초음파 에스테르 교환 반응을 통한 폴리올 합성

폴리올은 주로 식물성 오일이나 동물성 지방에 함유된 트리글리세리드의 에스테르 교환 반응을 통해 생산되는 합성 에스테르입니다. 이러한 폴리올은 폴리우레탄, 바이오 윤활제 및 기타 화학물질 생산의 원료입니다. 초음파 처리는 강력한 전단력과 열에너지를 가하여 에스테르 교환 반응을 촉진하는 데 사용됩니다. 초음파와 그에 따른 초음파 화학적 효과는 반응 에너지를 공급하고 물질 전달의 한계를 극복하는 데 도움을 줍니다. 이를 통해 초음파 처리는 에스테르 교환 반응의 속도, 수율 및 전반적인 효율을 크게 향상시킵니다.

초음파 보조 에스테르 교환 반응

에스테르 교환 반응은 가장 중요한 합성 경로 중 하나이며, 식물성 오일을 석유 제품의 대체물로 전환하는 효과적인 기법으로 널리 사용됩니다. 초음파 합성(초음파 화학적 합성이라고도 하며, 고성능 초음파로 촉진되는 화학적 합성을 의미함)은 에스테르 교환 반응뿐 아니라 다른 화학 공정에도 유익한 효과를 나타내는 것으로 잘 알려져 있습니다.

초음파를 이용한 식물성 오일 기반의 지속 가능한 폴리올 합성

식물 유래 지방산, 즉 식물성 오일은 널리 구할 수 있는 재생 가능한 원료이며, 바이오 기반 폴리올과 폴리우레탄 제조에 사용할 수 있습니다. 고출력 초음파를 적용하면 유익한 초음파 화학적 효과가 발생하여 에스테르 교환 촉매 반응이 크게 가속됩니다. 또한 음향 캐비테이션의 강력한 혼합 에너지가 물질 전달의 한계를 극복하므로 초음파 처리는 합성되는 폴리올의 수율을 높입니다. 초음파 에스테르 교환 반응은 기존 에스테르 교환 반응보다 적은 양의 알코올과 촉매로 효율적으로 진행되는 것으로 잘 알려져 있습니다. 이를 통해 초음파 처리는 전반적인 효율을 향상시킵니다.

펜타에리트리톨 에스테르 기반 바이오 윤활제의 초음파 합성

Arumugam 연구팀이 입증한 바와 같이, 두 단계의 초음파 화학 공정을 통해 유채유에서 펜타에리트리톨 에스테르를 효율적으로 합성할 수 있습니다. 연구진은 최적화 연구에서 Hielscher 초음파 처리기 UP400St를 사용했습니다(왼쪽 사진 참조). 초음파 화학적으로 촉진되는 첫 번째 에스테르 교환 반응에서는 유채유가 메탄올과 반응하여 메틸 에스테르로 전환됩니다. 두 번째 에스테르 교환 단계에서는 메틸 에스테르가 자일렌 및 촉매와 반응하여 펜타에리트리톨 에스테르로 전환됩니다. 연구진은 초음파 조건에서 펜타에리트리톨 에스테르 합성의 수율과 전반적인 효율을 높이기 위해 초음파 공정 매개변수의 최적화에 주력했습니다. 초음파 펄스 15 s, 초음파 진폭 60%, 촉매 농도 1.5 wt%, 반응 온도 100°C에서 펜타에리트리톨 에스테르의 수율이 81.4%로 향상되었습니다. 품질 관리를 위해 초음파 화학적으로 합성한 펜타에리트리톨 에스테르를 합성 등급 압축기 오일과 비교했습니다. 결론적으로 이 연구는 초음파로 촉진되는 연속 에스테르 교환 공정이 펜타에리트리톨 에스테르 기반 바이오 윤활제 합성에서 기존의 연속 에스테르 교환 공정을 대체할 수 있는 효율적인 방법임을 시사합니다. 초음파 에스테르 교환 공정의 주요 장점은 펜타에리트리톨 에스테르 수율 증가, 반응 시간 단축 및 현저히 낮은 반응 온도입니다. (참조: Arumugam et al., 2019)

초음파로 강화된 두 단계 에스테르 교환 반응을 통한 유채유의 펜타에리트리톨 에스테르 전환.
(Arumugam et al., 2019에서 수정 인용)

초음파 합성을 통한 펜탄알 유래 아세탈 에스테르

Kurniawan 연구팀은 녹색화학의 원리를 적용한 초음파화학적 방법으로 펜탄알 유래 아세탈 에스테르 세 가지를 합성했습니다. 다음 두 화학 단계를 촉진하기 위해 초음파 처리를 사용했습니다:

1. 9,10-다이하이드록시옥타데칸산의 에스테르화
2. 알킬 9,10-다이하이드록시옥타데카노에이트의 아세탈화

알킬 9,10-다이하이드록시스테아레이트 에스테르를 생산하려면 두 단계가 필요하며, 67–85%의 수율을 얻었습니다. 효율을 평가하기 위해 초음파화학적 방법을 기존 환류 기법과 비교했습니다. 또한 다양한 촉매의 영향과 효율을 확인하기 위해 균일계 촉매와 고체 산 촉매인 황산(H2SO4), 천연 벤토나이트 및 H-벤토나이트를 사용했습니다. H-벤토나이트를 촉매로 사용한 해당 산의 초음파화학적 에스테르화에서는 환류법보다 3배 짧은 반응 시간에 최대 70%의 수율로 생성물을 얻었다는 주목할 만한 결과가 확인되었습니다. H-벤토나이트 존재하에 초음파 처리를 적용하여 n-펜탄알과 반응시키는 최종 아세탈화 단계에서는 펜탄알 유래 다이옥솔레인 유도체 세 가지를 기존 방법보다 높은 69–85%의 수율로 얻었습니다. 초음파 합성에는 10–30min만 필요했으므로 환류법은 초음파화학적 방법보다 더 긴 반응 시간이 필요했습니다. 초음파 처리로 반응 시간이 크게 단축되었을 뿐 아니라, 초음파화학적 방법을 사용하여 각 에스테르의 수율도 현저히 높게 얻었습니다.
연구자는 초음파화학 반응의 에너지 요구량이 기존 방법보다 약 62배 낮다는 계산 결과도 제시했습니다. 이는 비용을 줄이며 환경친화적입니다.
각 생성물의 물리화학적 특성을 조사한 결과, 메틸 8-(2-부틸-5-옥틸-1,3-다이옥솔란-4-일)옥타노에이트는 일반 윤활제를 대체할 수 있는 기능성을 갖춘 새로운 바이오 윤활제 후보임이 밝혀졌습니다. (참조: Kurniawan et al., 2021)

초음파를 이용한 펜타에리트리틸 에스테르의 에스테르 교환

펜타에리트리틸 에스테르는 해바라기유, 아마인유 및 자트로파유와 같은 식물성 오일에서 얻을 수 있습니다. Hashem 연구팀은 두 차례의 에스테르 교환 단계를 포함하는 연속적인 염기 촉매 에스테르 교환을 통해 바이오 기반 윤활제의 합성을 입증했습니다. 연구팀은 해바라기유, 아마인유 및 자트로파유를 사용하여 이 합성의 실현 가능성을 입증했습니다. 첫 번째 단계에서는 오일을 각각에 상응하는 메틸 에스테르로 전환했습니다. 두 번째 공정에서는 다음 반응식에 나타낸 것처럼 펜타에리트리톨의 작용으로 메틸 에스테르를 펜타에리트리틸 에스테르로 전환했습니다: (참조: Hashem et al., 2013)

식물성 오일을 에스테르 교환으로 메틸 에스테르로 전환한 후, 위 반응식에 나타낸 것처럼 펜타에리트리톨의 작용으로 메틸 에스테르를 펜타에리트리틸 에스테르로 전환합니다.
(참조: Hashem et al., 2013)

초음파 처리가 에스테르 교환 반응을 크게 촉진하는 효과는 과학적으로 입증되었으며, 이미 수십 년 전부터 산업적으로 활용되고 있습니다. 초음파로 개선된 에스테르 교환의 가장 대표적인 예는 오일과 지방을 바이오디젤로 알려진 지방산 메틸 에스테르(FAME)로 전환하는 것입니다.
초음파 보조 에스테르 교환으로 (폐)오일과 지방을 바이오디젤로 전환하는 방법에 대해 자세히 알아보세요!

에스테르 교환 및 기타 화학 합성용 초음파 프로브와 반응기

Hielscher Ultrasonics는 초음파 화학 반응용 정교한 고성능 초음파 처리 장비 분야의 전문 기업입니다. Hielscher는 고출력 초음파 처리 장비와 프로브(소노트로드), 반응기, 플로우 셀 등의 부속품을 모든 크기로 설계, 제조 및 유통하며, 화학 실험실뿐 아니라 산업 규모의 화학 생산 시설에도 공급합니다. 소형 실험실용 초음파 장치부터 산업용 초음파 프로브와 반응기까지, Hielscher는 고객의 공정에 이상적인 초음파 시스템을 제공합니다. 초음파 촉매 반응 및 초음파 합성 등의 응용 분야에서 오랜 경험을 쌓은 숙련된 직원들이 고객의 요구 사항에 가장 적합한 구성을 추천해 드립니다.
Hielscher Ultrasonics는 매우 견고하며 강력한 초음파를 전달할 수 있는 고성능 초음파 시스템을 제조합니다. 모든 Hielscher 산업용 초음파 처리 장비는 연속 운전(24/7) 중에도 매우 높은 진폭을 제공할 수 있습니다. 견고한 초음파 시스템은 유지보수가 거의 필요하지 않으며 지속적인 운전을 위해 제작되었습니다. 따라서 Hielscher 초음파 장비는 까다로운 조건에서 고강도 작업을 수행할 때도 신뢰할 수 있습니다. 고온 또는 매우 가혹한 화학적 조건에 적합한 특수 소노트로드도 제공됩니다.
최고 품질 – 독일에서 설계 및 제조: 모든 장비는 독일 본사에서 설계 및 제조됩니다. 고객에게 납품하기 전에 모든 초음파 장치를 최대 부하에서 세심하게 시험합니다. 당사는 고객 만족을 위해 노력하며, 최고 수준의 품질 보증(예: ISO 인증)을 충족하도록 생산 체계를 구축했습니다.

아래 표는 당사 초음파 처리 장비의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다: