Синтез полиолов методом ультразвуковой переэтерификации

Полиолы представляют собой синтетические эфиры, получаемые в основном путем переэтерификации триглицеридов из растительных масел или животных жиров. Эти полиолы являются сырьем для производства полиуретанов, биосмазочных материалов и других цемикатов. Ультразвуковое излучение используется для усиления реакций переэтерификации путем приложения интенсивных сил сдвига и тепловой энергии. Ультразвук и его сонохимические эффекты обеспечивают энергию реакции и помогают преодолеть ограничения массообмена. Таким образом, ультразвуковая обработка значительно повышает скорость переэтерификации, выход продукции и общую эффективность.

Переэтерификация с помощью ультразвука

Реакции переэтерификации являются одним из важнейших путей синтеза и широко используются в качестве эффективного метода превращения растительных масел в заменители нефтепродуктов. Соносинтез (также сонохимический синтез, который представляет собой химический синтез, проводимый с помощью высокоэффективного ультразвука) хорошо известен своим благотворным влиянием на переэтерификацию, а также на другие химические процессы.

Устойчивый синтез полиолов из растительных масел с помощью ультразвука

Жирные кислоты растительного происхождения, т.е. растительные масла, являются широко доступным и возобновляемым сырьем и могут использоваться для получения полиолов и полиуретанов на биологической основе. Применение силового ультразвука создает благоприятные сонохимические эффекты, которые значительно ускоряют каталитическую реакцию переэтерификации. Кроме того, ультразвуковая обработка увеличивает выход синтезированных полиолов, поскольку интенсивная энергия смешивания акустической кавитации преодолевает ограничение массообмена. Хорошо известно, что реакции ультразвуковой переэтерификации протекают эффективно с низким содержанием спирта и катализатора, как и обычные реакции переэтерификации. Это приводит к повышению общей эффективности при ультразвуковом исследовании.

Ультразвуковой синтез биолубриканта на основе пентаэритритолового эфира

Сложный эфир пентаэритритола может быть эффективно синтезирован из рапсового масла с помощью двухступенчатого сонохимического процесса, как продемонстрировала исследовательская группа Arumugam. В своем исследовании по оптимизации ученые использовали ультразвуковой аппарат Hielscher UP400St (см. рисунок слева). В первой сонохимически стимулированной переэтерификации рапсовое масло реагирует с метанолом до метилового эфира. На второй стадии переэтерификации метиловый эфир вступает в реакцию с ксилолом и катализатором на сложный эфир пентаэритрита. Основное внимание было уделено оптимизации параметров ультразвукового процесса с целью повышения выхода и общей эффективности синтеза эфира пентаэритритола под ультразвуком. Улучшение выхода 81,4% эфира пентаэритритола достигалось при ультразвуковом импульсе 15 с, амплитуде ультразвука 60%, концентрации катализатора 1,5 мас.% и температуре реакции 100°С. Для контроля качества сонохимически синтезированный эфир пентаэритритола сравнивали с синтетическим компрессорным маслом. В заключение, исследование предполагает, что процесс последовательной переэтерификации, продвигаемый ультразвуком, является эффективным методом замены традиционного процесса последовательной переэтерификации для синтеза биосмазки на основе эфира пентаэритрита. Основными преимуществами процесса ультразвуковой переэтерификации являются увеличение выхода эфира пентаэритрита, сокращение времени реакции и значительно более низкие температуры реакции. (ср. Арумугам и др., 2019)

Ультразвуковая интенсификация двухступенчатой переэтерификации рапсового масла до эфира пентаэритрита.
(адаптировано из Arumugam et al., 2019)

Пентанальные эфиры ацеталя с помощью ультразвукового синтеза

Исследовательская группа из Курниавана синтезировала три пентанальных эфира ацеталя сонохимическим методом, используя принципы зеленой химии. Ультразвуковая обработка использовалась для продвижения двух химических этапов:

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

Для получения сложных эфиров алкил-9,10-дигидроксистеарата требуется два этапа, в результате которых были получены выходы 67-85%. Для оценки эффективности сонохимический метод сравнивали с обычным методом рефлюкса. Кроме того, для определения влияния и эффективности различных катализаторов были использованы гомогенные и твердокислотные катализаторы, а именно серная кислота (H2SO4), природный бентонит и H-бентонит. Установлено, что сонохимическая этерификация кислоты, катализируемой H-бентонитом, дает продукты с выходом до 70% при меньшем времени реакции в 3 раза, чем метод рефлегмации, что примечательно. На заключительном этапе ацетализации n-пентаналом в присутствии H-бентонита с помощью ультразвука были получены три производных диоксолана на основе пентанала с выходом 69–85%, что выше, чем при использовании традиционного метода. Метод рефлюкса требовал большего времени реакции, чем сонохимический, так как ультразвуковой синтез требовал всего 10-30 минут. В дополнение к значительно более короткому времени реакции при ультразвуковой обработке, с помощью сонохимического метода был получен замечательный выход каждого эфира.
Исследователь также подсчитал, что потребность в энергии для сонохимической реакции примерно в 62 раза ниже, чем при традиционном методе. 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 потенциально новым биосмазочным материалом, способным заменить обычные смазочные материалы. (ср. Kurniawan et al., 2021)

Переэтерификация пентаэритриловых эфиров с помощью ультразвука

Пентаэритриловые эфиры можно получить из растительных масел, таких как подсолнечное, льняное и ятрофое. Исследовательская группа Hashem продемонстрировала синтез смазочных материалов на биологической основе с помощью последовательной переэтерификации, катализируемой основаниями, включающей два этапа переэтерификации. Они продемонстрировали возможность синтеза с использованием подсолнечного, льняного семени и масла ятрофы. На первом этапе масла преобразовывались в соответствующие метиловые эфиры. Во втором способе метиловые эфиры превращались в пентаэритриловые эфиры под действием пентаэритритола, как показано на следующей схеме: (см. Hashem et al., 2013)

После переэтерификации растительного масла до метилового эфира метиловые эфиры превращаются в пентаэритриловые эфиры под действием пентаэритритола, как показано на схеме выше.
(ср. Hashem et al., 2013)

Научно доказано и уже в течение десятилетий промышленно доказано значительное влияние ультразвуковой обработки на переэтерификацию, усиливающее реакции. Наиболее ярким примером ультразвуковой улучшенной трансэтерификации является преобразование масел и жиров в метиловый эфир жирных кислот (FAME), известный как биодизельное топливо.
Узнайте больше о переэтерификации масел и жиров (отходов) в биодизельное топливо с помощью ультразвука!

Ультразвуковые зонды и реакторы для переэтерификации и другого химического синтеза

Hielscher Ultrasonics - ваш специалист, когда речь идет о сложных высокопроизводительных ультразвуковых аппаратах для сонохимических реакций. Hielscher разрабатывает, производит и распространяет мощные ультразвуковые анализаторы и аксессуары, такие как зонды (сонотроды), реакторы и проточные ячейки любого размера, а также поставляет их в химические лаборатории, а также на химические производственные объекты в промышленных масштабах. От компактных лабораторных ультразвуковых устройств до промышленных ультразвуковых зондов и реакторов - у Hielscher есть идеальная ультразвуковая система для вашего технологического процесса. Благодаря многолетнему опыту работы в таких областях, как сонокатализ и соносинтез, наш хорошо обученный персонал порекомендует вам наиболее подходящую установку в соответствии с вашими требованиями.
Hielscher Ultrasonics производит высокопроизводительные ультразвуковые системы с очень высокой прочностью и способными доставлять интенсивные ультразвуковые волны, поскольку все промышленные ультразвуковые аппараты Hielscher могут обеспечивать очень высокие амплитуды в непрерывной работе (24/7). Надежные ультразвуковые системы практически не требуют технического обслуживания и рассчитаны на работу. Это делает ультразвуковое оборудование Hielscher надежным для тяжелых условий эксплуатации в сложных условиях. Также доступны специальные сонотроды для высокотемпературных или очень агрессивных химикатов.
Высочайшее качество – Разработано и изготовлено в Германии: Все оборудование спроектировано и изготовлено в нашем головном офисе в Германии. Перед поставкой заказчику каждый ультразвуковой аппарат проходит тщательное тестирование под полной нагрузкой. Мы стремимся к удовлетворению потребностей клиентов, и наше производство организовано таким образом, чтобы соответствовать высочайшим требованиям гарантии качества (например, сертификация ISO).

В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов: