The shift from fossil-based to renewable carbon sources has increased interest in 5-hydroxymethylfurfural (HMF) and its oxidation product 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA), a bio-based alternative to terephthalic acid used for the production of polyethylene furanoate (PEF). PEF is a novel bioplastic with properties similar to those of polyethylene terephthalate (PET).

This work investigates the solubility behaviour of the key HMF oxidation intermediates 2,5-diformylfuran (DFF), 5-hydroxymethyl-2-furancarboxylic acid (HFCA), 5-formyl-2-furancarboxylic acid (FFCA), and FDCA in water, cyclohexanone, and methyl isobutyl ketone (MIBK), selected as benchmark solvents. Temperature and pH were identified as the principal variables affecting solubility; therefore, temperature was investigated over the range 298–333 K, while the influence of pH on aqueous solubility was studied between pH 8–10.

Solubility measurements were performed by contacting excess solute with the selected solvent until equilibrium saturation was reached, ensuring complete mass transfer between solid and liquid phases. The concentrations of the analytes in the saturated solutions were quantified using high-performance liquid chromatography (HPLC). The resulting data were analysed using the Van’t Hoff and modified Apelblat equations.

The results showed that solubility increased with increasing temperature for all investigated compounds and solvent systems. In water, DFF, HFCA, FFCA, and FDCA exhibited solubilities of 10, 27, 7.9, and 1.1 g/L at 298 K, increasing to 33, 83, 24, and 3.7 g/L, respectively, at 333 K. Cyclohexanone generally provided the highest solubility values among the investigated solvents; for example, DFF reached a solubility of 141 g/L at 323 K, whereas substantially lower values were observed in water and MIBK. MIBK exhibited lower solubility for the more polar compounds. Among the investigated analytes, HFCA exhibited the highest aqueous solubility, while FDCA consistently displayed the lowest. Comparison of the thermodynamic correlations showed that the modified Apelblat equation provided a better fit to the experimental data than the Van't Hoff correlation.

The influence of pH varied between the investigated compounds. HFCA and FFCA exhibited increased solubility at higher pH values, while DFF showed only minor changes and FDCA exhibited a slight decrease in solubility within the investigated pH range.

The generated solubility data contribute to a better understanding of HMF oxidation intermediates and may support future solvent selection, separation strategies, and process design for FDCA production.

Syftet med detta examensarbete var att få fram en sammanhängande uppsättning löslighetsdata för fyra intermediärer i oxidationen av 5-hydroxymetylfurfural (HMF): 2,5-diformylfuran (DFF), 5-hydroxymetyl-2-furankarboxylsyra (HFCA), 5-formyl-2-furankarboxylsyra (FFCA) och 2,5-furandikarboxylsyra (FDCA), i tre referenslösningsmedel: vatten, cyklohexanon och metylisobutylketon (MIBK). Mätningarna genomfördes inom temperaturintervallet 298–333 K, och pH-effekter undersöktes i vattenlösningar mellan pH 8 och 10. Fast–vätske-jämvikter nåddes genom att använda ett överskott av fast substans i lösningsmedlet under kontrollerad temperatur och omrörning, följt av fasseparation, utspädning och kvantifiering med högpresterande vätskekromatografi (HPLC). Temperaturens inverkan på lösligheten analyserades med hjälp av både Van’t Hoff-sambandet och den modifierade Apelblat-ekvationen för att erhålla prediktiva korrelationer inom det studerade temperaturintervallet.

För samtliga kombinationer av löst ämne och lösningsmedel ökade lösligheten med stigande temperatur. I vatten uppmättes löslighetsintervallen mellan 298 och 333 K till 10–33 g/L för DFF, 27–83 g/L för HFCA, 7,9–24 g/L för FFCA och 1,1–3,7 g/L för FDCA. Resultaten visar att HFCA var den mest lättlösliga föreningen medan FDCA uppvisade lägst löslighet i vatten. Valet av lösningsmedel hade en tydlig inverkan på lösligheten. Cyklohexanon gav generellt de högsta löslighetsvärdena för intermediärerna, inklusive särskilt höga värden för DFF, medan MIBK visade sig vara mindre lämpligt för de mer polära karboxylsyrorna. Dessa resultat överensstämmer med förväntningar baserade på polaritet och vätebindningsinteraktioner.

Jämförelsen av de termodynamiska korrelationerna visade att den modifierade Apelblat-ekvationen beskrev sambandet mellan temperatur och löslighet mer noggrant än Van’t Hoff-korrelationen för de undersökta lösningsmedelssystemen inom det studerade temperaturintervallet. De Apelblat-parametrar som presenteras i detta arbete är därför lämpliga för preliminära konstruktions- och processberäkningar, såsom uppskattning av upplösningsgränser, dimensionering av kristallisatorer och utvärdering av lösningsmedel inom det aktuella temperaturintervallet. Undersökningen av pH-effekter vid 298 K visade att lösligheten för HFCA och FFCA ökade med stigande alkalinitet till följd av bildning av karboxylatjoner. DFF uppvisade endast begränsad pH-känslighet, medan FDCA visade en svag minskning i löslighet mellan pH 8 och 10. Resultaten indikerar att syra–basegenskaper påverkar den vattenbaserade lösligheten på ett föreningsspecifikt sätt under svagt alkaliska förhållanden.

Ur ett processtekniskt perspektiv indikerar den låga lösligheten hos FDCA i de undersökta lösningsmedlen att utfällning kan vara en effektiv strategi för produktåtervinning i oxidationsprocesser. Den högre lösligheten för intermediärerna i cyklohexanon pekar samtidigt på lösningsmedlets potential för bifasiska extraktionsprocesser och för att underlätta uppströms omvandlingssteg. Arbetet är begränsat av det relativt smala pH-intervallet som undersökts. Framtida studier bör därför inkludera både sura och starkt alkaliska förhållanden för att skapa ett mer omfattande underlag för design av bifasiska processer och kontrollerad kristallisation av FDCA och dess intermediärer. Sammantaget tillhandahåller de framtagna löslighetsdata och korrelationerna användbara underlag för val av lösningsmedel, utveckling av separationsstrategier och tidig processdesign för hållbar produktion av FDCA.