Elusidasi Struktur

Materi

• Antaraksi cahaya dengan atom dan molekul

• Spektroskopi UV-Vis

• Spektroskopi IR

• Spektroskopi Massa

• Spektroskopi ¹H-NMR

• Spektroskopi ¹³C-NMR

Pendahuluan

• Struktur molekul

– tidak bisa dilihat, diraba, atau diterawang, bersifat abstrak. Namun keberadaannya dapat dibuktikan secara ilmiah

– alat komunikasi yang efektif dalam bidang kimia.

3

4

Sediaan Farmasi, Bahan Alam, Cairan Biologis, Dll

Ekstraksi

Uji kemurnian

Senyawa murni

Tetapan Fisika : - Titik lebur, Titik didih - indek bias, rotasi jenis, bobot jenis, dll Kromatografi : TLC, GC, HPLC dll

Reaksi warna untuk identifikasi molekul obat sekarang sdh tidak “mumpuni” lagi karena tdk relevan bila digunakan untuk identifikasi struktur molekul yang

kompleks

5

Senyawa Murni

Analisis elementer

Rumus Molekul

6

Elemental analysis

CHO + O2 CO2 + H2O

9.83 mg 23.26 mg 9,52 mg

Rumus Empiris

Rumus Molekul

C = 12/44 x 23,26 = 6,3436 mg

H = 2/18 x 9,52 = 1,0577mg

O = 9,83 – (C+H) = 2,4286 mg

Perband mol : C : H : O = 6,3436/12 : 1,0577/1 : 2,4286/16 =

0,5286 : 1,0577 : 0,1518

= 3,5 : 7 : 1.

[CaHbOc]n

[C3,5H7O1]n = BM

[12 x 3,5 + 1x7 + 16x 1] n= 130

n = 2

Spektrometri Massa

C7 H14 O12

7

Senyawa Murni

Analisis elementer

Rumus Molekul

Metode Spektroskopi

Uv-vis

Inframerah

Massa

NMR

Struktur molekul

Jenis-jenis spektroskopi

Spektroskopi:

• UV-Vis = informasi berupa kromofor sampel

• IR = informasi berupa gugus fungsional

• Massa = informasi berupa massa atau BM senyawa dan berat dari ion2 fragmennya

• Proton NMR(pNMR) 1H-NMR = informasi berupa berapa banyak proton dan posisinya dlm molekul

• 13C NMR = informasi berupa berapa banyak jumlah atom C yang ada dan jenis-jenisnya (primer, sekunder, tersier)

8

Manfaat mengetahui struktur kimia

• Mengetahui struktur kimia senyawa aktif dari bahan alam. Struktur ini sebagai template pengembangan obat baru

• Dalam bahan alam dpt digunakan sbg marker/penanda untuk stabilisasi produk

• Sintesis senyawa aktif dan analog2 serta derivat-2nya (drug discovery)

Bioactive compounds

DRUG DISCOVERY FROM NATURAL RESOURCES

Flora, Animals Microorganisms Marine lives

DRUGS

Synthetic, derivatives (QSAR),

analogs of Clinically used drugs

Phytopharmaceutical (Plants)

Bioassay

O

O

O

NH

CH3H

H

Heroin (diacetylmorphine)

H3C

O

H3C

O

O

RO

HO

N CH3H

H

R = - H, Morphine

R = -CH3, Codeine

H3CO

N CH3H

H

Dextromethorphan

N

CH3

O

O

HO

Pethidine

Do you know these compounds ?

Secondary metabolite

Semi-synthetic

Synthetic

Synthetic

Lead Compound Papaver somniverum

Analgetics

Antitussive Anaesthetic

Lead compounds from animals

Pyr-Trp-Pro-Arg-Pro-Gln-Ile-Pro-Pro

Teprotide, a polypeptide isolated from a snake venom

HS N

CH3

O

OH

O

Captopril

Antihypertensive

•To make less complex molecules

• To make more stable (digestive and

metabolic enzymes)

• Can be administered at the dose level

Medicinal Chemists

Anthraquinones Compounds

Sennae folium (Laxantive)

O

O

OHO

OHO

COOH

COOH

Glu

Glu

Sennoside-A

O

O

OHO

OHO

COOH

Glu

Glu

OH

Sennoside-B

Laxantive herbal, registered for OTC and sold all over the USA. Laxantive effect is due to swelling properties of this

substance. Standarization is based on total hydroxyanthracene (structural similarities) and its swelling

properties.

PHYTOPHARMACA

GARLIC (Allium sativum L)

ESCOP = European Scientific Cooperation of Phytotherapy, requires Garlic contains > 0,45% of allicin in dried-gralic. Product contains not less than 0,6% allicin (equal to Alliin 1.3%).

Reduces cholesterol blood level [25.3% (Garlic); 27.2% (benzafibrate, a positive control], & LDL-HDL-Triglycerides as well.

SS

O

Allicine (diallylthiosulfinate)

S

O NH2

CO2H

H

Alliin (S-allyl-L-(+)-cysteine sulfoyde

Via 2-propene sulfenic acid

S

SS

O

Z-Ajoene

S

S

S

O

E-Ajoene

PHYTOPHARMACA

Dimerize

Kontribusi spektra-2 dalam elusidasi struktur

• UV spektra : adanya chromophore ikatan rangkap terkonjugasi

• IR spektra : Gugus-2 yang ada dalam molekul

• Mass spektra : Bobot molekul, Pola fragmentasi, elemen (C, H, O, N, S, P, halogen) penyusun senyawa

• NMR spektra : Karbon (jumlah dan jenis karbon), Proton (jumlah dan jenis proton). Teknik2 2D-NMR menentukan hubungan antar Atom penyusun. Shg NMR disebut penentu struktur absolut.

O

O

H3CO

OCH3

5 4

3

2

87

6

1

9

10

4a

8a

Methylripariochromene,

Active as Hypotensive

agent by :

-Vasodilating action

-Decrease cardiac output

-Diuretic action

-Diisolasi dari daun Kumis

kucing dan Eupatorium

riparium

(Matsubara et al., 1999)

UV IR

MS

13C-NMR

MS spektra : mol. Weight (m/z 422), HR-EIMS : C20H22O10

Results & discussion :

HO

O

H

HHO

H

HOH

H

O

HO

O

HO

HO OCH3

1

2

3

4

5

6

1'

2'

3'

4'

5'

6'

1''

2''

3''

4''

5''6''

Phalerin LC50 = 1.5 x 10

-1 mM (BST)

APT 1H-NMR

HetCor

IC50 = 1,9 x 10-1 mM

[Myeloma cells (NS-1)]

Antaraksi cahaya dg atom dan molekul

Tujuan

• Menentukan perioda, frekuensi, energi dan bilangan gelombang cahaya yg mempunyai panjang gelombang tertentu

• Menerangkan mengapa atom dan molekul akan mengabsorbsi cahaya hanya pada panjang gelombang tertentu

• Mengerti asal spektrum vibrasi, rotasi, dan elektron • Menentukan perbedaan antara tingkat energi rotasi, vibrasi

dan elektron suatu molekul bila diketahui panjang gelombang cahaya yg diabsorbsi oleh molekul tsb

• Membuat diagram orbital ikatan dan anti-ikatan untuk molekul sederhana dan menentukan apakah orbital itu sigma, pi, atau tanpa ikatan/PEB

• Spektroskopi : studi mengenai antaraksi cahaya dg atom dan molekul

• Radiasi cahaya atau elektromagnet dapat dianggap menyerupai gelombang

• Beberapa sifat fisika cahaya paling baik diterangkan dengan ciri gelombangnya

(Satu siklus)

Lamda (λ): panjang gelombang = jarak yg ditempuh oleh gelombang selama satu siklus (cm atau nm) A : amplitudo gelombang = perpindahan maksimum dari poros horisontal (cm atau nm) Tau (τ) : perioda : waktu untuk satu siklus sempurna (detik/siklus) Nu (ν) : frekuensi osilasi = jumlah siklus dalam tiap detik (siklus/detik atau Hertz)

νλ = c

Hubungan antara λ dan ν adalah

c = kec.cahaya (3,0.10⁸m/s)

• Cahaya juga dapat dianggap sbg aliran paket energi atau partikel yg bergerak dg kec.tinggi (3,0.10⁸m/s), yg disebut foton

• Frekuensi (ν) teori gelombang dpt dihubungkan dg energi foton (E) teori partikel melalui persamaan Planck

• Bil.gelombang (ν̄)nu bar : ciri gelombang yg berbanding lurus dg energi, didefinisikan sbg jml gelombang per cm

E = hν

ν̄ = 1/λ

h = tetapan Planck (6,63.10 ̄³⁴ Js)

Spektrum radiasi elektromagnetik

E = hν νλ = c E = h.c/λ

Kerjakan soal berikut:

1. Tentukan energi foton yg sesuai dengan cahaya berfrekuensi 3,0.10¹⁵ /s !

2. Tentukan frekuensi cahaya yg sesuai dengan foton energi 5,0.10 ̄¹² J!

3. Hitunglah bilangan gelombang cahaya yg mempunyai panjang gelombang 400nm!

4. Hitunglah energi foton yg mempunyai bilangan gelombang 2,5.10 ̄⁵/cm!

5. Diketahui suatu atom mengabsorbsi energi sebanyak 3,0.10 ̄¹⁹ J. Pada panjang gelombang manakah (dalam nm) akan terjadi garis spektrum atom ini?

Apa yang terjadi ketika cahaya mengenai molekul?

Light source

E2-E1 = Δ E₂,₁ = h.c/λ = hcν ̄

• Energi atom atau molekul dinyatakan dalam energi translasi, rotasi, vibrasi/getaran, dan elektron.

• Setiap jenis energi ini terdapat tingkat energi.

• Energi translasi : energi kinetik atom atau molekul yg disebabkan oleh perpindahan atom atau molekul tsb dari satu tempat ke tempat lain dalam ruang.

• Pembatasan kuantum dalam pertimbangan tk energi translasi tidaklah penting

z

• Energi rotasi molekul adalah energi kinetik molekul yg disebabkan oleh rotasi/perputaran pada sumbu yg melalui titik berat

• Energi rotasi menimbulkan spektrum absorbsi dalam daerah gelombang mikro spektrum elektromagnet.

• Energi getaran molekul adalah energi kinetik dan energi potensial molekul yg disebabkan oleh gerakan getaran.

• Atom dalam suatu molekul dapat dianggap sebagai titik massa yg satu dg yg lainnya terikat oleh ikatan yg berlaku seperti pegas.

• Karena molekul tidak kaku, kelenturannya menghasilkan gerakan vibrasi/getaran

• Energi getaran menimbulkan spektrum absorpsi dalam daerah inframerah pada spektrum elektromagnet.

• Jarak relatif antara tingkat energi getaran bertambah dg bertambahnya kekuatan ikatan kimia antar atom.

• Energi elektron adalah energi molekul dan atom yg disebabkan oleh energi potensial dan energi kinetik elektronnya.

• Energi kinetik elektron merupakan hasil gerakan elektron, dan energi potensial timbul karena antaraksi elektron dg inti dan elektron lain.

• Energi elektron menimbulkan spektrum absorbsi dalam daerah cahaya tampak dan daerah UV pada spektrum elektromagnet.

• Molekul mempunyai tingkat energi elektron yg analog dg tingkat energi elektron dlm atom.

• Tingkat energi molekul ini disebut orbital molekul.

• Orbital molekul timbul dari antaraksi orbital atom dari atom yg membentuk molekul tsb.

Orbital atom

Orbital Molekul

• Pendekatan untuk menggambarkan diagram molekul diatomik berdasarkan LCAO (Linier Combination of Atomic Orbitals approach) : – Orbital molekul terbentuk dari overlap atau tumpang

tindih orbital atom. – Orbital-orbital atom dengan energi yang sama dapat

berinteraksi pada tingkat enegi yang sama. – Dua orbital yang saling tumpang tindih saling berinteraksi

membentuk dua orbital molekul, yaitu Bonding Molecular Orbital (Orbital Molekul Ikatan) dan Anti-bonding Molecular Orbital (Orbital Molekul Anti-ikatan).

• Syarat suatu orbital molekul dari 2 orbital atom membentuk suatu ikatan adl : – Cuping orbital atom penyusunnya cocok untuk tumpang

tindih. – Tanda positif atau negatif cuping yang bertumpang tindih

sama. – Tingkat energi orbital-orbital atomnya dekat.

Dua atom yang bergabung masing-masing mempunyai satu orbital atomik dan akan dihasilkan dua orbital molekuler, yaitu orbital molekuler ikat (bonding) dan orbital molekuler anti-ikat (anti-bonding)

Suatu fungsi gelombang mempunyai daerah yang mempunyai amplitudo positif dan negatif yang disebut dengan cuping. Tumpang tindih cuping positif dengan positif atau negatif dengan negatif dalam molekul akan memperkuat satu sama lain membentuk ikatan, tetapi cuping positif dengan negatif akan meniadakan satu sama lain tidak membentuk ikatan.

Tingkat energi orbital molekul ikatan lebih rendah, sementara tingkat energi orbital molekul anti ikatan lebih tinggi dari tingkat energi orbital atom penyusunnya. Semakin besar selisih energi orbital ikatan dan anti ikatan, semakin kuat ikatannya.

• Overlap antar orbital atom membentuk 5 jenis orbital molekul:

– Sigma (σ) membentuk ikatan sigma

– Sigma star (σ*) anti ikatan sigma

– Non bonding (n) tdk terjadi ikatan (utk PEB)

– Pi (π) membentuk ikatan pi

– Pi star (π*) anti ikatan pi

Pembentukan orbital molekul pi (π) dari dua orbital p

Orbital non-ikat (non-bonding) terjadi jika pada daerah tumpang-tindih terdapat orbital atomik yang tidak bereaksi dalam pembentukan ikatan

Kerjakan

1. Gambarkan spektrum radiasi elektromagnetik berserta hubungannya dengan frekuensi dan energinya!

2. Jelaskan jenis-jenis energi pada atom atau molekul serta spektrum absorbsinya!

3. Jelaskan jenis-jenis orbital molekul!

4. Gambarkan bagan orbital molekul berdasarkan tingkat energinya!