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、主に植物油または動物性脂肪からのトリグリセリドのエステル交換によって生成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、その他のセミカルの製造原料です。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、エステル交換反応を強化するために使用されます。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、物質移動の制限を克服するのに役立ちます。それにより、超音波処理はエステル交換速度、収率、および全体的な効率を著しく向上させる。

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1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使用されています。ソノシンセシス(高性能超音波による化学合成であるソノケミカルシンセシス)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ます。パワー超音波の適用は、エステル交換の触媒反応を大幅に加速する好ましい音響化学的効果を生み出します。さらに、超音波処理は、音響キャビテーションの強烈な混合エネルギーが物質移動の制限を克服するにつれて、合成ポリオールの収率を増加させる。超音波エステル交換反応は、従来のエステル交換反応として低級アルコールおよび触媒を用いて効率的に実行されることがよく知られている。これは、超音波処理による全体的な効率の向上につながります。

ペンタエリスリトールエステルベースの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の研究チームによって実証されたように、2段階の音響化学的プロセスを介して菜種油から効率的に合成できます。彼らの最適化研究では、研究者たちは使用しました ヒールシャー超音波装置 UP400St (左の写真を参照)。最初の音響化学的に促進されたエステル交換では、菜種油はメタノールと反応してメチルエステルになります。第2のエステル交換ステップでは、メチルエステルは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反応します。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全体的な効率を向上させるために、超音波プロセスパラメータの最適化に焦点を当てました。超音波パルス15秒、超音波振幅60%、触媒濃度1.5重量%、反応温度100°Cでペンタエリスリトールエステルの収率を81.4%向上させた。 品質管理のために、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グレードのコンプレッサーオイルと比較しました。結論として、この研究は、超音波で促進された連続的な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ベースのバイオ潤滑剤の合成のための従来の連続的な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の増加、反応時間の短縮、および反応温度の大幅な低下です。(cf. Arumugam et al., 2019)

菜種油のペンタエリスリトールエステルへの超音波強化二段エステル交換。
(Arumugam et al., 2019より引用)

超音波合成によるペンタナール由来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理を用いた音響化学的方法により、ペンタナール由来の3つのアセタールエステルを合成しました。超音波処理は、2つの化学的ステップを促進するために使用されました。

1. 9,10-ジヒドロキシオクタデカン酸のエステル化
2. アルキル9,10-ジヒドロキシオクタデカン酸のアセタリゼーション

アルキル9,10-ジヒドロキシステアレートのエステルを製造するためには、2つのステップが必要であり、67〜85%の収率が得られました。効率評価のために、ソノケミカル法を従来の還流法と比較しました。さらに、均質で固体の酸触媒、すなわち硫酸(H2SO4)、天然ベントナイト、およびH-ベントナイトを使用して、さまざまな触媒の影響と効率を決定しました。H-ベントナイトによって触媒された酸の音響化学的エステル化は、還流法よりも3倍短い反応時間で最大70%の生成物が得られることがわかりました。超音波処理を使用してH-ベントナイトの存在下でn-ペンタナールによる最終的なアセタール化ステップは、従来の方法よりも高い69〜85%の収率で3つのペンタナール由来のジオキソラン誘導体をもたらしました。超音波合成はわずか10〜30分しか必要としなかったため、還流法はソノケミカル法よりも長い反応時間を必要とした。超音波処理下での反応時間が著しく短いことに加えて、各エステルの顕著な収率は、音響化学的方法を用いて得られた。
また、ソノケミカル反応のエネルギー必要量は、従来の方法に比べて約62倍低いと計算しました。これにより、コストが削減され、環境に優しいです。
各製品の物理化学的性質を調べたところ、メチル8-(2-ブチル-5-オクチル-1,3-ジオキソラン-4-イル)オクタン酸は、一般的な潤滑剤を代替する機能を持つ新規バイオ潤滑剤である可能性があることが明らかになりました。(cf. Kurniawan et al., 2021)

超音波を用いたペンタエリトリルエステルのエステル交換反応

ペンタエリトリルエステルは、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ることができます。Hashemの研究チームは、2つのエステル交換ステップを含む連続的な塩基触媒によるエステル交換によるバイオベース潤滑剤の合成を実証しました。彼らは、ヒマワリ、亜麻仁、およびジャトロファ油を使用した合成の実現可能性を実証しました。最初のステップでは、オイルを対応するメチルエステルに変換しました。第2のプロセスでは、次のスキームに示すように、メチルエステルはペンタエリスリトールの作用によってペンタエリトリルエステルに変換されました（(cf. Hashem et al., 2013)

植物油のメチルエステルへのエステル交換後、メチルエステルは、上記の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りペンタエリスリルエステルに変換されます。
(cf. Hashem et al., 2013)

エステル交換に対する超音波処理の有意な反応増強効果は科学的に証明されており、すでに何十年にもわたって工業的に採用されています。超音波で改善されたトランスエステル化の最も顕著な例は、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)への油脂の変換です。
(廃)油脂のバイオディーゼルへの超音波支援エステル交換についてもっと読む!

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および反応器

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以下の表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力を示しています。