Evaluating the host potential of 9,9’-bifluorenyl-9,9’-diol for anisole and the three methylanisole isomers, and its behaviour in mixed guest solutions

Sintesi Tecnica: Valutazione del Potenziale di Ospite di 9,9'-Bifluorenil-9,9'-diolo per gli Isomeri di Anisolo e Metilanisolo

Definizione del Problema
La separazione dell'anisolo (ANI) e dei suoi isomeri posizionali — 2-metilanisolo (2MA), 3-metilanisolo (3MA) e 4-metilanisolo (4MA) — rappresenta una sfida significativa nella chimica industriale. Questi composti sono intermedi vitali nelle industrie farmaceutica, agrochimica e delle fragranze. Sebbene la distillazione frazionata sia una tecnica di separazione comune, essa è considerata insostenibile per questi specifici isomeri a causa degli intervalli ristretti di punti di ebollizione dei metilanisoli (170–176 °C) rispetto al divario più ampio per l'anisolo (154 °C). Ciò rende necessaria lo sviluppo di metodi di separazione alternativi più ecologici, come la chimica ospite-ospite (host–guest), che utilizza interazioni supramolecolari per cristallizzare selettivamente ospiti specifici da miscele.

Metodologia
Lo studio ha investigato il potenziale di ospitalità del 9,9'-bifluorenil-9,9'-diolo (H) attraverso un approccio sperimentale multifasettico:

1. Esperimenti di Cristallizzazione: L'ospite H è stato cristallizzato da soluzioni a solvente singolo di ANI, 2MA, 3MA e 4MA per determinare le capacità di inclusione e i rapporti ospite-ospite (H:G).
2. Esperimenti di Competizione: Per valutare la selettività, H è stato cristallizzato da miscele binarie, ternarie e quaternarie equimolari dei quattro anisoli. Inoltre, sono state testate miscele binarie con diversi rapporti molari (da 20:80 a 80:20) per costruire profili di selettività.
3. Tecniche Analitiche:
   • Spettroscopia 1H-NMR: Utilizzata per determinare i rapporti complessivi H:G nei solidi risultanti.
   • Gascromatografia (GC): Impiegata per quantificare i rapporti ospite-ospite all'interno dei complessi misti.
   • Diffrazione di Raggi X su Singolo Cristallo (SCXRD): Utilizzata per determinare le strutture cristalline. A causa del grave disordine dell'ospite e della geminazione (twinning) nella maggior parte dei campioni, è stata applicata la routine Platon SQUEEZE per rimuovere la densità elettronica dell'ospite per la risoluzione della struttura.
   • Analisi Termica (TG/DTG/DSC): Condotta per valutare la stabilità termica dei complessi di inclusione e determinare le temperature di inizio del rilascio dell'ospite ($T_{on}$).

Contributi Chiave e Risultati

• Capacità di Inclusione: L'ospite H ha enclatrato con successo tutti e quattro i solventi ospiti (ANI, 2MA, 3MA e 4MA). I rapporti H:G variavano a seconda dell'ospite e delle condizioni di cristallizzazione, spaziando da 2:1 (ANI) a 1:1 (2MA, 3MA) e 3:2 o 1:1 (4MA).
• Comportamento di Selettività:
  • Negli esperimenti di competizione equimolare, H ha costantemente disfavorito l'ANI.
  • Tra i metilanisoli, la preferenza era dipendente dal contesto. In sistemi binari senza 4MA, il 3MA è stato favorito rispetto al 2MA e all'ANI. Quando il 4MA era presente, era generalmente preferito, in particolare nei sistemi binari ANI/4MA, 2MA/4MA e 3MA/4MA.
  • Nelle miscele ternarie e quaternarie, il 4MA e il 2MA sono emersi come gli ospiti predominanti, mentre l'ANI rimaneva il meno favorito.
  • Coefficienti di Selettività: Nonostante le preferenze osservate, i coefficienti di selettività calcolati ($K$) erano generalmente bassi (per lo più < 10, con un massimo di 8,5 in specifiche condizioni 4MA/ANI). Secondo i criteri stabiliti, un $K \geq 10$ è richiesto affinché un ospite sia considerato altamente efficiente per la separazione pratica.
• Approfondimenti Strutturali:
  • L'analisi SCXRD ha rivelato che la maggior parte dei complessi soffriva di estremo disordine dell'ospite e/o grave geminazione, impedendo un'analisi dettagliata delle interazioni ospite-ospite per quei casi specifici.
  • Il complesso H·0.75(4MA2) è stato risolto con successo senza SQUEEZE. L'analisi strutturale di questo complesso ha rivelato che la ritenzione dell'ospite è mediata da legami a idrogeno (host)O–H···O(guest) e contatti ravvicinati (host/guest)C–H···C–C. La struttura dell'ospite forma canali continui e unidirezionali che ospitano gli ospiti.
  • È stato osservato un impacchettamento isostrutturale tra la coppia ANI/2MA e la coppia 3MA/4MA, come dimostrato dai pattern XRD su polvere calcolati.
• Stabilità Termica:
  • L'analisi termica ha indicato che i complessi di inclusione di ANI, 2MA e 3MA erano instabili alle condizioni ambientali, impedendo la misurazione delle temperature di inizio del rilascio dell'ospite.
  • Al contrario, i due complessi contenenti 4MA (H·0.667(4MA1) e H·0.75(4MA2)) esibivano stabilità termica, con temperature di inizio del rilascio dell'ospite ($T_{on}$) di 65,9 °C e 68,8 °C, rispettivamente.

Significato e Conclusioni
L'articolo conclude che, sebbene il 9,9'-bifluorenil-9,9'-diolo (H) dimostri la capacità di formare complessi di inclusione con l'anisolo e i suoi isomeri metilanisolo, esso non può fungere da agente separatore efficace per queste miscele tramite protocolli di chimica ospite-ospite. Il limite principale è la bassa selettività osservata, che scende al di sotto della soglia richiesta per l'efficienza della separazione industriale.

Inoltre, lo studio evidenzia una correlazione tra stabilità termica e selettività: la preferenza dell'ospite per il 4MA negli esperimenti di competizione si allinea al fatto che solo i complessi di 4MA possiedono una stabilità termica sufficiente per essere isolati e analizzati a condizioni ambientali. L'impossibilità di risolvere le strutture cristalline degli altri complessi a causa del disordine ha impedito una spiegazione strutturale del comportamento di selettività, sebbene la risoluzione della struttura del complesso 4MA abbia fornito spunti sulle specifiche interazioni non covalenti (legame a idrogeno e contatti C–H···C) responsabili della ritenzione dell'ospite in quel caso specifico.