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反応を介し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、バイオ潤滑剤および他のセミカルの製造のための原料である。超音波処理は、強い剪断力と熱エネルギーを適用することにより、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、物質移動の限界を克服するのに役立ちます。それによって、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有意に改善する。

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、植物油を石油製品代替物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る。ソノ合成(高性能超音波を介して促進される化学合成である音響化学合成)は、エステル交換反応および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る。

超音波を使用した植物油からの持続可能なポリオール合成

植物由来脂肪酸、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、バイオベースポリオールおよびポリウレタンの調製に使用することができる。パワー超音波の適用は、エステル交換反応の触媒反応を著しく加速する好ましい音響化学的効果を生み出す。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ように合成ポリオールの収率を高める。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と触媒で効率的に実行されることがよく知られています。これは、超音波処理による改善された全体的な効率につながります。

ペンタエリスリトールエステルベースの生物潤滑剤の超音波合成

ペンタエリスリトールエステルは、アルムガムの研究チームによって実証されるように、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することができる。彼らの最適化研究では、研究者はヒールシャー超音波装置UP400St(左の写真を参照)を使用しました。最初の音響化学的に促進されたエステル交換反応では、菜種油はメタノールと反応してメチルエステル化する。第2のエステル交換工程では、メチルエステルがキシレン及び触媒と反応してペンタエリスリトールエステルとなる。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および全体的な効率を高めるために、超音波プロセスパラメータの最適化に焦点を当てた。ペンタエリスリトールエステルの収率81.4%の改善は、15秒の超音波パルス、60の超音波振幅、1.5重量%の触媒濃度、および100°Cの反応温度で達成された。 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た。結論として、この研究は、超音波促進された連続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を置き換える効率的な方法であることを示唆している。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著しく低い反応温度である。(Arumugam et al., 2019参照)

ペンタエリスリトールエステルへの菜種油の超音波強化2段階エステル交換。
(Arumugam et al., 2019より翻案)

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で3つのペンタナル由来アセタールエステルを合成した。超音波処理は、2つの化学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ト分解

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つの工程が必要であり、収率は67~85%であった。効率評価のために、音響化学的方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、およびH-ベントナイトを使用して、様々な触媒の影響および効率を決定した。H-ベントナイトによって触媒される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%の収率で生成物を与えることを見出したが、これは顕著である。超音波処理を用いたH-ベントナイトの存在下でのn-ペンタナールによる最終アセタール化工程は、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ジオキソラン誘導体を与えた。還流法は、超音波合成が10〜30minしか必要としないため、音響化学的方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くなることに加えて、各エステルの顕著な収率が音響化学的方法を用いて得られた。
研究者はまた、音響化学反応のエネルギー所要量が従来の方法の約62倍低いと計算した。これにより、コストが削減され、環境にやさしいです。
各生成物の物理化学的特性を調べたところ、メチル8-(2-ブチル-5-オクチル-1,3-ジオキソラン-4-イル)オクタン酸メチルが、一般的な潤滑剤を代替する機能性を有する潜在的な新規生物潤滑剤であることが明らかになった。(クルニアワンら、2021年参照)

超音波を用いたペンタエリド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、亜麻仁、および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つのエステル交換ステップを含む連続した塩基触媒エステル交換を介してバイオベースの潤滑剤の合成を実証した。彼らは、ヒマワリ、亜麻仁、および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1のステップでは、油を対応するメチルエステルに変換した。第2のプロセスにおいて、メチルエステルは、以下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ってペンタエリトリルエステルに変換された:(参照:Hashem et al., 2013)

植物油をメチルエステルにエステル交換した後、上記のスキームに示すようにペンタエリスリトールを作用させてメチルエステルをペンタエリスリルエステルに変換する。
(Hashem et al., 2013参照)

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、何十年も前から工業的に採用されています。超音波的に改善されたトランスエステル化のための最も顕著な例は、バイオディーゼルとして知られている脂肪酸メチルエステル(FAME)への油脂の変換です。
バイオディーゼルへの(廃棄物)油脂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他の化学合成のための超音波プローブおよび反応器

ヒールシャー超音波は、それがソノ化学反応のための洗練された高性能超音波装置に来るとき、あなたの専門家です。ヒールシャーは、設計、製造、およびプローブ(ソノトロード)、反応器、および任意のサイズでフローセルなどの高出力超音波装置および付属品を配布し、化学実験室だけでなく、工業規模での化学生産施設を供給します。コンパクトなラボ超音波装置から工業用超音波プローブや反応器まで、ヒールシャーはあなたのプロセスに理想的な超音波システムを持っています。ソノ触媒やソノ合成などのアプリケーションで長年の経験を持つ当社のよく訓練されたスタッフは、お客様の要件に最も適したセットアップをお勧めします。
ヒールシャー超音波は、非常に高い堅牢性の高性能超音波システムを製造し、すべてのヒールシャー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提供することができるので、強烈な超音波を供給することができます。堅牢な超音波システムは、メンテナンスをほとんど必要とせず、実行するように構築されています。これにより、ヒールシャー超音波装置は、要求の厳しい条件下でのヘビーデューティアプリケーション向けに信頼性が高くなります。高温または非常に過酷な化学物質のための特別なソノトロードも利用可能です。
最高品質 – ドイツで設計され、作られました: すべての機器は、ドイツの本社で設計され、製造されています。顧客に配信する前に、すべての超音波デバイスは、慎重に全負荷下でテストされます。私たちは顧客満足を追求し、当社の生産は最高品質保証(例えば、ISO認証)を達成するように構成されています。

下の表は私達のultrasonicatorsのおおよその処理能力の目安を与えます：