連続フローリアクターと卓上型核磁気共鳴（NMR）分光計の融合は、化学合成および分析におけるその変革的な影響により、近年大きな注目を集めています。連続フローリアクターは、反応条件の精密な制御、安全性の向上、反応効率の改善といった明確な利点を提供します。
一方、卓上型NMR分光法は、反応速度、中間体、最終生成物に関する非破壊的かつ定量的な洞察を可能にします。この統合により、反応条件に応じた変換率をリアルタイムでモニタリングできるようになり、迅速かつ自動化された反応最適化が可能になります。
このハイブリッドアプローチの利点は、反応の探索および最適化プロセスの加速において明らかです。
研究者はリアルタイムのNMRデータを活用して、反応条件を即座に調整し、収率や選択性の向上を実現できます。さらに、インライン分析により、手間のかかるサンプル前処理やオフライン分析の必要がなくなり、ワークフローが簡素化され、廃棄物も削減されます。
このアプリケーションノートでは、Magritek社製の Spinsolve 80 ULTRA 卓上型NMR分光計を、Thales Nano社の H-Cube® Pro フローリアクターの出口に接続しました。Spinsolve ULTRAモデルはコンパクトな設計でありながら高い分解能を有しており、プロトン化溶媒に溶解した生成物のスペクトルを高精度で取得するために不可欠な装置です。
一方、H-Cube® Proは、安全性の向上、正確な反応制御、高効率、触媒の使用量削減、幅広い基質への適応性など多くの利点を持ち、自動化機能により水素化反応を効率よく行うことができ、化学合成や研究において非常に有用なツールです。
この技術の利点を実証するために、本研究では反応条件（温度、圧力、水素の量、反応混合物の流速）を最適化し、シンナミルアルコールの水素化を最大化しました（図1）。迅速なオンライン分析ツールとしてNMR分光法を統合することで、反応条件の全範囲を数時間以内に探索でき、反応を効率よく最適化できます。
図2は、この装置をドラフト内に設置した写真を示しています。本実験では、Thales Nano社の H-Cube® Pro 2.2 にHPLCポンプを装備し、出発物質の溶液流量を正確に設定しました。使用した触媒カートリッジは、Thales Nano社製の10% Pd/Cカートリッジです。水素ガスは H-Cube® 内で制御された電気分解により生成され、基質溶液と混合されてから触媒を通過しました。反応器を通過後の未反応水素ガスは、Zaiput社の「SEP-10」気液分離装置により効率よく分離されました。
反応速度は、溶媒抑制を施した1H-NMR分光法により、Spinsolve Ultra 80 MHz Multi-X 卓上NMR分光計を使用して連続的にモニタリングしました。この分光計には、反応モニタリングキット2（RMK2）が装備されており、上下に貫通したガラス製のフローセルにより、反応混合物を連続またはストップフローモードでNMRの感度領域へと送ることができます。
本研究では、リアクターの出口をフローセルに接続し、HPLCポンプで流量を制御しながら連続モードでH-Cube® Proをモニターしました。出発物質には、0.5モル濃度（22.487g / 167.59mmol を335mLに溶解）のメタノール中のシンナミルアルコール溶液を使用しました。反応混合物は、2分ごとに1D 1H WETシーケンス（4スキャン、10秒の反復時間）でモニタリングしました。WETシーケンスは、3.3 ppmおよび4.9 ppmのメタノールシグナルを抑制するよう設定され、スペクトル取得中は炭素デカップリングを行い、13Cサテライトを除去しました。
Spinsolveには、反応混合物をNMRスペクトロメーターに循環させてオンラインで測定できるガラス製フローセル①を含む反応モニタリングキットが装備されている。フローリアクターは、水素化に必要なH2を電気分解により安全な方法で生成し、反応液と混合する②。気泡検出器③がH2の存在を確認する。その後、出発物質は最終的に④でCatCart® 触媒を含むカラムヒーターに入る。
NMR分光法によるオンラインモニタリングを成功させるには、高性能な溶媒抑制技術が不可欠です。
これは、サンプル中の出発物質や生成物の小さな信号を、強い溶媒の信号が覆い隠してしまうのを防ぐために重要です。
図3では、通常のプロトンスペクトルとWET溶媒抑制を用いたスペクトルを比較しています。重ね合わせたスペクトルから、WET法がメタノールピークを大幅に減衰させ、3.5 ppmにあるCH2シグナルとの重なりを排除し、同時にメタノールCH3の13Cサテライトを除去していることがわかります。
図3：生成物に対して取得されたスペクトルの比較。標準のパルスおよびアクワイアシーケンス（青）と、WET抑制および炭素デカップリングシーケンス（赤）によるものを示す。測定は、液体の流量1 mL/分の連続フロー条件下で実施された。
反応条件を最適化するため、さまざまなパラメータ（温度、圧力、水素量、液体流量）を体系的に変更し、最適なパラメータの組み合わせを特定するためにスペクトルを継続的に取得しました。
図4では、温度および圧力を段階的に変化させた際のスペクトルの一部を示しています。特定のプロトンに対応するシグナル領域には色分けがされています。出発物質の二重結合およびCH2基のプロトンは赤と黄色、生成物のCH2プロトンは水色、青、緑で示されています。温度および圧力の増加に伴い、出発物質のシグナルが減少し、生成物のシグナルが増加することが確認できます。各シグナル領域を積分し、単一の応答係数をかけることで、定量的な濃度を得ています。
図4：Spinsolve RMXソフトウェアを用いてシンナミルアルコールの二重結合還元反応の最適化中に取得したスペクトルのスタックプロット。データは、3.3および4.9 ppmのメタノールのシグナルを抑制するように設定されたWETシーケンスで収集された。炭素サテライトを除去するため、炭素デカップリングが存在する状態でシグナルが取得された。
図5では、図4のスペクトルスタックプロットから取得された各時点の濃度を、時間に対してプロットしています。左のグラフは出発物質、右は生成物の濃度です。各カーブは異なる積分領域から得られた濃度を示しており、それらが非常によく一致していることから、定量法の正確性と再現性の高さが示されています。
各定常状態での点のばらつきが小さいことも、測定の精度を裏付けています。反応条件を変更すると、新たな定常状態は通常10分以内に達成されます。H-Cube® に新たな圧力設定を行うと（グラフ内の縦線）、一時的に出発物質のシグナルが増加しますが、これはリアクター圧力調整中に水素供給が一時停止するためです。圧力が安定すると再び水素供給が再開され、反応器はすぐに新たな定常状態に達し、一定の変換率を示します。反応ゾーンからNMR分光計までのチューブのデッドボリュームは数mL程度であるため、混合物がカラムを出てから数分以内にリアルタイムでNMRデータを取得できます。
図5：Spinsolve反応モニタリングソフトウェア（RMX）にリアルタイムで表示される出発物質（左）と生成物（右）の濃度プロットのスクリーンショット。各プロット上の異なる曲線は、出発物質と生成物の両方で利用可能な異なる化学基の信号を用いて計算された濃度に対応しています。値は非常によく一致しており、NMR応答の直線性を示しています。システムのキャリブレーションは、既知濃度の外部標準を用いて行われていることに注意してください。スペクトルで利用可能な異なる信号を用いて、反応物と生成物の両方の濃度を定量化するために、同じ応答係数が使用されています。
図6では、図4と図5に示された最適化実験から、温度および圧力の異なる条件下で得られた代表的なスペクトルを示しています。この結果から、本反応では圧力の増加が変換率を大きく向上させる一方で、温度の変化による影響は小さいことが分かります。
図 7: 温度 60 °C、圧力 40 bar での水素含有量の関数としての水素化反応実行の最適化。
同様の方法で、他の反応パラメーターに対する変換依存性の影響を調査しました。図7には、温度60℃、圧力40barにおける水素含有量の関数として収集されたスペクトルを示しています。曲線からは、完全な変換を達成するために42 NmL/min の水素量が必要であることが分かります。さらに、変換に対する液体流量の影響も調査され、その結果は図8に示されています。ここでは、他のすべてのパラメーターを一定に保ったまま流量を増加させると、変換率が低下することが観察されました。これは、流量の増加によりカラム内での基質の滞留時間が短くなるために起こる、予想される現象です。
図 8: 温度 40°C、圧力 40 bar、水素量 42 NmL/min の場合の液体流量の関数としての変換。
結論
全体として、本アプリケーションノートは、連続フローリアクターとオンラインNMR分光計の組み合わせが即時の反応モニタリングに非常に有用であることを示しています。この技術は、従来のバッチ法やオフライン分析と比べて多くの利点を提供します。反応条件の変更から10～15分以内に定常状態に到達できるため、研究者は1日で30種類以上の条件を容易に分析でき、反応最適化を大幅に促進・加速できます。Spinsolve分光計とH-Cube®の組み合わせは、水素化反応の効率的な最適化を可能にする時間およびコストの削減に寄与する手段として、非常に有望です。また、両装置とも最適化ラン全体を通じて安定かつ再現性のある変換率を示し、信頼性の高い動作を実現しました。