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

Resumo Técnico: Avaliação do Potencial de Hospedagem do 9,9'-Bifluorenil-9,9'-diol para Isômeros de Anisol e Metilanisol

Definição do Problema
A separação do anisol (ANI) e seus isômeros posicionais — 2-metilanisol (2MA), 3-metilanisol (3MA) e 4-metilanisol (4MA) — apresenta um desafio significativo na química industrial. Esses compostos são intermediários vitais nas indústrias farmacêutica, agroquímica e de fragrâncias. Embora a destilação fracionada seja uma técnica de separação comum, ela é considerada insustentável para esses isômeros específicos devido às estreitas faixas de pontos de ebulição dos metilanisóis (170–176 °C) em comparação com a lacuna mais ampla para o anisol (154 °C). Isso torna necessária o desenvolvimento de métodos de separação mais verdes e alternativos, como a química de hospedeiro–hóspede (host–guest), que utiliza interações supramoleculares para cristalizar seletivamente hóspedes específicos de misturas.

Metodologia
O estudo investigou o potencial de hospedagem do 9,9'-bifluorenil-9,9'-diol (H) através de uma abordagem experimental multifacetada:

1. Experimentos de Cristalização: O hospedeiro H foi cristalizado a partir de soluções de solvente único de ANI, 2MA, 3MA e 4MA para determinar as capacidades de inclusão e as razões hospedeiro:hóspede (H:G).
2. Experimentos de Competição: Para avaliar a seletividade, o H foi cristalizado a partir de misturas binárias, ternárias e quaternárias equimolares dos quatro anisóis. Adicionalmente, misturas binárias com diferentes proporções molares (20:80 a 80:20) foram testadas para construir perfis de seletividade.
3. Técnicas Analíticas:
   • Espectroscopia de 1H-RMN: Utilizada para determinar as razões globais H:G nos sólidos resultantes.
   • Cromatografia Gasosa (GC): Empregada para quantificar as razões hóspede-para-hóspede dentro dos complexos mistos.
   • Difração de Raios-X de Monocristal (SCXRD): Utilizada para determinar as estruturas cristalinas. Devido ao severo desordem do hóspede e ao maclamento (twinning) na maioria das amostras, a rotina Platon SQUEEZE foi aplicada para remover a densidade eletrônica do hóspede para a solução da estrutura.
   • Análise Térmica (TG/DTG/DSC): Realizada para avaliar a estabilidade térmica dos complexos de inclusão e determinar as temperaturas de início de liberação do hóspede ($T_{on}$).

Principais Contribuições e Resultados

• Capacidade de Inclusão: O hospedeiro H enclatrou com sucesso todos os quatro solventes hóspedes (ANI, 2MA, 3MA e 4MA). As razões H:G variaram dependendo do hóspede e das condições de cristalização, variando de 2:1 (ANI) a 1:1 (2MA, 3MA) e 3:2 ou 1:1 (4MA).
• Comportamento de Seletividade:
  • Nos experimentos de competição equimolar, o H consistentemente desfavoreceu o ANI.
  • Entre os metilanisóis, a preferência dependia do contexto. Em sistemas binários sem 4MA, o 3MA foi favorecido em relação ao 2MA e ao ANI. Quando o 4MA estava presente, ele era geralmente preferido, particularmente nos sistemas binários ANI/4MA, 2MA/4MA e 3MA/4MA.
  • Em misturas ternárias e quaternárias, o 4MA e o 2MA emergiram como os hóspedes predominantes, enquanto o ANI permaneceu como o menos favorecido.
  • Coeficientes de Seletividade: Apesar das preferências observadas, os coeficientes de seletividade ($K$) calculados foram geralmente baixos (a maioria < 10, com um máximo de 8,5 em condições específicas de 4MA/ANI). De acordo com critérios estabelecidos, um $K \geq 10$ é necessário para que um hospedeiro seja considerado altamente eficiente para separação prática.
• Insights Estruturais:
  • A análise por SCXRD revelou que a maioria dos complexos sofria de extremo desordem do hóspede e/ou severo maclamento, impedindo uma análise detalhada das interações hospedeiro-hóspede para esses casos específicos.
  • O complexo H·0.75(4MA2) foi resolvido com sucesso sem o uso de SQUEEZE. A análise estrutural deste complexo revelou que a retenção do hóspede é mediada por ligações de hidrogênio (hospedeiro)O–H···O(hóspede) e contatos próximos (hospedeiro/hóspede)C–H···C–C. A estrutura do hospedeiro forma canais contínuos e unidirecionais que acomodam os hóspedes.
  • Observou-se empacotamento isoestrutural entre o par ANI/2MA e o par 3MA/4MA1, conforme evidenciado pelos padrões de difração de raios-X de pó calculados.
• Estabilidade Térmica:
  • A análise térmica indicou que os complexos de inclusão de ANI, 2MA e 3MA eram instáveis em condições ambientes, impedindo a medição das temperaturas de início de liberação do hóspede.
  • Em contraste, os dois complexos contendo 4MA (H·0.667(4MA1) e H·0.75(4MA2)) exibiram estabilidade térmica, com temperaturas de início de liberação do hóspede ($T_{on}$) de 65,9 °C e 68,8 °C, respectivamente.

Significância e Conclusões
O artigo conclui que, embora o 9,9'-bifluorenil-9,9'-diol (H) demonstre a capacidade de formar complexos de inclusão com o anisol e seus isômeros de metilanisol, ele não pode servir como um agente separador eficaz para essas misturas via protocolos de química de hospedeiro–hóspede. A limitação primária é o baixo coeficiente de seletividade observado, que permanece abaixo do limiar exigido para a eficiência de separação industrial.

Além disso, o estudo destaca uma correlação entre estabilidade térmica e seletividade: a preferência do hospedeiro pelo 4MA em experimentos de competição alinha-se ao fato de que apenas os complexos de 4MA possuem estabilidade térmica suficiente para serem isolados e analisados em condições ambientes. A incapacidade de resolver as estruturas cristalinas dos outros complexos devido ao desordem impediu uma explicação estrutural para o comportamento de seletividade, embora o sucesso da estrutura do complexo de 4MA tenha fornecido insights sobre as interações não covalentes específicas (ligações de hidrogênio e contatos C–H···C) responsáveis pela retenção do hóspede nesse caso específico.