Síntese de Poliol via Transesterificação Ultrassônica

Os polióis são ésteres sintéticos produzidos principalmente através de uma transesterificação de triglicérides a partir de óleos vegetais ou gorduras animais. Estes polióis são matéria-prima para a produção de poliuretanos, biolubricantos e outros cemicals. A ultrassônica é usada para melhorar as reações de transesterificação, aplicando forças intensas de cisalhamento e energia térmica. O ultrassom e seus efeitos sonológicos fornecem energia de reação e ajudam a superar as limitações de transferência de massa. Assim, a sônica melhora significativamente a velocidade, o rendimento e a eficiência geral da transesterificação.

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 produtos petrolíferos. A sonosíntese (também síntese sonoquímica, que é a síntese química promovida via ultrassom de alto desempenho), é bem conhecida por seus efeitos benéficos na transesterificação, bem como em outros processos químicos.

Síntese de Políol Sustentável a partir de óleos vegetais usando ultrassom

Os ácidos graxos derivados das plantas, ou seja, óleos vegetais, são uma matéria-prima amplamente disponível e renovável e podem ser utilizados para a preparação de polióis biobáseados e poliuretanos. A aplicação do ultrassom de energia cria efeitos sonográficos favoráveis, que aceleram significativamente a reação catalítica da transesterificação. Além disso, a sônica melhora o rendimento dos polióis sintetizados à medida que a intensa mistura de energia da cavitação acústica supera a limitação de transferência de massa. As reações de transesterificação ultrassônicas são bem conhecidas por funcionar eficientemente com álcool e catalisador mais baixos como reações convencionais de transesterificação. Isso leva a uma melhor eficiência geral por ultrassonicação.

Síntese Ultrassônica de um Biolubricante à base de Ester pentaerythritol

O éster pentaerythritol pode ser sintetizado eficientemente a partir de óleo de colza através de processo sonológico de duas etapas, como demonstrado pela equipe de pesquisa de Arumugam. Em seu estudo de otimização, os pesquisadores utilizaram o ultrassonicator Hielscher UP400St (ver imagem à esquerda). Na primeira transesterificação sonoquimicamente promovida, o óleo de colza é reagido com metanol ao éster de metila. Na segunda etapa de transesterificação, o éster de metila reage com xileno e um catalisador para o éster pentaerythritol. O pesquisador focou na otimização dos parâmetros do processo ultrassônico, a fim de aumentar o rendimento e a eficiência geral da síntese de éster de pentadetrite em ultrassom. O rendimento melhorado de 81,4% do éster pentaerythritol foi realizado com um pulso ultrassônico de 15 s, uma amplitude ultrassônica de 60%, uma concentração catalisadora de 1,5 wt%, e a temperatura de reação de 100°C. Para controle de qualidade, o éster pentaeritelizado sonoquimicamente foi comparado com óleo compressor de grau sintético. Em conclusão, o estudo sugere que o processo de transesterificação sucessiva ultrasonicamente promovido é um método eficiente para substituir o processo convencional de transesterificação sucessiva convencional para a síntese do biolubricante à base de ester pentaerte. As principais vantagens do processo de transesterificação ultrassônica são o aumento dos rendimentos do éster pentaerythritol, um tempo de reação reduzido e temperaturas de reação significativamente mais baixas. (cf. Arumugam et al., 2019)

Intensificou ultrassosonicamente a transesterificação em duas etapas do óleo de colza para o éster pentaerythritol.
(adaptado de Arumugam et al., 2019)

Ésteres acetais derivados de pentanal via síntese ultrassônica

A equipe de pesquisa de Kurniawan sintetizou três ésteres acetais derivados de pentanal através do método sonográfico que emprega os princípios da química verde. A sônica foi usada para promover duas etapas químicas:

1. Esterificação de ácido 9,10-dihydroxyoctadecanoic
2. Acetalyzation de alquila 9,10-dihydroxyoctadecanoate

Para produzir os ésteres de alquila 9,10- dihidroxistearate são necessários dois passos 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 por H-bentonita deu produtos em rendimento de até 70% em 3 vezes menor tempo de reação do que o método de refluxo, o que é notável. A etapa final de acetalização com n-pentanal na presença de H-bentonita usando ultrassônica proporcionou três derivados de dioxolano derivados da pentanal em rendimentos de 69 a 85%, que são maiores do que o método convencional. O método de refluxo exigiu um tempo de reação mais longo do que o método sonográfico, uma vez que a síntese ultrassônica exigia apenas 10-30min. Além do tempo de reação significativamente menor sob a sônicação, um rendimento notável de cada éster foi obtido usando o método sonológico.
O pesquisador também calculou que os requisitos energéticos da reação sonoquímica são aproximadamente 62 vezes menores do que os do método convencional. Isso reduz custos e é ambientalmente amigável.
O exame das propriedades físico-químicas de cada produto revelou que o metil 8-(2-butil-5-octil-1,3-dioxolan-4-yl)octanoato é um potencial novo biolubricanto com as funcionalidades para substituir lubrificantes comuns. (cf. Kurniawan et al., 2021)

Transesterificação de Ésters Pentaerythryl usando Ultrassom

Os ésteres pentaerythryl podem ser obtidos a partir de óleos vegetais como girassol, linhaça e óleo de jatropha. A equipe de pesquisa de Hashem demonstrou a síntese de lubrificantes biobasados através de uma sucessiva transesterificação catalisada pela base envolvendo duas etapas de transesterificação. Eles demonstraram a viabilidade da síntese usando girassol, linhaça e óleo de jatropha. Na primeira etapa, os óleos foram convertidos em ésteres de metila correspondentes. No segundo processo, os ésteres de metila foram convertidos em ésteres pentaerythryl pela ação do pentaertetol, como mostrado no seguinte esquema: (cf. Hashem et al., 2013)

Após a transesterificação do óleo vegetal para ester de metila, os ésteres de metila são convertidos em ésteres pentaerythryl pela ação do pentaerythritol, como mostrado no esquema acima.
(cf. Hashem et al., 2013)

Os efeitos de aumento significativo da reação da ultrassonificação na transesterificação são cientificamente comprovados e já são adotados industrialmente. O exemplo mais proeminente para a tranesterização ultrasonicamente melhorada é a conversão de óleos e gorduras em ester de metila ácido graxo (FAME), conhecido como biodiesel.
Leia mais sobre a transesterificação assistida por ultrassom de óleos e gorduras (resíduos) em biodiesel!

Sondas ultrassônicas e reatores para transesterificação e outras sínteses químicas

Hielscher Ultrasonics é seu especialista quando se trata de ultrassonicadores sofisticados de alto desempenho para reações sonológicas. Hielscher projeta, fabrica e distribui ultrassonicadores de alta potência e acessórios como sondas (sonotrodes), reatores e células de fluxo em qualquer tamanho e fornece laboratórios químicos, bem como instalações de produção química em escala industrial. De dispositivos ultrassônicos de laboratório compactos a sondas ultrassônicas industriais e reatores, o Hielscher tem o sistema ultrassônico ideal para o seu processo. Com experiência de longa data em aplicações como sono-catalise e sono-síntese, nossa equipe bem treinada recomendará a configuração mais adequada para seus requisitos.
A Hielscher Ultrasonics fabrica sistemas ultrassônicos de alto desempenho de alta robustez e capazes de fornecer ondas de ultrassom intensas, uma vez que todos os ultrassonicadores industriais hielscher podem fornecer amplitudes muito altas em operação contínua (24/7). Os sistemas de ultrassom robustos não requerem quase nenhuma manutenção e são construídos para funcionar. Isso torna os equipamentos ultrassônicos hielscher confiáveis para aplicações pesadas em condições exigentes. Sonotrodes especiais para alta temperatura ou produtos químicos muito severos também estão disponíveis.
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 completa. Buscamos a satisfação do cliente e nossa produção está estruturada para cumprir a maior garantia de qualidade (por exemplo, certificação ISO).

A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximado de nossos ultrasonicators: