Synthèse de polyols par transestérification ultrasonique

Les polyols sont des esters synthétiques produits principalement par transestérification de triglycérides provenant d'huiles végétales ou de graisses animales. Ces polyols sont des matières premières pour la production de polyuréthanes, de biolubrifiants et d'autres produits chimiques. Les ultrasons sont utilisés pour améliorer les réactions de transestérification en appliquant des forces de cisaillement intenses et de l'énergie thermique. Les ultrasons et leurs effets sonochimiques fournissent l'énergie nécessaire à la réaction et aident à surmonter les limites du transfert de masse. Ainsi, la sonication améliore considérablement la vitesse de transestérification, le rendement et l'efficacité globale.

Transestérification assistée par ultrasons

Les réactions de transestérification constituent l'une des voies de synthèse les plus importantes et sont largement utilisées comme technique efficace pour convertir les huiles végétales en substituts de produits pétroliers. La sono-synthèse (ou synthèse sonochimique, c'est-à-dire la synthèse chimique favorisée par des ultrasons à haute performance) est bien connue pour ses effets bénéfiques sur la transestérification ainsi que sur d'autres processus chimiques.

Synthèse durable de polyols à partir d'huiles végétales à l'aide d'ultrasons

Les acides gras d'origine végétale, c'est-à-dire les huiles végétales, sont des matières premières largement disponibles et renouvelables qui peuvent être utilisées pour la préparation de polyols et de polyuréthanes d'origine biologique. L'application d'ultrasons de puissance crée des effets sonochimiques favorables qui accélèrent considérablement la réaction catalytique de transestérification. En outre, la sonication améliore le rendement des polyols synthétisés, car l'énergie de mélange intense de la cavitation acoustique surmonte la limitation du transfert de masse. Les réactions de transestérification par ultrasons sont bien connues pour fonctionner efficacement avec moins d'alcool et de catalyseur que les réactions de transestérification conventionnelles. L'efficacité globale de la transestérification par ultrasons s'en trouve donc améliorée.

Synthèse ultrasonique d'un biolubrifiant à base d'ester de pentaérythritol

L'ester de pentaérythritol peut être synthétisé efficacement à partir de l'huile de colza par un procédé sonochimique en deux étapes, comme l'a démontré l'équipe de recherche d'Arumugam. Dans leur étude d'optimisation, les chercheurs ont utilisé l'ultrasoniseur Hielscher UP400St (voir image à gauche). Lors de la première transestérification sonochimique, l'huile de colza est transformée en ester méthylique par réaction avec le méthanol. Lors de la deuxième étape de transestérification, l'ester méthylique réagit avec du xylène et un catalyseur pour donner de l'ester de pentaérythritol. Le chercheur s'est concentré sur l'optimisation des paramètres du processus ultrasonique afin d'améliorer le rendement et l'efficacité globale de la synthèse de l'ester de pentaérythritol sous ultrasons. Un rendement amélioré de 81,4 % d'ester de pentaérythritol a été obtenu avec une impulsion ultrasonique de 15 s, une amplitude ultrasonique de 60 %, une concentration de catalyseur de 1,5 % en poids et une température de réaction de 100 °C. Pour le contrôle de la qualité, l'ester de pentaérythritol synthétisé par voie sonochimique a été comparé à de l'huile de compresseur de qualité synthétique. En conclusion, l'étude suggère que le processus de transestérification successive promu par ultrasons est une méthode efficace pour remplacer le processus conventionnel de transestérification successive pour la synthèse de biolubrifiants à base d'ester de pentaérythritol. Les principaux avantages du processus de transestérification ultrasonique sont des rendements accrus en ester de pentaérythritol, un temps de réaction plus court et des températures de réaction nettement plus basses. (cf. Arumugam et al., 2019)

Transestérification en deux étapes, intensifiée par ultrasons, de l'huile de colza en ester de pentaérythritol.
(adapté de Arumugam et al., 2019)

Esters acétals dérivés du pentanal par synthèse ultrasonique

L'équipe de recherche de Kurniawan a synthétisé trois esters d'acétal dérivés du pentanal par une méthode sonochimique utilisant les principes de la chimie verte. La sonication a été utilisée pour promouvoir deux étapes chimiques :

1. Estérification de l'acide 9,10-dihydroxyoctadécanoïque
2. Acétalyse de l'alkyl 9,10-dihydroxyoctadécanoate

Pour produire les esters de dihydroxystéarate d'alkyle 9,10, deux étapes sont nécessaires et des rendements de 67 à 85 % ont été obtenus. Pour l'évaluation de l'efficacité, la méthode sonochimique a été comparée à la technique conventionnelle à reflux. En outre, des catalyseurs homogènes et solides, à savoir l'acide sulfurique (H2SO4), la bentonite naturelle et la bentonite H, ont été utilisés pour déterminer l'influence et l'efficacité des différents catalyseurs. Il a été constaté que l'estérification sonochimique de l'acide catalysée par la H-bentonite donnait des produits avec un rendement allant jusqu'à 70 % en un temps de réaction trois fois plus court que la méthode du reflux, ce qui est remarquable. L'étape finale d'acétalisation avec le n-pentanal en présence de H-bentonite à l'aide d'ultrasons a permis d'obtenir trois dérivés dioxolanes dérivés du pentanal avec des rendements de 69 à 85 %, ce qui est supérieur à la méthode conventionnelle. La méthode à reflux a nécessité un temps de réaction plus long que la méthode sonochimique, alors que la synthèse par ultrasons n'a nécessité que 10 à 30 minutes. En plus du temps de réaction significativement plus court sous sonication, un rendement remarquable de chaque ester a été obtenu en utilisant la méthode sonochimique.
Le chercheur a également calculé que les besoins en énergie de la réaction sonochimique sont environ 62 fois inférieurs à ceux de la méthode conventionnelle. Cela permet de réduire les coûts et de respecter l'environnement.
L'examen des propriétés physicochimiques de chaque produit a révélé que le 8-(2-butyl-5-octyl-1,3-dioxolan-4-yl)octanoate de méthyle est un nouveau biolubrifiant potentiel doté des fonctionnalités nécessaires pour remplacer les lubrifiants courants. (cf. Kurniawan et al., 2021)

Transestérification d'esters de pentaérythryle à l'aide d'ultrasons

Les esters pentaérythryliques peuvent être obtenus à partir d'huiles végétales telles que l'huile de tournesol, de lin et de jatropha. L'équipe de recherche de Hashem a démontré la synthèse de lubrifiants biosourcés par le biais de transestérifications successives catalysées par une base et comportant deux étapes de transestérification. Ils ont démontré la faisabilité de la synthèse en utilisant les huiles de tournesol, de lin et de jatropha. Dans la première étape, les huiles ont été converties en esters méthyliques correspondants. Dans la deuxième étape, les esters méthyliques ont été convertis en esters pentaérythryliques par l'action du pentaérythritol, comme le montre le schéma suivant : (cf. Hashem et al., 2013)

Après la transestérification de l'huile végétale en ester méthylique, les esters méthyliques sont convertis en esters pentaérythryliques par l'action du pentaérythritol, comme le montre le schéma ci-dessus.
(cf. Hashem et al., 2013)

Les effets de l'ultrason sur la transestérification, qui améliorent considérablement la réaction, sont scientifiquement prouvés et adoptés par l'industrie depuis des dizaines d'années. L'exemple le plus marquant de la transestérification améliorée par ultrasons est la conversion des huiles et des graisses en esters méthyliques d'acides gras (EMAG), connus sous le nom de biodiesel.
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Sondes et réacteurs à ultrasons pour la transestérification et d'autres synthèses chimiques

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