Síntesis de polioles mediante transesterificación ultrasónica

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

Transesterificación asistida por ultrasonidos

Las reacciones de transesterificación constituyen una de las vías de síntesis más importantes y se utilizan ampliamente como técnica eficaz para convertir aceites vegetales en sustitutos de productos derivados del petróleo. La sonosíntesis –también denominada síntesis sonoquímica, es decir, síntesis química promovida mediante ultrasonidos de alto rendimiento– es bien conocida por sus efectos beneficiosos sobre la transesterificación y otros procesos químicos.

Síntesis sostenible de polioles a partir de aceites vegetales mediante ultrasonidos

Los ácidos grasos de origen vegetal, es decir, los aceites vegetales, son una materia prima renovable y ampliamente disponible que puede utilizarse para preparar polioles y poliuretanos de origen biológico. La aplicación de ultrasonidos de potencia genera efectos sonoquímicos favorables que aceleran significativamente la reacción catalítica de transesterificación. Además, la sonicación aumenta el rendimiento de los polioles sintetizados, ya que la intensa energía de mezcla de la cavitación acústica permite superar las limitaciones de transferencia de masa. Es bien sabido que las reacciones de transesterificación ultrasónica se desarrollan de forma eficiente con menores cantidades de alcohol y catalizador que las reacciones de transesterificación convencionales. Esto mejora la eficiencia global gracias a la sonicación.

Síntesis ultrasónica de un biolubricante a base de éster de pentaeritritol

El éster de pentaeritritol puede sintetizarse de forma eficiente a partir de aceite de colza mediante un proceso sonoquímico de dos etapas, como demostró el equipo de investigación de Arumugam. En su estudio de optimización, los investigadores utilizaron el sonicador UP400St de Hielscher (véase la imagen de la izquierda). En la primera transesterificación promovida por efectos sonoquímicos, el aceite de colza reacciona con metanol para formar éster metílico. En la segunda etapa de transesterificación, el éster metílico reacciona con xileno y un catalizador para formar éster de pentaeritritol. El investigador se centró en optimizar los parámetros del proceso ultrasónico para aumentar el rendimiento y la eficiencia global de la síntesis de éster de pentaeritritol bajo ultrasonidos. Se alcanzó un rendimiento mejorado de éster de pentaeritritol del 81,4% con un pulso ultrasónico de 15 s, una amplitud ultrasónica del 60%, una concentración de catalizador del 1,5 wt% y una temperatura de reacción de 100 °C. Para el control de calidad, el éster de pentaeritritol sintetizado por vía sonoquímica se comparó con un aceite sintético para compresores. En conclusión, el estudio indica que el proceso de transesterificación sucesiva promovido por ultrasonidos es un método eficiente para sustituir el proceso convencional de transesterificación sucesiva en la síntesis de biolubricantes a base de éster de pentaeritritol. Las principales ventajas del proceso de transesterificación ultrasónica son un mayor rendimiento de éster de pentaeritritol, un tiempo de reacción más corto y temperaturas de reacción significativamente más bajas. (cf. Arumugam et al., 2019)

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

Ésteres acetálicos derivados del pentanal mediante síntesis ultrasónica

El equipo de investigación de Kurniawan sintetizó tres ésteres acetálicos derivados del pentanal mediante un método sonoquímico basado en los principios de la química verde. La sonicación se utilizó para promover dos etapas químicas:

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

Para producir los ésteres de 9,10-dihidroxiestearato de alquilo se requieren dos etapas, y se obtuvieron rendimientos del 67–85%. Para evaluar la eficiencia, el método sonoquímico se comparó con la técnica convencional de reflujo. Además, se utilizaron catalizadores ácidos homogéneos y sólidos, concretamente ácido sulfúrico (H2SO4), bentonita natural y H-bentonita, para determinar la influencia y la eficiencia de diversos catalizadores. Se observó que la esterificación sonoquímica del ácido catalizada por H-bentonita proporcionó productos con un rendimiento de hasta el 70% en un tiempo de reacción 3 veces más corto que el del método de reflujo, lo que constituye un resultado notable. La etapa final de acetalización con n-pentanal en presencia de H-bentonita mediante sonicación permitió obtener tres derivados del dioxolano procedentes del pentanal con rendimientos del 69–85%, superiores a los del método convencional. El método de reflujo requirió un tiempo de reacción mayor que el método sonoquímico, ya que la síntesis ultrasónica solo necesitó 10–30 min. Además de un tiempo de reacción significativamente más corto bajo sonicación, el método sonoquímico permitió obtener un rendimiento notable de cada éster.
El investigador también calculó que las necesidades energéticas de la reacción sonoquímica son aproximadamente 62 veces menores que las del método convencional. Esto reduce los costes y resulta 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 posible biolubricante novedoso con las funcionalidades necesarias para sustituir a los lubricantes habituales. (cf. Kurniawan et al., 2021)

Transesterificación de ésteres de pentaeritritilo mediante ultrasonidos

Los ésteres de pentaeritritilo pueden obtenerse a partir de aceites vegetales, como los de girasol, linaza y jatrofa. El equipo de investigación de Hashem demostró la síntesis de lubricantes de origen biológico mediante transesterificaciones sucesivas catalizadas por una base, en un proceso de dos etapas de transesterificación. Demostraron la viabilidad de la síntesis utilizando aceites de girasol, linaza y jatrofa. En la primera etapa, los aceites se convirtieron en los ésteres metílicos correspondientes. En la segunda, los ésteres metílicos se convirtieron en ésteres de pentaeritritilo por la acción del pentaeritritol, como se muestra en el siguiente esquema: (cf. Hashem et al., 2013)

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

Los efectos de la sonicación que intensifican significativamente la reacción de transesterificación están científicamente demostrados y se aplican en la industria desde hace décadas. El ejemplo más destacado de transesterificación mejorada mediante ultrasonidos es la conversión de aceites y grasas en ésteres metílicos de ácidos grasos (FAME), conocidos como biodiésel.
¡Lea más sobre la transesterificación asistida por ultrasonidos de aceites y grasas (residuales) en biodiésel!

Sondas y reactores ultrasónicos para transesterificación y otras síntesis químicas

Hielscher Ultrasonics es su especialista en sonicadores avanzados de alto rendimiento para reacciones sonoquímicas. Hielscher diseña, fabrica y distribuye sonicadores de alta potencia y accesorios como sondas (sonotrodos), reactores y celdas de flujo de todos los tamaños, y suministra equipos tanto a laboratorios químicos como a instalaciones de producción química a escala industrial. Desde equipos ultrasónicos compactos de laboratorio hasta sondas y reactores ultrasónicos industriales, Hielscher dispone del sistema ultrasónico ideal para su proceso. Gracias a nuestra amplia experiencia en aplicaciones como la sonocatálisis y la sonosíntesis, nuestro personal cualificado le recomendará la configuración más adecuada para sus necesidades.
Hielscher Ultrasonics fabrica sistemas ultrasónicos de alto rendimiento, extremadamente robustos y capaces de generar ondas ultrasónicas intensas, ya que todos los sonicadores industriales de Hielscher pueden proporcionar amplitudes muy elevadas en funcionamiento continuo (24/7). Los robustos sistemas ultrasónicos apenas requieren mantenimiento y están construidos para funcionar de forma continua. Esto hace que los equipos ultrasónicos de Hielscher sean fiables para aplicaciones de uso intensivo en condiciones exigentes. También se ofrecen sonotrodos especiales para altas temperaturas o entornos químicos muy agresivos.
Máxima calidad – Diseñado y fabricado en Alemania: Todos los equipos se diseñan y fabrican en nuestra sede central en Alemania. Antes de su entrega al cliente, cada equipo ultrasónico se somete a pruebas exhaustivas a plena carga. Nos esforzamos por satisfacer a nuestros clientes y nuestra producción está organizada para cumplir las máximas exigencias de aseguramiento de la calidad (por ejemplo, certificación ISO).

La tabla siguiente ofrece una orientación sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores: