微型反應器（Microreactor）

微型反應器（Microreactor）
國立臺灣師範大學化學系梁家榮博士班二年級

從十八、十九世紀以來，在實驗室裡進行的化學反應多是在圓底瓶、燒杯等器材中產生化學變化。直至今日，仍然是以這類的玻璃儀器設備，為實驗室中最常使用到的實驗器材。但是在近二十年來，發展出一種新的技術被稱之為微型反應器 。（microreactor）這樣的設備可以只利用非常少量的反應物與試劑，在小於一釐米的微型通道中以高速混合的方式注入，使熱傳（heat transfer）和質傳（mass transfer）都能有相當好的表現。微型反應器的通道通常為微米等級的寬度居多，反應時間也可以控制到微秒的時間。相較於在傳統的反應瓶中，可以更靠近分子等級的反應大小及時間，在進行模擬生物體環境中的化學反應時，能更精準的測量反應速率和時間。並且在這樣非常精密的系統中，仍然可以完成許多種不同功用的實驗，例如：同時或分段注入多種化學試劑進行反應、快速進行溶劑之間的交換、精準的改變各反應區段的高低溫度、縮短反應時間並在微秒等級的時間內淬熄（quench）終止反應。

圖一、玻璃製微型反應器

微型反應器是由眾多的微型通道供反應物與試劑傳輸，在各種零件的材料使用上也有不同的需求。大多零組件是使用金屬合金、陶瓷、玻璃 （如圖一）和矽基原料製造組裝而成。微型通道則是使用了蝕刻技術、雷射或精密機械刻出不同的線路設備，以符合不同的實驗設計。利用這類在微小通道中進行的反應，可以有許多種優點，例如：反應物混合較為均勻、升溫傳導快且穩定、實驗再現性高、方便於自動化控制、模擬將反應放大量生產也較為精準。由於反應皆是在微型反應器系統中進行，若反應會產生易燃或有毒氣體較為容易集中處理釋放，可以避免發生危害。除了微型反應器的反應槽之外，也常常與其他儀器串接使用。可以接上微波反應器增加反應速率，或接上汞燈可以更均勻的進行光化學反應（photochemical reaction）減少副產物的產生。串接上傅立葉轉換紅外線光譜儀（FT-IR），以觀察不同官能基吸收峰的消失來判定反應完成時間。接上微型的分液漏斗可以在反應完成後萃取分離出產物和催化劑，以回收貴重金屬的催化劑並且再重複多次使用。

以2010年諾貝爾化學獎的海克反應 （Heck reaction）為例（如圖二），可以在微型反應器中先加入鹵化物、鹼以及不飽和的烯類化合物，再與溶於離子液體（ionic liquid）的鈀金屬試劑混合產生交叉偶合反應（cross-coupling reaction）。待反應結束後，在T型的混合器中加入0.5 M的氫氧化鈉水溶液以淬熄反應，再加入正己烷（hexane）使產物溶於有機層中，並收集至分液漏斗中。密度較小的正己烷有機層和氫氧化鈉水溶液會首先被分離出，經過純化可以順利得到反應產物。而溶於離子液體的鈀金屬催化劑則會沈積在漏斗下方，回收之後又可以再重複進行多次反應。⁴

圖二、微型反應器於海克反應之應用。

參考資料：
1. Wirth, T., Ed. (2008). Microreactors in Organic Synthesis. New York: Wiley-VCH.
2. 玻璃製微型反應器圖片 http://en.wikipedia.org/wiki/File:Glass-microreactor-chip-micronit.jpg
3. 2010 諾貝爾化學獎 http://case.ntu.edu.tw/blog/?p=5493
4. Liu, S.; Fukuyama, T.; Sato, M.; Ryu, I. Org. Process Res. Dev. 2004, 8, 477– 481