Sinteza poliolului prin transesterificare cu ultrasunete

Poliolii sunt esteri sintetici produși în principal printr-o transesterificare a trigliceridelor din uleiuri vegetale sau grăsimi animale. Acești polioli sunt materii prime pentru producția de poliuretani, biolubrifianți și alte substanțe cemicale. Ultrasonication este utilizat pentru a spori reacțiile de transesterificare prin aplicarea forțelor intense de forfecare și a energiei termice. Ultrasunetele și efectele sale sonochimice furnizează energie de reacție și ajută la depășirea limitărilor de transfer de masă. Astfel, sonicare îmbunătățește semnificativ viteza de transesterificare, randament, și eficiența generală.

Transesterificare asistată cu ultrasunete

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

Sinteza durabilă a poliolilor din uleiuri vegetale folosind ultrasunete

Acizii grași derivați din plante, adică uleiurile vegetale, sunt o materie primă disponibilă pe scară largă și regenerabilă și pot fi utilizați pentru prepararea poliolilor și poliuretanilor biobazați. Aplicarea ultrasunetelor de putere creează efecte sonochimice favorabile, care accelerează semnificativ reacția catalitică a transesterificării. În plus, sonicare îmbunătățește randamentul poliolilor sintetizați, deoarece energia intensă de amestecare a cavitației acustice depășește limitarea transferului de masă. Reacțiile de transesterificare cu ultrasunete sunt bine cunoscute pentru a rula eficient cu alcool mai mic și catalizator ca reacții convenționale de transesterificare. Acest lucru duce la o eficiență generală îmbunătățită prin ultrasonication.

Sinteza cu ultrasunete a unui biolubrifiant pe bază de ester pentaeritritol

Esterul pentaeritritol poate fi sintetizat eficient din ulei de rapiță printr-un proces sonochimic în două etape, așa cum a demonstrat echipa de cercetare din Arumugam. În studiul lor de optimizare, cercetătorii au folosit ultrasonicator Hielscher UP400St (vezi imaginea din stânga). În prima transesterificare promovată sonochimic, uleiul de rapiță reacționează cu metanolul la esterul metilic. În a doua etapă de transesterificare, esterul metilic reacționează cu xilenul și un catalizator al esterului pentaeritritol. Cercetătorul sa concentrat pe optimizarea parametrilor procesului cu ultrasunete, în scopul de a spori randamentul și eficiența generală a sintezei esterului pentaeritritol sub ultrasunete. Randament îmbunătățit de 81.4% de ester pentaeritritol a fost realizat cu un impuls cu ultrasunete de 15 s, o amplitudine cu ultrasunete de 60%, o concentrație catalizator de 1.5 wt%, și temperatura de reacție de 100°C. Pentru controlul calității, esterul pentaeritritol sintetizat sonochimic a fost comparat cu uleiul de compresor sintetic. În concluzie, studiul sugerează că procesul de transesterificare succesivă promovată ultrasonically este o metodă eficientă de a înlocui procesul convențional de transesterificare succesivă pentru sinteza biolubrifiantului pe bază de ester pentaeritritol. Avantajele majore ale procesului de transesterificare cu ultrasunete sunt randamentele crescute ale esterului pentaeritritol, un timp de reacție scurtat și temperaturi de reacție semnificativ mai scăzute. (cf. Arumugam et al., 2019)

Transesterificarea în două etape intensificată ultrasonically a uleiului de rapiță la esterul pentaeritritol.
(adaptare după Arumugam et al., 2019)

Esteri acetali derivați pentanali prin sinteza cu ultrasunete

Echipa de cercetare a lui Kurniawan a sintetizat trei esteri acetali derivați pentanalic prin metoda sonochimică care utilizează principiile chimiei verzi. Sonicare a fost folosit pentru a promova doi pași chimici:

1. Esterificarea acidului 9,10-dihidroxioctadecanoic
2. Acetalizarea alchilului 9,10-dihidroxioctadecanoat

Pentru producerea esterilor alchilului 9,10-dihidroxistearat sunt necesare două etape și s-au obținut randamente de 67-85%. Pentru evaluarea eficienței, metoda sonochimică a fost comparată cu tehnica convențională de reflux. În plus, catalizatori omogeni și acizi solizi, și anume acidul sulfuric (H2SO4), bentonita naturală și bentonita H, au fost utilizați pentru a determina influența și eficiența diferiților catalizatori. Sa constatat că esterificarea sonochimică a acidului catalizat de H-bentonită a dat produse 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. Pasul final de acetalizare cu n-pentanal în prezența H-bentonitei folosind ultrasonication a oferit trei derivați dioxolane derivați pentanali în randamente 69-85%, care sunt mai mari decât 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. În plus față de timpul de reacție semnificativ mai scurt sub sonicare, un randament remarcabil al fiecărui ester a fost obținut folosind metoda sonochimică.
Cercetătorul a calculat, de asemenea, că cerințele energetice ale reacției sonochimice sunt de aproximativ 62 de ori mai mici decât cele ale 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)octanoat de metil este un potențial biolubrifiant nou, cu funcționalitățile de a înlocui lubrifianții obișnuiți. (cf. Kurniawan și colab., 2021)

Transesterificarea esterilor pentaeritril folosind ultrasunete

Esterii pentaeritril pot fi obținuți din uleiuri vegetale, cum ar fi floarea-soarelui, semințele de in și uleiul de jatropha. Echipa de cercetare a lui Hashem a demonstrat sinteza lubrifianților biobazați printr-o transesterificare succesivă catalizată de bază care implică două etape de transesterificare. Ei au demonstrat fezabilitatea sintezei folosind ulei de floarea-soarelui, semințe de in și jatropha. În prima etapă, uleiurile au fost transformate în esterii metilici corespunzători. În al doilea proces, esterii metilici au fost transformați în esteri pentaeritrilici prin acțiunea pentaeritritolului, așa cum se arată în următoarea schemă: (cf. Hashem et al., 2013)

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

Efectele semnificative de îmbunătățire a reacției ultrasonication asupra transesterificării sunt dovedite științific și deja de zeci de ani adoptate industrial. Cel mai proeminent exemplu pentru transesterificarea îmbunătățită ultrasonically este conversia uleiurilor și grăsimilor în esteri metilici ai acizilor grași (FAME), cunoscut sub numele de biodiesel.
Citiți mai multe despre transesterificarea asistată cu ultrasunete a uleiurilor și grăsimilor (uzate) în biodiesel!

Sonde cu ultrasunete și reactoare pentru transesterificare și alte sinteze chimice

Hielscher Ultrasonics este specialistul tău atunci când vine vorba de ultrasonicators sofisticate de înaltă performanță pentru reacții sonochimice. Hielscher proiectează, produce și distribuie ultrasonicators de mare putere și accesorii, ar fi sonde (sonotrodes), reactoare, și celule de flux la orice dimensiune și furnizează laboratoare chimice, precum și instalații de producție chimică la scară industrială. De la dispozitive compacte cu ultrasunete de laborator la sonde industriale cu ultrasunete și reactoare, Hielscher are sistemul cu ultrasunete ideal pentru procesul dumneavoastră. Cu o experiență îndelungată în aplicații precum sonocataliza și sono-sinteza, personalul nostru bine instruit vă va recomanda cea mai potrivită configurație pentru cerințele dumneavoastră.
Hielscher Ultrasonics produce sisteme cu ultrasunete de înaltă performanță de robustețe foarte mare și capabile să furnizeze unde ultrasonicatoare intense deoarece toate ultrasonicators industriale Hielscher pot livra amplitudini foarte mari în funcționare continuă (24/7). Sistemele robuste cu ultrasunete nu necesită aproape nicio întreținere și sunt construite pentru a funcționa. Acest lucru face Hielscher echipamente cu ultrasunete fiabile pentru aplicații grele în condiții solicitante. Sonotrodes speciale pentru temperaturi ridicate sau substanțe chimice foarte dure sunt disponibile prea.
Cea mai înaltă calitate – Proiectat și fabricat în Germania: Toate echipamentele sunt proiectate și fabricate în sediul nostru din Germania. Înainte de livrarea către client, fiecare dispozitiv cu ultrasunete este testat cu atenție sub sarcină maximă. Ne străduim să satisfacem clienții, iar producția noastră este structurată pentru a îndeplini cea mai înaltă asigurare a calității (de exemplu, certificarea ISO).

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre: