controlled by adding an ion-permeable barrier between the positive and negative electrode regions, as well as separating the products from the two electrodes by the flow arrangement as indicated above. This may be a porous sheet (unglazed plate), a dialysis membrane, an ion exchange membrane, or a region of the immobilized electrolyte that is gelled or not.
[0062]
As well as separating the products from the two electrodes 13, 14 by the flow arrangement as indicated above, the fluid passages define the location of the ion-permeable barrier 24 between the areas adjacent to the electrodes 13, 14. Can be controlled. This barrier 24 divides the chamber 11 into negative and positive compartments, as shown in FIG. This barrier 24 may be a porous sheet, a dialysis membrane, an ion exchange membrane, or an area of immobilized electrolyte, gelled or not.
[0063]
The one or more electrodes can be constructed as a porous or reticulated type of conductive structure, as shown in FIG. This can increase the surface area of the electrode, and the porous body can be used to establish an area within the chamber 11 through which a portion of the fluid passes. Within the porous electrode structure, the diffusion and heat transfer distance from the solution to the electrode material is reduced. In the apparatus of FIG. 7, the working electrode 13 for primary product formation and reaction takes the form of a conductive porous body. Such a porous electrode can be used in combination with an ion permeable membrane of the type shown in FIG.
[0064]
In the reactor shown in FIGS. 2-17, the dimensions of the channel through which the fluid flows are such that the reagent flowing off the working electrode 13 or the electrode 14 is efficiently carried to the electrode surface, for example by diffusion, and reacts with each electrode. It is something. The electrodes 13, 14 may form part of the channel wall (as shown in FIGS. 2-6) or may be a separate structure separate from the channel or chamber walls. The electrodes can additionally be configured as porous blocks or nets of conductive material. Fluid may pass over the surface of the porous electrode or flow through the porous electrode by a pump, and electrode treatment and electrode location may occur in the pore wall.
[0065]
Improved versions with porous electrodes can be based on other options described herein and can be used by continuous or discontinuous operation.
[0066]
Although shown for continuous operation, the structures of FIGS. 2-7 described above can also be used for discontinuous operation. In this mode, current flows between the electrodes 13, 14 to produce a primary product, for example, a metal such as lithium, which is held at or adjacent to the working electrode 13. Therefore, the area adjacent to the electrode 13 is loaded with the primary product. Thereafter, a precursor reagent, or a solution of the precursor reagent, is applied to the electrode 13, which is loaded by the primary product, and the reagent reacts with the primary product to produce a secondary product.
[0067]
The reaction between the primary product and the precursor reagent need not involve the current passing through the device, and the precursor reagent solution need not be ionically conductive. This secondary product can be dissolved in the fluid containing the precursor reactants and can be carried by the fluid to additional reaction locations in the device. Alternatively, as formed, the primary product can be deposited in the reservoir at or at the outlet from the outlet channel 15 or the chamber 11.
[0068]
Other fluids pass in contact with the secondary product and either accumulate in the device or are retained in the fluid in which it occurs, and are separated by multiple fluids or transported by multiple fluids. The secondary product can be received and the secondary product can be carried from the electrode area, and the stream can carry the secondary product from outside the device or within the device to an additional reaction location.
[0069]
Operation of the reactor in discontinuous mode using two fluids passing alternately through the reactor is illustrated in FIG.
[0070]
8A, the ion conductive solution (M+Y−, For example, a solution of a lithium salt) flows through the chamber 11 and an electric current passes between the electrodes 13, 14, where the primary product 16 (M0For example, lithium metal deposition at the negative electrode). Once sufficient deposition has been established, the current stops and the fluid flow changes as shown in FIG. 8B, the flow of electrolyte from the inlet 23 ends, and the precursor reagent fluid (R-X solution) Is introduced via the inlet 12. The reagent fluid reacts with the primary product 16 deposited on the negative electrode 13 that produces the product, and the product flows from the inlet conduit 20 where it can mix and react at the junction 19 and beyond. To the joint 19 having
[0071]
As shown in FIGS. 8A and 8B, the junction between the different fluid flows is open and flow control is exerted by varying the pressure and flow at inlets 12, 23 and 20. For microdevices this is often appropriate and can be used to tolerate a low degree of contamination of one fluid with another. However, it is advantageous to insert the valve structure at one or more junction inlets 12, 23 and 20 to control the flow of multiple fluids and control the contact between multiple fluids. it can.
[0072]
In those cases, if the solution carrying the precursor reagent to the electrode 13 loaded with the primary product does not dissolve or remove the secondary product formed, a third fluid is indicated in FIG. It can be introduced into the circulation via an inlet 24 as described below. The use of a third fluid stream indicates that the product is useful even if it does not dissolve or is removed in the second fluid. Greater control and flexibility in the operation of the system is achieved by introducing a solvent or a different fluid between the ion-conducting fluid introduced via inlet 23 and the precursor introduced via inlet 12. can do. This can also ensure that mixing between these fluids is minimized, thereby reducing product contamination and side reactions.
[0073]
The arrangement for coupling the inlets 12, 20, 23, or 24 of the various fluid feedstocks can be chosen for convenience in manufacturing or in an arrangement of operations as shown in FIG. 10, and as shown in FIG. The use of a simple valve 25 may be included. In FIG. 11, the valve is shown as a rotary valve for selectively connecting one of the inlets 12, 23 or 24 to the chamber 11.
[0074]
FIG. 12 shows a second type or geometry of reactor based on the design depicted in FIG. 1b. In the reactor of FIG. 12, the chamber 11 is divided by the electrode 13 into a region 18 containing an ion-conducting substance providing an ion-conducting passage for electrolysis and a fluid passage 17 for carrying the precursor reagent. Regions 17 and 18 are separated, but adjacent and separated by a permeable working electrode 13, which must be porous or otherwise permeable, the primary product 16 and the precursor The body reagents are contacted and reacted to form a secondary product.
[0075]
As shown in FIG. 12, the fluid flow along path 17 carries the secondary product to junction 19 where it mixes and reacts with other reagents from inlet 20. The working electrode 13 can be in the form of a porous block through which the fluid flowing along the flow path 17 passes in a manner similar to that shown for the first type of device in FIG. Similarly, the counter electrode 14 can be in the form of a porous block, through which the ion-conducting fluid containing the substance flows and supports the electrochemical treatment at the counter electrode. Similarly, a compound inlet can be provided in that portion of the chamber 11 occupied by the fluid stream 17, with the reactants and solvents changing in a manner similar to that described above for the apparatus of FIGS. Such an arrangement may incorporate a valve as in FIG.
[0076]
In a reactor of the type shown in FIG. 12, the ion-conducting material can contain primary products and other types of raw materials for electrolytic production, support the electrolytic reaction at the counter electrode 14, and provide a contact electrode. 14 can flow. This fluid enters and exits the area 18 of the chamber 11 by conduits 26 and 27. The ion-conducting fluid occupies the region 18 up to the electrode 13 or may be provided with a solid or semi-solid ion conductor layer 28 interposed between the ion-conducting fluid and the electrode 13 as shown in FIG.
[0077]
FIG. 13 schematically illustrates a variation of the reactor of FIG. 12, provided with a fluid ionic conductive solution in contact with the electrode 14 and a permeable layer of ionic or electrical conductor 29 between ionic conductor layers 28. , They can be fluid, solid, or semi-solid, and contact the electrode 13. Also shown in FIG. 13 is a variation on the configuration of the electrode 13, which is a combination of a net or interconnect strip that deposits the primary product 16 on the surface of the ion conductor 28 during biasing through the electrode 13. Take the form. The permeable layer 29 can be, for example, an electrical conductor such as mercury (or a structure containing mercury or amalgam), wherein the species transported is a mercury-soluble metal such as sodium. As indicated for layer 29, the presence of the selectively permeable layer employs a chemically incompatible ion conducting material on either side of the layer. For example, an aqueous salt solution can contact the electrode 14 and sodium beta-alumina can contact the electrode 13, but the two electrolytes are subject to hydrolysis reactions that can damage sodium beta-alumina. Do not make direct contact. The intervening layer is chemically compatible with both ion-conducting layers, and this transports sodium or sodium ions, allowing the use of such chemically incompatible layers in combination. Basically, multiple layers of conductors with appropriate permeability and chemical compatibility can be used.
[0078]
Basically, a second type of reactor can be used with both solid and fluid electrolytes, but it is advantageous to use an ionic conductor adjacent to the working electrode 13, which can be solid or porous. It is a semi-solid, such as an electrolyte fluid immobilized by a crystalline structure or gel. The arrangement depicted in FIGS. 12 and 13 can be used to perform processes such as the production of organometallic reagents. The electrolysis in the ion conduction path section is the reduction product M0(Eg, lithium metal) is generated at the porous electrode, which reacts with a precursor RX (eg, an alkyl halide) that yields a reagent MR (eg, an alkyllithium compound). By-products containing MX (eg, lithium halide) may also be produced. Products MR and by-products that originate in the same area can be removed in a fluid stream as shown in FIGS.
[0079]
As long as ionic or electrical continuity between the electrodes 13 and 14 is maintained, a variety of structures and materials can be used to form electrolytic cells and ionic conductive pathways, and allow for transport of desired species To enable the electrolytic formation of the primary product at the electrode 13.
[0080]
In practice, solid-state ionic conductors based on ceramics or crystalline materials tend to have a transport number of 1 or near as mobile ions, which reduces problems with concentration polarisation in the electrolyte. Let it. Examples such as β-alumina or Nasicon are Na with a transport number of 1+Attractive as a conductor. The conductivity increases with temperature, but at room temperature-3Height values on the order of Siemens / cm have been achieved and throughput limitations due to low conductivity are not extreme. Analogs of the lithium and potassium analogs of the ceramic sodium ion conductor also usually have somewhat lower conductivity. Li3N crystals have high lithium ion conductivity perpendicular to the c-axis. Various lithium conductors based on mixed oxide (Si, Ge, P, Zn, Ge, and V) media are also known. Another actual solid ionic conductor is Ag+, Cu+, H+Cation and F−, And O2-About the anion. The conductor of the positive electrode is LaF3, And doped ZnO2And the limited utility for organic synthesis is likely to be demonstrated due to the relatively low conductivity at appropriate temperatures, but can be applied for high temperature reactions. Some Ag + ion conductors, especially those related to AgI (eg, rubidium silver iodide) have very high conductivity and other sources for forming organosilver compounds or for generating other organometallics It may be useful as an electrolyte for use in combination with a substance. Cu+Conductors are also known, but generally have lower conductivity than similar Ag + conductors. Solid-state proton conductors often have conductivity that depends on the presence of water, and for the most part have been restricted for use with chemical reactions compatible with water, and have a second type or geometry. It provides a means to carry out electrochemical hydrogenation or even dehydrogenation in a device of a specific arrangement.
[0081]
The ionic conductor polymer is particularly Li+Widely applied in battery industry for ions.
They are, perhaps, even more practically immobilized liquid electrolytes where there is some migration of anions that can lead to polarization. The example applies to a rechargeable system, where the Li metal is deposited either as a free metal or in graphite matrices. There may be even more limitations with the use of such polymer systems, which include polymers in the fluid used to carry the precursor to the working electrode and the product from the working electrode. May result from the solubility of lithium salts. Polymers and solvent systems may be generally characterized as ether / polyether type materials, which may be compatible with lithium metal in various organic synthetic processing systems. Lithium-ion conductors in combination with graphite media to form lithium or other types of permeable electrodes are suitable for use in devices of the second type or geometry.
[0082]
Using the same liquid electrolyte used in a reactor of the first type or geometry in a device of a second type or geometry having a porous working electrode, possibly on a porous substrate Which is retained at the interface between the electrode and the precursor / product carrying fluid (s). This can be an immiscible fluid interface, or it can exist as a stepped interface in a porous electrode where the fluid is miscible or has some mutual solubility.
[0083]
The reactor of the present invention can be coupled to a mixer / reactor stage for rapid consumption of product reagents, as shown in FIGS.
[0084]
The counter electrode 14 in the electrochemical cell requires a source of ions to be transported. This can be provided by the electrode material itself (eg, if it is an alkali metal, or an alloy or amalgam of an alkali metal, or an electrically conductive intercalation compound of an alkali metal). A solution of the relevant ions can be provided as a layer adjacent to the counter electrode and the waste product to be removed, avoiding polarization and contamination problems. This replenishment, either continuously or intermittently, can be accomplished via conduits 26, 27, as shown in FIGS.
[0085]
Although the number of types of ions that can be used in the ion-conducting phase in an electrochemical cell is significantly limited, in some cases, organometallic reagents of other metals may be used to place those metals adjacent to electrodes 13. By providing it in the compound in the flowing stream 17. These source materials in solution can be used alone or simultaneously with the precursor reagents, as described above for discontinuous or continuous mode operation of the synthesizer.
[0086]
1a-12 and the description relating to those figures show only two electrodes in each device. It should be understood that the reactor of the present invention can have and can be configured with multiple electrodes performing the functions of the working electrode 13 and the counter electrode 14 shown in FIGS. is there.
[0087]
As illustrated schematically in FIG. 14, additional electrodes 30, 31 can be incorporated to perform other functions. One or more reference electrodes can be incorporated into the device to monitor and control the potential of the working electrode. Such a reference electrode contacts the ion-conducting phase between the electrodes 13 and 14, where it should be used as part of a circuit to control the working electrode, and then the reference electrode 30 is most commonly used. , As shown in FIG. Another electrode 31 is located in the fluid stream, monitors the potential to allow detection of the fluid composition, and other non-electrochemical detectors can be used, for example, optical or thermal detectors. . In operation, the output from the detector in the device can be used to control the applied potential and current through the device, and to control the input and output ratio of the fluid.
[0088]
As shown schematically in FIG. 15, a heat exchanger structure 32 can be incorporated into the device. Such thermal control structures can include fluid cooling or heating structures, as well as electric heaters and Peltier coolers, and multiple heating control structures can be distributed throughout the device. Such a thermal control structure can be located adjacent to the reaction zone, as shown diagrammatically in FIG. 15, where the heat exchanger is adjacent to the chamber 11 and especially one or more. Shown adjacent to the electrodes, and an additional heat exchanger structure 33 is adjacent to the reaction zone following junction 19.
[0089]
As shown diagrammatically in FIG. 16, where the primary product 16 does not stick to the working electrode 13, it is taken up in the fluid stream 17 and consists of the precursor reagent or a fluid containing it. Passes through the reaction chamber via an inlet conduit 35 downstream of the primary product production region at a junction 34 where it mixes and reacts with the primary product at and adjacent to the junction 34.
[0090]
As illustrated schematically in FIG. 17, the area where the primary product is formed and / or reacts with the precursor reagents may be exposed to some radioactive stimuli, such as UV light from a source 37 through a window or opening 36. Exposed to Such a stimulus enhances the formation or response of the primary product or monitors the response as part of a detector system.
[0091]
The use of additional electrodes, thermal control structures, and supplemental radioactive stimuli as depicted in FIGS. 14, 16 and 17 can be applied to both first and second types of devices.
[0092]
In the second type of device, the surface or surface of the electrode on which the primary product is formed can be different from the one where the precursor material is initially provided. In such an arrangement, the electrode structure on which the primary product is formed must allow the transport of material between the surfaces or surfaces of the electrode to allow contact between the primary product and the precursor material. An electrode that is permeable to the primary product can accomplish this, or if the electrode is formed of a material or structure that provides a bias through the hole or electrode, thereby producing the primary product or Precursors or primary products or fluids containing precursors can pass through. Physical holes or biases can be provided by forming the electrodes from a porous material or as a mesh or strip.
[0093]
If the primary product is an amalgam-forming metal, the electrode permeable to the primary product can be formed, at least in part, as a mercury film or layer. A sheet of porous body or substance wetted by mercury can support the mercury layer. Graphite is permeable to some metallic and some non-metallic species such as lithium and fluorine, and layers or membranes of graphite can be used to form permeable electrodes, where: Such species are primary products. If the primary product is hydrogen, the electrode permeable to the primary product will be a membrane or layer of palladium or other metal with high hydrogen permeability (eg, lanthanides and their alloys, misch metal). Can be formed. The hydrogen permeable metal can serve as a catalyst for the hydrogenation or reduction of the precursor reagent.
[0094]
Most commonly, the materials used for the electrode configuration in the device can conduct charge exclusively by electronic means. Such electrode materials include metals, many semiconductors, conductive carbon, and some conductive polymers and ceramics. In devices of the second type of geometry having such electrodes, the primary product must be formed at the contact between the electrodes and the ionically conductive material. In such a case, the electrode is permeable to the primary product, or through an electrode capable of passing a primary product or precursor and a secondary product, or a fluid containing the product or precursor. , Holes or vias.
[0095]
Alternatively, the material used for the electrode configuration can be a mixed conductive material. A mixed conducting material is one that can conduct electricity by both ionic and electronic pathways. In a device of the second type of geometry, the ionic conductivity of such mixed conduction type electrodes is turned away from the ionic conductive material comprising the electrolyte layer in the electrochemical cell to produce a primary product. Let it. If such mixed conducting electrodes are used, the electrodes in the device of the second type of geometry need to be permeable to primary products or precursors or secondary products or their solutions. do not do. Tungsten bronze is a well-known class of mixed conducting materials. Tungsten bronze sodium has the formula NaxWOyRepresented by the electron and Na+It has a composition range in which conduction of both ions occurs.
[0096]
In the reactor shown in FIGS. 1 a to 17, the surface, or surface, of the electrode on which the primary product is formed can be the same as that provided with the raw material. This is usually the case when the source material is supplied to the same surface or surface as that of the ion conducting phase interposed between the electrodes carrying the electrolytic current. This includes the case where the raw material constitutes a part of the ion conducting phase.
[0097]
Alternatively, in a second type of reactor, the surface, or surface, of the electrode, where the primary product is formed, allows the electrode structure, or material, to be transported to the location of the primary product formation of the source material. As long as the source material is different from that initially provided. This may be an electrode permeable to the source material or the fluid containing the source material, or the electrode may be a hole or via an electrode through which the source material or the fluid containing the source material may pass. May be achieved by the case formed by Physical holes or vias can be provided by forming the electrodes from a porous material or as a mesh or strip.
[0098]
The source material may be a salt or a redox-active compound for conversion to the primary product, or a fluid containing the source material, and preferably intervenes between the electrodes during the electrochemical production of the primary product. It is at least a part of an ion conductive material. The source material, which is electrochemically converted to the primary product, can provide all or part of the ionic conductivity, or the ionic conductivity can be improved by electrochemical treatment with one or more electrodes. It can be provided by supporting electrolyte ions that may not be included therein.
[0099]
Alternatively, the source material or its fluid containing the source material, and the ion-conducting material between the electrodes can be different, in which case during the electrolysis process, the source material forms the ion-conducting material and the primary product. Access can be made at least at a portion of the junction between any electrodes to be made. This can be achieved when the source material and the ion-conducting material, each of which can be in solid or fluid form, but both contact the same electrode surface. The source material and the ion-conducting material can be either mixed miscible phases or immiscible, or can contact the electrodes as strips or streams.
[0100]
Alternatively, access by the source material to at least a portion of the junction between the ion-conductive material and any electrode on which the primary product is to be formed may be based on the source material, or a fluid containing the source material, and a strip. Alternatively, this can be achieved by electrodes formed at the interface between ion-conducting materials formed as a mesh or having holes or vias through the electrodes, or when the electrode material is permeable to the source material. The ionically conductive material can be a fluid, or can be a solid, such as a ceramic ionic conductor, or a semisolid material, such as an ionically conductive polymer or gel. Alternatively, a combination of solids or semi-solids, and the ionically conductive phase of the fluid can be used as an ionically conductive structure or collection of phases interposed between the electrodes to electrochemically produce the primary product. Solid or semi-solid ionically conductive materials can include mobile species that are converted to primary products at the electrodes. The mobile species in the solid or semi-solid ionic conductor that converts to the primary product at the electrode can include ions that maintain conductivity, such as, for example, sodium ions in sodium beta alumina. If those mobile species constitute the source material, for example, in the fluid phase, another supply of the source material is optional. In addition, as long as the electrode material can be replenished from an admixed ion-conducting and conductive material, and an adjacent phase that can be a fluid containing the ion-conducting material or related ions or their related ions or source materials. And mobile ions in the constituent materials.
[0101]
The reactor of the present invention can include a region for the electrochemical production of the primary product and for producing a secondary product in the reaction of the primary product and the precursor. These zones can be the same or different, and additional zones and reaction zones and those for mixing products and reagents and for reactions can be incorporated into the device. The apparatus can include an area for controlling the temperature of the electrochemical production and reaction zone. Heat can be generated in electrochemical cells by a combination of current and cell resistance, by electrochemical conversion, and by chemical reactions such as those between primary products and precursor reagents.
[0102]
The operation of the reactor of the present invention involves a number of transport processes that are affected by the configuration and size of the reactor, and preferred device dimensions are within the range appropriate for microtechnology. Processing typically includes electromigration, electrodeposition, and diffusion of substances and reagents to reaction sites such as electrodes and electrodeposits, mixing of fluidic reagent streams, reaction, and exothermic or heat consumption and heat transport. It is. In general, as shown below, the rate of mass transport and formation, and the transfer of heat from or to the fluid and reaction sites, is small for structural and fluid flow diameters, and applies to microtechnology. It is improved by making the device to fall within the range.
[0103]
Typically, the production of a primary product includes the electro-migration of ions carrying the electrolytic current and the electromigration or diffusion of the source material to the electrode where the primary product is formed. The primary product may remain, where it is formed or transported into a fluid stream to be conveyed to a separate reaction site. Within the ionic conductor or its layers, heat is drawn at a rate given by the product of current and voltage drop due to the resistance heating method. Heat may also be generated or, less frequently, absorbed as a result of electrochemical reactions at the electrodes, including conversion of the source material to primary products. Maintaining the desired temperature regime is aided by minimizing the diameter of the fluid and wall to the heat exchanger, heat sink, or heat source.
[0104]
The precursor material is brought to the primary product by a fluid stream, either at a deposition location or a separate reaction location. In each case, the precursor material comes into contact with the primary product, and this typically involves diffusive transport across the stream carrying the precursor material, and transfers the precursor material to the primary product. Either transport to the surface or mix the precursor material and primary product streams, where they are held together in the fluid phase. The rate of reaction between the primary product and the precursor may be limited by transport, and such transport limitations in rate are reduced by minimizing the diameter of the fluid transport mass transport.
[0105]
Some production or absorption of heat is associated with the primary products and precursors reacting to produce secondary reaction products. When the primary product is a reactive material, such as an alkali metal deposit, the reaction is generally exothermic. Whether heat is derived or absorbed, maintenance of a stable temperature regime is improved by a short heat transfer distance from the reaction location to the heat exchanger, sink, or source intervening across the fluid layer and wall material. Is done.
[0106]
The reaction of secondary reactive products carried by the flow to additional reaction sites also includes mixing, heat generation or heat absorption and heat transport, and by minimizing the associated transport distance, An increased rate of diffusive transport and heat transfer is achieved.
[0107]
The speed and efficiency of each described process is affected by the geometry and dimensions of the equipment, and preferably, micro-engineered sized equipment is used, allowing for fast and efficient compaction and heat transfer become.
[0108]
For electrochemical reagent production, preferred dimensions are dictated, inter alia, by the need to avoid excessive voltage drops in the body of the electrochemical cell and at the electrodes, and heat generation, while maximizing current and increasing production rates. You. Although the adhesion of the electrochemical cell to the cooling surface allows for rapid heat removal, the ion-conducting electrolyte layer must be sufficiently thin to ensure that the heat generated within the electrolyte is efficiently removed. To be. For devices using non-aqueous electrolyte phases with relatively poor ionic conductivity, it is desirable to minimize the electrical resistance between the electrodes by the arrangement in which the thickness of the electrolyte layer is to be reduced. This condition applies when the electrolyte is a fluid or for a polymer immobilized electrolyte.
[0109]
Seramic ion conductors typically operate at elevated temperatures, have increased ionic conductivity, and their thermal conductivity is generally relatively high. However, it is more preferred that such a layer of electrolyte be used in the synthesizer as a suitably thin structure to reduce the operating voltage required at relatively low temperatures compatible with synthetic organic chemistry. The electrochemical reaction is located at or very close to the electrode surface, and the transport of ions and source materials for the production of primary products is a controlling factor in the rate of product production for the device of the present invention. is there.
[0110]
As mentioned above, micro-engineering techniques can be used to form conduits or flow channels with depth dimensions down to 〜1 μm. However, in general, channels having a depth of 10-100 μm are more conveniently made and allow for significantly higher throughput and lower resistance. The width and length of the channels are generally defined by lithographic techniques and vary from a few micrometers to centimeter dimensions. By using such a combination of conduits or flow channels, transportation and mixing times on the order of milliseconds for liquids and microseconds for gases can be achieved.
[0111]
Mass transport to and from the ion-conducting electrolyte or electrode across the flow stream can occur by either electromigration or diffusion. For thin electrochemical cells, it is convenient to provide a relatively high electric field gradient with only the appropriate potential applied across the cell; under such conditions, electromigration transport is faster. Typically, ion mobility is 移動 10 for an electric field gradient of 1 V / cm.-4cm2V-1s-1Or about 1 μm / s. Field gradients of 10-1000 V / cm are difficult to provide in relatively thin (~ <1 mm) electrochemical cells with readily available electromigration times of less than 1 second across a fluid or solid electrolyte layer. is not.
[0112]
The area for reaction or mixing can be estimated as the depth d and length 1 of the channel or chamber, where t is the transit time for the fluid flowing along the length of the channel. The change in temperature can be caused by the dwell time t before a process that causes heat generation or heat consumption occurs, the rate of heat generation or heat consumption, the heat capacity of fluids and other materials in the device, and the heat diffusion, It may be related to the thermal time constant for the cooling process as a function of the dimensions, such as the diameter of other layers. It should be ensured that the thermal time constant associated with the zone is low, so that fine control works over the temperature in the mass transport and reaction zone.
[0113]
If any material, such as raw materials, electrolytes, reagents, products or solvents, is thermally unstable, then the temperature rise should be limited. In any case, the yield and rate of processing that results in the first and second products can be temperature dependent, and control of the temperature in the apparatus is desirable. In general, temperature control is improved by short heat transport distances, and thus is easily improved in micro-engineered devices. The performance of the heat transport process is generally μt / d2Where μ is the thermal diffusivity, t is the time allowed for heat transport, and d is the distance to the conductive heat sink surface. Distance. μt / d2If> -1, then thermal equilibrium was largely achieved. μt / d2Using t as the thermal time constant and relocation at = 1 is t = (d2/ Μ), and obviously this decreases for small values of d. Some example values relating to thermal diffusion, conduction length and time constant are tabulated below.
[0114]
These values indicate that for short thermal response times of less than 1 second, the thickness of the liquid layer should be 100 μm or less. These constraints do not apply when the rate of energy transport is low. Indeed, if the structure and its contents form mixed layers with different values of μ and d, the evaluation of the heat transport characteristics is necessarily more complicated, but the most thermally resistant layers and their It is usually appropriate to specify the basic design calculations above. If layers of reagent fluids and solvents are included, they should be thin enough to avoid maintaining excessive temperature differences, and should be replaced by heat sinks or heat exchangers, heat pipes, Peltier coolers, or resistance heaters. It is usually appropriate to ensure that it is included by a more conductive structure, such as a thin metal, glass or ceramic composition, connected to such a source.
[0115]
On a finer scale, even smaller amounts of liquid are used, and the diffusional distance in the liquid is dramatically reduced to allow for rapid diffusion. The rate of diffusion can be affected by a number of different factors, such as chemical mechanics factors and the transport of dissolved material in a solvent by convective, advective, or diffusion processes. Within the microfabrication equipment, the dimensions across the channel generally ensure that low Reynolds laminar flow conditions apply. Mixing and reacting for species that contact and react with species from adjacent flow streams or deposits on walls or electrodes requires that the species traverse the flow stream. Disturbed fluid transport is generally not present in micro-engineered sized devices, and the movement of species across the stream is driven by its molecular movement, such as diffusion or electromigration. If diffusive transport is the limiting factor, then the rate of diffusion is related to the length of the path through which the molecules diffuse and the geometry of the liquid body. The diffusive transport rate is generally inversely related to the length of the passage or the square of the length of the passage depending on whether conditions for steady state or temporary diffusion apply.
[0116]
Diffusive transport is required when the species to be converted electrochemically is unloaded or does not move through the electric field region, and also for unloaded species involved in non-electrochemical treatments that occur at the electrodes. That's right. Diffusive transport is included when the source material is not a loaded species that can be transported to the electrode for conversion by electromigration, and diffusive transport can also include other ionic species, such as supporting electrolytes. If it carries most of the current and reduces the field gradient, the loaded species can be controlled. In addition, the precursor material required to react with the primary product to produce a secondary product is generally not a loaded species. The length of time for diffusively transporting raw and precursor materials that need to be present adjacent to the working electrode is determined by the distance to the electrode surface across the flow carrying such materials, the characteristic distance for the calculation of diffusion. , It can be evaluated on the basis of diffusion processing. A full analysis of the diffusion process can be complex, but in general the diffusion process is a dimensionless parameter Dt / d2When approaching ~> 1, it comes completely close. This corresponds to near equilibrium or completion of the diffusion process. [D is the diffusion coefficient, t is the time allowed for mass transport, and d is the distance across the fluid to the surface (electrode) where the transformation occurs. The value of the residence time based on diffusion provides a minimum guide value, if the reaction kinetics at the electrode surface is not fast enough, and other mass transport processes are delayed, e.g. dissolution of solid reactive products Even longer times may be required when introducing their diffusive transport from the surface.
[0117]
Acceptable values for reactor size and residence time within the electrochemical conversion stage depend on the stability of the reactive product to be formed and on the desired throughput.
[0118]
Typically, in non-viscous fluids, the diffusion coefficient (D) for reducing the appropriate molecular weight species to an interesting size range (chemicals of hundreds of molecular weights) is 10-5-10-7cm2s-1Is within the range. 5 × 10 for D-6cm2s-1, The approximate time t for the diffusion transport time across the path length (l) is Dt / d2= 0.01 to 1 type of display, where Dt / d2= 0.01 approaches the diffusion front reaching a distance d from the raw material plane, and Dt / d2= 1 corresponds to near completion of the diffusion process (concentration gradient across d is almost eliminated). Diffusion equilibrium (Dt / d) at different path lengths (d)2= 1), the approximate time t to reach is that the dissolved material must move, but d = 5 × 10-6Or 5 × 10-7cm2s-1In the following table of diffusion mixing times based on
[0119]
[Table 1]
[0120]
About 50% of the diffusion transport is about the 10th time (Dt / d2(Equivalent to ~ 0.1). Based on the above table, a relatively rapid equilibration by diffusion alone takes place within 100 seconds, where the required transport distance d is of the order of 100 μm or less. The associated distance d for the mixing of the two fluid streams is from the farthest end of the channel, where the two fluids meet. For transport of material to or from the surface, such as to deposits of primary products on the electrodes, d is the diameter of the fluid stream or of the layer to that surface. In microengineered devices where the distance d is made small, the distance d reduces and controls the transport, mixing and reaction times controlled by diffusion.
[0121]
For a process operated under transport control, the reactant depletion and product flux from the reaction zone of the unit are reduced by the transport time for the fluid stream in the reaction zone and the cross-flow diffusion process in that zone. Depends on. Selection of the flow rate such that the transport time of the fluid stream in the reaction zone and the completion time of the cross flow are similar, the reaction flux per unit volume of the device which improves so that the distance d is reduced. Invite. This may result in a greater heat flux from the reaction and / or ohmic (Joule) heating, but the temperature in the device does not rise excessively so that the thermal time constant similarly decreases with d. The value of the dimension d in the range of 1000 to 50 μm is 0.001 to 1 Amp / cm.2, A diffusion-limited reaction flux equal to the current density value of approximately equivalent to the range acceptable for electrodes in micro-engineered devices. For devices having higher values for d, the rate of reaction flux tends to be lower due to diffusion limitations, and so the rate of production per unit volume is lower. Therefore, the diameter of the channel or chamber for mixing or transporting the reagents to the reactive deposits should be small and this dimension in the device of the invention should be in the range 10-3000 μm, and preferably 30-300 μm. It is advantageous.
[0122]
If a mixing process other than diffusion mixing is not effective, a preferred substantially maximum diameter of the channel, or chamber, is determined to allow the substance to diffuse in that direction, and is 300 μm. The required residence time sufficient to cause diffusion mixing in the channel or chamber depends on the value of its dimensions. This dimension along the width of the channel determines the cross-sectional area of the channel, and the fluid throughput depends on the cross-sectional area and length of the channel or chamber, and on the velocity of the fluid flow. The length of the channel can be significantly increased, especially if a drawn tubular structure is used in the configuration. However, where channels or chambers are required to incorporate micro-engineered structures such as electrodes, and especially when they are provided on substantially flat substrates by conventional micro-engineering techniques, the overall It is desirable to limit the length and width. Typically, for liquids, in microfluidic systems, the flow rates easily achievable without excessive pressure movements vary up to 10 cm / s and preferably range from 0.01 to 1 cm / s. . Suitable lengths for channels or chambers that allow the diffusion process to proceed to completion vary up to 10 cm and preferably range from 0.1 to 3 cm.
[0123]
It is not necessary for the purposes of the present invention that laminar flow conditions be maintained for the fluid flow in the device. The channels or chambers can be made large enough to support turbulent mixing with the diameter of the channel required to be greater than 0.1 cm, and even more typically 1 cm or more. If mixing is to be induced by simple flow through channels and chambers, mass transport across the mixing and flow becomes inefficient at these dimensions. However, efficient mixing can be induced by using a pulsed or reciprocating flow, or by using mechanical agitation of the fluid by a structure such as a stirring paddle or magnetic stirring bar.
[0124]
The dimensions in the mixer / reaction stage are dictated by the diffusion process for the same purpose as described above for the electrochemical primary product production stage and the reaction using the precursor to produce a secondary product. If the two laminar streams are operated together, the diffusion distance d controlling the mixing time will again be the channel depth. If the reaction is very rapid and one stream has excess reagent, then the rate limiting diffusion distance is up to that fraction of the width of the channel corresponding to the fluid from the second stream. Tends to decrease. This is the case for simple and complex phase flows. For complex phase treatments, the limited mass transport distance and time can vary somewhat, but if the phase is an immiscible liquid, all results will It is not expected to change substantially unless the (inter-phase) transport is impeded dynamically. If one type of phase is a gas, then the mass transport limitation would be completely present in the liquid phase and would be set by the diameter of that phase. Reactions, of course, may not limit mass transport. If mechanical constraints are applied for simple phase reactions, perform partial or complete mixing in the micro-engineered structure, and then transport the product to a holding vessel for completion of processing Is appropriate. For complex phase treatments, the degree of phase subdivision and interface geometry is critically dependent on how the fluid is contained and moved.
[0125]
What has been described above is that for reaction times in the range 0.1 to 10 seconds, a channel depth of 10 to 1000 μm is indicated, and preferably the channel depth is in the range 30 to 300 μm. Show. The preceding table for diffusion mixing times showed that if mixing and reaction on the millisecond time scale were required for liquid reagents, then the channel depth had to be ~ 1 μm. The rate of total flow that can be achieved under those conditions is significantly lower (〜1 cc / h or less for a 1 cm wide channel). The following table shows values for fluid throughput and transit times for some example channel dimensions. The combination of transit time and diffusion length is significant for sufficient diffusion mixing for species of appropriate molecular weight. The limitation on the length of the channel, and thus the available transit time at any given flow rate, depends on the size of the structure that can be conveniently made. The values for the required operating pressure for laminar flow in these channels are shown in the table below.
[0126]
[Table 2]
[0127]
It is clear that for these short to adequate transit times, if the channel length or pressure drop is not excessive, the flow rate will generally need to be limited to less than 100 cc / hour. These flow rates are for a 1 cm wide channel and are directly related to the width of the channel.
[0128]
Complex phase reactions rely on the ability to maintain a useful interphase contact area. This becomes even more difficult as the dimensions decrease. Microcontactors and networks of the type described above (see WO 97/39814) can be applied when the depth of the channel is 20 μm or more, the pressure and the pressure required to move the flow A balance between surface tensions below that point tends to produce a slugging flow in the phase. Although the reaction can be maintained in a slow stream, the size of the sludge controls the rate and flow rate and the recirculation that is induced in the sludge and does not rely on diffusion treatment appropriate for simple laminar flow.
[0129]
The electrolysis cell can constitute a rechargeable and / or disassemblable cartridge, which can be removed and the primary product (e.g., metal deposits) or source material converted to a secondary product (e.g., The organometallic product can be replenished away from the resulting process, or alternatively, the primary product (metal deposits) can be moved away from the location of the electrochemical process to a secondary product (eg, Organic metal product) as it occurs.
[0130]
The fluid pumping (pumping) means is preferably connected to a reactor comprising an electrochemical cell, where a source of fluid electrolyte or redox-active substance is used. Such fluid pumping means maintains the centrifugal pump, diaphragm pump, peristaltic pump, electrosmotic flow generating structure, magnetic fluid pump, syringe pump, and hydrodynamic head as appropriate for the selected fluid, May be included to move the fluid reservoir. Valves and flow regulators can be included in the device and in the fluid path leading from the device.
[0131]
1a-17, the electrode 13 on which the primary product is formed is called the "working electrode" and is held at a negative potential (i.e., the negative electrode), while the electrode 14 is positive. It is held at the potential (positive electrode). This is consistent with the production of alkali metals from their compounds and salts, but the working electrode can hold anything if the potential matches the conversion of the source material to the primary product, and this is positive. Potentials can be included. Although the figures are generally shown as simple flat assemblies, other geometries, including cylindrical assemblies and laminated sheets, can be used.
[0132]
Multiple positive and negative electrodes and arrangements of such electrodes can be used, and the device can incorporate one or more reference electrodes that monitor or control the potential of other electrodes.
[0133]
Examples of the types of chemical reactions that can be performed in a synthesizer incorporating an electrochemical cell according to the present invention will be illustrated and described below, but are not intended to limit the present invention.
[0134]
1 Formation of sodium, lithium or potassium alkoxide or phenoxide.
Electrolysis is performed in a first or second type of reactor to produce lithium metal as a primary product. An ion conductive material and a raw material are provided using a solution of a lithium salt or lithium ion solid or polymer conductor. The alkyl halide as a precursor reactant in the solution flows and contacts the lithium metal electrodeposited on the negative electrode, reacting with the lithium and forming a lithium alkyl that can be carried away in solution by the solvent. The stages of the chemical reaction are represented below. This treatment can be applied to other organic halide precursor materials such as sodium or potassium or lithium, as long as the sodium / lithium / potassium does not directly attack part of the organic group or other substituents. . This processing is described below.
Na / K / Li+Y- + E-(At the negative electrode) → Na / K / Li0(metal)
(Where Y-Is CFThreeCOTwo-Like an anion. )
Na / K / Li0(Metal) + R−OH → Na / K / Li+-OR + HTwo
(Where R = CHThree, CTwoHFive, CThreeH7, CFourH9, Phenyl, substituted phenyl, or heteroaryl, or substituted heteroaryl. )
[0135]
A lithium precursor can be used to provide the solubility of the by-product lithium halide. Lithium bromide and iodide are relatively soluble in many organic solvents and can not hinder the subsequent reaction of lithium alkyl, and organic iodides and bromides are therefore preferred precursor reactants. Excess Li metal is available and additional reaction with the precursor (R-X + Li-R-> Li+X− + RR) to ensure that the consumption of the lithium alkyl produced is avoided, and this is accomplished by performing an initial electrode charging process to achieve Li0This can be achieved by building up the sediment or by using a discontinuous mode of operation. Lithium salt electrolysis and lithium alkyl formation can be accomplished in an ethereal solvent that allows for continuous operation of the first type of device, but can also be used in discontinuous operation and the second type of device.
[0136]
The sodium, potassium or lithium alkyl produced can be carried to the mixer stage by a fluid stream to perform the wide range of chemical reactions established for those reagents.
[0137]
2 Formation of sodium naphthalenide
The electrolysis that deposits sodium metal can be combined with a stream of a naphthalene solution to yield a sodium naphthalenide product that can then be used as a reagent. This treatment does not involve problems with low solubility halides or the reaction of product and precursor (naphthalene). A second type of device based on sodium beta alumina as the ionic conductor is suitable. All reactions can be described below:
Na++ e-(From working electrode) → Na0
Na0+ CTenH8(Naphthalene) → Na+CTenH8 -(Sodium naphthalenide)
[0138]
Sodium naphthalenide is the sodium anion associated with the radical anion+It seems to exist as. Similar reagents are derived from anthracene (and thus sodium anthacenide), and others related to aromatic precursors. Similar reagents can be derived from lithium and other electropositive metals.
[0139]
Similarly, potassium naphthalenide can be synthesized using potassium as a raw material and naphthalene as a precursor. Further, sodium naphthalenide can be synthesized using sodium as a raw material and naphthalene as a precursor.
[0140]
3. Synthesis of sodium / potassium / lithium anthracenide
The present invention can be used for the synthesis of sodium anthracenide, potassium anthracenide, or lithium anthracenide by using sodium, potassium, or lithium as a raw material and anthracene as a precursor.
[0141]
4. Synthesis of sodium / potassium / lithium phenanthrenide
The present invention provides a method for synthesizing sodium phenanthrenide, or potassium phenanthrenide, or lithium phenanthrenide by using sodium or potassium as a raw material or lithium and phenanthrene as a precursor. Can be used.
[0142]
5. Conversion of organotin compounds
Exemplary reactions are of the following types:
Na++ e-(From electrode) → Na0
(CHThree)ThreeSn -Sn (CHThree)Three+ 2 Na0→ 2 (CHThree)ThreeSn-Na+
The sodium compound is then reacted in a later mixer / reactor stage, for example with an organic halide, to add additional organic groups to the tin.
(CHThree)ThreeSn-Na++ CHTwo= CH-CH-Cl → (CHThree)ThreeSn-CHTwo-CH = CH + Na+Cl-
[0143]
6 Formation of sodium / potassium / lithium alkoxide or phenoxide
Sodium or potassium alkoxides or lithium alkoxides can be synthesized using the present invention. Based on the following processing.
Na / K / Li++ e-(From electrode) → Na / K / Li0
Na / K / Li0+ R-OH → Na / K / Li+ -OR + HTwo
(Where R = CHThree, CTwoHFive, CThreeH7, CFourH9, Phenyl, substituted phenyl, heteroaryl, or substituted heteroaryl)
Sodium ethoxide and other alkoxides, such as isopropoxide, which can also be produced, are widely used in chemical synthesis. Hydrogen gas introduced during the synthesis generally does not interfere with other reactions, but may cause unwanted flow interruptions. Mixtures of alkoxides and salts can be produced from esters without generating hydrogen.
[0144]
7 Removal of halides from aromatic compounds by sodium metal
The halide can be removed from the aromatic compound by the following treatment using the present invention.
Na++ e-(From electrode) → Na0
6-nNa0+ C6HnCl6-n+ Solvent → C6H6+ Na Hal + solvent
(Where Hal = Cl, Br, or I.)
For example, Na + C6HnCl6-n+ Sodium metal + (proton source solvent, eg, alcohol) → C6H6+ NaCl
The addition of the proton source may have to be spatially separated by the mixer stage adding it and then reacting the aromatic halide with the electrodeposited sodum metal.
[0145]
8 Birch reduction
Embedded image
This type of reaction occurs with solid sodium ion conductors when compatibility with the solvent is established, or, alternatively, when a sodium salt soluble in liquid ammonia is used as the electrolyte and source material in a first type of device. It may be possible with a second type of device.
For example:-
C6H6(Benzone) + 2 Na + CTwoHFiveOH (in liquid ammonia) → C6H8(1,4 cyclohexadiene)
The reaction proceeds by a radical anion that removes a proton from the alcohol.
[0146]
9 Generation of Grignard reagent
The overall reaction is:
RX + Mg (in ether) → R-Mg-X (where R = C6HFiveAnd X = Cl, Br, or I)
Example is C6HFiveBr + Mg → C6HFiveMgBr
It is.
The reaction is carried out in ethereal solvents and solvents that promote the reaction, such as ethers, which coordinate the Mg and stabilize the reagent. Mg from organic solution0While electrolytic deposition of is possible, it can also be produced by reduction of dissolved magnesium compounds with alkali metals such as sodium and thus used as primary products as indicated for other reaction sequences. it can.
[0147]
Similarly, to make organometallic reagents for metals whose ions do not move within a reasonably conductive solid phase, for example, metals with multivalent ions such as Mg, Zn, Cd, Sn, Al, A preferred method is to provide the metals in solution and directly electrodeposit or to perform the conversion in an apparatus of either the first or second type using the electrodeposited alkali metal. Either.
[0148]
10 Production of halogenated products
This can include producing products containing fluorine, chlorine, bromine or iodine. The primary product may be an elemental halogen, such as chlorine, produced by the electrochemical oxidation of a soluble halide.
2Cl- -2 e-(At positive electrode) → ClTwo
Chlorine can react with various organic species and produce chlorinated products directly by addition (to an unsaturated bond) or substitution. Alternatively, chlorine can be converted to an inorganic reactive intermediate. For example, PCl3And PCl5Is formed as a secondary product by the reaction of chlorine with phosphorus that is supplied or suspended or dissolved in a fluid stream. These secondary products can react with additional reagents such as carboxylic acids in the device to produce products such as acyl chlorides.
[0149]
11 Ylide formation from phosphonium salt cations by Wittig reaction and alkane formation by reaction of ylide and aldehyde. For example:
[0150]
It is appreciated that the cartridges and methods described above can be performed on a large (macro) scale, but can be applied on a fine scale, in particular, by creating a micromachined cartridge or system.
[0151]
For the purposes of this disclosure, the term "fluid" means either a gas or a supercritical liquid or an aqueous or non-aqueous liquid. Preferably, the fluid is a liquid. Preferably, the salt or other redox-active compound of the metal to be electrodeposited is ionically conductive, but is electrically conductive if the ionically conductive material is provided to be bound to the working and counter electrodes. It is not necessary.
[0152]
Additional mixing elements as needed, for example, small wings or deflectors formed and located in the chamber and / or at the entrance to the chamber or at the exit from the chamber Can be added to the reactor and the fluid rotated or mixed.
[0153]
Numerous chemical reactions are contemplated for operation in the described reactor, but with organic reagents to form electrochemical alkali metals and to form organometallic reagents such as sodium naphthalenide or lithium alkyl. Are preferred.
[0154]
Thus, such reactors can find use on synthetic chemists' experimental benches and can be expanded or exceeded by the use of complex or arrayed equipment for manufacturing methods. . For example, the outlet conduit of the first reactor of the present invention can be connected to the inlet conduit of another reactor constructed in accordance with the present invention during a continuous stream.
[0155]
Similarly, a plurality of successively connected reactors can be provided on a common structure. One or more arrays of consecutively connected reactors can be arranged on a common structure in relation to another one or more arrays of serially connected reactors. . This concept is not unlike that of components built on integrated circuit chips, but in this case the components are micro-engineered reactors.
[0156]
Importantly, the reactor of the present invention can be applied to convert hazardous waste chemicals and solvents to less hazardous forms, but especially PCB (polychlorinated biphenyl) and CFC ( It is not limited to the conversion and purification of halogenated products such as fluorocarbon chlorides). Such conversion may be by direct reaction of a primary product, such as sodium, with the chemical to be converted, or formation of a secondary product, such as sodium naphthalenide, followed by mixing and reaction with the chemical to be converted. Can be continued by The use of sodium naphthalenide as a degradation / purification reagent for PCBs has been reported to have a reactive dehalogenation of CFCs with sodium metal. These wastes are treated directly in the apparatus of the present invention by using an electrochemically generated alkali metal (for example, sodium) or by a cartridge using the electrochemically generated alkali metal according to the present invention. Can be.
[Brief description of the drawings]
[0157]
1a and 1b schematically show two micro-engineered reactors incorporating the present invention.
FIG. 2 schematically illustrates a micro-engineered reactor incorporating a specific embodiment of the present invention.
FIG. 3 schematically illustrates a micro-engineered reactor incorporating a specific embodiment of the present invention.
FIG. 4 schematically illustrates a micro-engineered reactor incorporating a specific embodiment of the present invention.
FIG. 5 schematically illustrates a micro-engineered reactor incorporating a specific embodiment of the present invention.
FIG. 6 schematically illustrates a micro-engineered reactor incorporating a specific embodiment of the present invention.
FIG. 7 schematically illustrates a micro-engineered reactor incorporating a specific example of the present invention.
FIG. 8 schematically illustrates a micro-engineered reactor incorporating a specific embodiment of the present invention.
FIG. 9 schematically illustrates a micro-engineered reactor incorporating a specific embodiment of the present invention.
FIG. 10 schematically illustrates a micro-engineered reactor incorporating a specific embodiment of the present invention.
FIG. 11 schematically illustrates a micro-engineered reactor incorporating a specific example of the present invention.
FIG. 12 schematically illustrates a micro-engineered reactor incorporating a specific embodiment of the present invention.
FIG. 13 schematically illustrates a micro-engineered reactor incorporating a specific example of the present invention.
FIG. 14 schematically illustrates a micro-engineered reactor incorporating a specific example of the present invention.
FIG. 15 schematically illustrates a micro-engineered reactor incorporating a specific example of the present invention.
FIG. 16 is a diagram schematically showing a micro-engineered reactor incorporating a specific example of the present invention.
FIG. 17 schematically illustrates a micro-engineered reactor incorporating a specific example of the present invention.
Claims (65)
(a)反応チャンバ及び反応チャンバの内部と密接に連通する電気化学セル;
(b)前記反応チャンバが微細工学的な寸法であり、及び流体を、反応チャンバに搬送し、及び反応チャンバから搬送するための微細工学的な入口導管及び出口導管を有しており;
(c)前記セルが、相互に関連して位置し及び配置され電極の間の空間を画成する少なくとも2種の電極を含んでおり、そこで、セルの使用の少なくとも1種の態様において、酸化還元活性の原料物質であるか、又はそれを含有するイオン伝導性流体を受け取り、及び電位が電極に印加される際電流が通過する電極の間で導電性通路を形成し、原料物質を電解し、及び一次生産物を、反応チャンバの内部内の電極の表面でか、又はそれに隣接して形成し;
(d)一次生産物と反応して二次生産物を産生する前駆体物質を反応チャンバ中に導入するための手段、及び
(e)二次生産物を反応チャンバから前記出口導管を介して搬出する手段
を含むことを特徴とする反応装置。A micro-engineered reactor for performing a chemical synthesis, said reactor comprising:
(A) an electrochemical cell in close communication with the reaction chamber and the interior of the reaction chamber;
(B) said reaction chamber is of micro-engineered size and has micro-engineered inlet and outlet conduits for transferring fluids to and from the reaction chamber;
(C) the cell includes at least two electrodes positioned and arranged in relation to each other to define a space between the electrodes, wherein in at least one aspect of use of the cell, the oxidation Receiving an ion-conducting fluid that is or contains a source material of reducing activity, and forming a conductive path between the electrodes through which a current passes when a potential is applied to the electrodes, to electrolyze the source material , And a primary product at or adjacent to the surface of the electrode within the interior of the reaction chamber;
(D) means for introducing a precursor material into the reaction chamber that reacts with the primary product to produce a secondary product; and (e) unloading the secondary product from the reaction chamber via the outlet conduit. A reaction apparatus comprising means for performing:
(a)請求項1〜34のいずれか一項記載の反応装置によって構成される反応装置を提供すること;
(b)少なくとも2種の電極間の空間に原料物質を与えること;
(c)原料物質を電解して反応チャンバの内部と連通する電極の表面でか、又はその表面に隣接して一次生産物を形成すること;及び
(d)反応チャンバ内の一次生産物を、一次生産物と反応し及び/又は混合されて二次生産物を生産する前駆体と接触させること
を含むことを特徴とする化学反応の実行方法。A method for performing chemical synthesis, comprising the following steps:
(A) providing a reactor configured by the reactor according to any one of claims 1 to 34;
(B) providing a source material in a space between at least two electrodes;
(C) electrolyzing the source material to form a primary product at or adjacent to the surface of the electrode in communication with the interior of the reaction chamber; and (d) forming a primary product in the reaction chamber; A method for performing a chemical reaction comprising contacting with a precursor that reacts with and / or is mixed with a primary product to produce a secondary product.
(a)請求項1〜34のいずれか一項記載の反応装置によって構成される微細工学的反応装置を提供することであり、そこで、少なくとも1種の電極が、前駆体と反応して二次生産物を形成する犠牲物質から作られているか、又はそれで被覆されており;
(b)原料物質を、犠牲物質からなるか、又はそれが上に堆積している少なくとも1種の電極に与えること;
(c)原料物質を電解すること及び電解された原料物質を犠牲物質と反応させて電極の表面でか、又はそれに隣接して一次生産物を形成すること;及び
(d)一次生産物を、反応チャンバ中で、一次生産物と反応して前記有機化合物を形成する前駆体と接触させること
を含むことを特徴とする有機化合物の製造方法。A method for producing a synthetic organic compound, comprising the following steps:
(A) To provide a micro-engineered reactor constituted by the reactor according to any one of claims 1 to 34, wherein at least one electrode reacts with a precursor to form a secondary Made from or coated with sacrificial material forming the product;
(B) providing the source material to at least one electrode consisting of a sacrificial material or having it deposited thereon;
(C) electrolyzing the source material and reacting the electrolyzed source material with a sacrificial material to form a primary product at or adjacent to the surface of the electrode; and (d) A method for producing an organic compound, comprising contacting with a precursor that reacts with a primary product to form the organic compound in a reaction chamber.
(a)請求項1〜35のいずれか一項記載の反応装置によって構成される微細工学的反応装置を提供することであり、そこで、少なくとも1種の電極が、前駆体と反応して二次生産物を形成する犠牲物質から作られているか、又はそれで被覆されており;
(b)有機原料物質を、少なくとも犠牲生産物からなるか、又はそれが上に堆積している少なくとも1種の電極に与えること;
(c)原料物質を電解すること及び電解された原料物質を犠牲物質と反応させて電極の表面でか、又はそれに隣接して二次生産物を形成すること;及び
(d)一次生産物を、反応チャンバ中で、一次生産物と反応して前記有機化合物を形成する前駆体と接触させること
を含むことを特徴とする有機化合物の製造方法。A method for producing a synthetic organic compound, comprising the following steps:
(A) To provide a micro-engineered reactor constituted by a reactor according to any one of claims 1 to 35, wherein at least one electrode reacts with a precursor to form a secondary Made from or coated with sacrificial material forming the product;
(B) providing the organic source material to at least one electrode comprising at least a sacrificial product or having it deposited thereon;
(C) electrolyzing the source material and reacting the electrolyzed source material with a sacrificial material to form a secondary product at or adjacent to the surface of the electrode; and (d) forming the primary product. Contacting with a precursor that reacts with a primary product to form the organic compound in a reaction chamber.
(a)第2チャンバ中に、前記原料物質を含有する流体を導入すること;及び
(b)前記原料物質を前記第2チャンバ中で電解し、前記一次生産物を、反応チャンバの内部と連通している流体浸透性電極の表面で生産させること
を含むことを特徴とする請求項35記載の方法。The reactor is constituted by the reactor according to any one of claims 12 to 15, and the method comprises the following steps:
(A) introducing a fluid containing the source material into a second chamber; and (b) electrolyzing the source material in the second chamber and communicating the primary product with an interior of a reaction chamber. 36. The method of claim 35, comprising producing on a surface of a fluid permeable electrode that is in use.
Na+ + e−(電極から) → Na0
(CH3)3Sn−Sn(CH3)3 + 2Na0 → 2(CH3)3Sn−Na+
によって有機スズ化合物の変換を遂行するための方法であることを特徴とする請求項53記載の方法。The following types of reaction Na + + e - (from the electrode) → Na 0
(CH 3) 3 Sn-Sn (CH 3) 3 + 2Na 0 → 2 (CH 3) 3 Sn - Na +
54. The method of claim 53, wherein the method is for effecting the conversion of an organotin compound by:
(CH3)3Sn−Na+ + CH2=CH−CH−Cl → (CH3)3Sn−CH2−CH=CH + Na+Cl−
に従って有機ハロゲン化物と反応させることを特徴とする請求項54記載の方法。Further, the sodium compound is converted to the following formula:
(CH 3) 3 Sn - Na + + CH 2 = CH-CH-Cl → (CH 3) 3 Sn-CH 2 -CH = CH + Na + Cl -
55. The method according to claim 54, wherein the reaction is carried out with an organic halide according to
Na/K/Li+ + e−(電極から)→ Na/K/Li0
Na/K/Li0 + R−OH → Na/K/Li+−OR + H2
(式中、R=CH3、C2H5、C3H7、C4H9、フェニル、置換されたフェニル、ヘテロアリール、又は置換されたヘテロアリール。)
に従うことを特徴とする請求項35〜45のいずれか一項記載の方法。Sodium is a method for producing an alkoxide or phenoxide of lithium or potassium, the following formula Na / K / Li + + e - ( from the electrode) → Na / K / Li 0
Na / K / Li 0 + R - OH → Na / K / Li + - OR + H 2
Where R = CH 3 , C 2 H 5 , C 3 H 7 , C 4 H 9 , phenyl, substituted phenyl, heteroaryl, or substituted heteroaryl.
46. The method according to any one of claims 35 to 45, wherein
Na+ + e−(電極から)→ Na0
6−nNa0 + C6HnCl6−n +溶媒 → C6H6 + NaHal +溶媒
(式中、Hal=Cl、Br、又はI。)
に従うことを特徴とする請求項35〜45のいずれか一項記載の方法。A method for removing halides from an aromatic compound by sodium metal, the following reaction Na + + e - (from the electrode) → Na 0
6-n Na 0 + C 6 H n Cl 6-n + solvent → C 6 H 6 + NaHal + solvent (wherein, Hal = Cl, Br, or I.)
46. The method according to any one of claims 35 to 45, wherein
に従うことを特徴とする請求項35〜45のいずれか一項記載の方法。A method for performing birch reduction of a compound, comprising the steps of:
46. The method according to any one of claims 35 to 45, wherein
RX + Mg(エーテル中)→ R−Mg−X
(式中、R=C6H5、及びX=Cl、Br、又はI)
に従うことを特徴とする請求項35〜45のいずれか一項記載の方法。A method for producing Grignard reagents, the following reaction:
RX + Mg (in ether) → R-Mg-X
(Wherein R = C 6 H 5 and X = Cl, Br, or I)
46. The method according to any one of claims 35 to 45, wherein
C6H5Br + Mg → C6H5MgBr
であることを特徴とする請求項59記載の方法。The reaction is:
C 6 H 5 Br + Mg → C 6 H 5 MgBr
The method of claim 59, wherein
(C6H5)3P+CH2C6H4NO2 + e−→(C6H5)3P+C−HC6H4NO2
(C6H5)3P+C−HC6H4NO2 + HCOC6H4NO2→NO2C6H4CHCHC6H4NO2
に従うことを特徴とする請求項35〜45のいずれか一項記載の方法。A process for producing ylides from the cation of a phosphonium salt by the Wittig reaction and for producing an alkene in the reaction of an ylide with an aldehyde, comprising the following formula:
(C 6 H 5) 3 P + CH 2 C 6 H 4 NO 2 + e - → (C 6 H 5) 3 P + C - HC 6 H 4 NO 2
(C 6 H 5) 3 P + C - HC 6 H 4 NO 2 + HCOC 6 H 4 NO 2 → NO 2 C 6 H 4 CHCHC 6 H 4 NO 2
46. The method according to any one of claims 35 to 45, wherein
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