超音波トランスエステル化によるポリオール合成

ポリオールは、主に植物油や動物性脂肪のトリグリセリドのトランスエステル化によって製造される合成エステルである。これらのポリオールは、ポリウレタン、バイオ潤滑油、その他の化学製品の原料になります。超音波処理は、強いせん断力と熱エネルギーを加えることにより、トランスエステル化反応を促進するために使用される。超音波とその超音波化学的効果は、反応エネルギーを供給し、物質移動の制限を克服するのに役立つ。これにより、超音波処理はトランスエステル化速度、収率、および全体的な効率を大幅に向上させる。

超音波アシスト・トランスエステル化

トランスエステル化反応は最も重要な合成経路の一つであり、植物油を石油製品の代替品に変換するための効果的な技術として広く用いられている。ソノシンセシス（ソノケミカル合成とも呼ばれ、高性能超音波によって促進される化学合成）は、トランスエステル化だけでなく、他の化学プロセスにも有益な効果をもたらすことでよく知られている。

超音波を用いた植物油からの持続可能なポリオール合成

植物由来の脂肪酸、すなわち植物油は、広く入手可能で再生可能な原料であり、バイオベースのポリオールやポリウレタンの調製に使用できる。パワー超音波を適用することで、トランスエステル化の触媒反応を著しく促進する、好ましい超音波化学的効果が生まれます。さらに、音響キャビテーションの強力な混合エネルギーが物質移動の制限を克服するため、超音波処理によって合成ポリオールの収率が向上します。超音波によるトランスエステル化反応は、従来のトランスエステル化反応よりも低いアルコールと触媒で効率的に進行することがよく知られています。これは、超音波処理による全体的な効率の向上につながる。

ペンタエリスリトールエステル系バイオ潤滑剤の超音波合成

ペンタエリスリトールエステルは、Arumugamの研究チームが実証したように、2段階の超音波化学プロセスによって菜種油から効率的に合成できる。最適化研究において、研究チームはHielscher社製の超音波発生装置UP400St（左写真参照）を使用した。超音波化学的に促進される最初のトランスエステル化では、菜種油をメタノールと反応させてメチルエステルにする。2回目のトランスエステル化工程では、メチルエステルがキシレンおよび触媒と反応してペンタエリスリトールエステルになる。研究者は、超音波下でのペンタエリスリトールエステル合成の収率と全体的な効率を高めるため、超音波プロセスパラメーターの最適化に焦点を当てた。超音波パルス15秒、超音波振幅60％、触媒濃度1.5wt％、反応温度100℃の条件で、ペンタエリスリトールエステルの収率81.4％の改善が達成された。品質管理のため、超音波合成されたペンタエリスリトールエステルを合成グレードのコンプレッサーオイルと比較した。結論として、超音波で促進する連続的なトランスエステル化プロセスは、ペンタエリスリトールエステルベースのバイオ潤滑油の合成において、従来の連続的なトランスエステル化プロセスに代わる効率的な方法であることが示唆された。超音波トランスエステル化プロセスの主な利点は、ペンタエリスリトールエステルの収率の向上、反応時間の短縮、反応温度の大幅な低下である。(Arumugam et al.）

超音波による菜種油のペンタエリスリトールエステルへの2段エステル化。
(Arumugam他、2019年より引用）

超音波合成によるペンタナール由来のアセタールエステル類

クルニアワンの研究チームは、グリーンケミストリーの原理を用いたソノケミカル法により、3種類のペンタナール由来のアセタールエステルを合成した。ソニケーションは2つの化学的ステップを促進するために用いられた：

1. 9,10-ジヒドロキシオクタデカン酸のエステル化
2. 9,10-ジヒドロキシオクタデカン酸アルキルのアセタール化反応

9,10-ジヒドロキシステアリン酸アルキルのエステルを製造するためには2段階の工程が必要であり、収率は67～85％であった。効率評価のため、ソノケミカル法を従来の還流法と比較した。さらに、均一系および固体酸触媒、すなわち硫酸（H2SO4）、天然ベントナイト、H-ベントナイトを使用し、各種触媒の影響と効率を測定した。その結果、H-ベントナイトを用いた酸触媒による超音波エステル化では、還流法よりも3倍短い反応時間で、最大70％の収率で生成物が得られるという驚くべき結果が得られた。H-ベントナイト存在下、超音波を用いたn-ペンタナールとの最終アセタール化工程では、3種類のペンタナール由来のジオキソラン誘導体が69-85%の収率で得られ、これは従来法よりも高い収率であった。超音波合成は10-30分で済むため、還流法はソノケミカル法よりも長い反応時間を要した。さらに、超音波照射下での反応時間が大幅に短縮されたことに加え、各エステルの顕著な収率が超音波化学的方法で得られた。
研究者はまた、ソノケミカル反応に必要なエネルギーは従来法の約62分の1であることも計算した。これはコスト削減につながり、環境にも優しい。
各製品の物理化学的特性を調べた結果、8-(2-ブチル-5-オクチル-1,3-ジオキソラン-4-イル)オクタン酸メチルは、一般的な潤滑油の代替となる機能性を持つ新規バイオ潤滑油の可能性があることが判明した。(Kurniawanら、2021参照）。

超音波を用いたペンタエリスリルエステルのトランスエステル化

ペンタエリスリルエステルは、ヒマワリ油、アマニ油、ジャトロファ油などの植物油から得ることができる。Hashemの研究チームは、2段階のトランスエステル化を含む連続的な塩基触媒によるトランスエステル化によって、バイオベースの潤滑油を合成することを実証した。研究チームは、ヒマワリ油、アマニ油、ジャトロファ油を用いた合成の実現可能性を実証した。第一工程では、油を対応するメチルエステルに変換した。第二工程では、次のスキームに示すように、メチルエステルがペンタエリスリトールの作用によってペンタエリスリルエステルに変換された：（参照：Hashem et al.）

植物油をメチルエステルにトランスエステル化した後、メチルエステルはペンタエリスリトールの作用により、上記のスキームのようにペンタエリスリトールエステルに変換される。
(Hashem et al.）

超音波によるトランスエステル化反応の顕著な促進効果は科学的に証明されており、すでに数十年前から工業的に採用されている。超音波によるトランスエステル化の最も顕著な例は、油脂からバイオディーゼルとして知られる脂肪酸メチルエステル（FAME）への変換である。
廃棄物）油脂のバイオディーゼルへの超音波補助トランスエステル化についてもっと読む！

トランスエステル化およびその他の化学合成のための超音波プローブとリアクター

Hielscher Ultrasonics社は、超音波化学反応用の高性能超音波発生装置のスペシャリストです。Hielscher社は、あらゆるサイズの高出力超音波発生装置およびプローブ（ソノトロード）、リアクター、フローセルなどのアクセサリーを設計、製造、販売し、化学研究所や工業規模の化学生産施設に供給しています。コンパクトなラボ用超音波装置から工業用超音波プローブやリアクターまで、Hielscherはお客様のプロセスに理想的な超音波システムを提供します。超音波触媒や超音波合成などのアプリケーションで長年の経験を持つ弊社の熟練したスタッフが、お客様のご要望に最適なセットアップをご提案いたします。
Hielscher Ultrasonics社は、非常に高い堅牢性を持ち、強力な超音波を発生させることができる高性能超音波システムを製造しています。すべてのHielscher社の産業用超音波装置は、連続運転（24時間365日）で非常に高い振幅を発生させることができます。堅牢な超音波システムは、ほとんどメンテナンスが不要で、稼働するように設計されています。このため、Hielscherの超音波装置は、過酷な条件下でのヘビーデューティー用途に信頼性を発揮します。高温または非常に過酷な化学薬品用の特別なソノトロードもご用意しています。
最高品質 – ドイツ製： すべての装置はドイツの本社で設計・製造されています。お客様にお届けする前に、すべての超音波装置は全荷重下で入念にテストされます。私たちはお客様の満足のために努力し、私たちの生産は最高の品質保証（ISO認証など）を満たすように構成されています。

下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：