Синтез на полиол чрез ултразвукова трансестерификация

Полиолите са синтетични естери, произведени главно чрез трансестерификация на триглицериди от растителни масла или животински мазнини. Тези полиоли са суровина за производството на полиуретани, биосмазочни материали и други семикали. Ултразвукът се използва за подобряване на реакциите на трансестерификация чрез прилагане на интензивни сили на срязване и топлинна енергия. Ултразвукът и неговите сонохимични ефекти доставят енергия на реакцията и помагат за преодоляване на ограниченията на преноса на маса. По този начин ултразвукът значително подобрява скоростта на трансестерификация, добива и цялостната ефективност.

Ултразвукова трансестерификация

Реакциите на трансестерификация са един от най-важните пътища за синтез и се използват широко като ефективна техника за превръщане на растителните масла в заместители на петролните продукти. Соно-синтезът (също сонохимичен синтез, който е химичен синтез, насърчаван чрез високоефективен ултразвук), е добре известен с благоприятното си въздействие върху трансестерификацията, както и върху други химични процеси.

Устойчив синтез на полиол от растителни масла с помощта на ултразвук

Мастните киселини от растителен произход, т.е. растителните масла, са широко достъпна и възобновяема суровина и могат да се използват за приготвяне на полиоли и полиуретани на биологична основа. Прилагането на силов ултразвук създава благоприятни сонохимични ефекти, които значително ускоряват каталитичната реакция на трансестерификацията. Освен това ултразвукът увеличава добива на синтезирани полиоли, тъй като интензивната енергия на смесване на акустичната кавитация преодолява ограничението за пренос на маса. Ултразвуковите реакции на трансестерификация са добре известни с това, че протичат ефективно с по-ниско съдържание на алкохол и катализатор като конвенционални реакции на трансестерификация. Това води до подобрена обща ефективност чрез ултразвук.

Ултразвуков синтез на биолубрикант на основата на естер пентаеритритол

Естерът на пентаеритритол може да бъде синтезиран ефективно от рапично масло чрез двуетапен сонохимичен процес, както е доказано от изследователския екип на Arumugam. В своето проучване за оптимизация изследователите използваха ултразвуковия апарат Hielscher UP400St (вижте снимката вляво). При първата сонохимично насърчавана трансестерификация, рапичното масло реагира с метанол до метилов естер. Във втората стъпка на трансестерификация метиловият естер реагира с ксилол и катализатор на естер на пентаеритритол. Изследователят се фокусира върху оптимизирането на параметрите на ултразвуковия процес, за да се повиши добива и цялостната ефективност на синтеза на естер на пентаеритритол при ултразвук. Подобрен добив на 81,4% естер на пентаеритритол е постигнат с ултразвуков импулс от 15 s, ултразвукова амплитуда от 60%, концентрация на катализатора от 1,5 тегловни % и температура на реакцията от 100°C. За контрол на качеството сонохимично синтезираният естер на пентаеритритол е сравнен със синтетично компресорно масло. В заключение, проучването предполага, че ултразвуково насърчаваният последователен процес на трансестерификация е ефективен метод за замяна на конвенционалния последователен процес на трансестерификация за синтез на биолубрикант на базата на естер пентаеритритол. Основните предимства на процеса на ултразвукова трансестерификация са повишеният добив на естер на пентаеритритол, съкратеното време за реакция и значително по-ниските температури на реакцията. (срв. Arumugam et al., 2019)

Ултразвуково засилена двустепенна трансестерификация на рапично масло до ефера на пентаеритритол.
(адаптирано от Arumugam et al., 2019)

Ацетални естери, получени от пентанал, чрез ултразвуков синтез

Изследователският екип на Курниаван синтезира три ацетални естера, получени от пентанал, чрез сонохимичен метод, използвайки принципите на зелената химия. Сонацията е използвана за насърчаване на две химически стъпки:

1. Естерификация на 9,10-дихидроксиоктадеканова киселина
2. Ацетализиране на алкил 9,10-дихидроксиоктадеканоат

За да се получат естерите на алкил 9,10-дихидроксистеарат, са необходими две стъпки и са получени добиви от 67-85%. За оценка на ефективността сонохимичният метод е сравнен с конвенционалната техника на обратен лукс. Освен това хомогенни и твърди киселинни катализатори, а именно сярна киселина (H2SO4), естествен бентонит и H-бентонит, са използвани за определяне на влиянието и ефективността на различни катализатори. Установено е, че сонохимичната естерификация на киселината, катализирана от Н-бентонит, дава на продуктите до 70% добив за 3 пъти по-кратко време на реакция от обратния метод, което е забележително. Последната стъпка на ацетализация с n-пентанал в присъствието на H-бентонит с помощта на ултразвук осигурява три получени от пентанал диоксоланови производни с 69–85% добиви, които са по-високи от конвенционалния метод. Обратният метод изисква по-дълго време за реакция от сонохимичния метод, тъй като ултразвуковият синтез изисква само 10-30 минути. В допълнение към значително по-краткото време за реакция при ултразвук, е получен забележителен добив на всеки естер с помощта на сонохимичния метод.
Изследователят също така изчислява, че енергийните нужди на сонохимичната реакция са приблизително 62 пъти по-ниски от тези на конвенционалния метод. Това намалява разходите и е екологично.
Изследването на физикохимичните свойства на всеки продукт разкри, че метил 8-(2-бутил-5-октил-1,3-диоксолан-4-ил)октаноат е потенциален нов биосмазочен материал с функционалности за заместване на обикновените лубриканти. (срв. Kurniawan et al., 2021)

Трансестерификация на пентаеритрилови естери с помощта на ултразвук

Пентаеритриловите естери могат да бъдат получени от растителни масла като слънчогледово, ленено семе и масло от ятрофа. Изследователският екип на Хашем демонстрира синтеза на смазочни материали на биологична основа чрез последователни катализирани от база трансестерификации, включващи две стъпки на трансестерификация. Те демонстрират осъществимостта на синтеза с помощта на слънчогледово, ленено семе и масло от ятрофа. В първата стъпка маслата се превръщат в съответните метилови естери. При втория процес метиловите естери се превръщат в пентаеритрилови естери чрез действието на пентаеритритол, както е показано в следната схема: (срв. Hashem et al., 2013)

След трансестерификация на растително масло в метилов естер, метиловите естери се превръщат в пентаеритрилови естери под действието на пентаеритритол, както е показано в схемата по-горе.
(срв. Hashem et al., 2013)

Значително усилващите реакциите ефекти на ултразвука върху трансестерификацията са научно доказани и вече от десетилетия са индустриално приети. Най-известният пример за ултразвуково подобрена трансестерификация е превръщането на масла и мазнини в метилов естер на мастни киселини (FAME), известен като биодизел.
Прочетете повече за ултразвуковата трансестерификация на (отпадъчни) масла и мазнини в биодизел!

Ултразвукови сонди и реактори за трансестерификация и други химични синтези

Hielscher Ultrasonics е вашият специалист, когато става въпрос за сложни високоефективни ултразвукови уреди за сонохимични реакции. Hielscher проектира, произвежда и разпространява високомощни ултразвукови уреди и аксесоари като сонди (сонотроди), реактори и поточни клетки от всякакъв размер и доставя химически лаборатории, както и химически производствени съоръжения в промишлен мащаб. От компактни лабораторни ултразвукови устройства до индустриални ултразвукови сонди и реактори, Hielscher разполага с идеалната ултразвукова система за вашия процес. С дългогодишен опит в приложения като сонокатализа и соносинтез, нашият добре обучен персонал ще ви препоръча най-подходящата настройка за вашите изисквания.
Hielscher Ultrasonics произвежда високопроизводителни ултразвукови системи с много висока здравина и способни да доставят интензивни ултразвукови вълни, тъй като всички индустриални ултразвукови апарати Hielscher могат да осигурят много високи амплитуди при непрекъсната работа (24/7). Здравите ултразвукови системи не изискват почти никаква поддръжка и са създадени да работят. Това прави ултразвуковото оборудване на Hielscher надеждно за тежки приложения при взискателни условия. Предлагат се и специални сонотроди за високотемпературни или много агресивни химикали.
Най-високо качество – Проектирани и произведени в Германия: Цялото оборудване е проектирано и произведено в централата ни в Германия. Преди доставката на клиента всяко ултразвуково устройство се тества внимателно при пълно натоварване. Ние се стремим към удовлетвореност на клиентите и нашето производство е структурирано така, че да отговаря на най-висока гаранция за качество (напр. ISO сертификат).

Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати: