Synteza poliolu poprzez transestryfikację ultradźwiękową

Poliole są syntetycznymi estrami wytwarzanymi głównie w procesie transestryfikacji trójglicerydów z olejów roślinnych lub tłuszczów zwierzęcych. Poliole te są surowcem do produkcji poliuretanów, biolubrykantów i innych cemikaliów. Ultradźwięki są stosowane do wzmocnienia reakcji transestryfikacji poprzez zastosowanie intensywnych sił ścinających i energii cieplnej. Ultradźwięki i ich efekty sonochemiczne dostarczają energii reakcji i pomagają przezwyciężyć ograniczenia w przenoszeniu masy. W ten sposób, sonikacja znacząco poprawia szybkość transestryfikacji, wydajność i ogólną efektywność.

Transestryfikacja wspomagana ultradźwiękami

Reakcje transestryfikacji są jedną z najważniejszych dróg syntezy i są szeroko stosowane jako efektywna technika konwersji olejów roślinnych w substytuty produktów naftowych. Sono-synteza (także sonochemiczna synteza, czyli synteza chemiczna promowana za pomocą wysokosprawnych ultradźwięków), jest dobrze znana ze swojego korzystnego wpływu na transestryfikację, jak również inne procesy chemiczne.

Zrównoważona synteza poliolu z olejów roślinnych przy użyciu ultradźwięków

Kwasy tłuszczowe pochodzenia roślinnego, czyli oleje roślinne, są powszechnie dostępnym i odnawialnym surowcem, który można wykorzystać do otrzymywania biopochodnych polioli i poliuretanów. Zastosowanie ultradźwięków mocy wywołuje korzystne efekty sonochemiczne, które znacznie przyspieszają katalityczną reakcję transestryfikacji. Dodatkowo sonikacja zwiększa wydajność syntezowanych polioli, ponieważ intensywna energia mieszania kawitacji akustycznej pokonuje ograniczenie transferu masy. Wiadomo, że ultradźwiękowe reakcje transestryfikacji przebiegają wydajnie przy użyciu mniejszej ilości alkoholu i katalizatora niż konwencjonalne reakcje transestryfikacji. Prowadzi to do poprawy ogólnej wydajności ultradźwięków.

Ultradźwiękowa synteza biolubrykantu na bazie eteru pentaerytrytolu

Ester pentaerytrytolu może być wydajnie syntetyzowany z oleju rzepakowego w dwuetapowym procesie sonochemicznym, jak wykazał zespół badawczy Arumugam. W badaniach optymalizacyjnych naukowcy wykorzystali ultradźwiękowiec UP400St firmy Hielscher (patrz zdjęcie po lewej). W pierwszym, promowanym sonochemicznie etapie transestryfikacji, olej rzepakowy jest poddawany reakcji z metanolem do estru metylowego. W drugim etapie transestryfikacji ester metylowy reaguje z ksylenem i katalizatorem na ester pentaerytrytolu. Badacz skupił się na optymalizacji parametrów procesu ultradźwiękowego w celu zwiększenia wydajności i ogólnej efektywności syntezy estru pentaerytrytolu pod wpływem ultradźwięków. Poprawę wydajności 81,4% estru pentaerytrytolu uzyskano stosując impuls ultradźwiękowy o długości 15 s, amplitudę ultradźwięków 60%, stężenie katalizatora 1,5% mas. oraz temperaturę reakcji 100°C. W celu kontroli jakości, sonochemicznie zsyntetyzowany ester pentaerytrytolu porównano z olejem sprężarkowym klasy syntetycznej. Podsumowując, badania sugerują, że ultradźwiękowy proces sukcesywnej transestryfikacji jest skuteczną metodą zastępującą konwencjonalny proces sukcesywnej transestryfikacji do syntezy biolubrykantu na bazie estru pentaerytrytolu. Głównymi zaletami procesu ultradźwiękowej transestryfikacji są zwiększone wydajności estrów pentaerytrytolu, skrócony czas reakcji oraz znacznie niższe temperatury reakcji. (por. Arumugam i in., 2019)

Ultradźwiękowo intensyfikowana dwuetapowa transestryfikacja oleju rzepakowego do estru pentaerytrytolu.
(dostosowane z Arumugam i in., 2019)

Estry acetalowe otrzymywane z pentanalu na drodze syntezy ultradźwiękowej

Zespół badawczy Kurniawan zsyntetyzował trzy estry acetalowe pochodne pentanalu metodą sonochemiczną z wykorzystaniem zasad zielonej chemii. Sonikacja została wykorzystana do promowania dwóch etapów chemicznych:

1. Estryfikacja kwasu 9,10-dihydroksyoktadekanowego
2. Acetalizacja alkilowego 9,10-dihydroksyoktadekanianu

W celu wytworzenia estrów alkilowych 9,10- dihydroksystearynianu wymagane są dwa etapy i uzyskano wydajności rzędu 67-85%. Dla oceny wydajności metodę sonochemiczną porównano z konwencjonalną techniką refluksową. Ponadto, w celu określenia wpływu i wydajności różnych katalizatorów, zastosowano katalizatory homogeniczne i stałe, a mianowicie kwas siarkowy (H2SO4), naturalny bentonit i H-bentonit. Stwierdzono, że sonochemiczna estryfikacja kwasem katalizowana przez H-bentonit dawała produkty z wydajnością do 70% w 3-krotnie krótszym czasie reakcji niż metoda refluksowa, co jest godne uwagi. W końcowym etapie acetalizacji z n-pentanalem w obecności H-bentonitu przy użyciu ultradźwięków otrzymano trzy pochodne pentanalu - dioksolany z wydajnością 69-85%, a więc wyższą niż w przypadku metody konwencjonalnej. Metoda refluksowa wymagała dłuższego czasu reakcji niż metoda sonochemiczna, gdyż synteza ultradźwiękowa wymagała jedynie 10-30min. Dodatkowo, dzięki znacznie krótszemu czasowi reakcji pod wpływem sonikacji, uzyskano niezwykłą wydajność każdego z estrów metodą sonochemiczną.
Badacz obliczył również, że zapotrzebowanie na energię w reakcji sonochemicznej jest ok. 62-krotnie niższe niż w przypadku metody konwencjonalnej. Pozwala to obniżyć koszty i jest przyjazne dla środowiska.
Badanie właściwości fizykochemicznych każdego z produktów wykazało, że 8-(2-butylo-5-oktylo-1,3-dioksolan-4-yl)oktanian metylu jest potencjalnym nowym biolubrykantem o właściwościach funkcjonalnych pozwalających na zastąpienie powszechnie stosowanych środków smarnych. (por. Kurniawan i in., 2021)

Transestryfikacja estrów pentaerytrylowych przy użyciu ultradźwięków

Estry pentaerytryli można otrzymać z olejów roślinnych, takich jak olej słonecznikowy, lniany i jatrofa. Zespół badawczy Hashema zademonstrował syntezę biopochodnych środków smarnych poprzez sukcesywną transestryfikację katalizowaną zasadami, obejmującą dwa etapy transestryfikacji. Wykazali oni wykonalność syntezy z wykorzystaniem oleju słonecznikowego, lnianego i jatrofa. W pierwszym etapie oleje te przekształcano w odpowiednie estry metylowe. W drugim procesie estry metylowe przekształcano w estry pentaerytrylowe pod wpływem działania pentaerytrytolu, jak pokazano na poniższym schemacie: (por. Hashem et al., 2013)

Po transestryfikacji oleju roślinnego do estrów metylowych, estry metylowe są przekształcane w estry pentaerytrylowe przez działanie pentaerytrytolu, jak pokazano na powyższym schemacie.
(por. Hashem i in., 2013)

Znaczący wpływ ultradźwięków na transestryfikację jest naukowo udowodniony i już od dziesięcioleci stosowany w przemyśle. Najbardziej znanym przykładem ulepszonej ultradźwiękowo transestryfikacji jest konwersja olejów i tłuszczów do estrów metylowych kwasów tłuszczowych (FAME), znanych jako biodiesel.
Przeczytaj więcej o wspomaganej ultradźwiękami transestryfikacji (odpadowych) olejów i tłuszczów do biodiesla!

Sondy ultradźwiękowe i reaktory do transestryfikacji i innych syntez chemicznych

Hielscher Ultrasonics jest specjalistą w zakresie zaawansowanych, wysokowydajnych ultradźwięków do reakcji sonochemicznych. Hielscher projektuje, produkuje i dystrybuuje ultradźwięki o dużej mocy oraz akcesoria takie jak sondy (sonotrody), reaktory i komory przepływowe o dowolnej wielkości i zaopatruje laboratoria chemiczne oraz zakłady produkcji chemicznej w skali przemysłowej. Od kompaktowych laboratoryjnych urządzeń ultradźwiękowych po przemysłowe sondy ultradźwiękowe i reaktory - Hielscher ma idealny system ultradźwiękowy dla Twojego procesu. Dzięki długoletniemu doświadczeniu w takich zastosowaniach jak sono-kataliza i sono-synteza, nasz dobrze wyszkolony personel poleci Państwu najbardziej odpowiednie urządzenie dla Państwa wymagań.
Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne systemy ultradźwiękowe o bardzo dużej wytrzymałości i zdolne do dostarczania intensywnych fal ultradźwiękowych, ponieważ wszystkie przemysłowe ultradźwięki firmy Hielscher mogą dostarczać bardzo wysokie amplitudy w pracy ciągłej (24/7). Solidne systemy ultradźwiękowe nie wymagają prawie żadnej konserwacji i są zbudowane do pracy. Dzięki temu urządzenia ultradźwiękowe firmy Hielscher są niezawodne w zastosowaniach w ciężkich warunkach. Dostępne są również specjalne sonotrody do pracy w wysokich temperaturach lub w bardzo trudnych warunkach chemicznych.
Najwyższa jakość – Zaprojektowane i wykonane w Niemczech: Wszystkie urządzenia są projektowane i produkowane w naszej siedzibie w Niemczech. Przed dostawą do klienta każde urządzenie ultradźwiękowe jest dokładnie testowane pod pełnym obciążeniem. Dążymy do zadowolenia klienta, a nasza produkcja jest zorganizowana tak, aby spełniać najwyższe wymagania jakościowe (np. certyfikat ISO).

Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators: