Синтез на полиоли чрез ултразвукова трансестерификация

Полиолите са синтетични естери, произвеждани главно чрез трансестерификация на триглицериди от растителни масла или животински мазнини. Тези полиоли са суровина за производството на полиуретани, биосмазочни материали и други химикали. Ултразвуковата обработка се използва за интензифициране на реакциите на трансестерификация чрез прилагане на интензивни сили на срязване и топлинна енергия. Ултразвукът и неговите сонохимични ефекти осигуряват енергия за реакцията и помагат за преодоляване на ограниченията на масопреноса. По този начин ултразвуковата обработка значително подобрява скоростта на трансестерификацията, добива и общата ефективност.

Трансестерификация с помощта на ултразвук

Реакциите на трансестерификация са един от най-важните пътища за синтез и се използват широко като ефективен метод за превръщане на растителни масла в заместители на нефтопродукти. Соносинтезът (наричан също сонохимичен синтез, който представлява химичен синтез, стимулиран чрез високоефективен ултразвук) е добре известен с благоприятните си ефекти върху трансестерификацията, както и върху други химични процеси.

Устойчив синтез на полиоли от растителни масла с помощта на ултразвук

Мастните киселини с растителен произход, т.е. растителните масла, са широко достъпна и възобновяема суровина и могат да се използват за получаване на полиоли и полиуретани на биологична основа. Прилагането на мощен ултразвук създава благоприятни сонохимични ефекти, които значително ускоряват каталитичната реакция на трансестерификация. Освен това ултразвуковата обработка увеличава добива на синтезираните полиоли, тъй като интензивната енергия на смесване от акустичната кавитация преодолява ограничението на масопреноса. Добре известно е, че реакциите на ултразвукова трансестерификация протичат ефективно с по-малки количества алкохол и катализатор в сравнение с конвенционалните реакции на трансестерификация. Това води до подобрена обща ефективност благодарение на ултразвуковата обработка.

Ултразвуков синтез на биосмазочен материал на основата на пентаеритритолов естер

Пентаеритритолов естер може да се синтезира ефективно от рапично масло чрез двустъпков сонохимичен процес, както е показано от изследователския екип на Arumugam. В своето проучване за оптимизация изследователите използват ултразвуковия апарат Hielscher UP400St (вижте снимката вляво). При първата сонохимично стимулирана трансестерификация рапичното масло реагира с метанол до получаване на метилов естер. При втората стъпка на трансестерификация метиловият естер реагира с ксилен и катализатор до получаване на пентаеритритолов естер. Изследователят се съсредоточава върху оптимизирането на параметрите на ултразвуковия процес, за да повиши добива и общата ефективност на синтеза на пентаеритритолов естер под въздействието на ултразвук. Подобрен добив от 81,4% пентаеритритолов естер е постигнат при ултразвуков импулс от 15 s, ултразвукова амплитуда от 60%, концентрация на катализатора от 1,5 wt% и температура на реакцията от 100°C. За контрол на качеството сонохимично синтезираният пентаеритритолов естер е сравнен със синтетично компресорно масло. В заключение проучването показва, че стимулираният с ултразвук процес на последователна трансестерификация е ефективен метод за замяна на конвенционалния процес на последователна трансестерификация при синтеза на биосмазочен материал на основата на пентаеритритолов естер. Основните предимства на процеса на ултразвукова трансестерификация са увеличените добиви на пентаеритритолов естер, съкратеното време на реакцията и значително по-ниските температури на реакцията. (вж. Arumugam et al., 2019)

Ултразвуково интензифицирана двустъпкова трансестерификация на рапично масло до пентаеритритолов естер.
(адаптирано от Arumugam et al., 2019)

Ацетални естери, получени от пентанал чрез ултразвуков синтез

Изследователският екип на Kurniawan синтезира три ацетални естера, получени от пентанал, чрез сонохимичен метод, прилагащ принципите на зелената химия. Ултразвуковата обработка е използвана за стимулиране на две химични стъпки:

1. Естерификация на 9,10-dihydroxyoctadecanoic acid
2. Ацетализация на alkyl 9,10-dihydroxyoctadecanoate

За получаване на естерите на alkyl 9,10- dihydroxystearate са необходими две стъпки и са получени добиви от 67–85%. За оценка на ефективността сонохимичният метод е сравнен с конвенционалния метод с обратен хладник. Освен това са използвани хомогенни и твърди киселинни катализатори, а именно сярна киселина (H2SO4), природен бентонит и H-бентонит, за да се определи влиянието и ефективността на различните катализатори. Установено е, че сонохимичната естерификация на киселината, катализирана от H-бентонит, дава продукти с добив до 70% за 3 пъти по-кратко време на реакцията в сравнение с метода с обратен хладник, което е забележително. Последната стъпка на ацетализация с n-пентанал в присъствието на H-бентонит с използване на ултразвукова обработка дава три диоксоланови производни на пентанала с добиви от 69–85%, които са по-високи от тези при конвенционалния метод. Методът с обратен хладник изисква по-дълго време на реакцията от сонохимичния метод, тъй като ултразвуковият синтез изисква само 10–30min. Освен значително по-краткото време на реакцията при ултразвукова обработка, чрез сонохимичния метод е получен забележителен добив от всеки естер.
Изследователят също така изчислява, че енергийните потребности на сонохимичната реакция са приблизително 62 пъти по-ниски от тези на конвенционалния метод. Това намалява разходите и е благоприятно за околната среда.
Изследването на физикохимичните свойства на всеки продукт показва, че methyl 8-(2-butyl-5-octyl-1,3-dioxolan-4-yl)octanoate е потенциален нов биосмазочен материал с функционални свойства, позволяващи замяна на обичайните смазочни материали. (вж. Kurniawan et al., 2021)

Трансестерификация на пентаеритрилови естери с помощта на ултразвук

Пентаеритрилови естери могат да се получат от растителни масла като слънчогледово, ленено и масло от ятрофа. Изследователският екип на Hashem демонстрира синтеза на смазочни материали на биологична основа чрез последователни трансестерификации, катализирани от основа, включващи две стъпки на трансестерификация. Те демонстрират осъществимостта на синтеза с използване на слънчогледово, ленено и масло от ятрофа. При първата стъпка маслата са превърнати в съответните метилови естери. При втория процес метиловите естери са превърнати в пентаеритрилови естери под действието на пентаеритритол, както е показано на следната схема: (вж. Hashem et al., 2013)

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

Ефектите на ултразвуковата обработка, които значително интензифицират реакцията на трансестерификация, са научно доказани и вече от десетилетия се прилагат в промишлеността. Най-известният пример за подобрена с ултразвук трансестерификация е превръщането на масла и мазнини в метилов естер на мастни киселини (FAME), известен като биодизел.
Прочетете повече за подпомаганата с ултразвук трансестерификация на (отпадъчни) масла и мазнини до биодизел!

Ултразвукови сонди и реактори за трансестерификация и други химични синтези

Hielscher Ultrasonics е вашият специалист, когато става въпрос за усъвършенствани високоефективни ултразвукови апарати за сонохимични реакции. Hielscher проектира, произвежда и разпространява ултразвукови апарати с висока мощност и принадлежности като сонди (сонотроди), реактори и проточни клетки с всякакви размери и снабдява както химични лаборатории, така и съоръжения за химично производство в промишлен мащаб. От компактни лабораторни ултразвукови устройства до промишлени ултразвукови сонди и реактори, Hielscher предлага идеалната ултразвукова система за вашия процес. Благодарение на дългогодишния си опит в приложения като сонокатализа и соносинтез, нашият добре обучен персонал ще ви препоръча най-подходящата конфигурация за вашите изисквания.
Hielscher Ultrasonics произвежда високоефективни ултразвукови системи с много висока устойчивост, способни да генерират интензивни ултразвукови вълни, тъй като всички промишлени ултразвукови апарати на Hielscher могат да осигуряват много високи амплитуди при непрекъсната работа (24/7). Устойчивите ултразвукови системи почти не изискват поддръжка и са създадени за продължителна работа. Това прави ултразвуковото оборудване на Hielscher надеждно за приложения с тежко натоварване при взискателни условия. Предлагат се също специални сонотроди за високи температури или много агресивни химични среди.
Най-високо качество – проектирано и произведено в Германия: Цялото оборудване се проектира и произвежда в нашата централа в Германия. Преди доставката на клиента всяко ултразвуково устройство се тества внимателно при пълно натоварване. Стремим се към удовлетвореност на клиентите и нашето производство е организирано така, че да изпълнява най-високите изисквания за осигуряване на качеството (напр. сертификация по ISO).

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