Sinteza poliola preko ultrazvočne transesterifikacije

Polioli so sintetični estri, proizvedeni predvsem preko transesterifikacije trigliceridov iz rastlinskih olj ali živalskih maščob. Ti polioli so surovina za proizvodnjo poliuretanov, biolubrikantov in drugih cemikov. Ultrasonication se uporablja za povečanje transesterifikacijnih reakcij z uporabo intenzivnih striženih sil in toplotne energije. Ultrazvok in njegovi sonokemični učinki dobavljajo reakcijsko energijo in pomagajo premagati omejitve prenosa mase. S tem sonifikacija bistveno izboljšuje hitrost transesterifikacije, donos in splošno učinkovitost.

Transesterifikacija s pomočjo ultrazvoka

Reakcije transesterifikacije so ena najpomembnejših sinteznih poti in se pogosto uporabljajo kot učinkovita tehnika za pretvorbo rastlinskih olj v nadomestke naftnih derivatov. Sono-sinteza (tudi sonokemična sinteza, ki je kemijska sinteza, promovirana preko ultrazvoka z visokim delovanjem), je znana po svojih blagodejnih učinkih na transesterifikacijo in druge kemične procese.

Trajnostna sinteza poliola iz rastlinskega olja z uporabo ultrazvoka

Rastlinske pridobljene maščobne kisline, to je rastlinska olja, so široko dostopna in obnovljiva surovina in se lahko uporabljajo za pripravo biobajdnih poliol in poliuretana. Uporaba ultrazvoka moči ustvarja ugodne sonokemične učinke, ki bistveno pospešijo katalitično reakcijo transesterifikacije. Poleg tega sonication povečuje donos sintetiiziranih polioli, saj intenzivna mešanje energije akustične kavitacije premaga omejitev množičnega prenosa. Ultrazvočne transesterifikacijne reakcije so dobro znane, da učinkovito tečejo z nižjim alkoholom in katalizovalci kot konvencionalne transesterifikacialne reakcije. To vodi do izboljšane splošne učinkovitosti z ultrasonication.

Ultrazvočna sinteza biolubrikanta na osnovi pentaeritritola

Pentaeritritol ester je mogoče učinkovito sintetizizirati iz oljne oljne ogrščine prek dvostopečnega sonokemičnega procesa, kot je pokazala raziskovalna skupina Arumugam. V svoji študiji optimizacije so raziskovalci uporabili Hielscher ultrazvočnitor UP400St (glej sliko levo). V prvi sonokemično pospeševanje transesterifikacije se olje oljne repiče reagira z metanolom na metil ester. V drugem koraku transesterifikacije metil ester reagira s ksilenom in katalizovalci na ester pentaeritola. Raziskovalec se je osredotočil na optimizacijo ultrazvočnih procesnih parametrov, da bi povečali donos in splošno učinkovitost sinteze ester pentaeritol pod ultrazvoka. Izboljšan donos 81,4% estra pentaeritola je bil dosežen z ultrazvočnim impulzom 15 s, ultrazvočno amplitudo 60%, koncentracijo katalizovalca 1,5 wt%, in reakcijsko temperaturo 100 °C. Za nadzor kakovosti so sonokemično sintetizirajoč ester pentaeritola primerjali s sintetičnim oljem kompresorja razreda. Na koncu študija kaže, da je ultrazvočno spodbujan zaporedni proces transesterifikacije učinkovita metoda za nadomestitev konvencionalnega zaporednega procesa transesterifikacije za sintezo biolubrikanta na osnovi pentaetritola. Glavne prednosti ultrazvočnega procesa transesterifikacije so povečani donosi estra pentaeritola, skrajšani reakcijski čas in bistveno nižje reakcijske temperature. (prim. Arumugam et al., 2019)

Ultrazvočno intenzivna dvo stopenjska transesterifikacija oljne ogrščine na ester pentaeritola.
(prilagojeno iz Arumugam et al., 2019)

Pentanalno pridobljeni acetalni etri preko ultrazvočne sinteze

Raziskovalna ekipa Kurniawana je sintetizizirala tri acetalne esterje, pridobljene s pentanom, prek sonokemične metode, ki je zaposloval načela zelene kemije. Sonication so uporabili za spodbujanje dveh kemičnih korakov:

1. Esterifikacija 9,10-dihidroksioktadekanojske kisline
2. Acetalizacija alkila 9,10-dihidroksioktadekanoata

Za proizvodnjo edre alkila 9,10- dihidroksistearat sta potrebna dva koraka in pridobljeni so bili donosi 67-85%. Za ocenjevanje učinkovitosti so sonokemično metodo primerjali s konvencionalno tehniko refluksa. Poleg tega so se za določitev vpliva in učinkovitosti različnih katalizovalcev uporabljali homogeni in trdni katalizovci kisline, in sicer žveplova kislina (H2SO4), naravni bentonit in H-bentonit. Ugotovilo se je, da je sonokemična esterifikacija kisline, katalizirane s H-bentonitom, dala izdelke v do 70% donosu v 3-krat krajšem času reakcije kot metoda refluksa, kar je izjemno. Končni korak acetalizacije z n-pentanilom v prisotnosti H-bentonita z ultrasonikacijo je s pomočjo ultrasonikacije v 69–85% donosov, ki so višji od običajne metode, privedli do treh derivatov dioksolana, pridobljenih iz pentanila. Metoda refluksa je zahtevala daljši reakcijski čas kot sonokemična metoda, saj je ultrazvočna sinteza zahtevala le 10-30min. Poleg bistveno krajšega časa reakcije pod sonikacijo je bil z uporabo sonokemične metode pridobljen izjemen donos vsakega estra.
Raziskovalec je tudi izračunal, da so energetske zahteve sonokemične reakcije približno 62-krat nižje od zahteve konvencionalne metode. To zmanjšuje stroške in je okolju prijazno.
Pregled fizikalno-kemijskih lastnosti vsakega izdelka je pokazal, da je metil 8-(2-butil-5-oktil-1,3-dioksolan-4-il)oktanoat potencialni nov biolubrikant s funkcionalnostmi za nadomestitev skupnih mazivov. (prim. Kurniawan et al., 2021)

Transesterifikacija esterjev pentaetrila z ultrazvoka

Pentaerythryl etri se lahko pridobijo iz rastlinskih olj, kot sončnica, sejem, in jatrofa olje. Raziskovalna skupina Hashema je dokazala sintezo biobaznih mazivov prek zaporednih bazno kataliziranih transesterifikativ, ki vključujeta dva koraka transesterifikacije. Dokazali so izvedljivost sinteze z uporabo sončnic, senčnikov in jatrofinega olja. V prvem koraku so bila olja pretvorjena v ustrezne metilne estre. V drugem postopku so bili metil eskirji spremenjeni v pentaerythryl esters z delovanjem pentaeritritola, kot je prikazano v naslednji shemi: (prim. Hashem et al., 2013)

Po transesterifikaciji rastlinskega olja v metil ester se metil estri s delovanjem pentaeritritola pretvorijo v esterje pentaeritla, kot je prikazano v zgornji shemi.
(prim. Hashem et al., 2013)

Pomembno izboljšanje reakcijskih učinkov ultrasonifikacije na transesterifikacijo je znanstveno dokazano in že od desetletij industrijsko sprejeto. Najvidnejši primer za ultrazvočno izboljšano tranesterifikacijo je pretvorba olj in maščob v maščobno kislino metil ester (FAME), znan kot biodiesel.
Preberite več o transesterifikaciji (odstranjenih) olj in maščob v biodiesel z ultrazvočno pomočjo!

Ultrazvočne sonde in reaktorji za transesterifikacijo in druge kemijske sinteze

Hielscher Ultrasonics je vaš specialist, ko gre za sofisticirane ultrasonicatorje visoke zmogljivosti za sonokemične reakcije. Hielscher oblikuje, proizvaja in distribuira visoko moč ultrazvočnikov in dodatkov, kot so sonde (sonotrodes), reaktorji, in pretok celice v kateri koli velikosti in dobavlja kemične laboratorije, kot tudi kemične proizvodne objekte v industrijskem obsegu. Od kompaktnih laboratorijskih ultrazvočnih naprav do industrijskih ultrazvočnih sond in reaktorjev, Hielscher ima idealen ultrazvočni sistem za vaš proces. Z dolgotrajnimi izkušnjami v aplikacijah, kot sta sono-kataliza in sono-sinteza, vam bo naše dobro usposobljeno osebje priporočilo najbolj primeren setup za vaše zahteve.
Hielscher Ultrasonics proizvaja visoko zmogljive ultrazvočne sisteme zelo visoke robustnosti in sposoben za dostavo intenzivnih ultrazvočnih valov, saj lahko vsi Hielscher industrijski ultrazvočniki dostavijo zelo visoke amplitude v neprekinjenem delovanju (24/7). Robustni ultrazvočni sistemi zahtevajo skoraj nobeno vzdrževanje in so zgrajeni za izvajanje. Zaradi tega je Hielscher ultrazvočna oprema zanesljiva za zahtevne aplikacije pod zahtevnimi pogoji. Na voljo so tudi posebni sonotrodi za visoko temperaturo ali zelo ostro kemikalijo.
Najvišja kakovost – Izdelano in izdelano v Nemčiji: Vsa oprema je zasnovana in izdelana v našem sedežu v Nemčiji. Pred dostavo kupcu se vsaka ultrazvočna naprava skrbno testira pod polno obremenitvijo. Prizadevamo si za zadovoljstvo strank, naša proizvodnja pa je strukturirana tako, da izpolnjuje najvišje zagotavljanje kakovosti (npr. iso certificiranje).

V spodnji tabeli vam daje podatek o približni zmogljivosti obdelave naših ultrasonicators: