Síntesis de polioles por transesterificación ultrasónica

Los polioles son ésteres sintéticos producidos principalmente por transesterificación de triglicéridos de aceites vegetales o grasas animales. Estos polioles son materia prima para la producción de poliuretanos, biolubricantes y otros productos químicos. La ultrasonicación se utiliza para potenciar las reacciones de transesterificación mediante la aplicación de fuerzas de cizallamiento intensas y energía térmica. Los ultrasonidos y sus efectos sonoquímicos aportan energía a la reacción y ayudan a superar las limitaciones de la transferencia de masa. De este modo, la sonicación mejora significativamente la velocidad de transesterificación, el rendimiento y la eficacia global.

Transesterificación asistida por ultrasonidos

Las reacciones de transesterificación son una de las rutas de síntesis más importantes y se utilizan ampliamente como técnica eficaz para convertir los aceites vegetales en sustitutos de los derivados del petróleo. La sonosíntesis (también llamada síntesis sonoquímica, que es la síntesis química promovida mediante ultrasonidos de alto rendimiento), es bien conocida por sus efectos beneficiosos en la transesterificación, así como en otros procesos químicos.

Síntesis sostenible de polioles a partir de aceites vegetales mediante ultrasonidos

Los ácidos grasos derivados de plantas, es decir, los aceites vegetales, son una materia prima ampliamente disponible y renovable que puede utilizarse para la preparación de polioles y poliuretanos de base biológica. La aplicación de ultrasonidos de potencia crea efectos sonoquímicos favorables, que aceleran significativamente la reacción catalítica de transesterificación. Además, la sonicación mejora el rendimiento de los polioles sintetizados, ya que la intensa energía de mezcla de la cavitación acústica supera la limitación de transferencia de masa. Es bien sabido que las reacciones de transesterificación por ultrasonidos funcionan de forma eficiente con menos alcohol y catalizador que las reacciones de transesterificación convencionales. Esto conduce a una mejora de la eficiencia global por ultrasonidos.

Síntesis ultrasónica de un biolubricante a base de ésteres de pentaeritritol

El éster de pentaeritritol puede sintetizarse eficazmente a partir de aceite de colza mediante un proceso sonoquímico de dos pasos, como ha demostrado el equipo de investigación de Arumugam. En su estudio de optimización, los investigadores utilizaron el ultrasonicador UP400St de Hielscher (véase la imagen de la izquierda). En la primera transesterificación promovida sonoquímicamente, el aceite de colza se hace reaccionar con metanol hasta obtener éster metílico. En el segundo paso de la transesterificación, el éster metílico reacciona con xileno y un catalizador a éster de pentaeritritol. El investigador se centró en la optimización de los parámetros del proceso ultrasónico para mejorar el rendimiento y la eficacia global de la síntesis del éster de pentaeritritol con ultrasonidos. La mejora del rendimiento del 81,4% del éster de pentaeritritol se consiguió con un pulso ultrasónico de 15 s, una amplitud ultrasónica del 60%, una concentración de catalizador del 1,5% en peso y una temperatura de reacción de 100°C. Para el control de calidad, el éster de pentaeritritol sintetizado sonoquímicamente se comparó con aceite de compresor de grado sintético. En conclusión, el estudio sugiere que el proceso de transesterificación sucesiva promovido por ultrasonidos es un método eficaz para sustituir al proceso convencional de transesterificación sucesiva para la síntesis de biolubricante a base de éster de pentaeritritol. Las principales ventajas del proceso de transesterificación por ultrasonidos son un mayor rendimiento del éster de pentaeritritol, un menor tiempo de reacción y temperaturas de reacción significativamente más bajas. (cf. Arumugam et al., 2019)

Transesterificación en dos etapas intensificada por ultrasonidos del aceite de colza al éster de pentaeritritol.
(adaptado de Arumugam et al., 2019)

Ésteres acetálicos derivados del pentanal mediante síntesis ultrasónica

El equipo de investigación de Kurniawan sintetizó tres ésteres acetales derivados del pentanal mediante un método sonoquímico que empleaba los principios de la química verde. La sonicación se utilizó para promover dos pasos químicos:

1. Esterificación del ácido 9,10-dihidroxioctadecanoico
2. Acetalización de 9,10-dihidroxioctadecanoato de alquilo

Para producir los ésteres de alquil 9,10- dihidroxiestearato se requieren dos pasos y se obtuvieron rendimientos del 67-85%. Para evaluar la eficacia, se comparó el método sonoquímico con la técnica convencional de reflujo. Además, se utilizaron catalizadores ácidos homogéneos y sólidos, a saber, ácido sulfúrico (H2SO4), bentonita natural y H-bentonita, para determinar la influencia y la eficiencia de los distintos catalizadores. Se descubrió que la esterificación sonoquímica del ácido catalizada por H-bentonita daba productos con un rendimiento de hasta el 70% en un tiempo de reacción 3 veces más corto que el método de reflujo, lo cual es notable. El paso final de acetalización con n-pentanal en presencia de H-bentonita mediante ultrasonidos proporcionó tres derivados de pentanal dioxolano con rendimientos del 69-85%, superiores a los del método convencional. El método de reflujo requirió un tiempo de reacción más largo que el método sonoquímico, ya que la síntesis ultrasónica sólo requirió 10-30min. Además del tiempo de reacción significativamente más corto bajo sonicación, se obtuvo un rendimiento notable de cada éster utilizando el método sonoquímico.
El investigador también calculó que los requisitos energéticos de la reacción sonoquímica son aproximadamente 62 veces inferiores a los del método convencional. Esto reduce los costes y es respetuoso con el medio ambiente.
El examen de las propiedades fisicoquímicas de cada producto reveló que el 8-(2-butil-5-octil-1,3-dioxolan-4-il)octanoato de metilo es un nuevo biolubricante potencial con las funcionalidades necesarias para sustituir a los lubricantes comunes. (cf. Kurniawan et al., 2021)

Transesterificación de ésteres de pentaeritrilo mediante ultrasonidos

Los ésteres pentaeritrílicos pueden obtenerse a partir de aceites vegetales como el de girasol, linaza y jatrofa. El equipo de investigación de Hashem demostró la síntesis de lubricantes biobasados mediante transesterificaciones sucesivas catalizadas por bases que implican dos pasos de transesterificación. Demostraron la viabilidad de la síntesis con aceite de girasol, linaza y jatrofa. En el primer paso, los aceites se convirtieron en los correspondientes ésteres metílicos. En el segundo proceso, los ésteres metílicos se convirtieron en ésteres pentaeritílicos por la acción del pentaeritritol, como se muestra en el siguiente esquema: (cf. Hashem et al., 2013)

Tras la transesterificación del aceite vegetal a éster metílico, los ésteres metílicos se convierten en ésteres pentaeritílicos por la acción del pentaeritritol, como se muestra en el esquema anterior.
(cf. Hashem et al., 2013)

Los efectos significativamente potenciadores de la reacción de la ultrasonicación en la transesterificación están científicamente probados y ya desde hace décadas adoptados industrialmente. El ejemplo más destacado de tranesterificación mejorada por ultrasonidos es la conversión de aceites y grasas en éster metílico de ácidos grasos (FAME), conocido como biodiésel.
Más información sobre la transesterificación asistida por ultrasonidos de aceites y grasas (residuales) para obtener biodiésel.

Sondas ultrasónicas y reactores para transesterificación y otras síntesis químicas

Hielscher Ultrasonics es su especialista cuando se trata de sofisticados ultrasonidos de alto rendimiento para reacciones sonoquímicas. Hielscher diseña, fabrica y distribuye ultrasonicadores de alta potencia y accesorios como sondas (sonotrodos), reactores y celdas de flujo de cualquier tamaño y abastece tanto a laboratorios químicos como a instalaciones de producción química a escala industrial. Desde dispositivos ultrasónicos compactos para laboratorio hasta sondas y reactores ultrasónicos industriales, Hielscher tiene el sistema ultrasónico ideal para su proceso. Con una larga experiencia en aplicaciones como la sono-catálisis y la sono-síntesis, nuestro personal bien formado le recomendará la configuración más adecuada para sus necesidades.
Hielscher Ultrasonics fabrica sistemas de ultrasonidos de alto rendimiento, muy robustos y capaces de emitir ondas de ultrasonidos intensas, ya que todos los ultrasonidos industriales de Hielscher pueden emitir amplitudes muy elevadas en funcionamiento continuo (24/7). Los robustos sistemas de ultrasonidos apenas requieren mantenimiento y están construidos para funcionar. Esto hace que los equipos de ultrasonidos de Hielscher sean fiables para aplicaciones pesadas en condiciones exigentes. También hay disponibles sonotrodos especiales para altas temperaturas o productos químicos muy agresivos.
Máxima calidad – Diseñado y fabricado en Alemania: Todos los equipos se diseñan y fabrican en nuestra sede de Alemania. Antes de su entrega al cliente, todos los equipos de ultrasonidos se prueban cuidadosamente a plena carga. Nos esforzamos por satisfacer al cliente y nuestra producción está estructurada para cumplir las máximas garantías de calidad (por ejemplo, certificación ISO).

En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores: