超音波エステル交換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に含まれるトリグリセリドのエステル交換によって製造される合成エステルです。これらのポリオールは、ポリウレタン、バイオ潤滑剤、その他の化学品の製造原料となります。超音波処理は、強力なせん断力と熱エネルギーを加えることでエステル交換反応を促進するために用いられます。超音波とその音響化学的効果は、反応エネルギーを供給し、物質移動の制約を克服するのに役立ちます。これにより、超音波処理はエステル交換の速度、収率、総合的な効率を大幅に向上させます。

超音波支援エステル交換

エステル交換反応は、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効果的な技術として広く利用されています。超音波合成（音響化学合成とも呼ばれ、高性能超音波によって促進される化学合成）は、エステル交換やその他の化学プロセスに対する有益な効果でよく知られています。

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、広く入手できる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製造に使用できます。強力超音波の適用は、有益な音響化学的効果を生み出し、エステル交換の触媒反応を大幅に加速します。さらに、音響キャビテーションによる強力な混合エネルギーが物質移動の制約を克服するため、超音波処理は合成されるポリオールの収率を向上させます。超音波エステル交換反応は、従来のエステル交換反応よりも少ないアルコール量と触媒量で効率的に進行することがよく知られています。このように、超音波処理によって総合的な効率が向上します。

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

Arumugamの研究チームが実証したように、ペンタエリスリトールエステルは、二段階の音響化学プロセスによって菜種油から効率的に合成できます。最適化研究では、研究者らはHielscherの超音波処理装置UP400Stを使用しました（左の写真を参照）。音響化学的に促進される最初のエステル交換では、菜種油をメタノールと反応させてメチルエステルに変換します。第二のエステル交換段階では、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ります。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総合的な効率を向上させるため、超音波プロセスパラメーターの最適化に注力しました。ペンタエリスリトールエステルの収率は81.4%に向上し、これは超音波パルス15 s、超音波振幅60%、触媒濃度1.5 wt%、反応温度100°Cの条件で達成されました。品質管理のため、音響化学的に合成されたペンタエリスリトールエステルを合成油グレードのコンプレッサー油と比較しました。結論として、この研究は、超音波で促進される逐次エステル交換プロセスが、ペンタエリスリトールエステル系バイオ潤滑剤の合成において、従来の逐次エステル交換プロセスに代わる効率的な方法であることを示唆しています。超音波エステル交換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向上、反応時間の短縮、および反応温度の大幅な低減です。（参照：Arumugam et al., 2019）

菜種油をペンタエリスリトールエステルに変換する、超音波で強化された二段階のエステル交換。
（Arumugam et al., 2019を基に改変）

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

Kurniawanの研究チームは、グリーンケミストリーの原則を取り入れた音響化学的方法により、三種類のペンタナール由来アセタールエステルを合成しました。超音波処理は、次の二つの化学反応段階を促進するために使用されました：

1. 9,10-dihydroxyoctadecanoic acidのエステル化
2. alkyl 9,10-dihydroxyoctadecanoateのアセタール化

alkyl 9,10- dihydroxystearateのエステルを製造するには二段階が必要であり、67–85%の収率が得られました。効率の評価のため、音響化学的方法を従来の還流法と比較しました。さらに、各種触媒の影響と効率を調べるため、均一系触媒および固体酸触媒、具体的には硫酸（H2SO4）、天然ベントナイト、H-ベントナイトを使用しました。H-ベントナイトを触媒とする酸の音響化学的エステル化では、最大70%の収率で生成物が得られ、反応時間は還流法よりも3倍短かったことが分かり、これは注目すべき結果です。H-ベントナイトの存在下で超音波処理を用いてn-ペンタナールと反応させる最後のアセタール化段階では、三種類のペンタナール由来ジオキソラン誘導体が69–85%の収率で得られ、従来法を上回りました。超音波合成に必要な時間はわずか10–30minであったため、還流法は音響化学的方法よりも長い反応時間を要しました。音響化学的方法では、超音波処理下で反応時間が大幅に短縮されるだけでなく、各エステルについて注目すべき収率が得られました。
研究者はまた、音響化学反応のエネルギー所要量が従来法よりも約62倍少ないと算出しました。これによりコストが削減され、環境にも優しい方法となります。
各生成物の物理化学的特性を調べた結果、methyl 8-(2-butyl-5-octyl-1,3-dioxolan-4-yl)octanoateは、一般的な潤滑剤を代替する機能を備えた新規バイオ潤滑剤となる可能性があることが明らかになりました。（参照：Kurniawan et al., 2021）

超音波を用いたペンタエリスリチルエステルのエステル交換

ペンタエリスリチルエステルは、ヒマワリ油、亜麻仁油、ジャトロファ油などの植物油から得られます。Hashemの研究チームは、二段階のエステル交換からなる塩基触媒による逐次エステル交換を通じて、バイオベース潤滑剤の合成を実証しました。研究チームは、ヒマワリ油、亜麻仁油、ジャトロファ油を用いた合成が可能であることを実証しました。最初の段階では、これらの油をそれぞれ対応するメチルエステルに変換しました。第二のプロセスでは、次の反応スキームに示すように、ペンタエリスリトールの作用によってメチルエステルをペンタエリスリチルエステルに変換しました：（参照：Hashem et al., 2013）

植物油をエステル交換によってメチルエステルに変換した後、上の反応スキームに示すように、ペンタエリスリトールの作用によってメチルエステルをペンタエリスリチルエステルに変換します。
（参照：Hashem et al., 2013）

超音波処理がエステル交換反応を大幅に促進する効果は科学的に実証されており、すでに数十年前から産業で採用されています。超音波によって改善されるエステル交換の最も代表的な例は、油脂を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）に変換することです。
超音波支援エステル交換による（廃）油脂からバイオディーゼルへの変換について、詳しくご覧ください！

エステル交換およびその他の化学合成用の超音波プローブとリアクター

Hielscher Ultrasonicsは、音響化学反応用の高度な高性能超音波処理装置を専門としています。Hielscherは、高出力超音波処理装置と、プローブ（ソノトロード）、リアクター、フローセルなどの付属機器をあらゆるサイズで設計、製造、販売し、化学実験室および工業規模の化学製造施設に供給しています。小型の実験室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最適な超音波システムを提供します。超音波触媒作用や超音波合成などの用途における長年の経験を基に、十分な訓練を受けたスタッフが、お客様の要件に最も適した構成をご提案します。
Hielscher Ultrasonicsは、非常に高い堅牢性を備え、強力な超音波を供給できる高性能超音波システムを製造しています。Hielscherのすべての工業用超音波処理装置は、連続運転（24/7）で非常に高い振幅を供給できます。堅牢な超音波システムは、ほとんどメンテナンスを必要とせず、稼働し続けるように設計されています。そのため、Hielscherの超音波機器は、厳しい条件下での高負荷用途において信頼性を発揮します。高温や極めて過酷な化学環境に対応する特殊なソノトロードも用意しています。
最高品質 – ドイツで設計・製造： すべての機器は、ドイツの当社本社で設計・製造されています。お客様に納入する前に、すべての超音波装置を全負荷で慎重に試験します。当社はお客様の満足を追求し、最高水準の品質保証（例：ISO認証）を満たすように生産体制を構築しています。

下の表は、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力を示しています。