マイクロ波合成における誤った結論を回避する方法
科学論文には、マイクロ波反応装置での不適切な温度測定に基づく結果が数多く報告されています。[1] マイクロ波合成の基礎を概説した記事も別途掲載していますが、本稿ではマイクロ波反応装置で高い再現性を確保するために欠かせない最重要ポイントを解説します。
正確な温度モニタリングを徹底
マイクロ波支援実験を比較・最適化し、それらの手法を他のリアクターや技術へ展開する際、最も重要なパラメーターは反応温度です。 この温度を測定するため、最新型のマイクロ波リアクターには赤外線（IR）センサーが搭載されており、容器表面温度を外側から監視します。 しかし、IRセンサーだけでは内部で進行する実際の反応温度を常に正確に把握できるとは限りません。 以下の要因により、IR測定値には誤差が生じる可能性があります。
- 発熱反応：外付けセンサーは応答が遅いため、急激な温度上昇を捉えきれません。 その結果、瞬時の温度変化が記録に反映されない場合があります。
- マイクロ波吸収が弱い反応系：試料がマイクロ波をほとんど吸収しない場合、内容物ではなく容器壁が優先的に加熱されます。 その結果、容器表面は内容物より高温となり、IRで測定される温度は実際よりも過大に表示されます。
- 肉厚容器：高温・高圧条件に耐えるため、容器壁を厚く設計することがあります。 壁が厚いとIR信号が減衰し、表示温度は内部の実際温度より大幅に低くなります。
したがって、正確な温度測定を保証するには、状況に応じてIR温度測定（図1）に加えて内部温度センサーも併用することを検討する必要があります。IR温度測定と内部温度測定を同時に行うことで、反応挙動をより詳細に把握できるという大きな利点があります。 このアプローチは、たとえば重合プロセスのモニタリングにも適用できます。[2] C. O. Kappeのグループは、マイクロ波化学における温度モニタリングの重要性について包括的なレビューを発表しています。[3]
正確な温度管理には、内部光ファイバー式温度プローブが欠かせません。 内部測温とIR（赤外線）測温を同時に行うことで、反応プロセスを最適に把握できます。
冷却しながら加熱 注意点は？
「加熱しながら冷却（heating-while-cooling）」とは、反応混合物をマイクロ波で加熱しつつ、反応容器を圧縮空気で同時に冷却する実験手法を指します。 追加冷却で設定温度を保つには、反応混合物に対してより高いマイクロ波出力を投入する必要があります。温度を一定に保ったまま出力を高めれば反応が向上するという考えから、多くの化学者が「加熱しながら冷却（heating-while-cooling）」を採用しています。 しかし、この考えはすでに誤りであることが証明されています。[1] 同時冷却の利点は、発熱反応で生じる余熱を抑えられることだけです。「加熱しながら冷却（heating-while-cooling）」条件下で反応を行う場合は、内部温度センサーの使用を強く推奨します。 一般的なIRセンサー（特に モノモードリアクターに搭載されているモデル）は、圧縮空気で冷却されている反応容器の外壁温度しか測定できず、反応混合物の実温度は示しません。 その結果、「加熱しながら冷却（heating-while-cooling）」中は、IRセンサーが表示する温度が容器内部の実温度より大幅に低くなります（図2参照）。
100秒後には、マイクロ波加熱に加え、冷却も始動します。
図が示すとおり、加熱と同時に冷却を行う条件下では、IR温度と内部プローブ温度の間に大きな差が生じます。
IR温度のみを指標にすると、誤った結論につながるおそれがあります。
加熱と冷却を同時に行う条件下では、内部温度がIR測定温度を最大で60 °C上回る場合があります。 したがって、加熱と冷却を同時に行うアプリケーションで実際の反応温度を正確に把握するには、内部温度センサーが不可欠です。
容器は必ず閉じて密閉する
反応混合物を還流させる際、ホットプレート加熱と比べてマイクロ波反応装置を使用すると化学反応に有益な効果が得られるとよく言われています（＝反応容器を密閉せず大気圧下で行う還流）。しかし、これは正確ではありません。マイクロ波加熱還流でも従来加熱還流でも、使用溶媒の沸点付近で反応温度はほぼ同じだからです。したがって、反応速度を左右する鍵は常に反応温度であり、両方式で得られる結果も基本的に同一となります。反応温度が反応速度に与える影響はアレニウス式で説明できます。経験則として、温度が10 °C高くなると反応速度は約2倍に向上します。この経験則を用い、表1に示す簡単な計算でその原理を解説します。
| 反応温度 | 80 ℃ | 90 ℃ | 100 ℃ | 110 ℃ | 120 ℃ | 130 ℃ | 140 ℃ | 150 ℃ | 160 ℃ |
| 反応時間 | 8 h | 4 h | 2 h | 1 h | 30 min | 15 min | 8 min | 4 min | 2 min |
表1：アレニウスの法則による反応時間の計算例
アレニウス式は熱源に依存せず、常に成り立ちます。 したがって、80 °Cでマイクロ波照射下で還流加熱を行っても、従来加熱の80 °Cと同等の結果が得られます。 もし結果が異なる場合、それは温度ではなくマイクロ波電力が反応挙動に追加的な影響を及ぼしたことを示し、いわゆる非熱的マイクロ波効果の関与が示唆されます。 もっとも、そのような非熱的効果は存在しないことがすでに実証されています。[1]実際、後述の例が示すとおり、マイクロ波加熱の最大の利点である「使用溶媒の沸点をはるかに超えて反応混合物を過熱できる」能力は、開放系では完全に失われることが実証されています。
図3に示す反応は、以下の3種類のセットアップで行いました。
- 還流条件下でのオイルバス加熱
- 還流条件下でのマイクロ波加熱
- 密閉容器内でのマイクロ波加熱
表2に、各セットアップの反応条件と収率をまとめています。 単離収率の結果から、高温での密閉容器条件（エントリーC）のみがビギネリ反応を顕著に促進することが明らかになりました。
開放容器でマイクロ波加熱を行った場合、反応は従来の加熱方法とほぼ同じ速度で進行し、促進効果はまったく確認されなかった。
表2：異なる加熱モードにおけるビギネリ反応の実験条件と収率
開放容器でマイクロ波加熱を行っても、反応温度は使用溶媒の沸点に制限されるため、従来の還流法と比べて反応速度はまったく向上しません。 マイクロ波化学の実証された利点が得られるのは、密閉容器を用いた場合だけです。
