Synthèse de polyols par transestérification aux ultrasons

Les polyols sont des esters synthétiques produits principalement par transestérification de triglycérides issus d’huiles végétales ou de graisses animales. Ces polyols sont une matière première pour la production de polyuréthanes, de biolubrifiants et d’autres produits chimiques. L’ultrasonication est utilisée pour améliorer les réactions de transestérification en appliquant d’intenses forces de cisaillement et de l’énergie thermique. Les ultrasons et leurs effets sonochimiques fournissent l’énergie de réaction et aident à surmonter les limitations du transfert de masse. Ainsi, la sonication améliore significativement la vitesse, le rendement et l’efficacité globale de la transestérification.

Transestérification assistée par ultrasons

Les réactions de transestérification sont 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 (également appelée synthèse sonochimique, c’est-à-dire une synthèse chimique favorisée par des ultrasons de haute performance) est bien connue pour ses effets bénéfiques sur la transestérification ainsi que sur d’autres procédés chimiques.

Synthèse durable de polyols à partir d’huiles végétales par ultrasons

Les acides gras d’origine végétale, c’est-à-dire les huiles végétales, sont une matière première largement disponible et renouvelable et peuvent être utilisés pour la préparation de polyols et de polyuréthanes biosourcés. L’application d’ultrasons de puissance crée des effets sonochimiques favorables, qui accélèrent significativement la réaction catalytique de transestérification. De plus, la sonication augmente le rendement en polyols synthétisés, car l’intense énergie de mélange de la cavitation acoustique surmonte la limitation du transfert de masse. Les réactions de transestérification aux ultrasons sont bien connues pour se dérouler efficacement avec moins d’alcool et de catalyseur que les réactions de transestérification conventionnelles. L’ultrasonication conduit ainsi à une meilleure efficacité globale.

Synthèse aux ultrasons d’un biolubrifiant à base d’ester de pentaérythritol

L’ester de pentaérythritol peut être synthétisé efficacement à partir d’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’ultrasonicateur Hielscher UP400St (voir photo à gauche). Lors de la première transestérification favorisée par sonochimie, l’huile de colza réagit avec le méthanol pour former un ester méthylique. Lors de la seconde étape de transestérification, l’ester méthylique réagit avec du xylène et un catalyseur pour former l’ester de pentaérythritol. Le chercheur s’est concentré sur l’optimisation des paramètres du procédé ultrasonore 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% en ester de pentaérythritol a été obtenu avec une impulsion ultrasonore de 15 s, une amplitude ultrasonore de 60%, une concentration de catalyseur de 1,5 wt% et une température de réaction de 100°C. Pour le contrôle qualité, l’ester de pentaérythritol synthétisé par sonochimie a été comparé à une huile de compresseur de qualité synthétique. En conclusion, l’étude suggère que le procédé de transestérification successive favorisé par ultrasons est une méthode efficace pour remplacer le procédé conventionnel de transestérification successive pour la synthèse de biolubrifiants à base d’ester de pentaérythritol. Les principaux avantages du procédé de transestérification aux ultrasons sont des rendements accrus en ester de pentaérythritol, un temps de réaction raccourci 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.
(d’après Arumugam et al., 2019)

Esters acétaliques dérivés du pentanal par synthèse aux ultrasons

L’équipe de recherche de Kurniawan a synthétisé trois esters acétaliques dérivés du pentanal par une méthode sonochimique appliquant les principes de la chimie verte. La sonication a été utilisée pour favoriser deux étapes chimiques :

1. Estérification de l’acide 9,10-dihydroxyoctadécanoïque
2. Acétalisation du 9,10-dihydroxyoctadécanoate d’alkyle

Pour produire les esters du 9,10-dihydroxystéarate d’alkyle, deux étapes sont nécessaires, et des rendements de 67–85% ont été obtenus. Pour évaluer l’efficacité, la méthode sonochimique a été comparée à la technique conventionnelle de reflux. En outre, des catalyseurs acides homogènes et solides, à savoir l’acide sulfurique (H2SO4), la bentonite naturelle et la H-bentonite, ont été utilisés pour déterminer l’influence et l’efficacité de divers 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 3 fois plus court qu’avec la méthode par reflux, ce qui est remarquable. L’étape finale d’acétalisation avec le n-pentanal en présence de H-bentonite sous ultrasonication a fourni trois dérivés de dioxolane dérivés du pentanal avec des rendements de 69–85%, supérieurs à ceux de la méthode conventionnelle. La méthode par reflux nécessitait un temps de réaction plus long que la méthode sonochimique, puisque la synthèse aux ultrasons ne nécessitait que 10–30min. Outre le temps de réaction nettement plus court sous sonication, un rendement remarquable a été obtenu pour chaque ester avec la méthode sonochimique.
Le chercheur a également calculé que les besoins énergétiques de la réaction sonochimique sont environ 62 fois inférieurs à ceux de la méthode conventionnelle. Cela réduit les coûts et respecte l’environnement.
L’examen des propriétés physico-chimiques 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 permettant de remplacer les lubrifiants courants. (cf. Kurniawan et al., 2021)

Transestérification d’esters de pentaérythryle par ultrasons

Les esters de pentaérythryle 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 des transestérifications successives catalysées par une base, comprenant deux étapes de transestérification. Les chercheurs ont démontré la faisabilité de la synthèse avec les huiles de tournesol, de lin et de jatropha. Lors de la première étape, les huiles ont été converties en esters méthyliques correspondants. Lors du second procédé, les esters méthyliques ont été convertis en esters de pentaérythryle 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 de pentaérythryle par l’action du pentaérythritol, comme le montre le schéma ci-dessus.
(cf. Hashem et al., 2013)

Les effets d’amélioration significative des réactions qu’exerce l’ultrasonication sur la transestérification sont scientifiquement prouvés et adoptés industriellement depuis des décennies. L’exemple le plus marquant de transestérification améliorée par ultrasons est la conversion d’huiles et de graisses en esters méthyliques d’acides gras (FAME), 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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Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicateurs :