Como a concentração do HMF influencia sua reatividade nas reações catalíticas ou de polimerização?

Nas reações de catálise ou polimerização, Hmf A concentração afeta diretamente o número de moléculas efetivas de reação por unidade de volume. Em concentrações mais altas, a frequência de colisão entre as moléculas aumenta, o que acelera a taxa de reação. Nas vias de reação de várias etapas, esse efeito de concentração também pode promover o progresso de algumas etapas limitantes da taxa, melhorando assim a eficiência geral da conversão. No entanto, acima da concentração crítica, o sistema pode entrar na região de controle de difusão da reação, que por sua vez inibe a atividade da reação.

O HMF é um composto multifuncional altamente reativo que é propenso a reações de reticulação e condensação em condições catalíticas. Quanto maior a concentração, maior a possibilidade de reações colaterais, como a reação de autocondensação entre os grupos carbonil e hidroxila, que gerarão subprodutos macromoleculares e depositar na superfície do catalisador, causando problemas como o bloqueio de poro e o centro de metal, que, na sua vez, o catalisador seleto.

Na preparação de polímeros funcionais baseados em HMF (como resinas fenólicas e poliésteres de base biológica), o controle de concentração é crucial. A alta concentração de HMF é propícia a aumentar a probabilidade de reação cruzada, obtendo assim maior resistência mecânica e estabilidade térmica, mas também aumentará o risco de gel do sistema, reduzirá a processabilidade e a fluidez e trará desafios ao controle da taxa de polimerização e grupos terminais.

O aumento da concentração de HMF aumentará a carga total de calor do sistema. Se a temperatura não for controlada adequadamente, é fácil induzir a formação de subprodutos, como derivados furfurais e alcatrão polimerizado em fortes reações exotérmicas, como oxidação catalítica ou desidratação. Esses subprodutos reduzirão a pureza do produto, aumentarão a dificuldade de separação e causarão riscos de corrosão ou bloqueio ao equipamento.

A solução de HMF de alta concentração geralmente possui uma alta viscosidade, o que reduzirá significativamente a taxa de difusão dos reagentes na fase líquida, reduzirá a mistura macroscópica e a eficiência da transferência de massa microscópica no reator, causam reação irregular local e até causam reações colaterais em certos pontos de vista. Isso coloca requisitos mais altos no projeto de reatores contínuos e equipamentos de microcanal, que geralmente precisam ser otimizados por meio de design dinâmico de diluente ou fluido.

O aumento da concentração de HMF induzirá condensação mais frequente, etherificação, esterificação e outras reações colaterais entre seus grupos hidroximetil e aldeído, resultando em impurezas com estruturas complexas e difíceis de separar. Essas impurezas não apenas afetam o rendimento do produto alvo, mas também interferem na seletividade do método analítico, aumentando o custo e a complexidade da separação e purificação.

O HMF de alta concentração é propenso a causar um aumento repentino na temperatura do sistema de reação em reações altamente exotérmicas, como a oxidação catalítica, trazendo o risco de fuga térmica do sistema. É necessário ajustar com precisão a distribuição do fluxo de calor da reação por meio de alimentação intermitente, controle dinâmico de temperatura, monitoramento de vários pontos e outros meios para garantir a segurança do equipamento e a estabilidade do processo.