Polyolsyntes genom ultraljudsassisterad transesterifiering

Polyoler är syntetiska estrar som huvudsakligen framställs genom transesterifiering av triglycerider från vegetabiliska oljor eller animaliska fetter. Dessa polyoler är råmaterial för framställning av polyuretaner, biosmörjmedel och andra kemikalier. Ultraljudsbehandling används för att förbättra transesterifieringsreaktioner genom att tillföra intensiva skjuvkrafter och termisk energi. Ultraljud och dess sonokemiska effekter tillför reaktionsenergi och hjälper till att övervinna begränsningar i massöverföringen. Därigenom förbättrar ultraljudsbehandlingen avsevärt transesterifieringens hastighet, utbyte och totala effektivitet.

Ultraljudsassisterad transesterifiering

Transesterifieringsreaktioner är en av de viktigaste syntesvägarna och används i stor utsträckning som en effektiv teknik för att omvandla vegetabiliska oljor till ersättningar för petroleumprodukter. Sonosyntes (även kallad sonokemisk syntes, vilket är kemisk syntes som främjas med högpresterande ultraljud) är välkänd för sina gynnsamma effekter på transesterifiering och andra kemiska processer.

Hållbar polyolsyntes från vegetabiliska oljor med ultraljud

Växtbaserade fettsyror, dvs. vegetabiliska oljor, är ett lättillgängligt och förnybart råmaterial som kan användas för framställning av biobaserade polyoler och polyuretaner. Användning av effektultraljud skapar gynnsamma sonokemiska effekter som avsevärt påskyndar den katalytiska transesterifieringsreaktionen. Dessutom ökar ultraljudsbehandlingen utbytet av syntetiserade polyoler eftersom den intensiva blandningsenergin från akustisk kavitation övervinner begränsningar i massöverföringen. Ultraljudsassisterade transesterifieringsreaktioner är välkända för att förlöpa effektivt med mindre mängder alkohol och katalysator än konventionella transesterifieringsreaktioner. Detta leder till en förbättrad total effektivitet genom ultraljudsbehandling.

Ultraljudssyntes av ett biosmörjmedel baserat på pentaerytritolester

Pentaerytritolester kan syntetiseras effektivt från rapsolja genom en sonokemisk process i två steg, vilket Arumugams forskargrupp har visat. I sin optimeringsstudie använde forskarna ultraljudsapparaten UP400St från Hielscher (se bilden till vänster). I den första sonokemiskt främjade transesterifieringen reagerar rapsolja med metanol och bildar metylester. I det andra transesterifieringssteget reagerar metylestern med xylen och en katalysator och bildar pentaerytritolester. Forskaren fokuserade på att optimera ultraljudsprocessens parametrar för att öka utbytet och den totala effektiviteten vid syntes av pentaerytritolester med ultraljud. Ett förbättrat utbyte av pentaerytritolester på 81,4% uppnåddes med en ultraljudspuls på 15 s, en ultraljudsamplitud på 60%, en katalysatorkoncentration på 1,5 wt% och en reaktionstemperatur på 100°C. För kvalitetskontroll jämfördes den sonokemiskt syntetiserade pentaerytritolestern med syntetisk kompressorolja. Sammanfattningsvis tyder studien på att den ultraljudsfrämjade successiva transesterifieringsprocessen är en effektiv metod för att ersätta den konventionella successiva transesterifieringsprocessen vid syntes av biosmörjmedel baserat på pentaerytritolester. De främsta fördelarna med den ultraljudsassisterade transesterifieringsprocessen är ökade utbyten av pentaerytritolester, kortare reaktionstid och avsevärt lägre reaktionstemperaturer. (jfr Arumugam et al., 2019)

Ultraljudsintensifierad transesterifiering av rapsolja till pentaerytritolester i två steg.
(bearbetat efter Arumugam et al., 2019)

Pentanalbaserade acetalestrar genom ultraljudssyntes

Kurniawans forskargrupp syntetiserade tre pentanalbaserade acetalestrar med en sonokemisk metod som tillämpade principerna för grön kemi. Ultraljudsbehandling användes för att främja två kemiska steg:

1. Förestring av 9,10-dihydroxioktadekansyra
2. Acetalisering av alkyl-9,10-dihydroxioktadekanoat

För att framställa estrarna av alkyl-9,10-dihydroxistearat krävs två steg, och utbyten på 67–85% erhölls. För att utvärdera effektiviteten jämfördes den sonokemiska metoden med den konventionella refluxtekniken. Dessutom användes homogena och fasta syrakatalysatorer, nämligen svavelsyra (H2SO4), naturlig bentonit och H-bentonit, för att bestämma olika katalysatorers inverkan och effektivitet. Det visade sig att sonokemisk förestring av syran, katalyserad av H-bentonit, gav produkter med upp till 70% utbyte på 3 gånger kortare reaktionstid än refluxmetoden, vilket är anmärkningsvärt. Det slutliga acetaliseringssteget med n-pentanal i närvaro av H-bentonit under ultraljudsbehandling gav tre pentanalbaserade dioxolanderivat med utbyten på 69–85%, vilket är högre än med den konventionella metoden. Refluxmetoden krävde längre reaktionstid än den sonokemiska metoden, eftersom ultraljudssyntesen endast krävde 10–30min. Utöver den avsevärt kortare reaktionstiden under ultraljudsbehandling erhölls ett anmärkningsvärt utbyte av varje ester med den sonokemiska metoden.
Forskaren beräknade också att den sonokemiska reaktionens energibehov är cirka 62 gånger lägre än den konventionella metodens. Detta minskar kostnaderna och är miljövänligt.
Undersökning av varje produkts fysikalisk-kemiska egenskaper visade att metyl-8-(2-butyl-5-oktyl-1,3-dioxolan-4-yl)oktanoat är ett potentiellt nytt biosmörjmedel med de funktionella egenskaper som krävs för att ersätta vanliga smörjmedel. (jfr Kurniawan et al., 2021)

Transesterifiering av pentaerytritylestrar med ultraljud

Pentaerytritylestrar kan framställas från vegetabiliska oljor såsom solrosolja, linolja och jatrofaolja. Hashems forskargrupp demonstrerade syntes av biobaserade smörjmedel genom successiva baskatalyserade transesterifieringar som omfattar två transesterifieringssteg. De visade att syntesen är genomförbar med solrosolja, linolja och jatrofaolja. I det första steget omvandlades oljorna till motsvarande metylestrar. I det andra processteget omvandlades metylestrarna till pentaerytritylestrar genom inverkan av pentaerytritol, såsom visas i följande reaktionsschema: (jfr Hashem et al., 2013)

Efter transesterifiering av vegetabilisk olja till metylester omvandlas metylestrarna till pentaerytritylestrar genom inverkan av pentaerytritol, såsom visas i reaktionsschemat ovan.
(jfr Hashem et al., 2013)

Ultraljudsbehandlingens avsevärt reaktionsfrämjande effekter på transesterifiering är vetenskapligt belagda och har tillämpats industriellt i årtionden. Det mest framträdande exemplet på ultraljudsförbättrad transesterifiering är omvandling av oljor och fetter till fettsyrametylester (FAME), känd som biodiesel.
Läs mer om ultraljudsassisterad transesterifiering av oljor (inklusive spilloljor) och fetter till biodiesel!

Ultraljudssonder och reaktorer för transesterifiering och andra kemiska synteser

Hielscher Ultrasonics är din specialist på avancerade, högpresterande ultraljudsapparater för sonokemiska reaktioner. Hielscher utvecklar, tillverkar och distribuerar ultraljudsapparater med hög effekt och tillbehör som sonder (sonotroder), reaktorer och flödesceller i alla storlekar och levererar till såväl kemiska laboratorier som kemiska produktionsanläggningar i industriell skala. Från kompakta ultraljudsapparater för laboratorier till industriella ultraljudssonder och reaktorer – Hielscher har det idealiska ultraljudssystemet för din process. Med lång erfarenhet av tillämpningar som sonokatalys och sonosyntes rekommenderar vår välutbildade personal den lämpligaste utrustningskonfigurationen för dina krav.
Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljudssystem med mycket hög robusthet och förmåga att leverera intensiva ultraljudsvågor, eftersom alla Hielschers industriella ultraljudsapparater kan leverera mycket höga amplituder vid kontinuerlig drift (24/7). De robusta ultraljudssystemen kräver nästan inget underhåll och är byggda för att vara i drift. Detta gör Hielschers ultraljudsutrustning tillförlitlig för tunga tillämpningar under krävande förhållanden. Särskilda sonotroder för höga temperaturer eller mycket krävande kemiska förhållanden finns också tillgängliga.
Högsta kvalitet – utvecklad och tillverkad i Tyskland: All utrustning utvecklas och tillverkas vid vårt huvudkontor i Tyskland. Före leverans till kunden testas varje ultraljudsapparat noggrant under full belastning. Vi strävar efter kundnöjdhet och vår produktion är organiserad för att uppfylla de högsta kraven på kvalitetssäkring (t.ex. ISO-certifiering).

Tabellen nedan ger en uppfattning om våra ultraljudsapparaters ungefärliga bearbetningskapacitet: