¿Cómo influye la concentración de HMF en su reactividad en las reacciones catalíticas o de polimerización?

En catálisis o reacciones de polimerización, HMF La concentración afecta directamente el número de moléculas de reacción efectivas por unidad de volumen. A concentraciones más altas, la frecuencia de colisión entre las moléculas aumenta, lo que acelera la velocidad de reacción. En las vías de reacción de varios pasos, este efecto de concentración también puede promover el progreso de algunos pasos limitantes de la velocidad, mejorando así la eficiencia general de conversión. Sin embargo, por encima de la concentración crítica, el sistema puede ingresar a la región de control de difusión de reacción, lo que a su vez inhibe la actividad de reacción.

HMF es un compuesto multifuncional altamente reactivo que es propenso a las reacciones de reticulación y condensación en condiciones catalíticas. Cuanto mayor sea la concentración, mayor será la posibilidad de reacciones laterales, como la reacción de autocondensación entre los grupos carbonilo e hidroxilo, que generará subproductos macromoleculares y depositará en la superficie del catalizador, causando problemas como el bloqueo de poros y la pasivación del centro de metales, lo que en el turno conduce a la actividad de la calidad reducida a la transferencia de selectividad acelerada o la tasa de transferencia desactivada.

En la preparación de polímeros funcionales basados ​​en HMF (como las resinas fenólicas y los poliésteres biológicos), el control de la concentración es crucial. La alta concentración de HMF es propicio para aumentar la probabilidad de reacción de reticulación, obteniendo así una mayor resistencia mecánica y estabilidad térmica, pero también aumentará el riesgo de gel del sistema, reducirá la procesabilidad y la fluidez, y traerá desafíos al control de la tasa de polimerización y los grupos terminales.

El aumento de la concentración de HMF aumentará la carga de calor total del sistema. Si la temperatura no se controla adecuadamente, es fácil inducir la formación de subproductos, como derivados furfurales y alquitrán polimerizado en reacciones exotérmicas fuertes, como la oxidación catalítica o la deshidratación. Estos subproductos reducirán la pureza del producto, aumentarán la dificultad de separación y causarán riesgos de corrosión o bloqueo para el equipo.

La solución de HMF de alta concentración a menudo tiene una alta viscosidad, que reducirá significativamente la velocidad de difusión de los reactivos en la fase líquida, reducirá la mezcla macroscópica y la eficiencia de transferencia de masa microscópica en el reactor, causa una reacción desigual local e incluso hace que ocurran reacciones laterales en ciertas manchas calientes. Esto coloca requisitos más altos en el diseño de reactores continuos y equipos de microcanales, que generalmente deben optimizarse a través del diseño dinámico diluyente o fluido.

El aumento en la concentración de HMF inducirá una condensación, eterificación, esterificación y otras reacciones más frecuentes entre sus grupos hidroximetilo y aldehído, lo que resulta en impurezas con estructuras complejas y difíciles de separar. Estas impurezas no solo afectan el rendimiento del producto objetivo, sino que también interfieren con la selectividad del método analítico, aumentando el costo y la complejidad de la separación y la purificación.

El HMF de alta concentración es propenso a causar un aumento repentino en la temperatura del sistema de reacción en reacciones altamente exotérmicas, como la oxidación catalítica, lo que aumenta el riesgo de fugitivo térmico del sistema. Es necesario ajustar con precisión la distribución del flujo de calor de reacción a través de la alimentación intermitente, el control de la temperatura dinámica, el monitoreo de múltiples puntos y otros medios para garantizar la seguridad del equipo y la estabilidad del proceso.