Синтез полиолов с помощью ультразвуковой переэтерификации

Полиолы представляют собой синтетические сложные эфиры, получаемые в основном путем переэтерификации триглицеридов из растительных масел или животных жиров. Эти полиолы являются сырьем для производства полиуретанов, биосмазочников и других семекалов. Ультразвук используется для усиления реакций переэтерификации путем применения интенсивных сил сдвига и тепловой энергии. Ультразвук и его сонохимические эффекты обеспечивают энергию реакции и помогают преодолеть ограничения массопереноса. Таким образом, обработка ультразвуком значительно улучшает скорость, выход и общую эффективность переэтерификации.

Ультразвуковая переэтерификация

Реакции переэтерификации являются одним из важнейших путей синтеза и широко используются в качестве эффективного метода превращения растительных масел в заменители нефтепродуктов. Соно-синтез (также сонохимический синтез, который является химическим синтезом, продвигаемым с помощью высокоэффективного ультразвука), хорошо известен своим благотворным влиянием на переэтерификацию, а также на другие химические процессы.

Устойчивый синтез полиолов из растительных масел с использованием ультразвука

Растительные жирные кислоты, т.е. растительные масла, являются широко доступным и возобновляемым сырьем и могут быть использованы для приготовления полиолов и полиуретанов на биологической основе. Применение силового ультразвука создает благоприятные сонохимические эффекты, которые значительно ускоряют каталитическую реакцию переэтерификации. Кроме того, обработка ультразвуком повышает выход синтезированных полиолов, поскольку интенсивная энергия смешивания акустической кавитации преодолевает ограничение массопереноса. Хорошо известно, что реакции ультразвуковой переэтерификации эффективно протекают с более низким содержанием спирта и катализатора в качестве обычных реакций переэтерификации. Это приводит к повышению общей эффективности за счет ультразвука.

Ультразвуковой синтез биосмешивающего вещества на основе пентаэритритритового эфира

Эфир пентаэритрита может быть эффективно синтезирован из рапсового масла с помощью двухэтапного сонохимического процесса, как продемонстрировала исследовательская группа Arumugam. В своем оптимизационном исследовании ученые использовали ультразвуковой аппарат Hielscher UP400St (см. рисунок слева). При первой сонохимически способствующей переэтерификации рапсовое масло реагирует с метанолом на метиловый эфир. На второй стадии переэтерификации метиловый эфир реагирует с ксилолом и катализатором с эфиром пентаэритрита. Исследователь сосредоточился на оптимизации параметров ультразвукового процесса с целью повышения выхода и общей эффективности синтеза эфира пентаэритрита под ультразвуком. Улучшенный выход 81,4% эфира пентаэритрита был достигнут ультразвуковым импульсом 15 с, ультразвуковой амплитудой 60%, концентрацией катализатора 1,5 мас.% и температурой реакции 100°C. Для контроля качества сонохимически синтезированный эфир пентаэритрита сравнивали с компрессорным маслом синтетического сорта. В заключение, исследование предполагает, что ультразвуковой процесс последовательной переэтерификации является эффективным методом замены обычного последовательного процесса переэтерификации для синтеза биосмазывателя на основе эфира пентаэритрита. Основными преимуществами ультразвукового процесса переэтерификации являются увеличение выхода эфира пентаэритрита, сокращение времени реакции и значительно более низкие температуры реакции. (см. Арумугам и др., 2019)

Ультразвуком усилена двухстадийная переэтерификация рапсового масла в эфир пентаэритрита.
(адаптировано из Arumugam et al., 2019)

Пентанал-производные ацетальные эфиры с помощью ультразвукового синтеза

Исследовательская группа Курниавана синтезировала три пентаналовых ацетальных эфира с помощью сонохимического метода, используя принципы зеленой химии. Обработка ультразвуком использовалась для продвижения двух химических этапов:

1. Этерификация 9,10-дигидроксиоктадекановой кислоты
2. Ацетализация алкил-9,10-дигидроксиоктадеканоата

Для получения сложных эфиров алкил 9,10-дигидроксистеарата требуется два этапа и получен выход 67-85%. Для оценки эффективности сонохимический метод сравнивали с обычным методом рефлюкса. Кроме того, для определения влияния и эффективности различных катализаторов использовались гомогенные и твердые кислотные катализаторы, а именно серная кислота (H2SO4), природный бентонит и Н-бентонит. Установлено, что сонохимическая этерификация кислотно-катализируемого Н-бентонитом давала продуктам до 70% выхода в 3 раза более короткое время реакции, чем рефлюксный метод, что примечательно. Заключительная стадия ацетализации n-пентаналом в присутствии Н-бентонита с использованием ультразвука позволила получить три производных диоксолана, полученных из пентанала, с выходами 69-85%, которые выше, чем обычный метод. Рефлюксный метод требовал более длительного времени реакции, чем сонохимический метод, поскольку ультразвуковой синтез требовал всего 10-30 мин. В дополнение к значительно более короткому времени реакции при обработке ультразвуком, замечательный выход каждого эфира был получен с использованием сонохимического метода.
Исследователь также подсчитал, что энергетические потребности сонохимической реакции примерно в 62 раза ниже, чем у обычного метода. Это снижает затраты и является экологически чистым.
Изучение физико-химических свойств каждого продукта показало, что метил-8-(2-бутил-5-октил-1,3-диоксолан-4-ил)октаноат является потенциальным новым биосмазочным веществом с функциональными возможностями для замены обычных смазочных материалов. (ср. Курниаван и др., 2021)

Переэтерификация сложных эфиров пентаэритрила с помощью ультразвука

Сложные эфиры пентаэритрила можно получить из растительных масел, таких как подсолнечное, льняное и ятрофное масло. Исследовательская группа Hashem продемонстрировала синтез смазочных материалов на биологической основе с помощью последовательных катализируемых основанием переэтерификаций, включающих две стадии переэтерификации. Они продемонстрировали целесообразность синтеза с использованием подсолнечного, льняного и ятрофного масла. На первом этапе масла превращали в соответствующие метиловые эфиры. Во втором процессе метиловые эфиры превращали в сложные эфиры пентаэритрила действием пентаэритрита, как показано на следующей схеме: (ср. Hashem et al., 2013)

После переэтерификации растительного масла в метиловый эфир метиловые эфиры превращаются в пентаэритрильные эфиры действием пентаэритрита, как показано на схеме выше.
(ср. Хашем и др., 2013)

Значительно усиливающие реакцию эффекты ультразвуковой обработки на переэтерификацию научно доказаны и уже на протяжении десятилетий промышленно приняты. Наиболее ярким примером ультразвуковой улучшенной транестерификации является превращение масел и жиров в метиловый эфир жирных кислот (FAME), известный как биодизель.
Узнайте больше о ультразвуковой переэтерификации (отработанных) масел и жиров в биодизель!

Ультразвуковые зонды и реакторы для переэтерификации и других химических синтезов

Hielscher Ultrasonics - ваш специалист, когда дело доходит до сложных высокоэффективных ультразвуковых аппаратов для сонохимических реакций. Hielscher разрабатывает, производит и распространяет мощные ультразвуковые аппараты и аксессуары, такие как зонды (сонотроды), реакторы и проточные ячейки любого размера, и поставляет химические лаборатории, а также химические производственные мощности в промышленных масштабах. От компактных лабораторных ультразвуковых устройств до промышленных ультразвуковых зондов и реакторов, Hielscher имеет идеальную ультразвуковую систему для вашего процесса. Обладая многолетним опытом в таких областях применения, как соно-катализ и соно-синтез, наш хорошо обученный персонал порекомендует вам наиболее подходящую установку для ваших требований.
Hielscher Ultrasonics производит высокоэффективные ультразвуковые системы очень высокой прочности и способные доставлять интенсивные ультразвуковые волны, поскольку все промышленные ультразвуковые аппараты Hielscher могут обеспечивать очень высокие амплитуды в непрерывной работе (24/7). Надежные ультразвуковые системы почти не требуют обслуживания и созданы для работы. Это делает ультразвуковое оборудование Hielscher надежным для тяжелых условий эксплуатации в сложных условиях. Также доступны специальные сонотроды для высокотемпературных или очень агрессивных химических веществ.
Наивысшее качество – Разработано и сделано в Германии: Все оборудование спроектировано и изготовлено в нашей штаб-квартире в Германии. Перед поставкой заказчику каждое ультразвуковое устройство тщательно тестируется под полной нагрузкой. Мы стремимся к удовлетворению клиентов, и наше производство структурировано таким образом, чтобы соответствовать самым высоким гарантиям качества (например, сертификация ISO).

В приведенной ниже таблице приведена приблизительная производительность наших ультразвуковых аппаратов: