Synteza polioli poprzez transestryfikację ultradźwiękową

Poliole to syntetyczne estry wytwarzane głównie poprzez transestryfikację triglicerydów z olejów roślinnych lub tłuszczów zwierzęcych. Poliole te są surowcem do produkcji poliuretanów, biosmarów i innych substancji chemicznych. Ultradźwięki stosuje się do intensyfikacji reakcji transestryfikacji poprzez oddziaływanie silnych sił ścinających i energii cieplnej. Ultradźwięki i ich efekty sonochemiczne dostarczają energii do reakcji i pomagają przezwyciężyć ograniczenia transportu masy. Dzięki temu sonikacja znacznie poprawia szybkość transestryfikacji, wydajność reakcji i ogólną efektywność procesu.

Transestryfikacja wspomagana ultradźwiękami

Reakcje transestryfikacji należą do najważniejszych dróg syntezy i są szeroko stosowane jako skuteczna technika przekształcania olejów roślinnych w zamienniki produktów ropopochodnych. Sonosynteza (również synteza sonochemiczna, czyli synteza chemiczna wspomagana ultradźwiękami o wysokiej wydajności) jest dobrze znana ze swojego korzystnego wpływu na transestryfikację oraz inne procesy chemiczne.

Zrównoważona synteza polioli z olejów roślinnych z wykorzystaniem ultradźwięków

Kwasy tłuszczowe pochodzenia roślinnego, czyli oleje roślinne, są szeroko dostępnym i odnawialnym surowcem i mogą być wykorzystywane do otrzymywania polioli i poliuretanów pochodzenia biologicznego. Zastosowanie ultradźwięków dużej mocy wywołuje korzystne efekty sonochemiczne, które znacznie przyspieszają katalityczną reakcję transestryfikacji. Ponadto sonikacja zwiększa wydajność syntezy polioli, ponieważ intensywna energia mieszania wynikająca z kawitacji akustycznej przezwycięża ograniczenia transportu masy. Wiadomo, że ultradźwiękowe reakcje transestryfikacji przebiegają efektywnie przy mniejszych ilościach alkoholu i katalizatora niż konwencjonalne reakcje transestryfikacji. Dzięki ultradźwiękom prowadzi to do poprawy ogólnej efektywności procesu.

Ultradźwiękowa synteza biosmaru na bazie estru pentaerytrytolu

Ester pentaerytrytolu można efektywnie syntetyzować z oleju rzepakowego w dwuetapowym procesie sonochemicznym, co wykazał zespół badawczy Arumugama. W badaniu optymalizacyjnym badacze wykorzystali sonikator Hielscher UP400St (patrz zdjęcie po lewej). W pierwszej transestryfikacji wspomaganej sonochemicznie olej rzepakowy reaguje z metanolem, tworząc ester metylowy. W drugim etapie transestryfikacji ester metylowy reaguje z ksylenem i katalizatorem, tworząc ester pentaerytrytolu. Badacz skupił się na optymalizacji parametrów procesu ultradźwiękowego w celu zwiększenia wydajności i ogólnej efektywności syntezy estru pentaerytrytolu pod wpływem ultradźwięków. Zwiększoną wydajność otrzymywania estru pentaerytrytolu, wynoszącą 81,4%, osiągnięto przy impulsie ultradźwiękowym trwającym 15 s, amplitudzie ultradźwięków 60%, stężeniu katalizatora 1,5 wt% i temperaturze reakcji 100°C. W ramach kontroli jakości ester pentaerytrytolu zsyntetyzowany sonochemicznie porównano z syntetycznym olejem sprężarkowym. Podsumowując, badanie sugeruje, że proces kolejnych transestryfikacji wspomaganych ultradźwiękami jest efektywną metodą zastępującą konwencjonalny proces kolejnych transestryfikacji w syntezie biosmaru na bazie estru pentaerytrytolu. Główne zalety procesu transestryfikacji ultradźwiękowej to zwiększona wydajność otrzymywania estru pentaerytrytolu, skrócony czas reakcji i znacznie niższe temperatury reakcji. (por. Arumugam et al., 2019)

Intensyfikowana ultradźwiękami dwuetapowa transestryfikacja oleju rzepakowego do estru pentaerytrytolu.
(na podstawie Arumugam et al., 2019)

Estry acetalowe pochodzące od pentanalu otrzymywane w syntezie ultradźwiękowej

Zespół badawczy Kurniawana zsyntetyzował trzy estry acetalowe pochodzące od pentanalu metodą sonochemiczną, stosując zasady zielonej chemii. Sonikację wykorzystano do wspomagania dwóch etapów chemicznych:

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

Do otrzymania estrów alkilowych kwasu 9,10-dihydroksystearynowego wymagane są dwa etapy; uzyskano wydajności 67–85%. W celu oceny efektywności metodę sonochemiczną porównano z konwencjonalną techniką ogrzewania pod chłodnicą zwrotną. Ponadto zastosowano homogeniczne i stałe katalizatory kwasowe, a mianowicie kwas siarkowy (H2SO4), naturalny bentonit i H-bentonit, aby określić wpływ i efektywność różnych katalizatorów. Stwierdzono, że sonochemiczna estryfikacja kwasu katalizowana przez H-bentonit dawała produkty z wydajnością do 70% w czasie reakcji 3 razy krótszym niż w metodzie ogrzewania pod chłodnicą zwrotną, co jest godne uwagi. Końcowy etap acetalizacji z n-pentanalem w obecności H-bentonitu, z wykorzystaniem ultradźwięków, pozwolił otrzymać trzy pochodne dioksolanu pochodzące od pentanalu z wydajnościami 69–85%, wyższymi niż w metodzie konwencjonalnej. Metoda ogrzewania pod chłodnicą zwrotną wymagała dłuższego czasu reakcji niż metoda sonochemiczna, ponieważ synteza ultradźwiękowa wymagała tylko 10–30min. Oprócz znacznie krótszego czasu reakcji przy sonikacji metoda sonochemiczna zapewniła znakomitą wydajność otrzymywania każdego estru.
Badacz obliczył również, że zapotrzebowanie na energię w reakcji sonochemicznej jest około 62 razy mniejsze niż w metodzie konwencjonalnej. Obniża 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 biosmarem o właściwościach funkcjonalnych umożliwiających zastąpienie powszechnie stosowanych środków smarnych. (por. Kurniawan et al., 2021)

Transestryfikacja estrów pentaerytrytolu z wykorzystaniem ultradźwięków

Estry pentaerytrytolu można otrzymywać z olejów roślinnych, takich jak olej słonecznikowy, lniany i olej z jatrofy. Zespół badawczy Hashema wykazał możliwość syntezy środków smarnych pochodzenia biologicznego poprzez kolejne transestryfikacje katalizowane zasadą, obejmujące dwa etapy transestryfikacji. Wykazano wykonalność syntezy z wykorzystaniem oleju słonecznikowego, lnianego i oleju z jatrofy. W pierwszym etapie oleje przekształcano w odpowiednie estry metylowe. W drugim procesie estry metylowe przekształcano w estry pentaerytrytolu pod wpływem pentaerytrytolu, jak pokazano na poniższym schemacie: (por. Hashem et al., 2013)

Po transestryfikacji oleju roślinnego do estru metylowego estry metylowe przekształca się w estry pentaerytrytolu pod wpływem pentaerytrytolu, jak pokazano na powyższym schemacie.
(por. Hashem et al., 2013)

Znaczne intensyfikowanie reakcji transestryfikacji przez ultradźwięki zostało potwierdzone naukowo i od dziesięcioleci jest wykorzystywane w przemyśle. Najbardziej znanym przykładem transestryfikacji usprawnionej ultradźwiękami jest przekształcanie olejów i tłuszczów w ester metylowy kwasu tłuszczowego (FAME), znany jako biodiesel.
Dowiedz się więcej o wspomaganej ultradźwiękami transestryfikacji olejów (odpadowych) i tłuszczów do biodiesla!

Sonotrody i reaktory ultradźwiękowe do transestryfikacji i innych syntez chemicznych

Hielscher Ultrasonics jest specjalistą w dziedzinie zaawansowanych sonikatorów o wysokiej wydajności do reakcji sonochemicznych. Hielscher projektuje, produkuje i dystrybuuje sonikatory dużej mocy oraz akcesoria, takie jak sondy (sonotrody), reaktory i komory przepływowe dowolnej wielkości, zaopatrując zarówno laboratoria chemiczne, jak i zakłady produkcji chemicznej na skalę przemysłową. Od kompaktowych laboratoryjnych urządzeń ultradźwiękowych po przemysłowe sonotrody i reaktory ultradźwiękowe – Hielscher oferuje idealny system ultradźwiękowy do Twojego procesu. Dzięki wieloletniemu doświadczeniu w zastosowaniach takich jak sonokataliza i sonosynteza nasz dobrze wyszkolony personel poleci Ci konfigurację najlepiej dopasowaną do Twoich wymagań.
Hielscher Ultrasonics produkuje systemy ultradźwiękowe o wysokiej wydajności, bardzo dużej wytrzymałości i zdolności do dostarczania intensywnych fal ultradźwiękowych, ponieważ wszystkie przemysłowe sonikatory Hielscher mogą osiągać bardzo wysokie amplitudy podczas pracy ciągłej (24/7). Wytrzymałe systemy ultradźwiękowe wymagają niemal zerowej konserwacji i są stworzone do pracy. Dzięki temu urządzenia ultradźwiękowe Hielscher są niezawodne w zastosowaniach wymagających dużych obciążeń w trudnych warunkach. Dostępne są również specjalne sonotrody do wysokich temperatur lub bardzo agresywnych środowisk chemicznych.
Najwyższa jakość – zaprojektowane i wyprodukowane w Niemczech: Wszystkie urządzenia są projektowane i produkowane w naszej siedzibie głównej w Niemczech. Przed dostarczeniem do klienta każde urządzenie ultradźwiękowe jest starannie testowane przy pełnym obciążeniu. Dążymy do zadowolenia klientów, a nasza produkcja jest zorganizowana tak, aby zapewniać najwyższy poziom jakości (np. certyfikację ISO).

Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów: