前回、設定温度と系内温度は一致しないことがあるという話をしました。
今回はその続きとして、実務上どこを見て判断すべきかという点についてのお話です。
まず実験操作における「温度」という言葉が、何を示すのかについて簡単に説明します。
「温度」と一言で言っても同じではない
実験操作において「50 ℃で反応させた」と書かれることはよくあります。
しかし、この「50 ℃」が何を指しているかは、実は文脈によって異なります。
プロセスの観点では、大まかに２つに区別され、それがさらに細分化されます。
① ジャケット温度 (熱媒の設定値・実測値)
② 系内温度 (液やガスの温度)
厄介なのは系内温度自体も一様ではないことです。
- 気相部と液相部
- 撹拌流の中心と壁際
- 試薬の滴下点周辺
これらは時間的にも空間的にも温度が異なります。
温度センサーが示す値は、「その瞬間、その位置の温度」を切り取ったものに過ぎません。
したがって、反応温度とは時間的な連続性と空間的な平均性を考慮した概念になります。
では、系内温度を全ての温度を測るべきなのか？
理想的には多点・連続測定が望ましいですが、実験室レベルでは現実的ではありません。
また、目的を定めずに温度データを増やすと、かえって判断を誤ることもあります。
例えば以下の場合は「50 ℃で反応した」と記述して問題ありません。
- 設定温度：50 ℃
- ジャケットの実温度：安定して50 ℃
- 系内実液温：撹拌条件を変えても50 ℃で変動なし
複数の温度を測ることが重要になるのは検出温度に温度差(ΔT)が生じた場合です。
そして、そのΔTを把握し、何に起因するか判断することが重要です。
設定温度と系内温度のΔTは以下のような要因で発生します。
- 機器による熱追従の差
- 反応熱による差
- 混合熱による差
- 他の要因による差
スケールアップで論文結果を再現しない例
例として冷却条件下、試薬Aを滴下する発熱反応を考えます。
論文には以下の条件が記載されていたとします。
・反応温度：-20 ℃
・反応時間：1 時間
・攪拌条件：攪拌子による攪拌
100 mL スケールでは同等の収率が再現できたため、
1000 mL へのスケールアップを試みました。
しかし、その結果、収率は大きく低下し、副生物が多く検出されました。
このとき論文中の「-20 ℃」は、熱媒の設定温度を指しており、
系内の実際の液温度を示しているとは限りません。
100 mL スケールでは発生熱も冷媒によって速やかに徐熱され、
液温度は設定温度と大きく乖離しなかったと考えられます。
一方、1000 mL スケールでは、反応熱の発生量に対して除熱が追いつかず、
系全体で一時的な温度上昇が生じ、それ起因して副生物が生じた可能性があります。
これは系内の液温度を測って初めて裏付けできる考察です。
たとえば、-20 ℃と設定していても、滴下操作により実際の液温度は一時的に -5 ℃ まで上昇していた可能性があります。
この場合、発熱反応により液温度が上昇したため過剰反応が起こり、副生物が生じたと理論立てて推察できます。
なお、これは系内は空間的に速やかに温度が均一になるという前提で話しています。
図 発熱反応における設定温度と系内温度の差 ※生成AIで作成
まとめ
温度という表現には複数の意味が混在しています。
そのため論文に記載された「反応温度」をそのまま系内の実液温度と解釈して判断すると、
スケールアップ時に実際の反応挙動を見誤ることになります。
複数の温度を測定してΔTの有無を確認し、それが何に起因するかを判断することで、次の一手が打ちやすくなります。
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