Sintesi dei polioli mediante transesterificazione a ultrasuoni

I polioli sono esteri sintetici prodotti principalmente mediante transesterificazione dei trigliceridi provenienti da oli vegetali o grassi animali. Questi polioli sono materie prime per la produzione di poliuretani, biolubrificanti e altre sostanze chimiche. La sonicazione viene utilizzata per migliorare le reazioni di transesterificazione applicando intense forze di taglio ed energia termica. Gli ultrasuoni e i loro effetti sonochimici forniscono energia alla reazione e aiutano a superare le limitazioni del trasferimento di massa. La sonicazione migliora quindi significativamente la velocità, la resa e l’efficienza complessiva della transesterificazione.

Transesterificazione assistita da ultrasuoni

Le reazioni di transesterificazione costituiscono una delle vie di sintesi più importanti e sono ampiamente utilizzate come tecnica efficace per convertire gli oli vegetali in sostituti dei prodotti petroliferi. La sonosintesi (detta anche sintesi sonochimica, ossia sintesi chimica promossa mediante ultrasuoni ad alte prestazioni) è ben nota per i suoi effetti benefici sulla transesterificazione e su altri processi chimici.

Sintesi sostenibile dei polioli da oli vegetali mediante ultrasuoni

Gli acidi grassi di origine vegetale, ossia gli oli vegetali, sono una materia prima ampiamente disponibile e rinnovabile e possono essere utilizzati per preparare polioli e poliuretani di origine biologica. L’applicazione di ultrasuoni di potenza genera effetti sonochimici favorevoli, che accelerano significativamente la reazione catalitica di transesterificazione. Inoltre, la sonicazione aumenta la resa dei polioli sintetizzati, poiché l’intensa energia di miscelazione della cavitazione acustica supera le limitazioni del trasferimento di massa. È ben noto che le reazioni di transesterificazione a ultrasuoni si svolgono in modo efficiente con quantità di alcol e catalizzatore inferiori rispetto alle reazioni di transesterificazione convenzionali. Ciò migliora l’efficienza complessiva grazie alla sonicazione.

Sintesi a ultrasuoni di un biolubrificante a base di estere del pentaeritritolo

L’estere del pentaeritritolo può essere sintetizzato in modo efficiente dall’olio di colza mediante un processo sonochimico in due fasi, come dimostrato dal gruppo di ricerca di Arumugam. Nel loro studio di ottimizzazione, i ricercatori hanno utilizzato il sonicatore Hielscher UP400St (vedere l’immagine a sinistra). Nella prima transesterificazione promossa per via sonochimica, l’olio di colza viene fatto reagire con metanolo per ottenere un estere metilico. Nella seconda fase di transesterificazione, l’estere metilico reagisce con xilene e un catalizzatore per formare un estere del pentaeritritolo. I ricercatori si sono concentrati sull’ottimizzazione dei parametri del processo a ultrasuoni per aumentare la resa e l’efficienza complessiva della sintesi dell’estere del pentaeritritolo sotto ultrasuoni. È stata ottenuta una resa migliorata dell’81,4% di estere del pentaeritritolo con un impulso ultrasonico di 15 s, un’ampiezza ultrasonica del 60%, una concentrazione del catalizzatore di 1,5 wt% e una temperatura di reazione di 100°C. Per il controllo qualità, l’estere del pentaeritritolo sintetizzato per via sonochimica è stato confrontato con un olio sintetico per compressori. In conclusione, lo studio suggerisce che il processo di transesterificazione successiva promosso dagli ultrasuoni sia un metodo efficiente per sostituire il processo di transesterificazione successiva convenzionale nella sintesi di un biolubrificante a base di estere del pentaeritritolo. I principali vantaggi del processo di transesterificazione a ultrasuoni sono rese maggiori di estere del pentaeritritolo, un tempo di reazione ridotto e temperature di reazione significativamente inferiori. (cfr. Arumugam et al., 2019)

Transesterificazione in due fasi dell’olio di colza in estere del pentaeritritolo, intensificata mediante ultrasuoni.
(adattato da Arumugam et al., 2019)

Esteri acetalici derivati dal pentanale mediante sintesi a ultrasuoni

Il gruppo di ricerca di Kurniawan ha sintetizzato tre esteri acetalici derivati dal pentanale mediante un metodo sonochimico, applicando i principi della chimica verde. La sonicazione è stata utilizzata per promuovere due fasi chimiche:

1. Esterificazione dell’acido 9,10-diidrossiottadecanoico
2. Acetalizzazione del 9,10-diidrossiottadecanoato di alchile

Per produrre gli esteri del 9,10-diidrossistearato di alchile sono necessarie due fasi e sono state ottenute rese del 67–85%. Per valutare l’efficienza, il metodo sonochimico è stato confrontato con la tecnica convenzionale a riflusso. Inoltre, sono stati utilizzati catalizzatori acidi omogenei e solidi, ossia acido solforico (H2SO4), bentonite naturale e H-bentonite, per determinare l’influenza e l’efficienza dei diversi catalizzatori. È stato riscontrato che l’esterificazione sonochimica dell’acido catalizzata da H-bentonite ha fornito prodotti con rese fino al 70% in un tempo di reazione 3 volte più breve rispetto al metodo a riflusso, un risultato considerevole. La fase finale di acetalizzazione con n-pentanale in presenza di H-bentonite, mediante sonicazione, ha fornito tre derivati diossolanici del pentanale con rese del 69–85%, superiori a quelle del metodo convenzionale. Il metodo a riflusso ha richiesto un tempo di reazione più lungo rispetto al metodo sonochimico, poiché la sintesi a ultrasuoni ha richiesto soltanto 10–30min. Oltre al tempo di reazione significativamente più breve sotto sonicazione, il metodo sonochimico ha consentito di ottenere una resa considerevole per ciascun estere.
I ricercatori hanno inoltre calcolato che il fabbisogno energetico della reazione sonochimica è circa 62 volte inferiore a quello del metodo convenzionale. Ciò riduce i costi ed è rispettoso dell’ambiente.
L’esame delle proprietà fisico-chimiche di ciascun prodotto ha rivelato che l’8-(2-butil-5-ottil-1,3-diossolan-4-il)ottanoato di metile è un potenziale nuovo biolubrificante con funzionalità tali da sostituire i lubrificanti comuni. (cfr. Kurniawan et al., 2021)

Transesterificazione degli esteri del pentaeritritolo mediante ultrasuoni

Gli esteri del pentaeritritolo possono essere ottenuti da oli vegetali quali l’olio di girasole, di lino e di jatropha. Il gruppo di ricerca di Hashem ha dimostrato la sintesi di lubrificanti di origine biologica mediante transesterificazioni successive catalizzate da basi, comprendenti due fasi di transesterificazione. Ha dimostrato la fattibilità della sintesi utilizzando olio di girasole, di lino e di jatropha. Nella prima fase, gli oli sono stati convertiti nei corrispondenti esteri metilici. Nel secondo processo, gli esteri metilici sono stati convertiti in esteri del pentaeritritolo per azione del pentaeritritolo, come illustrato nello schema seguente: (cfr. Hashem et al., 2013)

Dopo la transesterificazione dell’olio vegetale in estere metilico, gli esteri metilici vengono convertiti in esteri del pentaeritritolo per azione del pentaeritritolo, come illustrato nello schema sopra.
(cfr. Hashem et al., 2013)

Gli effetti della sonicazione che migliorano significativamente la reazione di transesterificazione sono scientificamente dimostrati e vengono sfruttati a livello industriale già da decenni. L’esempio più noto di transesterificazione migliorata mediante ultrasuoni è la conversione di oli e grassi in esteri metilici degli acidi grassi (FAME), noti come biodiesel.
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Sonde e reattori a ultrasuoni per la transesterificazione e altre sintesi chimiche

Hielscher Ultrasonics è il vostro specialista in sonicatori sofisticati ad alte prestazioni per reazioni sonochimiche. Hielscher progetta, produce e distribuisce sonicatori ad alta potenza e accessori quali sonde (sonotrodi), reattori e celle di flusso di qualsiasi dimensione, rifornendo sia laboratori chimici sia impianti di produzione chimica su scala industriale. Dai dispositivi a ultrasuoni compatti da laboratorio alle sonde e ai reattori a ultrasuoni industriali, Hielscher dispone del sistema a ultrasuoni ideale per il vostro processo. Grazie alla lunga esperienza in applicazioni quali la sonocatalisi e la sonosintesi, il nostro personale qualificato vi consiglierà la configurazione più adatta alle vostre esigenze.
Hielscher Ultrasonics produce sistemi a ultrasuoni ad alte prestazioni, estremamente robusti e capaci di generare intense onde ultrasoniche, poiché tutti i sonicatori industriali Hielscher possono erogare ampiezze molto elevate durante il funzionamento continuo (24/7). I robusti sistemi a ultrasuoni richiedono una manutenzione pressoché nulla e sono costruiti per funzionare. Ciò rende le apparecchiature a ultrasuoni Hielscher affidabili per applicazioni gravose in condizioni impegnative. Sono disponibili anche sonotrodi speciali per alte temperature o ambienti chimici molto aggressivi.
Massima qualità – Progettati e prodotti in Germania: Tutte le apparecchiature sono progettate e prodotte presso la nostra sede centrale in Germania. Prima della consegna al cliente, ogni dispositivo a ultrasuoni viene accuratamente collaudato a pieno carico. Puntiamo alla soddisfazione del cliente e la nostra produzione è organizzata per soddisfare i più elevati requisiti di garanzia della qualità (ad esempio, la certificazione ISO).

La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori: