Синтез поліолу за допомогою ультразвукової переетерифікації

Поліоли - це синтетичні складні ефіри, що виробляються в основному за допомогою переетерифікації тригліцеридів з рослинних олій або тваринних жирів. Ці поліоли є сировиною для виробництва поліуретанів, біолюбрикантів та інших цемікалів. Ультразвук використовується для посилення реакцій переетерифікації шляхом застосування інтенсивних сил зсуву та теплової енергії. Ультразвук і його сонохімічні ефекти живлять енергію реакції і допомагають подолати обмеження масообміну. Таким чином, ультразвукова обробка значно покращує швидкість переетерифікації, врожайність і загальну ефективність.

Ультразвукова переетерифікація

Реакції переетерифікації є одним з найважливіших шляхів синтезу і широко використовуються в якості ефективної методики перетворення рослинних олій в замінники нафтопродуктів. Соно-синтез (також сонохімічний синтез, який є хімічним синтезом, що сприяє за допомогою високопродуктивного ультразвуку), добре відомий своїм корисним впливом на переетерифікацію, а також інші хімічні процеси.

Стійкий синтез поліолу з рослинних олій за допомогою ультразвуку

Рослинні похідні жирні кислоти, тобто рослинні олії, є широко доступною і поновлюваною сировиною і можуть використовуватися для приготування біообґрунтованих поліолів і поліуретанів. Застосування силового ультразвуку створює сприятливі сонохімічні ефекти, які значно прискорюють каталітичну реакцію переетерифікації. Крім того, ультразвукова обробка підвищує вихід синтезованих поліолів, оскільки інтенсивна енергія змішування акустичної кавітації долає обмеження масообміну. Добре відомо, що ультразвукові реакції переетерифікації працюють ефективно з нижчим вмістом спирту та каталізатора як звичайні реакції переетерифікації. Це призводить до підвищення загальної ефективності за рахунок ультразвуку.

Ультразвуковий синтез біолюбриканта на основі пентееритритолу ефіру

Пентаеритритоловий ефір може бути ефективно синтезований з ріпакової олії за допомогою двоетапного сонохімічного процесу, як це продемонструвала дослідницька група Арумугама. У своєму дослідженні оптимізації дослідники використовували hielscher ultrasonicator UP400St (див. Малюнок зліва). У першій сонохімічно пропагованій переетерифікації рапсове масло вступає в реакцію з метанолом на метиловий ефір. На другому етапі переетерифікації метиловий ефір вступає в реакцію з ксилолом і каталізатором з пентаеритритловим ефіром. Дослідник зосередився на оптимізації параметрів ультразвукового процесу з метою підвищення врожайності та загальної ефективності синтезу ефіру пентаеритритолу при ультразвуку. Поліпшення виходу 81,4% ефіру пентаеритритолу було досягнуто за допомогою ультразвукового імпульсу 15 с, ультразвукової амплітуди 60%, концентрації каталізатора 1,5 вт% і температури реакції 100°С. Для контролю якості сонохімічно синтезований пентаеритритловий ефір порівнювали з компресорним маслом синтетичного класу. На закінчення, дослідження припускає, що ультразвуково-підвищений послідовний процес переетерифікації є ефективним методом заміни звичайного послідовного процесу переетерифікації для синтезу біолюбриканта на основі пентаеритритолового ефіру. Основними перевагами процесу ультразвукової переетерифікації є підвищення виходів пентаеритритного ефіру, скорочення часу реакції і значно зниження температури реакції. (пор. Арумугам та ін., 2019)

Ультразвуково інтенсифікована двоступенева переетерифікація ріпакової олії до ефіру пентаеритритолу.
(адаптовано з Арумугама та ін., 2019)

Ацетальні ефіри, отримані з пентаналу, за допомогою ультразвукового синтезу

Дослідницька група Курнявану синтезувала три ацетальні ефіри пентанального походження за допомогою сонохімічного методу, використовуючи принципи зеленої хімії. Ультразвукова обробка використовувалася для сприяння двом хімічним етапам:

1. Етерифікація 9,10-дигідроксіоктадеканової кислоти
2. Ацеталізація алкілу 9,10-дигідроксіоктадеканоату

Для отримання складних ефірів алкілу 9,10- дигідроксистеарату потрібно два ступені і отримані врожаї 67-85%. Для оцінки ефективності сонохімічний метод порівнювали зі звичайною методикою рефлюксу. Крім того, для визначення впливу і ефективності різних каталізаторів використовувалися гомогенні і твердокислі каталізатори, а саме сірчана кислота (H2SO4), природний бентоніт і H-бентоніт. Встановлено, що сонохімічна етерифікація кислото-каталізованого Н-бентонітом давала продуктам до 70% виходу за 3 рази менший час реакції, ніж метод рефлюксу, що примітно. Останній крок ацеталізації з n-пентаналом у присутності H-бентоніту з використанням ультразвуку надав три похідні діоксолану, похідних діоксолану, похідних пентанального походження, в 69-85% врожайності, які вище, ніж у звичайного методу. Метод рефлюксу вимагав більш тривалого часу реакції, ніж сонохімічний метод, оскільки ультразвуковий синтез вимагав лише 10-30хв. Крім значно меншого часу реакції при ультразвуковій обробці, за допомогою сонохімічного методу був отриманий чудовий вихід кожного ефіру.
Дослідник також підрахував, що енергетичні потреби сонохімічної реакції приблизно в 62 рази нижче, ніж у звичайного методу. Це знижує витрати і є екологічно чистим.
Вивчення фізико-хімічних властивостей кожного продукту виявило, що метил 8-(2-бутил-5-октил-1,3-діоксолан-4-іл)октаноат є потенційним новим біолюбрикантом з функціональними можливостями для заміщення загальних мастильних матеріалів. (пор. Курняван та ін., 2021)

Переетерифікація ефірів Пентаеритрилу за допомогою ультразвуку

Складні ефіри Пентаеритрилу можна отримати з рослинних олій, таких як соняшникова, лляна, ятрофова олія. Дослідницька група Хашема продемонструвала синтез біообґрунтованих мастильних матеріалів за допомогою послідовних базових трансестерифікацій, що включають два етапи переетерифікації. Вони продемонстрували доцільність синтезу з використанням соняшникової, лляної та ятрофової олії. На першому етапі масла були перетворені у відповідні метилові ефіри. У другому процесі метилові ефіри були перетворені в ефіри пентаеритриту дією пентаериту, як показано в наступній схемі: (пор. Хашем та ін., 2013)

Після переетерифікації рослинного масла в метиловий ефір метилові ефіри перетворюються в складні ефіри пентаеритрилу під дією пентаеритриту, як показано на схемі вище.
(пор. Хашем та ін., 2013)

Значно посилюючі реакції вплив ультразвуку на переетерифікацію науково доведені і вже з десятиліть промислово прийняті. Найвизначнішим прикладом ультразвуково поліпшеної транестерифікації є перетворення масел і жирів в метиловий ефір жирних кислот (FAME), відомий як біодизель.
Дізнайтеся більше про ультразвукову переетерифікацію (відпрацьованих) масел і жирів в біодизель!

Ультразвукові зонди та реактори для переетерифікації та інші хімічні синтези

Hielscher Ultrasonics є вашим фахівцем, коли справа доходить до складних високопродуктивних ультразвукових пристроїв для сонохімічних реакцій. Hielscher розробляє, виробляє та розповсюджує високопотужні ультразвукові пристрої та аксесуари, такі як зонди (сонотроди), реактори та проточні елементи 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 роботи в таких додатках, як соно-каталіз і соно-синтез, наш добре навчений персонал порекомендує вам найбільш підходящу установку під ваші вимоги.
Hielscher Ultrasonics виробляє високопродуктивні ультразвукові системи дуже високої надійності і здатні доставляти інтенсивні ультразвукові хвилі, оскільки всі промислові ультразвукові апарати Hielscher можуть доставляти 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 надпотужних застосувань у складних умовах. Також доступні спеціальні сонотроди для високотемпературних або дуже жорстких хімічних речовин.
Найвища якість – Розроблено та зроблено в Німеччині: Все обладнання спроектовано і виготовлено в нашому штаб-квартира в Німеччині. Перед доставкою замовнику кожен ультразвуковий пристрій ретельно тестується під повним навантаженням. Ми прагнемо до задоволеності клієнтів, і наше виробництво структуровано для забезпечення найвищої якості (наприклад, сертифікація ISO).

У таблиці нижче наведено приблизну потужність обробки наших ультразвукових пристроїв: