Sinteza poliolilor prin transesterificare cu ultrasunete

Poliolii sunt esteri sintetici produși în principal prin transesterificarea trigliceridelor din uleiuri vegetale sau grăsimi animale. Acești polioli sunt materie primă pentru producția de poliuretani, biolubrifianți și alte substanțe chimice. Ultrasonicarea este utilizată pentru a intensifica reacțiile de transesterificare prin aplicarea unor forțe de forfecare intense și a energiei termice. Ultrasunetele și efectele lor sonochimice furnizează energia de reacție și ajută la depășirea limitărilor de transfer de masă. Astfel, sonicarea îmbunătățește semnificativ viteza, randamentul și eficiența generală a transesterificării.

Transesterificare asistată de ultrasunete

Reacțiile de transesterificare reprezintă una dintre cele mai importante căi de sinteză și sunt utilizate pe scară largă ca tehnică eficientă de conversie a uleiurilor vegetale în substituenți ai produselor petroliere. Sono-sinteza (numită și sinteză sonochimică, adică sinteză chimică promovată prin ultrasunete de înaltă performanță) este bine cunoscută pentru efectele sale benefice asupra transesterificării, precum și asupra altor procese chimice.

Sinteza sustenabilă a poliolilor din uleiuri vegetale cu ajutorul ultrasunetelor

Acizii grași de origine vegetală, adică uleiurile vegetale, sunt o materie primă larg disponibilă și regenerabilă și pot fi utilizați pentru prepararea poliolilor și poliuretanilor de origine biologică. Aplicarea ultrasunetelor de putere creează efecte sonochimice favorabile, care accelerează semnificativ reacția catalitică de transesterificare. În plus, sonicarea crește randamentul poliolilor sintetizați, deoarece energia intensă de amestecare a cavitației acustice depășește limitarea transferului de masă. Este bine cunoscut faptul că reacțiile de transesterificare cu ultrasunete decurg eficient cu mai puțin alcool și catalizator decât reacțiile convenționale de transesterificare. Aceasta conduce la o eficiență generală îmbunătățită prin ultrasonicare.

Sinteza cu ultrasunete a unui biolubrifiant pe bază de ester de pentaeritritol

Esterul de pentaeritritol poate fi sintetizat eficient din ulei de rapiță printr-un proces sonochimic în două etape, după cum a demonstrat echipa de cercetare a lui Arumugam. În studiul lor de optimizare, cercetătorii au utilizat ultrasonicatorul Hielscher UP400St (vedeți imaginea din stânga). În prima transesterificare promovată sonochimic, uleiul de rapiță reacționează cu metanolul, formând ester metilic. În a doua etapă de transesterificare, esterul metilic reacționează cu xilenul și un catalizator, formând ester de pentaeritritol. Cercetătorul s-a concentrat pe optimizarea parametrilor procesului cu ultrasunete pentru a crește randamentul și eficiența generală a sintezei esterului de pentaeritritol sub acțiunea ultrasunetelor. Un randament îmbunătățit de 81,4% de ester de pentaeritritol a fost obținut cu un puls ultrasonic de 15 s, o amplitudine ultrasonică de 60%, o concentrație de catalizator de 1,5 wt% și o temperatură de reacție de 100°C. Pentru controlul calității, esterul de pentaeritritol sintetizat sonochimic a fost comparat cu ulei de compresor de calitate sintetică. În concluzie, studiul sugerează că procesul de transesterificare succesivă promovat cu ultrasunete este o metodă eficientă pentru înlocuirea procesului convențional de transesterificare succesivă în sinteza biolubrifiantului pe bază de ester de pentaeritritol. Principalele avantaje ale procesului de transesterificare cu ultrasunete sunt randamentele crescute de ester de pentaeritritol, un timp de reacție scurtat și temperaturi de reacție semnificativ mai scăzute. (cf. Arumugam et al., 2019)

Transesterificare în două etape, intensificată cu ultrasunete, a uleiului de rapiță în ester de pentaeritritol.
(adaptat după Arumugam et al., 2019)

Esteri acetalici derivați din pentanal prin sinteză cu ultrasunete

Echipa de cercetare a lui Kurniawan a sintetizat trei esteri acetalici derivați din pentanal printr-o metodă sonochimică, aplicând principiile chimiei verzi. Sonicarea a fost utilizată pentru a promova două etape chimice:

1. Esterificarea acidului 9,10-dihidroxioctadecanoic
2. Acetalizarea 9,10-dihidroxioctadecanoatului de alchil

Pentru a produce esterii de 9,10- dihidroxistearat de alchil sunt necesare două etape, iar randamentele obținute au fost de 67–85%. Pentru evaluarea eficienței, metoda sonochimică a fost comparată cu tehnica convențională de reflux. În plus, catalizatori acizi omogeni și solizi, și anume acidul sulfuric (H2SO4), bentonita naturală și H-bentonita, au fost utilizați pentru a determina influența și eficiența diferiților catalizatori. S-a constatat că esterificarea sonochimică a acidului, catalizată de H-bentonită, a dat produși cu un randament de până la 70% într-un timp de reacție de 3 ori mai scurt decât metoda de reflux, ceea ce este remarcabil. Etapa finală de acetalizare cu n-pentanal în prezența H-bentonitei, folosind ultrasonicarea, a furnizat trei derivați de dioxolan derivați din pentanal cu randamente de 69–85%, mai mari decât cele obținute prin metoda convențională. Metoda de reflux a necesitat un timp de reacție mai lung decât metoda sonochimică, deoarece sinteza cu ultrasunete a necesitat doar 10–30min. Pe lângă timpul de reacție semnificativ mai scurt sub sonicare, s-a obținut un randament remarcabil pentru fiecare ester folosind metoda sonochimică.
Cercetătorul a calculat, de asemenea, că necesarul de energie al reacției sonochimice este de aprox. 62 de ori mai mic decât cel al metodei convenționale. Acest lucru reduce costurile și este ecologic.
Examinarea proprietăților fizico-chimice ale fiecărui produs a arătat că 8-(2-butil-5-octil-1,3-dioxolan-4-il)octanoatul de metil este un potențial biolubrifiant nou, cu funcționalitățile necesare pentru a înlocui lubrifianții obișnuiți. (cf. Kurniawan et al., 2021)

Transesterificarea esterilor de pentaeritril cu ajutorul ultrasunetelor

Esterii de pentaeritril pot fi obținuți din uleiuri vegetale precum uleiul de floarea-soarelui, de in și de jatropha. Echipa de cercetare a lui Hashem a demonstrat sinteza lubrifianților de origine biologică prin transesterificări succesive catalizate bazic, care implică două etape de transesterificare. Aceștia au demonstrat fezabilitatea sintezei folosind ulei de floarea-soarelui, de in și de jatropha. În prima etapă, uleiurile au fost transformate în esterii metilici corespunzători. În al doilea proces, esterii metilici au fost transformați în esteri de pentaeritril prin acțiunea pentaeritritolului, după cum se arată în schema următoare: (cf. Hashem et al., 2013)

După transesterificarea uleiului vegetal în ester metilic, esterii metilici sunt transformați în esteri de pentaeritril prin acțiunea pentaeritritolului, după cum se arată în schema de mai sus.
(cf. Hashem et al., 2013)

Efectele semnificative de intensificare a reacției pe care ultrasonicarea le are asupra transesterificării sunt dovedite științific și adoptate industrial de decenii. Cel mai cunoscut exemplu de transesterificare îmbunătățită cu ultrasunete este conversia uleiurilor și grăsimilor în ester metilic al acizilor grași (FAME), cunoscut sub denumirea de biodiesel.
Citiți mai multe despre transesterificarea asistată de ultrasunete a uleiurilor și grăsimilor (uzate) în biodiesel!

Sonde și reactoare cu ultrasunete pentru transesterificare și alte sinteze chimice

Hielscher Ultrasonics este specialistul dumneavoastră în ceea ce privește ultrasonicatoarele sofisticate de înaltă performanță pentru reacții sonochimice. Hielscher proiectează, produce și distribuie ultrasonicatoare de mare putere și accesorii precum sonde (sonotrode), reactoare și celule de flux de orice dimensiune și furnizează echipamente atât laboratoarelor chimice, cât și unităților de producție chimică la scară industrială. De la dispozitive compacte cu ultrasunete de laborator până la sonde și reactoare industriale cu ultrasunete, Hielscher are sistemul cu ultrasunete ideal pentru procesul dumneavoastră. Cu o experiență îndelungată în aplicații precum sono-cataliza și sono-sinteza, personalul nostru bine pregătit vă va recomanda configurația cea mai potrivită pentru cerințele dumneavoastră.
Hielscher Ultrasonics produce sisteme cu ultrasunete de înaltă performanță, de o robustețe foarte mare și capabile să furnizeze unde ultrasonice intense, deoarece toate ultrasonicatoarele industriale Hielscher pot furniza amplitudini foarte mari în funcționare continuă (24/7). Sistemele cu ultrasunete robuste nu necesită aproape nicio întreținere și sunt construite pentru a funcționa. Acest lucru face ca echipamentele cu ultrasunete Hielscher să fie fiabile pentru aplicații grele în condiții solicitante. Sunt disponibile și sonotrode speciale pentru temperaturi ridicate sau medii chimice foarte agresive.
Cea mai înaltă calitate – proiectat și fabricat în Germania: Toate echipamentele sunt proiectate și fabricate la sediul nostru central din Germania. Înainte de livrarea către client, fiecare dispozitiv cu ultrasunete este testat cu atenție la sarcină maximă. Ne străduim să asigurăm satisfacția clienților, iar producția noastră este structurată pentru a îndeplini cele mai înalte cerințe de asigurare a calității (de exemplu, certificarea ISO).

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre: