Polyolsyntese via ultralydstransesterificering

Polyoler er syntetiske estere, der hovedsageligt fremstilles ved transesterificering af triglycerider fra vegetabilske olier eller animalske fedtstoffer. Disse polyoler er råmateriale til produktion af polyurethaner, biosmøremidler og andre kemiske stoffer. Ultralydbehandling bruges til at forbedre transesterificeringsreaktioner ved at anvende intense forskydningskræfter og termisk energi. Ultralyd og dens sonokemiske virkninger leverer reaktionsenergi og hjælper med at overvinde masseoverførselsbegrænsninger. Derved forbedrer sonikering transesterificeringshastighed, udbytte og samlet effektivitet betydeligt.

Ultralyds-assisteret transesterificering

Transesterificeringsreaktioner er en af de vigtigste synteseveje og bruges i vid udstrækning som en effektiv teknik til at omdanne vegetabilske olier til erstatninger for olieprodukter. Sono-syntese (også sonokemisk syntese, som er kemisk syntese fremmet via højtydende ultralyd), er kendt for sine gavnlige virkninger på transesterificering såvel som andre kemiske processer.

Bæredygtig polyolsyntese fra vegetabilske olier ved hjælp af ultralyd

Planteafledte fedtsyrer, dvs. vegetabilske olier, er et bredt tilgængeligt og fornyeligt råmateriale og kan anvendes til fremstilling af biobaserede polyoler og polyurethaner. Anvendelsen af ultralyd skaber gunstige sonokemiske virkninger, som markant fremskynder den katalytiske reaktion af transesterificering. Derudover forbedrer sonikering udbyttet af syntetiserede polyoler, da den intense blandingsenergi af akustisk kavitation overvinder masseoverførselsbegrænsning. Ultralydstransesterificeringsreaktioner er velkendte for at køre effektivt med lavere alkohol og katalysator som konventionelle transesterificeringsreaktioner. Dette fører til en forbedret samlet effektivitet ved ultralydbehandling.

Ultralydsyntese af et pentaerythritol ester-baseret biosmøremiddel

Pentaerythritolester kan syntetiseres effektivt fra rapsolie via to-trins sonokemisk proces som demonstreret af forskerholdet i Arumugam. I deres optimeringsundersøgelse brugte forskerne Hielscher ultralydsapparat UP400St (se billedet til venstre). I den første sonokemisk fremmede transesterificering reageres rapsolie med methanol til methylester. I det andet transesterificeringstrin reagerer methylesteren med xylen og en katalysator på pentaerythritolester. Forskeren fokuserede på optimering af ultralydsprocesparametre for at øge udbyttet og den samlede effektivitet af pentaerythritolestersyntesen under ultralyd. Forbedret udbytte på 81,4% pentaerythritolester blev opnået med en ultralydspuls på 15 s, en ultralydsamplitude på 60%, en katalysatorkoncentration på 1,5 vægt% og reaktionstemperaturen på 100 °C. Til kvalitetskontrol blev den sonokemisk syntetiserede pentaerythritolester sammenlignet med kompressorolie af syntetisk kvalitet. Afslutningsvis tyder undersøgelsen på, at den ultralydsfremmede successive transesterificeringsproces er en effektiv metode til at erstatte den konventionelle successive transesterificeringsproces til syntese af pentaerythritolester-baseret biosmøremiddel. De største fordele ved ultralydstransesterificeringsprocessen er øgede udbytter af pentaerythritolester, en forkortet reaktionstid og betydeligt lavere reaktionstemperaturer. (jf. Arumugam et al., 2019)

Ultralydsintensiveret to-trins transesterificering af rapsolie til pentaerythritolesteren.
(tilpasset fra Arumugam et al., 2019)

Pentanal-afledte acetalestere via ultralydssyntese

Forskerholdet fra Kurniawan syntetiserede tre pentanal-afledte acetalestere via sonokemisk metode ved hjælp af principperne for grøn kemi. Sonikering blev brugt til at fremme to kemiske trin:

1. Esterificering af 9,10-dihydroxyoctadekansyre
2. Acetalyzering af alkyl 9,10-dihydroxyoctadecanoat

For at producere estere af alkyl 9,10-dihydroxystearat kræves to trin, og udbytter på 67-85% blev opnået. Til effektivitetsevaluering blev den sonokemiske metode sammenlignet med den konventionelle refluksteknik. Desuden blev homogene og faste syrekatalysatorer, nemlig svovlsyre (H2SO4), naturlig bentonit og H-bentonit, brugt til at bestemme indflydelsen og effektiviteten af forskellige katalysatorer. Det blev fundet, at sonokemisk esterificering af den syre-katalyserede af H-bentonit gav produkter i op til 70% udbytte i 3 gange kortere reaktionstid end refluksmetoden, hvilket er bemærkelsesværdigt. Det sidste acetaliseringstrin med n-pentanal i nærvær af H-bentonit ved hjælp af ultralydbehandling gav tre pentanal-afledte dioxolanderivater i 69-85% udbytter, hvilket er højere end den konventionelle metode. Refluksmetoden krævede en længere reaktionstid end den sonokemiske metode, da ultralydssyntese kun krævede 10-30 minutter. Ud over den signifikant kortere reaktionstid under sonikering blev der opnået et bemærkelsesværdigt udbytte af hver ester ved hjælp af den sonokemiske metode.
Forskeren har også beregnet, at energibehovet for den sonokemiske reaktion er ca. 62 gange lavere end for den konventionelle metode. Dette reducerer omkostningerne og er miljøvenligt.
En undersøgelse af de fysisk-kemiske egenskaber af hvert produkt viste, at methyl-8-(2-butyl-5-octyl-1,3-dioxolan-4-yl)octanoat er et potentielt nyt biosmøremiddel med funktionalitet til at erstatte almindelige smøremidler. (jf. Kurniawan et al., 2021)

Transesterificering af pentaerythrylestere ved hjælp af ultralyd

Pentaerythrylestere kan fås fra vegetabilske olier såsom solsikke-, hørfrø- og jatrophaolie. Forskerholdet fra Hashem demonstrerede syntesen af biobaserede smøremidler via en successive basekatalyserede transesterificeringer, der involverede to transesterificeringstrin. De demonstrerede gennemførligheden af syntesen ved hjælp af solsikke-, hørfrø- og jatrophaolie. I det første trin blev olierne omdannet til de tilsvarende methylestere. I den anden proces blev methylestere omdannet til pentaerythrylestere ved virkningen af pentaerythritol som vist i følgende skema: (jf. Hashem et al., 2013)

Efter transesterificering af vegetabilsk olie til methylester omdannes methylesterne til pentaerythrylestere ved virkningen af pentaerythritol som vist i skemaet ovenfor.
(jf. Hashem et al., 2013)

De signifikant reaktionsfremmende virkninger af ultralydbehandling på transesterificering er videnskabeligt bevist og allerede siden årtier industrielt vedtaget. Det mest fremtrædende eksempel på ultralydsforbedret tranesterificering er omdannelsen af olier og fedtstoffer til fedtsyremethylester (FAME), kendt som biodiesel.
Læs mere om ultralydsassisteret transesterificering af (affalds)olier og fedtstoffer til biodiesel!

Ultralydssonder og reaktorer til transesterificering og andre kemiske synteser

Hielscher Ultrasonics er din specialist, når det kommer til sofistikerede højtydende ultralydapparater til sonokemiske reaktioner. Hielscher designer, fremstiller og distribuerer ultralydapparater med høj effekt og tilbehør såsom sonder (sonotroder), reaktorer og flowceller i enhver størrelse og leverer kemiske laboratorier samt kemiske produktionsfaciliteter i industriel skala. Fra kompakte laboratorieultralydsenheder til industrielle ultralydssonder og reaktorer har Hielscher det ideelle ultralydssystem til din proces. Med lang erfaring inden for applikationer som sono-katalyse og sono-syntese vil vores veluddannede personale anbefale dig den bedst egnede opsætning til dine behov.
Hielscher Ultrasonics fremstiller højtydende ultralydssystemer med meget høj robusthed og i stand til at levere intense ultralydbølger, da alle Hielscher industrielle ultralydapparater kan levere meget høje amplituder i kontinuerlig drift (24/7). De robuste ultralydssystemer kræver næsten ingen vedligeholdelse og er bygget til at køre. Dette gør Hielscher ultralydsudstyr pålideligt til tunge applikationer under krævende forhold. Specielle sonotroder til høj temperatur eller meget skrappe kemikalier er også tilgængelige.
Højeste kvalitet – Designet og fremstillet i Tyskland: Alt udstyr er designet og produceret i vores hovedkvarter i Tyskland. Før levering til kunden testes hver ultralydsenhed omhyggeligt under fuld belastning. Vi stræber efter kundetilfredshed, og vores produktion er struktureret til at opfylde højeste kvalitetssikring (f.eks. ISO-certificering).

Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater: