Síntese de poliol via transesterificação ultrassônica

Os polióis são ésteres sintéticos produzidos principalmente por meio de uma transesterificação de triglicerídeos de óleos vegetais ou gorduras animais. Esses polióis são matéria-prima para a produção de poliuretanos, biolubrificantes e outros cereais. A ultrassonografia é usada para melhorar as reações de transesterificação, aplicando intensas forças de cisalhamento e energia térmica. O ultrassom e seus efeitos sonoquímicos fornecem energia de reação e ajudam a superar as limitações de transferência de massa. Assim, a sonicação melhora significativamente a velocidade de transesterificação, o rendimento e a eficiência geral.

Transesterificação assistida por ultrassom

As reações de transesterificação são uma das rotas de síntese mais importantes e são amplamente utilizadas como uma técnica eficaz para converter óleos vegetais em substitutos de derivados de petróleo. A sonossíntese (também síntese sonoquímica, que é a síntese química promovida por ultrassom de alto desempenho) é bem conhecida por seus efeitos benéficos na transesterificação, bem como em outros processos químicos.

Síntese sustentável de poliol a partir de óleos vegetais usando ultrassom

Os ácidos graxos derivados de plantas, ou seja, óleos vegetais, são uma matéria-prima amplamente disponível e renovável e podem ser usados para a preparação de polióis e poliuretanos de base biológica. A aplicação do ultrassom de potência cria efeitos sonoquímicos favoráveis, que aceleram significativamente a reação catalítica da transesterificação. Além disso, a sonicação aumenta o rendimento dos polióis sintetizados, pois a intensa energia de mistura da cavitação acústica supera a limitação de transferência de massa. As reações de transesterificação ultrassônica são bem conhecidas por serem executadas de forma eficiente com baixo teor de álcool e catalisador como reações de transesterificação convencionais. Isso leva a uma eficiência geral aprimorada por ultrassom.

Síntese ultrassônica de um biolubrificante à base de éster de pentaeritritol

O éster de pentaeritritol pode ser sintetizado de forma eficiente a partir do óleo de colza por meio de um processo sonoquímico de duas etapas, conforme demonstrado pela equipe de pesquisa da Arumugam. Em seu estudo de otimização, os pesquisadores usaram o ultrassônico Hielscher UP400St (veja a imagem à esquerda). Na primeira transesterificação promovida sonoquimicamente, o óleo de colza reage com metanol a éster metílico. Na segunda etapa de transesterificação, o éster metílico reage com xileno e um catalisador ao éster de pentaeritritol. O pesquisador se concentrou na otimização dos parâmetros do processo ultrassônico para aumentar o rendimento e a eficiência geral da síntese de éster de pentaeritritol sob ultrassom. O rendimento aprimorado de 81,4% do éster de pentaeritritol foi alcançado com um pulso ultrassônico de 15 s, uma amplitude ultrassônica de 60%, uma concentração de catalisador de 1,5% em peso e a temperatura de reação de 100 ° C. Para controle 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 promovido por ultrassom é um método eficiente para substituir o processo convencional de transesterificação sucessiva para a síntese de biolubrificante à base de éster de pentaeritritol. As principais vantagens do processo de transesterificação ultrassônica 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 dois estágios intensificada por ultrassom do óleo de colza em éster de pentaeritritol.
(adaptado de Arumugam et al., 2019)

Ésteres de acetal derivados do pentanal por meio de síntese ultrassônica

A equipe de pesquisa de Kurniawan sintetizou três ésteres de acetal derivados do pentanal por meio do método sonoquímico empregando os princípios da química verde. A sonicação foi usada para promover duas etapas químicas:

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

Para produzir os ésteres de alquil 9,10-dihidroxiestearato são necessárias duas etapas e rendimentos de 67-85% foram obtidos. Para avaliação da eficiência, o método sonoquímico foi comparado à técnica convencional de refluxo. Além disso, catalisadores homogêneos e ácidos sólidos, ou seja, ácido sulfúrico (H2SO4), bentonita natural e H-bentonita, foram usados para determinar a influência e eficiência de vários catalisadores. Verificou-se que a esterificação sonoquímica do ácido catalisado pela H-bentonita deu aos produtos um rendimento de até 70% em um tempo de reação 3 vezes menor do que o método de refluxo, o que é notável. A etapa final de acetalização com n-pentanal na presença de H-bentonita usando ultrassom proporcionou três derivados de dioxolanos derivados do pentanal em rendimentos de 69-85%, que são maiores do que o método convencional. O método de refluxo exigiu um tempo de reação maior do que o método sonoquímico, pois a síntese ultrassônica exigiu apenas 10-30min. Além do tempo de reação significativamente menor sob sonicação, um rendimento notável de cada éster foi obtido usando o método sonoquímico.
O pesquisador também calculou que as necessidades energéticas da reação sonoquímica são aprox. 62 vezes menor do que o do método convencional. Isso reduz custos e é ecologicamente correto.
O exame das propriedades físico-químicas de cada produto revelou que o metil 8-(2-butil-5-octil-1,3-dioxolano-4-il)octanoato é um potencial novo biolubrificante com funcionalidades para substituir lubrificantes comuns. (cf. Kurniawan et al., 2021)

Transesterificação de ésteres pentaeritrílicos usando ultrassom

Os ésteres pentaeritrílicos podem ser obtidos a partir de óleos vegetais, como óleo de girassol, linhaça e pinhão-manso. A equipe de pesquisa de Hashem demonstrou a síntese de lubrificantes de base biológica por meio de sucessivas transesterificações catalisadas por base envolvendo duas etapas de transesterificação. Eles demonstraram a viabilidade da síntese usando óleo de girassol, linhaça e 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, conforme mostrado no seguinte esquema: (cf. Hashem et al., 2013)

Após a transesterificação do óleo vegetal em éster metílico, os ésteres metílicos são convertidos em ésteres pentaeritrílicos pela ação do pentaeritritol, conforme mostrado no esquema acima.
(cf. Hashem et al., 2013)

Os efeitos significativamente reacionais da ultrassonografia na transesterificação são cientificamente comprovados e já adotados industrialmente há décadas. O exemplo mais proeminente de transesterificação aprimorada por ultrassom é a conversão de óleos e gorduras em éster metílico de ácidos graxos (FAME), conhecido como biodiesel.
Leia mais sobre a transesterificação assistida por ultrassom de óleos e gorduras (residuais) em biodiesel!

Sondas e reatores ultrassônicos para transesterificação e outras sínteses químicas

A Hielscher Ultrasonics é o seu especialista quando se trata de ultrassônicos sofisticados de alto desempenho para reações sonoquímicas. A Hielscher projeta, fabrica e distribui ultrassônicos e acessórios de alta potência, como sondas (sonotrodos), reatores e células de fluxo em qualquer tamanho e fornece laboratórios químicos, bem como instalações de produção química em escala industrial. De dispositivos ultrassônicos compactos de laboratório a sondas e reatores ultrassônicos industriais, a Hielscher tem o sistema ultrassônico ideal para o seu processo. Com longa experiência em aplicações como sono-catálise e sono-síntese, nossa equipe bem treinada recomendará a configuração mais adequada para suas necessidades.
A Hielscher Ultrasonics fabrica sistemas ultrassônicos de alto desempenho de altíssima robustez e capazes de fornecer ondas ultrassônicas intensas, uma vez que todos os ultrassônicos industriais Hielscher podem fornecer amplitudes muito altas em operação contínua (24 horas por dia, 7 dias por semana). Os robustos sistemas de ultrassom quase não requerem manutenção e são construídos para funcionar. Isso torna o equipamento ultrassônico Hielscher confiável para aplicações pesadas sob condições exigentes. Sonotrodos especiais para produtos químicos de alta temperatura ou muito agressivos também estão disponíveis.
A mais alta qualidade – Projetado e fabricado na Alemanha: Todos os equipamentos são projetados e fabricados em nossa sede na Alemanha. Antes da entrega ao cliente, cada dispositivo ultrassônico é cuidadosamente testado sob carga total. Esforçamo-nos pela satisfação do cliente e a nossa produção está estruturada para cumprir a mais alta garantia de qualidade (por exemplo, certificação ISO).

A tabela abaixo fornece uma indicação da capacidade aproximada de processamento de nossos ultrassônicos: