Kako koncentracija HMF utječe na njegovu reaktivnost u katalitičkim ili polimerizacijskim reakcijama?

U reakcijama katalize ili polimerizacije, HMF Koncentracija izravno utječe na broj efektivnih molekula reakcije po jedinici volumena. Pri većim koncentracijama povećava se učestalost sudara između molekula, što ubrzava brzinu reakcije. U reakcijskim putovima s više koraka, ovaj učinak koncentracije također može promicati napredak nekih koraka koji ograničavaju brzinu, poboljšavajući na taj način ukupnu učinkovitost pretvorbe. Međutim, iznad kritične koncentracije, sustav može ući u kontrolnu regiju reakcijske difuzije, što zauzvrat inhibira reakcijsku aktivnost.

HMF je visoko reaktivni multifunkcionalni spoj koji je sklon reakcijama umrežavanja i kondenzacije u katalitičkim uvjetima. Što je koncentracija veća, veća je mogućnost nuspojava, poput reakcije samo-kondenzacije između karbonilnih i hidroksilnih skupina, koja će stvoriti makromolekularne nusproizvode i odlagati na površinu katalizatora, uzrokujući probleme poput blokade pora i propadanja metalnih središta, što zauzvrat dovodi do smanjene katalizacije, premještanja kasalizacije.

U pripremi funkcionalnih polimera temeljenih na HMF-u (poput biološkog fenolnih smola i poliestera), kontrola koncentracije je presudna. Visoka koncentracija HMF-a pogoduje povećanju vjerojatnosti reakcije umrežavanja, dobivajući na taj način veću mehaničku čvrstoću i toplinsku stabilnost, ali će također povećati rizik gela od sustava, smanjiti procesibilnost i fluidnost i donositi izazove kontroli brzine polimerizacije i terminalnih skupina.

Povećanje koncentracije HMF -a povećat će ukupno toplinsko opterećenje sustava. Ako temperatura nije pravilno kontrolirana, lako je inducirati stvaranje nusproizvoda poput furfuralnih derivata i polimeriziranog katrana u jakim egzotermnim reakcijama poput katalitičke oksidacije ili dehidracije. Ovi nusproizvodi smanjit će čistoću proizvoda, povećati poteškoće u razdvajanju i uzrokovati rizik od korozije ili začepljenja opreme.

HMF otopina visoke koncentracije često ima visoku viskoznost, što će značajno smanjiti brzinu difuzije reaktanata u tekućoj fazi, smanjiti makroskopsku učinkovitost miješanja i mikroskopskog prijenosa mase u reaktoru, uzrokovati lokalnu neujednačenu reakciju, pa čak i uzrokovati da se u određenim vrućim spotovima pojave bočne reakcije. To postavlja veće zahtjeve na dizajn kontinuiranih reaktora i mikrokanalne opreme, koje obično treba optimizirati dinamičkim dizajnom razrjeđivača ili fluida.

Povećanje koncentracije HMF -a inducirat će češće kondenzaciju, eterifikaciju, esterifikaciju i druge bočne reakcije između njegovih hidroksimetilnih i aldehidnih skupina, što rezultira nečistostima sa složenim strukturama i teško ih je razdvojiti. Te nečistoće ne samo da utječu na prinos ciljanog proizvoda, već i ometaju selektivnost analitičke metode, povećavajući troškove i složenost odvajanja i pročišćavanja.

HMF visoke koncentracije sklon je naglom porastu temperature reakcijskog sustava u vrlo egzotermičnim reakcijama poput katalitičke oksidacije, što donosi rizik od toplinskog otpada sustava. Potrebno je precizno prilagoditi raspodjelu reakcijskog toplinskog protoka povremenim hranjenjem, dinamičku kontrolu temperature, nadzor s više točaka i druga sredstva kako bi se osigurala sigurnost opreme i stabilnost procesa.