Synteza polioli poprzez transestryfikację ultradźwiękową

Poliole to syntetyczne estry wytwarzane głównie w procesie transestryfikacji trójglicerydów z olejów roślinnych lub tłuszczów zwierzęcych. Te poliole są surowcem do produkcji poliuretanów, biolubrykantów i innych środków chemicznych. Ultradźwięki są stosowane w celu zwiększenia reakcji transestryfikacji poprzez zastosowanie intensywnych sił ścinających i energii cieplnej. Ultradźwięki i ich efekty sonochemiczne dostarczają energii reakcji i pomagają przezwyciężyć ograniczenia transferu masy. W ten sposób sonikacja znacznie poprawia szybkość transestryfikacji, wydajność i ogólną wydajność.

Transestryfikacja wspomagana ultradźwiękami

Reakcje transestryfikacji są jedną z najważniejszych dróg syntezy i są szeroko stosowane jako skuteczna technika przekształcania olejów roślinnych w substytuty produktów ropopochodnych. Sono-synteza (również synteza sonochemiczna, która jest syntezą chemiczną promowaną za pomocą wysokowydajnych ultradźwięków) jest dobrze znana ze swojego korzystnego wpływu na transestryfikację, a także inne procesy chemiczne.

Zrównoważona synteza polioli z olejów roślinnych przy użyciu ultradźwięków

Pochodzące z roślin kwasy tłuszczowe, tj. oleje roślinne, są szeroko dostępnym i odnawialnym surowcem i mogą być stosowane do wytwarzania biopochodnych polioli i poliuretanów. Zastosowanie ultradźwięków mocy tworzy korzystne efekty sonochemiczne, które znacznie przyspieszają katalityczną reakcję transestryfikacji. Dodatkowo, sonikacja zwiększa wydajność syntetyzowanych polioli, ponieważ intensywna energia mieszania kawitacji akustycznej przezwycięża ograniczenie przenoszenia masy. Reakcje transestryfikacji ultradźwiękowej są dobrze znane z tego, że przebiegają wydajnie przy niższej zawartości alkoholu i katalizatora, jak konwencjonalne reakcje transestryfikacji. Prowadzi to do poprawy ogólnej wydajności przez ultradźwięki.

Ultradźwiękowa synteza biolubrykantu na bazie estru pentaerytrytolu

Ester pentaerytrytolu może być skutecznie syntetyzowany z oleju rzepakowego w dwuetapowym procesie sonochemicznym, jak wykazał zespół badawczy Arumugama. W swoich badaniach optymalizacyjnych naukowcy wykorzystali ultrasonicator Hielscher UP400St (patrz zdjęcie po lewej). W pierwszej sonochemicznie promowanej transestryfikacji olej rzepakowy poddaje się reakcji z metanolem do estru metylowego. W drugim etapie transestryfikacji ester metylowy reaguje z ksylenem i katalizatorem do estru pentaerytrytolu. Badacz skupił się na optymalizacji parametrów procesu ultradźwiękowego w celu zwiększenia wydajności i ogólnej efektywności syntezy estru pentaerytrytolu pod wpływem ultradźwięków. Ulepszona wydajność 81,4% estru pentaerytrytolu została osiągnięta przy impulsie ultradźwiękowym 15 s, amplitudzie ultradźwiękowej 60%, stężeniu katalizatora 1,5% wag. i temperaturze reakcji 100°C. W celu kontroli jakości, sonochemicznie syntetyzowany ester pentaerytrytolu porównano z syntetycznym olejem sprężarkowym. Podsumowując, badanie sugeruje, że ultradźwiękowo promowany proces sukcesywnej transestryfikacji jest skuteczną metodą zastąpienia konwencjonalnego procesu sukcesywnej transestryfikacji do syntezy biolubrykantu na bazie estru pentaerytrytolu. Głównymi zaletami procesu transestryfikacji ultradźwiękowej są zwiększona wydajność estru pentaerytrytolu, skrócony czas reakcji i znacznie niższe temperatury reakcji. (por. Arumugam et al., 2019)

Ultradźwiękowo zintensyfikowana dwuetapowa transestryfikacja oleju rzepakowego do estru pentaerytrytolu.(zaadaptowane z Arumugam et al., 2019)

Estry acetalowe pochodzące z pentanalu poprzez syntezę ultradźwiękową

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

1. Estryfikacja kwasu 9,10-dihydroksyoktadekanowego
2. Acetalizowanie 9,10-dihydroksyoktadekanianu alkilu

W celu wytworzenia estrów 9,10-dihydroksystearynianu alkilu wymagane są dwa etapy i uzyskano wydajność 67-85%. W celu oceny wydajności metodę sonochemiczną porównano z konwencjonalną techniką refluksową. Ponadto do określenia wpływu i wydajności różnych katalizatorów zastosowano homogeniczne i stałe katalizatory kwasowe, a mianowicie kwas siarkowy (H2SO4), naturalny bentonit i H-bentonit. Stwierdzono, że sonochemiczna estryfikacja kwasu katalizowana przez H-bentonit dała produkty z wydajnością do 70% w 3 razy krótszym czasie reakcji niż metoda refluksowa, co jest godne uwagi. Końcowy etap acetalizacji z n-pentanalem w obecności H-bentonitu przy użyciu ultradźwięków dał trzy pochodne dioksolanu pochodzące z pentanalu z 69-85% wydajnością, które są wyższe niż w przypadku metody konwencjonalnej. Metoda refluksowa wymagała dłuższego czasu reakcji niż metoda sonochemiczna, ponieważ synteza ultradźwiękowa wymagała tylko 10-30 minut. Dodatkowo do znacznie krótszego czasu reakcji pod sonikacją, niezwykłą wydajność każdego estru uzyskano metodą sonochemiczną.
Badacz obliczył również, że wymagania energetyczne reakcji sonochemicznej są około 62 razy niższe niż w przypadku metody konwencjonalnej. Zmniejsza to koszty i jest przyjazne dla środowiska.
Badanie właściwości fizykochemicznych każdego produktu wykazało, że 8-(2-butylo-5-oktylo-1,3-dioksolan-4-ylo)oktanian metylu jest potencjalnym nowym biolubrykantem o funkcjach zastępujących powszechnie stosowane smary. (por. Kurniawan et al., 2021)

Transestryfikacja estrów pentaerytrylowych za pomocą ultradźwięków

Estry pentaerytrylu można uzyskać z olejów roślinnych, takich jak olej słonecznikowy, lniany i jatrofowy. Zespół badawczy Hashem zademonstrował syntezę biopochodnych smarów poprzez kolejne katalizowane zasadą transestryfikacje obejmujące dwa etapy transestryfikacji. Zademonstrowali wykonalność syntezy przy użyciu oleju słonecznikowego, lnianego i jatrofy. W pierwszym etapie oleje zostały przekształcone w odpowiednie estry metylowe. W drugim procesie, estry metylowe zostały przekształcone w estry pentaerytrylowe poprzez działanie pentaerytrytolu, jak pokazano na poniższym schemacie: (por. Hashem et al., 2013)

Po transestryfikacji oleju roślinnego do estru metylowego, estry metylowe są przekształcane w estry pentaerytrylowe w wyniku działania pentaerytrytolu, jak pokazano na powyższym schemacie.
(por. Hashem et al., 2013)

Znacznie zwiększające reakcję działanie ultradźwięków na transestryfikację zostało naukowo udowodnione i już od dziesięcioleci jest stosowane w przemyśle. Najbardziej znanym przykładem ultradźwiękowo ulepszonej transestryfikacji jest konwersja olejów i tłuszczów do estru metylowego kwasu tłuszczowego (FAME), znanego 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 ultrasonografów do reakcji sonochemicznych. Hielscher projektuje, produkuje i dystrybuuje ultrasonografy o dużej mocy i akcesoria, takie jak sondy (sonotrody), reaktory i komory przepływowe w dowolnym rozmiarze i zaopatruje laboratoria chemiczne, a także zakłady produkcji chemicznej na skalę przemysłową. Od kompaktowych laboratoryjnych urządzeń ultradźwiękowych po przemysłowe sondy ultradźwiękowe i reaktory, Hielscher ma idealny system ultradźwiękowy dla Twojego procesu. Dzięki wieloletniemu doświadczeniu w zastosowaniach takich jak sonokataliza i sonosynteza, nasz dobrze wyszkolony personel poleci Ci najbardziej odpowiednią konfigurację dla Twoich wymagań.
Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne systemy ultradźwiękowe o bardzo dużej wytrzymałości i zdolne do dostarczania intensywnych fal ultradźwiękowych, ponieważ wszystkie przemysłowe ultrasonografy Hielscher mogą dostarczać bardzo wysokie amplitudy w trybie ciągłym (24/7). Wytrzymałe systemy ultradźwiękowe nie wymagają prawie żadnej konserwacji i są zbudowane do pracy. Dzięki temu sprzęt ultradźwiękowy Hielscher jest niezawodny w ciężkich zastosowaniach w wymagających warunkach. Dostępne są również specjalne sonotrody do pracy w wysokich temperaturach lub w bardzo trudnych warunkach chemicznych.
Najwyższa jakość – Zaprojektowany i wyprodukowany 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 zapewnić najwyższą jakość (np. certyfikat ISO).

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców: