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 производство на полиуретани, биолубриканти и други земноводни вещества. Ultrasonication се използва за засилване на реакциите на трансестерификация чрез прилагане на интензивни сили на срязване и термична енергия. Ултразвукът и неговите сонохимични ефекти доставят реакционни енергия и спомагат за преодоляване на ограниченията за масов трансфер. По този начин ултразвукът значително подобрява скоростта на трансестерификация, добива и цялостната ефективност.

Трансестерификация с ултразвукова помощ

Реакциите на трансестерификация са един от най-важните синтезни маршрути и се използват широко като ефективна техника за превръщане на растителните масла в заместители на нефтените продукти. Соно-синтез (също сонохимичен синтез, който е химически синтез насърчава чрез високопроизводителен ултразвук), е добре известен със своите полезни ефекти върху трансестерификацията, както и други химически процеси.

Устойчив полиол синтез от растителни масла с помощта на ултразвук

Растителните производни мастни киселини, т.е. растителните масла, са широко достъпна и възобновяема суровина и могат да се използват за приготвяне на биобазни полиоли и полиуретани. Прилагането на мощност ултразвук създава благоприятни сонохимични ефекти, които значително ускоряват каталитичната реакция на трансестерификация. Освен това ултразвукът засилва добива на синтезирани полиоли, тъй като интензивната енергия на смесване на акустична кавитация преодоля ограничаването на масовия трансфер. Ултразвуковите реакции на трансестерификация са добре известни, че работят ефективно с по-нисък алкохол и катализатор като конвенционални трансестерифициране реакции. Това води до подобрена цялостна ефективност чрез ултразвук.

Ултразвуков синтез на биолубрикант, базиран на пентаеритритол естер

Пентаеритритол естер може да се синтезира ефективно от рапично масло чрез двустепенен сонохимичен процес, както е доказано от изследователския екип на Arumugam. В своето проучване за оптимизация изследователите са използвали ultrasonicator UP400St на Hielscher (вижте картината вляво). При първата сонохимично насърчавана трансестерификация рапичното масло се реагира с метанол към метил естер. Във втората стъпка на трансестерификация метиловият естер реагира с ксилен и катализатор на пентаеритритол естер. Изследователят се съсредоточи върху оптимизирането на ултразвуковите параметри на процеса с цел повишаване на добива и цялостната ефективност на синтеза на пентаеритритол естер под ултразвук. Подобрен добив от 81,4% от пентаеритритолов естер е осъществен с ултразвуков импулс от 15 сек, ултразвукова амплитуда от 60%, концентрация на катализатор от 1,5 wt%, и температурата на реакцията от 100°C. За контрол на качеството, сонохимично синтезираният пентаеритритол естер е сравнен със синтетично клас компресорно масло. В заключение, изследването предполага, че ултразвуково насърчаваният последователен процес на трансестерификация е ефикасен метод за замяна на конвенционалния последователен процес на трансестерификация за синтеза на биолубрикант на основата на пентаеритритол естер. Основните предимства на ултразвуковия процес на трансестерификация са повишени добиви на пентаеритритол естер, съкратено време за реакция и значително по-ниски температури на реакцията. (срв. Arumugam et al., 2019)

Ултразвуково засилена двуетапна трансестерификация на рапично масло към пентаеритритолния естер.
(адаптиран от Arumugam et al., 2019)

Пентанално получени ацетални естери чрез ултразвуков синтез

Изследователският екип на Kurniawan синтезира три пентанално получени ацетални естери чрез сонохимичен метод, в който се наемат принципите на зелената химия. Sonication е бил използван за насърчаване на две химически стъпки:

1. Естерификация на 9,10-дихидроксиоктадеканоева киселина
2. Ацетализация на алкил 9,10-дихидроксиоктадеканоат

За да се произведат естерите на алкил 9,10- дихидроксистеарат се изискват две стъпки и са получени добиви от 67-85%. За оценка на ефективността сонохимичният метод е сравнен с конвенционалната техника на рефлукс. Освен това за определяне на влиянието и ефективността на различни катализатори са използвани хомогенни и твърди киселинни катализатори, а именно сярна киселина (H2SO4), естествен бентонит, и H-бентонит. Установено е, че сонохимичната естерификация на киселинно катализирания от H-бентонит дава продукти в до 70% добив в 3 пъти по-кратко време за реакция от метода на рефлукса, което е забележително. Крайната ацетализация стъпка с n-пентанал в присъствието на H-бентонит с помощта на ultrasonication предоставени три пентанал-получени диоксоланови производни в 69–85% добиви, които са по-високи от конвенционалния метод. Методът на рефлукс изискваше по-дълго време за реакция от сонохимичния метод, тъй като ултразвуковият синтез изискваше само 10-30мин. Допълнително към значително по-краткото време за реакция под ултразвук се получава забележителен добив на всеки естер, като се използва сонохимичният метод.
Изследователят изчисли също, че енергийните изисквания на сонохимичната реакция са приблизително 62 пъти по-ниски от тези на конвенционалния метод. Това намалява разходите и е щадяща околната среда.
Изследването на физикохимичните свойства на всеки продукт разкри, че метил 8-(2-бутил-5-октил-1,3-диоксолан-4-ил)октаноат е потенциален роман биолубрикант с функционалностите за заместване на общи смазочни материали. (срв. Курняван и др., 2021 г.)

Трансестерификация на Pentaerythryl Естери с помощта на ултразвук

Pentaerythryl естери могат да бъдат получени от растителни масла такива слънчоглед, ленено семе, и джатрофа масло. Изследователският екип на Хашем демонстрира синтеза на биобазирани смазочни материали чрез последователни базови катализирани трансестерификации, включващи две трансестерифициращи стъпки. Те демонстрираха осъществимостта на синтеза с помощта на слънчоглед, ленено семе, и масло от джатрофа. В първата стъпка маслата са превърнати в съответните метилови естери. Във втория процес метиловите естери са превърнати в пентаеритрилни естери чрез действието на пентаеритритол, както е показано в следната схема: (срв. Hashem et al., 2013)

След трансестерификация на растително масло към метилов естер метиловите естери се превръщат в пентаеритрилни естери чрез действието на пентаеритритол, както е показано в схемата по-горе.
(срв. Хашем и др., 2013)

Значително реакцията, засилваща ефектите на ултразвук върху трансестерификацията, са научно доказани и вече от десетилетия индустриално приети. Най-видният пример за ултразвуково подобрена транестерификация е превръщането на масла и мазнини в метилов естер на мастни киселини (FAME), известен като биодизел.
Прочетете повече за ултразвуковата подпомагана трансестерификация на (отпадъчни) масла и мазнини в биодизел!

Ултразвукови сонди и реактори за трансестерификация и други химически синтези

Hielscher Ultrasonics е вашият специалист, когато става въпрос за изтънчени високопроизводителни ultrasonicators за сонохимични реакции. Hielscher проектира, произвежда и разпространява ултразвукови уреди с висока мощност и аксесоари като сонди (сонотроди), реактори, и поточни клетки при 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 има идеалната ултразвукова система за вашия процес. С дългогодишния опит в приложения като соно-катализа и соно-синтез, 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 hielscher промишлени ultrasonicators могат да доставят много високи амплитуди при непрекъсната работа (24 / 7). Здравите ултразвукови системи изискват почти никаква поддръжка и са изградени, за да работят. Това прави ултразвуковото оборудване Hielscher надеждно за приложения за тежкотоварни при взискателни условия. Специални сонотродове за високотемпературен или много суров химикал също са на разположение.
Най-високо качество – Проектиран и произведен в Германия: Цялото оборудване е проектирано и произведено в централата ни в Германия. Преди доставката до клиента всяко ултразвуково устройство е внимателно тествано при пълно натоварване. Стремим се към удовлетвореност на клиентите и производството ни е структурирано така, че да изпълнява най-високото осигуряване на качеството (напр. сертифициране по ISO).

Таблицата по-долу дава индикация за приблизителната капацитет за преработка на нашите ultrasonicators: