Sintesi di polioli tramite transesterificazione a ultrasuoni

I polioli sono esteri sintetici prodotti principalmente attraverso la transesterificazione di trigliceridi da oli vegetali o grassi animali. Questi polioli sono la materia prima per la produzione di poliuretani, biolubrificanti e altri prodotti chimici. Gli ultrasuoni vengono utilizzati per potenziare le reazioni di transesterificazione applicando intense forze di taglio ed energia termica. Gli ultrasuoni e i loro effetti sicochimici forniscono energia di reazione e aiutano a superare le limitazioni del trasferimento di massa. In questo modo, la sonicazione migliora significativamente la velocità di transesterificazione, la resa e l'efficienza complessiva.

Transesterificazione assistita da ultrasuoni

Le reazioni di transesterificazione sono una delle vie di sintesi più importanti e sono ampiamente utilizzate come tecnica efficace per convertire gli oli vegetali in prodotti sostitutivi del petrolio. La sono-sintesi (anche sintesi sonochemica, ovvero la sintesi chimica promossa tramite ultrasuoni ad alte prestazioni) è ben nota per i suoi effetti benefici sulla transesterificazione e su altri processi chimici.

Sintesi sostenibile di polioli da oli vegetali con gli ultrasuoni

Gli acidi grassi di origine vegetale, cioè gli oli vegetali, sono una materia prima ampiamente disponibile e rinnovabile e possono essere utilizzati per la preparazione di polioli e poliuretani biobased. L'applicazione di ultrasuoni di potenza crea effetti sicochimici 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 la limitazione del trasferimento di massa. È noto che le reazioni di transesterificazione a ultrasuoni funzionano in modo efficiente con una quantità di alcol e catalizzatore inferiore rispetto alle reazioni di transesterificazione convenzionali. Questo porta a un miglioramento dell'efficienza complessiva grazie agli ultrasuoni.

Sintesi a ultrasuoni di un biolubrificante a base di esteri di pentaeritritolo

L'estere di pentaeritritolo può essere sintetizzato in modo efficiente dall'olio di colza attraverso un processo sonochemico a due fasi, come dimostrato dal team di ricerca di Arumugam. Nel loro studio di ottimizzazione, i ricercatori hanno utilizzato l'ultrasuonatore Hielscher UP400St (vedi foto a sinistra). Nella prima fase di transesterificazione promossa per via sonica, l'olio di colza viene fatto reagire con il metanolo e trasformato in estere metilico. Nella seconda fase di transesterificazione, l'estere metilico reagisce con lo xilene e un catalizzatore per ottenere l'estere pentaeritritolo. I ricercatori si sono concentrati sull'ottimizzazione dei parametri del processo a ultrasuoni per aumentare la resa e l'efficienza complessiva della sintesi del pentaeritritolo estere sotto ultrasuoni. Il miglioramento della resa dell'81,4% del pentaeritritolo estere è stato ottenuto con un impulso ultrasonico di 15 s, un'ampiezza ultrasonica del 60%, una concentrazione di catalizzatore dell'1,5% in peso e la temperatura di reazione di 100°C. Per il controllo della qualità, l'estere di pentaeritritolo sintetizzato per via sonica è stato confrontato con olio per compressori di grado sintetico. In conclusione, lo studio suggerisce che il processo di transesterificazione successiva promosso dagli ultrasuoni è un metodo efficiente per sostituire il processo di transesterificazione successiva convenzionale per la sintesi di biolubrificanti a base di esteri di pentaeritritolo. I principali vantaggi del processo di transesterificazione a ultrasuoni sono l'aumento delle rese di esteri di pentaeritritolo, un tempo di reazione ridotto e temperature di reazione significativamente più basse. (cfr. Arumugam et al., 2019)

Transesterificazione a due stadi intensificata con ultrasuoni dell'olio di colza fino all'estere di pentaeritritolo.
(adattato da Arumugam et al., 2019)

Esteri acetali derivati dal pentanale tramite sintesi ad ultrasuoni

Il gruppo di ricerca di Kurniawan ha sintetizzato tre esteri acetali derivati dal pentanale attraverso il metodo sonochemico utilizzando i principi della chimica verde. La sonicazione è stata utilizzata per promuovere due fasi chimiche:

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

Per produrre gli esteri dell'alchil 9,10-diidrossistearato sono necessari due passaggi e sono state ottenute rese del 67-85%. Per valutare l'efficienza, il metodo sonochemico è stato confrontato con la tecnica convenzionale a riflusso. Inoltre, sono stati utilizzati catalizzatori acidi omogenei e solidi, ovvero acido solforico (H2SO4), bentonite naturale e H-bentonite, per determinare l'influenza e l'efficienza dei vari catalizzatori. È stato riscontrato che l'esterificazione sonochemica dell'acido catalizzata dalla H-bentonite ha dato prodotti con una resa fino al 70% in un tempo di reazione 3 volte inferiore rispetto al metodo a riflusso, il che è notevole. La fase finale di acetificazione con n-pentanale in presenza di H-bentonite mediante ultrasuoni ha permesso di ottenere tre derivati del pentanale in 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 sonochemico, poiché la sintesi a ultrasuoni ha richiesto solo 10-30 minuti. Oltre al tempo di reazione significativamente più breve con la sonicazione, è stata ottenuta una resa notevole di ciascun estere con il metodo sicochimico.
Il ricercatore ha inoltre calcolato che il fabbisogno energetico della reazione stereochimica è circa 62 volte inferiore a quello del metodo convenzionale. Questo riduce i costi e rispetta l'ambiente.
L'esame delle proprietà fisico-chimiche di ciascun prodotto ha rivelato che il metile 8-(2-butil-5-ottil-1,3-diossolan-4-il)ottanoato è un potenziale nuovo biolubrificante con le funzionalità per sostituire i lubrificanti comuni. (cfr. Kurniawan et al., 2021)

Transesterificazione degli esteri pentaeritrilici con gli ultrasuoni

Gli esteri pentaeritrilici possono essere ottenuti da oli vegetali come quello di girasole, di lino e di jatropha. Il gruppo di ricerca di Hashem ha dimostrato la sintesi di lubrificanti biobased attraverso una successiva transesterificazione catalizzata da basi che prevede due fasi di transesterificazione. Hanno 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 pentaeritrilici dall'azione del pentaeritritolo, come mostrato nel seguente schema: (cfr. Hashem et al., 2013)

Dopo la transesterificazione dell'olio vegetale in estere metilico, gli esteri metilici vengono convertiti in esteri pentaeritrilici dall'azione del pentaeritritolo, come mostrato nello schema precedente.
(cfr. Hashem et al., 2013)

Gli effetti dell'ultrasuono sulla transesterificazione, che migliorano significativamente la reazione, sono scientificamente provati e già da decenni adottati a livello industriale. L'esempio più importante di miglioramento della transesterificazione mediante ultrasuoni è la conversione di oli e grassi in esteri metilici degli acidi grassi (FAME), noti come biodiesel.
Per saperne di più sulla transesterificazione assistita da ultrasuoni di oli e grassi (di scarto) in biodiesel!

Sonde e reattori a ultrasuoni per la transesterificazione e altre sintesi chimiche

Hielscher Ultrasonics è il vostro specialista quando si tratta di sofisticati ultrasuonatori ad alte prestazioni per le reazioni sicochimiche. Hielscher progetta, produce e distribuisce ultrasuonatori ad alta potenza e accessori come sonde (sonotrodi), reattori e celle a flusso di qualsiasi dimensione e fornisce laboratori chimici e impianti di produzione chimica su scala industriale. Dai dispositivi compatti a ultrasuoni da laboratorio alle sonde e ai reattori a ultrasuoni industriali, Hielscher ha il sistema a ultrasuoni ideale per il vostro processo. Con una lunga esperienza in applicazioni come la sono-catalisi e la sono-sintesi, il nostro personale ben addestrato vi consiglierà la configurazione più adatta alle vostre esigenze.
Hielscher Ultrasonics produce sistemi a ultrasuoni ad alte prestazioni di grande robustezza e in grado di erogare onde ultrasonore intense, poiché tutti gli ultrasuonatori industriali Hielscher possono erogare ampiezze molto elevate in funzionamento continuo (24 ore su 24, 7 giorni su 7). I robusti sistemi a ultrasuoni non richiedono quasi alcuna manutenzione e sono costruiti per funzionare. Questo rende le apparecchiature a ultrasuoni Hielscher affidabili per applicazioni pesanti in condizioni difficili. Sono disponibili anche sonotrodi speciali per alte temperature o per prodotti chimici molto aggressivi.
Massima qualità – Progettato e realizzato in Germania: Tutte le apparecchiature sono progettate e prodotte nella nostra sede centrale in Germania. Prima della consegna al cliente, ogni dispositivo a ultrasuoni viene accuratamente testato a pieno carico. Il nostro obiettivo è la soddisfazione del cliente e la nostra produzione è strutturata in modo da soddisfare i più alti standard di qualità (ad esempio, la certificazione ISO).

La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori: