Síntese de polióis por transesterificação ultrassónica

Os polióis são ésteres sintéticos produzidos principalmente por transesterificação de triglicéridos provenientes de óleos vegetais ou gorduras animais. Estes polióis são matérias-primas para a produção de poliuretanos, biolubrificantes e outros produtos químicos. A sonicação é utilizada para melhorar as reações de transesterificação através da aplicação de forças intensas de cisalhamento e de energia térmica. Os ultrassons e os seus efeitos sonoquímicos fornecem energia à reação e ajudam a superar as limitações de transferência de massa. Assim, a sonicação melhora significativamente a velocidade, o rendimento e a eficiência global da transesterificação.

Transesterificação assistida por ultrassons

As reações de transesterificação constituem uma das vias de síntese mais importantes e são amplamente utilizadas como técnica eficaz para converter óleos vegetais em substitutos de produtos petrolíferos. A sonossíntese (também designada síntese sonoquímica, que é a síntese química promovida por ultrassons de elevado 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 ultrassons

Os ácidos gordos de origem vegetal, ou seja, os óleos vegetais, são uma matéria-prima renovável e amplamente disponível e podem ser utilizados para preparar polióis e poliuretanos de base biológica. A aplicação de ultrassons de potência cria efeitos sonoquímicos favoráveis, que aceleram significativamente a reação catalítica de 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 de transferência de massa. As reações de transesterificação ultrassónica são bem conhecidas por decorrerem eficientemente com quantidades inferiores de álcool e catalisador às das reações de transesterificação convencionais. Isto conduz a uma melhoria da eficiência global através da sonicação.

Síntese ultrassónica 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 em duas etapas, conforme demonstrado pela equipa de investigação de Arumugam. No seu estudo de otimização, os investigadores utilizaram o sonicador Hielscher UP400St (ver imagem à esquerda). Na primeira transesterificação promovida sonoquimicamente, o óleo de colza reage com metanol para formar éster metílico. Na segunda etapa de transesterificação, o éster metílico reage com xileno e um catalisador para formar éster de pentaeritritol. O investigador centrou-se na otimização dos parâmetros do processo ultrassónico para aumentar o rendimento e a eficiência global da síntese de éster de pentaeritritol sob ultrassons. Foi alcançado um rendimento melhorado de 81,4% de éster de pentaeritritol com um impulso ultrassónico de 15 s, uma amplitude ultrassónica de 60%, uma concentração de catalisador de 1,5 wt% e uma temperatura de reação de 100°C. Para o controlo de qualidade, o éster de pentaeritritol sintetizado sonoquimicamente foi comparado com óleo sintético para compressores. Em conclusão, o estudo sugere que o processo de transesterificação sucessiva promovido por ultrassons é um método eficiente para substituir o processo convencional de transesterificação sucessiva na síntese de biolubrificante à base de éster de pentaeritritol. As principais vantagens do processo de transesterificação ultrassónica são o aumento dos rendimentos de éster de pentaeritritol, um tempo de reação mais curto e temperaturas de reação significativamente inferiores. (cf. Arumugam et al., 2019)

Transesterificação em duas etapas de óleo de colza em éster de pentaeritritol, intensificada por ultrassons.
(adaptado de Arumugam et al., 2019)

Ésteres acetálicos derivados de pentanal por síntese ultrassónica

A equipa de investigação de Kurniawan sintetizou três ésteres acetálicos derivados de pentanal através de um método sonoquímico que aplica os princípios da química verde. A sonicação foi utilizada para promover duas etapas químicas:

1. Esterificação do ácido 9,10-di-hidroxioctadecanoico
2. Acetalização do 9,10-di-hidroxioctadecanoato de alquilo

Para produzir os ésteres de 9,10-di-hidroxiestearato de alquilo, são necessárias duas etapas, tendo sido obtidos rendimentos de 67–85%. Para avaliar a 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 por H-bentonite, deu origem a produtos com um rendimento de até 70% num tempo de reação 3 vezes mais curto do que o do método de refluxo, o que é notável. A etapa final de acetalização com n-pentanal na presença de H-bentonite, utilizando sonicação, originou três derivados de dioxolano provenientes de pentanal com rendimentos de 69–85%, superiores aos do método convencional. O método de refluxo exigiu um tempo de reação mais longo do que o método sonoquímico, uma vez que a síntese ultrassónica exigiu apenas 10–30min. Além do tempo de reação significativamente mais curto sob sonicação, foi obtido um rendimento notável de cada éster utilizando o método sonoquímico.
O investigador calculou também que as necessidades energéticas da reação sonoquímica são aproximadamente 62 vezes inferiores às do método convencional. Isto reduz os custos e é favorável ao 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 funcionalidades que permitem substituir os lubrificantes comuns. (cf. Kurniawan et al., 2021)

Transesterificação de ésteres de pentaeritritilo utilizando ultrassons

Os ésteres de pentaeritritilo podem ser obtidos a partir de óleos vegetais, como os óleos de girassol, linhaça e jatrofa. A equipa de investigação de Hashem demonstrou a síntese de lubrificantes de base biológica através de transesterificações sucessivas catalisadas por uma base, envolvendo duas etapas de transesterificação. Demonstraram a viabilidade da síntese utilizando óleos de girassol, linhaça e jatrofa. Na primeira etapa, os óleos foram convertidos nos ésteres metílicos correspondentes. No segundo processo, os ésteres metílicos foram convertidos em ésteres de pentaeritritilo pela ação do pentaeritritol, conforme apresentado no esquema seguinte: (cf. Hashem et al., 2013)

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

Os efeitos da sonicação que intensificam significativamente a reação de transesterificação estão cientificamente comprovados e são utilizados industrialmente há décadas. O exemplo mais proeminente de transesterificação melhorada por ultrassons é a conversão de óleos e gorduras em éster metílico de ácidos gordos (FAME), conhecido como biodiesel.
Leia mais sobre a transesterificação assistida por ultrassons de óleos e gorduras (residuais) em biodiesel!

Sondas e reatores ultrassónicos para transesterificação e outras sínteses químicas

A Hielscher Ultrasonics é a sua especialista em sonicadores sofisticados de elevado desempenho para reações sonoquímicas. A Hielscher concebe, fabrica e distribui sonicadores de elevada potência e acessórios, como sondas (sonotrodos), reatores e células de fluxo de qualquer dimensão, e fornece laboratórios químicos, bem como instalações de produção química à escala industrial. Desde dispositivos ultrassónicos compactos de laboratório até sondas e reatores ultrassónicos industriais, a Hielscher tem o sistema ultrassónico ideal para o seu processo. Com uma vasta experiência em aplicações como a sonocatálise e a sonossíntese, a nossa equipa devidamente qualificada recomendar-lhe-á a configuração mais adequada às suas necessidades.
A Hielscher Ultrasonics fabrica sistemas ultrassónicos de elevado desempenho, muito robustos e capazes de produzir ondas ultrassónicas intensas, uma vez que todos os sonicadores industriais Hielscher podem fornecer amplitudes muito elevadas em funcionamento contínuo (24/7). Os robustos sistemas ultrassónicos praticamente não exigem manutenção e são construídos para funcionar. Isto torna o equipamento ultrassónico Hielscher fiável para aplicações de serviço pesado em condições exigentes. Também estão disponíveis sonotrodos especiais para temperaturas elevadas ou ambientes químicos muito agressivos.
A mais elevada qualidade – Concebido e fabricado na Alemanha: Todo o equipamento é concebido e fabricado na nossa sede na Alemanha. Antes da entrega ao cliente, cada dispositivo ultrassónico é cuidadosamente testado em plena carga. Procuramos garantir a satisfação dos clientes e a nossa produção está estruturada para cumprir os mais elevados requisitos de garantia da qualidade (por exemplo, certificação ISO).

A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade aproximada de processamento dos nossos sonicadores: