5-hydroxymethylfurfural (HMF) มีปฏิกิริยาอย่างไรกับตัวกลางเคมีอื่น ๆ ในระหว่างการประมวลผลหรือสูตรดาวน์สตรีมได้อย่างไร

5-hydroxymethylfurfural (HMF) มีกลุ่มการทำงานที่มีปฏิกิริยาสูงสองกลุ่ม: อัลดีไฮด์ที่ตำแหน่ง C-2 และกลุ่มไฮดรอกซีเมธิลที่ C-5 ของวงแหวน Furan ฟังก์ชั่นคู่นี้ทำให้ HMF มีความหลากหลายเป็นพิเศษในการประมวลผลดาวน์สตรีม กลุ่มอัลดีไฮด์มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาการควบแน่นกับตัวกลางนิวเคลียสเช่นเอมีนแอลกอฮอล์และ thiols สร้าง imines, อะซิตัลหรือ thioacetals ในขณะเดียวกันกลุ่มไฮดรอกซีเมธิลสามารถมีส่วนร่วมในการเกิดเอสเทอริฟิเคชันอีเธอริฟชั่นหรือปฏิกิริยาออกซิเดชันทำให้สามารถเปลี่ยนเป็นอนุพันธ์ได้เช่นกรด 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA) โพลีเมอร์ที่ใช้ Furan หรือเชื้อเพลิงชีวภาพ การโต้ตอบเหล่านี้ไม่ได้เป็นเพียงแค่ทฤษฎี พวกเขากำหนดประสิทธิภาพและการเลือกสรรของการเปลี่ยนแปลงทางเคมีในการสังเคราะห์หลายขั้นตอน จากมุมมองของผู้ใช้การทำความเข้าใจไซต์ที่มีปฏิกิริยาเหล่านี้ช่วยให้นักเคมีสามารถจับคู่ HMF ได้อย่างมีกลยุทธ์กับตัวกลางที่เข้ากันได้เพื่อเพิ่มผลผลิตและลดผลพลอยได้ที่ไม่พึงประสงค์

สภาพแวดล้อมทางเคมีมีผลต่อวิธีการที่ HMF โต้ตอบกับตัวกลางอื่น ๆ ภายใต้สภาวะที่เป็นกรดอัลดีไฮด์ของ HMF สามารถผ่านการคายน้ำหรือการเกิดพอลิเมอไรเซชันต่อไปทำให้เกิดฮิวมินส์ซึ่งไม่สามารถละลายได้ ในทางกลับกันในสภาวะพื้นฐาน HMF สามารถมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาการควบแน่นของ Aldol กับตัวกลางที่มีคาร์บอนิลอื่น ๆ เช่นคีโตนหรืออัลดีไฮด์ก่อตัวเป็นสารประกอบ carbonyl β-hydroxy carbonyl หรือ furanic oligomers การจัดการค่า pH ที่ควบคุมจึงเป็นสิ่งจำเป็น ในระหว่างการกำหนดผู้ใช้จะต้องปรับสมดุลความเป็นกรดหรือความเป็นด่างอย่างระมัดระวังเพื่อสนับสนุนการเปลี่ยนแปลงที่ต้องการในขณะที่ป้องกันปฏิกิริยาข้างเคียงโดยเฉพาะอย่างยิ่งในวัตถุดิบที่ได้จากชีวมวลหรือสารผสมปฏิกิริยาที่ซับซ้อน

กลุ่มอัลดีไฮด์ของ HMF นั้นมีความอ่อนไหวต่อปฏิกิริยารีดอกซ์สูงซึ่งเป็นศูนย์กลางในการผลิตอนุพันธ์ที่เพิ่มมูลค่า ในการปรากฏตัวของตัวกลางออกซิไดซ์ HMF สามารถแปลงเป็น 5-hydroxymethyl-2-furancarboxylic acid หรือ FDCA ออกซิไดซ์อย่างเต็มที่ซึ่งเป็น monomer กุญแจสำหรับ bioplastics อีกทางเลือกหนึ่งเมื่อรวมกับสารลดหรือตัวกลางอัลดีไฮด์สามารถลดลงเป็น 2,5-bis (ไฮดรอกซีเมธิล) Furan (BHMF) ซึ่งมีค่าในการสังเคราะห์พอลิเมอร์ ปฏิสัมพันธ์รีดอกซ์เหล่านี้ได้รับการควบคุมอย่างระมัดระวังในกระบวนการอุตสาหกรรมเนื่องจากการเกิดออกซิเดชันที่ไม่สามารถควบคุมได้หรือการลดลงสามารถลดระดับ HMF ได้สร้างผลิตภัณฑ์ด้านข้างที่ไม่พึงประสงค์ซึ่งลดผลผลิตโดยรวมและทำให้บริสุทธิ์ การทำความเข้าใจการโต้ตอบเหล่านี้เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับนักเคมีในการควบคุมเส้นทางการเกิดปฏิกิริยาและเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของดาวน์สตรีม

ในระหว่างการประมวลผลดาวน์สตรีม HMF สามารถทำปฏิกิริยากับอัลดีไฮด์หรือคีโตนตัวกลางอื่น ๆ ผ่านปฏิกิริยาข้ามการชดเชยหรือการเกิดพอลิเมอไรเซชัน สิ่งนี้มีความเกี่ยวข้องโดยเฉพาะอย่างยิ่งในกระบวนการแปลงชีวมวลซึ่งมีสารประกอบ furanic และน้ำตาลหลายชนิด หากไม่สามารถควบคุมได้ปฏิกิริยาเหล่านี้ส่งผลให้เกิดการก่อตัวของ Humin ซึ่งไม่ละลายน้ำสีเข้มและลดทั้งผลผลิตผลิตภัณฑ์และประสิทธิภาพของเครื่องปฏิกรณ์ ในทางกลับกันการควบแน่นที่ควบคุมสามารถนำไปใช้ในการผลิตเรซินกาวและโพลีเมอร์ที่ใช้ชีวภาพใช้ประโยชน์จาก HMF เป็นสารเคมีแพลตฟอร์ม สูตรที่มีทักษะต้องการการควบคุมที่แม่นยำตลอดเวลาการตอบสนองอุณหภูมิและความเข้มข้นเพื่อให้แน่ใจว่ามีการทำปฏิกิริยาแบบเลือกและหลีกเลี่ยงผลพลอยได้ที่ไม่พึงประสงค์

ทางเลือกของตัวทำละลายมีอิทธิพลอย่างมากต่อปฏิกิริยาของ HMF กับตัวกลางเคมีอื่น ๆ ตัวทำละลาย polar protic เช่นน้ำหรือแอลกอฮอล์สามารถอำนวยความสะดวกในการเกิดปฏิกิริยาด้านข้างเช่นการก่อตัวของอะซีทัลกับอัลดีไฮด์หรือเอสเทอริฟิเคชันของกลุ่มไฮดรอกซีเมธิล ตัวทำละลาย aprotic เช่น dimethyl sulfoxide หรือ tetrahydrofuran สามารถลดการควบแน่นที่ไม่พึงประสงค์และรักษาเสถียรภาพ HMF ในระหว่างการประมวลผล ตัวทำละลายร่วมหรือสารเสถียรสามารถปานกลางปฏิกิริยากับตัวกลางนิวคลีโอฟิลิกหรืออิเล็กโทรฟิลิกป้องกันการย่อยสลายในขณะที่เปิดใช้งานปฏิกิริยาเป้าหมาย การเลือกตัวทำละลายจึงเป็นพารามิเตอร์การดำเนินงานที่สำคัญซึ่งส่งผลโดยตรงต่อผลผลิตผลิตภัณฑ์ความบริสุทธิ์และความสามารถในการปรับขนาดของกระบวนการได้