Синтез поліолів методом ультразвукової переетерифікації

Поліоли - це синтетичні ефіри, що утворюються в основному шляхом переетерифікації тригліцеридів з рослинних олій або тваринних жирів. Ці поліоли є сировиною для виробництва поліуретанів, біомастил та інших цемікалів. Ультразвук використовується для посилення реакцій переетерифікації шляхом застосування інтенсивних сил зсуву та теплової енергії. Ультразвук і його сонохімічні ефекти забезпечують енергією реакції і допомагають подолати обмеження масопередачі. Таким чином, ультразвук значно покращує швидкість переетерифікації, вихід і загальну ефективність.

Переетерифікація за допомогою ультразвуку

Реакції переетерифікації є одним з найважливіших шляхів синтезу і широко використовуються як ефективний метод перетворення рослинних олій в замінники нафтопродуктів. Соносинтез (також сонохімічний синтез, тобто хімічний синтез, що здійснюється за допомогою високоефективного ультразвуку) добре відомий своїм сприятливим впливом на переетерифікацію, а також на інші хімічні процеси.

Сталий синтез поліолів з рослинних олій за допомогою ультразвуку

Жирні кислоти рослинного походження, тобто рослинні олії, є широко доступною та відновлюваною сировиною та можуть використовуватися для приготування поліолів та поліуретанів на біологічній основі. Застосування енергетичного ультразвуку створює сприятливі сонохимические ефекти, які значно прискорюють каталітичну реакцію переетерифікації. Крім того, ультразвук підвищує вихід синтезованих поліолів, оскільки інтенсивна енергія змішування акустичної кавітації долає обмеження масопередачі. Добре відомо, що ультразвукові реакції переетерифікації ефективно протікають з нижчим вмістом алкоголю і каталізатора, як і звичайні реакції переетерифікації. Це призводить до підвищення загальної ефективності за допомогою ультразвуку.

Ультразвуковий синтез біомастила на основі ефіру пентаеритритолу

Ефір пентаеритриту можна ефективно синтезувати з ріпакової олії за допомогою двоетапного сонохімічного процесу, як продемонструвала дослідницька група Arumugam. У своєму дослідженні оптимізації дослідники використовували ультразвуковий апарат Hielscher UP400St (див. малюнок ліворуч). При першій сонохімічно пропонованій переетерифікації ріпакова олія реагує з метанолом з метиловим ефіром. На другому етапі переетерифікації метиловий ефір реагує з ксилолом і каталізатором до ефіру пентаеритриту. Науковий співробітник зосередився на оптимізації параметрів ультразвукового процесу з метою підвищення виходу та загальної ефективності синтезу ефіру пентаеритриту в умовах ультразвуку. Покращений вихід 81,4% ефіру пентаеритритолу був досягнутий при ультразвуковому імпульсі 15 с, амплітуді ультразвуку 60%, концентрації каталізатора 1,5 мас.% і температурі реакції 100°С. Для контролю якості сонохімічно синтезований ефір пентаеритритолу порівнювали з компресорним маслом синтетичного класу. Підсумовуючи, дослідження припускає, що процес послідовної переетерифікації, що пропагується ультразвуком, є ефективним методом заміни звичайного послідовного процесу переетерифікації для синтезу біомастила на основі ефіру пентаеритриту. Основними перевагами процесу ультразвукової переетерифікації є підвищений вихід ефіру пентаеритриту, скорочений час реакції та значно нижчі температури реакції. (пор. Арумугам та ін., 2019)

Ультразвуково інтенсифікована двоступенева переетерифікація ріпакової олії до ефіру пентаеритритолу.
(адаптовано з Arumugam et al., 2019)

Ацетальні ефіри, отримані з пентаналу шляхом ультразвукового синтезу

Дослідницька група Kurniawan синтезувала три ацеталеві ефіри, отримані з пентаналю, за допомогою сонохімічного методу, використовуючи принципи зеленої хімії. Ультразвуковий звук використовувався для пропаганди двох хімічних етапів:

1. Етерифікація 9,10-дігідроксіоктадеканової кислоти
2. Ацеталізація алкіл9,10-дігідроксіоктадеканоату

Для отримання складних ефірів алкіл-9,10-дігідроксістеарату потрібно два етапи і отримані виходи 67-85%. Для оцінки ефективності сонохимический метод порівнювали зі звичайною технікою рефлюксу. Крім того, для визначення впливу та ефективності різних каталізаторів використовувалися однорідні та твердокислотні каталізатори, а саме сірчана кислота (H2SO4), природний бентоніт та H-бентоніт. Встановлено, що сонохимическое етерифікація каталізованого кислотою Н-бентоніту давала продукти до 70% виходу в 3 рази менший час реакції, ніж при рефлюксному методі, що примітно. Завершальний етап ацеталізації n-пентаналем у присутності H-бентоніту за допомогою ультразвуку дозволив отримати три похідні діоксолану, отримані з пентаналю, з виходом 69–85%, що є вищим, ніж при звичайному методі. Метод рефлюксу вимагав більш тривалого часу реакції, ніж сонохимический метод, так як ультразвуковий синтез вимагав всього 10-30 хв. Крім значно меншого часу реакції при ультразвуковому дослідженні, за допомогою сонохимического методу було отримано чудовий вихід кожного ефіру.
Дослідник також підрахував, що енергетичні потреби сонохімічної реакції приблизно в 62 рази нижчі, ніж при звичайному методі. Це знижує витрати та є екологічно чистим.
Вивчення фізико-хімічних властивостей кожного продукту показало, що метил-8-(2-бутил-5-октил-1,3-діоксолан-4-іл)октаноат є потенційним новим біомастилом, який має функціональні можливості заміни звичайних мастильних матеріалів. (пор. Kurniawan та ін., 2021)

Переетерифікація пентаеритрилових ефірів за допомогою ультразвуку

Ефіри пентаеритрилу можна отримати з рослинних олій, таких як соняшникова, лляна та олія ятрофа. Дослідницька група компанії Hashem продемонструвала синтез мастильних матеріалів на біологічній основі за допомогою послідовних переетерифікацій, що каталізуються основою, що включає два етапи переетерифікації. Вони продемонстрували доцільність синтезу з використанням соняшникової, лляної та ятрофової олії. На першому етапі олії перетворювалися у відповідні метилові ефіри. У другому процесі метилові ефіри були перетворені на пентаеритрильні ефіри під дією пентаеритриту, як показано на наступній схемі: (пор. Hashem et al., 2013)

Після переетерифікації рослинної олії в метиловий ефір метильні ефіри перетворюються в пентаеритрилові ефіри під дією пентаеритритолу, як показано на схемі вище.
(пор. Хашем та ін., 2013)

Значно підсилює реакцію вплив ультразвуку на переетерифікацію науково доведений і вже протягом десятиліть прийнято на озброєння. Найбільш яскравим прикладом ультразвуково покращеної транестеризації є перетворення олій і жирів у метиловий ефір жирних кислот (FAME), відомий як біодизель.
Дізнайтеся більше про ультразвукову переетерифікацію (відпрацьованих) олій та жирів у біодизельне паливо!

Ультразвукові зонди та реактори для переетерифікації та інших хімічних синтезів

Hielscher Ultrasonics - ваш фахівець, коли мова йде про складні високоефективні ультразвукові апарати для сонохімічних реакцій. Hielscher розробляє, виробляє та розповсюджує потужні ультразвукові апарати та аксесуари, такі як зонди (сонотроди), реактори та проточні комірки, будь-якого розміру та постачає хімічні лабораторії, а також хімічні виробничі потужності в промислових масштабах. Від компактних лабораторних ультразвукових пристроїв до промислових ультразвукових зондів і реакторів, Hielscher має ідеальну ультразвукову систему для вашого процесу. Маючи багаторічний досвід у таких сферах застосування, як сонокаталіз та соносинтез, наш добре навчений персонал порекомендує вам найбільш підходящу установку для ваших вимог.
Hielscher Ultrasonics виробляє високопродуктивні ультразвукові системи дуже високої надійності та здатні видавати інтенсивні ультразвукові хвилі, оскільки всі промислові ультразвукові апарати Hielscher можуть видавати дуже високі амплітуди в безперервній роботі (24/7). Надійні ультразвукові системи майже не вимагають обслуговування і створені для роботи. Це робить ультразвукове обладнання Hielscher надійним для важких умов експлуатації. Також випускаються спеціальні сонотроди для високотемпературних або дуже агресивних хімічних речовин.
Найвища якість – Розроблено та виготовлено в Німеччині: Все обладнання розроблено та виготовлено в нашій штаб-квартирі в Німеччині. Перед доставкою замовнику кожен ультразвуковий прилад проходить ретельну перевірку під повним навантаженням. Ми прагнемо задовольнити потреби клієнтів, і наше виробництво побудовано таким чином, щоб відповідати найвищим гарантам якості (наприклад, сертифікація ISO).

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів: