Síntese de poliol via transesterificação ultra-sônica

Os polióis são ésteres sintéticos produzidos principalmente através de uma transesterificação de triglicéridos de óleos vegetais ou gorduras animais. Estes polióis são matéria-prima para a produção de poliuretanos, biolubrificantes e outros produtos químicos. A ultrassonografia é utilizada para melhorar as reacções de transesterificação através da aplicação de forças de cisalhamento intensas e de energia térmica. O ultrassom e seus efeitos sonoquímicos fornecem energia de reação e ajudam a superar as limitações de transferência de massa. Deste modo, a sonicação melhora significativamente a velocidade de transesterificação, o rendimento e a eficiência global.

Transesterificação assistida por ultrassom

As reacções de transesterificação são uma das mais importantes vias de síntese e são amplamente utilizadas como uma técnica eficaz para converter óleos vegetais em substitutos de produtos petrolíferos. A sono-síntese (também síntese sonoquímica, que é a síntese química promovida por ultra-sons de alto desempenho) é bem conhecida pelos seus efeitos benéficos na transesterificação, bem como noutros processos químicos.

Síntese sustentável de polióis a partir de óleos vegetais utilizando ultra-sons

Os ácidos gordos derivados de plantas, ou seja, os óleos vegetais, são uma matéria-prima amplamente disponível e renovável e podem ser utilizados para a preparação de polióis e poliuretanos de base biológica. A aplicação de ultra-sons potentes cria efeitos sonoquímicos favoráveis, que aceleram significativamente a reação catalítica da transesterificação. Além disso, a sonicação aumenta o rendimento dos polióis sintetizados, uma vez que a intensa energia de mistura da cavitação acústica supera a limitação da transferência de massa. As reações de transesterificação ultra-sônica são bem conhecidas para executar eficientemente com menor álcool e catalisador como reações de transesterificação convencionais. Isto leva a uma eficiência global melhorada por ultra-sons.

Síntese ultra-sônica de um biolubrificante à base de éster de pentaeritritol

O éster de pentaeritritol pode ser sintetizado eficientemente a partir de óleo de colza através de um processo sonoquímico de dois passos, como demonstrado pela equipa de investigação de Arumugam. No seu estudo de otimização, os investigadores utilizaram o ultrasonicator Hielscher UP400St (ver imagem à esquerda). Na primeira transesterificação sonoquimicamente promovida, o óleo de colza é reagido com metanol para éster metílico. No segundo passo de transesterificação, o éster metílico reage com xileno e um catalisador para o éster de pentaeritritol. O investigador centrou-se na otimização dos parâmetros do processo de ultra-sons, a fim de aumentar o rendimento e a eficiência global da síntese de éster de pentaeritritol sob ultrassom. O rendimento melhorado de 81,4% do éster de pentaeritritol foi realizado com um pulso ultra-sônico de 15 s, uma amplitude ultra-sônica de 60%, uma concentração de catalisador de 1,5% em peso e a temperatura de reação de 100 ° C. Para o controlo de qualidade, o éster de pentaeritritol sintetizado sonoquimicamente foi comparado com óleo de compressor de grau sintético. Em conclusão, o estudo sugere que o processo de transesterificação sucessiva promovida por ultra-sons é um método eficiente para substituir o processo de transesterificação sucessiva convencional para a síntese de biolubrificante à base de éster de pentaeritritol. As principais vantagens do processo de transesterificação ultra-sónica são o aumento do rendimento do éster de pentaeritritol, um tempo de reação reduzido e temperaturas de reação significativamente mais baixas. (cf. Arumugam et al., 2019)

Transesterificação em duas fases intensificada por ultra-sons do óleo de colza para o éster de pentaeritritol.
(adaptado de Arumugam et al., 2019)

Ésteres acetais derivados do pentanal através da síntese ultra-sónica

A equipa de investigação de Kurniawan sintetizou três ésteres acetais derivados do pentanal através do método sonoquímico, empregando os princípios da química verde. A sonicação foi utilizada para promover duas etapas químicas:

1. Esterificação do ácido 9,10-di-hidroxioctadecanóico
2. Acetalização do 9,10-dihidroxioctadecanoato de alquilo

Para produzir os ésteres de 9,10-dihidroxiestearato de alquilo são necessários dois passos e foram obtidos rendimentos de 67-85%. Para avaliação da eficiência, o método sonoquímico foi comparado com a técnica convencional de refluxo. Além disso, foram utilizados catalisadores ácidos homogéneos e sólidos, nomeadamente ácido sulfúrico (H2SO4), bentonite natural e H-bentonite, para determinar a influência e a eficiência de vários catalisadores. Verificou-se que a esterificação sonoquímica do ácido catalisada pela H-bentonite produziu produtos com um rendimento de até 70% num tempo de reação 3 vezes mais curto do que o método de refluxo, o que é notável. O passo final de acetalização com n-pentanal na presença de H-bentonite usando ultra-sons proporcionou três derivados de dioxolano derivados de pentanal em rendimentos de 69-85%, que são mais elevados do que o método convencional. O método de refluxo exigiu um tempo de reação mais longo do que o método sonoquímico, uma vez que a síntese ultra-sónica exigiu apenas 10-30min. Além do tempo de reação significativamente mais curto sob sonicação, um rendimento notável de cada éster foi obtido utilizando o método sonoquímico.
O investigador calculou também que as necessidades energéticas da reação sonoquímica são cerca de 62 vezes inferiores às do método convencional. Isto reduz os custos e é amigo do ambiente.
A análise das propriedades físico-químicas de cada produto revelou que o 8-(2-butil-5-octil-1,3-dioxolan-4-il)octanoato de metilo é um potencial novo biolubrificante com as funcionalidades para substituir os lubrificantes comuns. (cf. Kurniawan et al., 2021)

Transesterificação de ésteres de pentaeritrilo utilizando ultra-sons

Os ésteres de pentaeritrilo podem ser obtidos a partir de óleos vegetais como o óleo de girassol, de linhaça e de pinhão-manso. A equipa de investigação de Hashem demonstrou a síntese de lubrificantes de base biológica através de transesterificações sucessivas catalisadas por bases envolvendo duas fases de transesterificação. Demonstraram a viabilidade da síntese utilizando óleo de girassol, de linhaça e de pinhão-manso. Na primeira etapa, os óleos foram convertidos nos ésteres metílicos correspondentes. No segundo processo, os ésteres metílicos foram convertidos em ésteres pentaeritrílicos pela ação do pentaeritritol, como mostra o seguinte esquema: (cf. Hashem et al., 2013)

Após a transesterificação do óleo vegetal em ésteres metílicos, os ésteres metílicos são convertidos em ésteres pentaeritrílicos por ação do pentaeritritol, como se mostra no esquema acima.
(cf. Hashem et al., 2013)

Os efeitos da ultra-sons na transesterificação, que aumentam significativamente a reação, estão cientificamente comprovados e já há décadas que são adoptados industrialmente. O exemplo mais proeminente para a transesterificação ultrassonicamente melhorada é a conversão de óleos e gorduras em ésteres metílicos de ácidos graxos (FAME), conhecido como biodiesel.
Leia mais sobre a transesterificação assistida por ultra-sons de óleos e gorduras (residuais) em biodiesel!

Sondas e Reactores Ultra-sónicos para Transesterificação e outras Sínteses Químicas

Hielscher Ultrasonics é o seu especialista quando se trata de ultrasonicators sofisticados de alto desempenho para reações sonoquímicas. Hielscher projeta, fabrica e distribui ultrasonicators de alta potência e acessórios, tais como sondas (sonotrodes), reatores e células de fluxo em qualquer tamanho e fornece laboratórios químicos, bem como instalações de produção química em escala industrial. Desde dispositivos ultra-sónicos compactos de laboratório a sondas e reactores ultra-sónicos industriais, a Hielscher tem o sistema ultrassónico ideal para o seu processo. Com uma longa experiência em aplicações como a sono-catálise e a sono-síntese, o nosso pessoal bem treinado irá recomendar-lhe a configuração mais adequada para as suas necessidades.
A Hielscher Ultrasonics fabrica sistemas de ultra-sons de elevado desempenho, de grande robustez e capazes de emitir ondas de ultra-sons intensas, uma vez que todos os ultra-sons industriais da Hielscher podem emitir amplitudes muito elevadas em funcionamento contínuo (24/7). Os sistemas de ultra-sons robustos quase não necessitam de manutenção e são construídos para funcionar. Isto torna o equipamento ultrassónico da Hielscher fiável para aplicações pesadas em condições exigentes. Também estão disponíveis sonotrodos especiais para alta temperatura ou produtos químicos muito agressivos.
Qualidade mais elevada – Concebido e fabricado na Alemanha: Todos os equipamentos são concebidos e fabricados na nossa sede na Alemanha. Antes da entrega ao cliente, cada dispositivo ultrassónico é cuidadosamente testado sob carga total. Esforçamo-nos por satisfazer o cliente e a nossa produção está estruturada para cumprir a mais elevada garantia de qualidade (por exemplo, certificação ISO).

O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons: