Bab 13 Pengenalan Polimer Organik

Bab 13 Pengenalan Polimer Organik
Departemen Kimia FMIPA IPB
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Ikhtisar
1
Definisi dan Klasifikasi
2
Proses Polimerisasi
3
Serat, Plastik, dan Elastomer
4
Protein
5
Asam Nukleat
Sumber: Chang Bab 22
Dept. Kimia FMIPA IPB
1
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Definisi & Klasifikasi
Bahasa Latin: poli = banyak & meros = bagian
Polimer: molekul dengan massa molar tinggi,
terdiri atas banyak unit berulang yang bergabung
melalui ikatan kovalen.
1. Asalnya: alami (protein, asam nukleat, karet alam) dan sintetik
2. Gugus fungsi monomernya: poliamida, poliester, polisulfida, dll.
3. Struktur molekulnya: linear, bercabang, bertaut-silang
amorf, kristalin
homopolimer, heteropolimer/kopolimer
4. Mekanisme sintesisnya: adisi dan kondensasi
5. Sifatnya terhadap kalor: termoplastik dan termoset
Dept. Kimia FMIPA IPB
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Definisi & Klasifikasi
Struktur polimer:
Rantai-rantai karet alam normal (amorf) tidak berjajar secara
teratur seperti setelah ditarik/diregangkan (kristalin).
Dept. Kimia FMIPA IPB
2
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Definisi & Klasifikasi
Homopolimer: polimer yang dibuat dari 1 jenis monomer.
AA
AAAAA
AAAAA
AA
linear
AAAAA
AAAAA
bercabang
taut-silang
Kopolimer/heteropolimer: campuran > 1 jenis monomer.
ABABAB
AABABBA
AAAAABBBB
AAAAAAA
BBB
berseling
acak
blok
BBB
cangkok (graft)
Dept. Kimia FMIPA IPB
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Definisi & Klasifikasi
Sifat polimer terhadap kalor:
(1) Termoplastik: meleleh atau melunak jika dipanaskan dan
mengeras kembali jika didinginkan.
Contoh:
n CH2
CH
benzoil peroksida
CH2
CH
stirena
(n = 10–30000)
→ BM = 1–3 juta
n
polistirena
Dept. Kimia FMIPA IPB
3
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Definisi & Klasifikasi
(2) Termoset: jika dipanaskan, dihasilkan material tak terleburkan
yang keras dan tidak dapat dilelehkan lagi.
Contoh:
OH
OH
OH
CH2
CH2
OH
CH2
O
H+, kalor
CH2
CH2
−H2O
HO
OH
fenol formaldehida
CH2
CH2
segmen dari Bakelit
OH
Dept. Kimia FMIPA IPB
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Definisi & Klasifikasi
Poliamida:
O
O
n H2N(CH2)6NH2 + n HOC(CH2)4COH
1,6-diaminoheksana
(heksametilenadiamina)
200−300 oC
asam heksanadioat
(asam adipat)
O
O
HN(CH2)6NHC(CH2)4C
n
+ (2n−1) H2O
Nilon-6,6
(6 atom C pada diamina,
6 atom C pada dwiasam)
Dept. Kimia FMIPA IPB
4
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Definisi & Klasifikasi
Poliester:
O
O
C OH + n HOCH2CH2OH
n HO C
asam tereftalat
etilena glikol
O
O
O C
+ (2n−1) H2O
C OCH2CH2
n
Dakron
Cincin benzena yang datar membuat Dakron lebih
kaku daripada Nilon dan digunakan sebagai bahan
untuk jas yang tahan-kusut.
Dept. Kimia FMIPA IPB
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Proses Polimerisasi
(1) Polimerisasi adisi:
Tidak ada atom yang hilang: polimer mengandung
semua atom yang ada pada monomer.
Lazim melibatkan rantai radikal bebas (inisiasi,
propagasi, terminasi) dari monomer yang
berikatan rangkap.
Produknya merupakan homopolimer yang
biasanya tergolong sebagai plastik.
H H
Contoh: n H C C
etuna
(asetilena)
H
C C n
poliasetilena
(plastik konduktor listrik)
Dept. Kimia FMIPA IPB
5
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Proses Polimerisasi
Polietilena: selang plastik, botol, insulasi listrik
H2C CH2
n H2C CH2
etena
n
polietilena (PE)
Polimer vinil:
n H2C CH
inisiator
radikal
H2C CH
L
L = –CH3 → polipropilena (PP):
karpet, krat minuman
botol, alat lab
L = –Cl → poli(vinil klorida) (PVC):
pipa air, atap, kartu
L
n
L = –C6H5 → polistirena (PS):
insulasi termal (ember
es, kotak pendingin)
L = –CN → poliakrilonitril (PAN,
Orlon, Acrilan):
karpet,
kredit, piringan hitam
baju hangat, pakaian
bayi, kaus kaki
Dept. Kimia FMIPA IPB
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Proses Polimerisasi
Latihan:
1. Gambarkan monomer dari Teflon:
CF2 CF2 n
2. Tuliskan persamaan reaksi polimerisasi yang menghasilkan
poli(metil metakrilat) (PMMA). Metil metakrilat merupakan
ester dengan nama IUPAC metil 2-metilpropenoat.
Dept. Kimia FMIPA IPB
6
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Proses Polimerisasi
(2) Polimerisasi kondensasi:
Biasanya terjadi antara 2 monomer yang
masing-masing memiliki sekurang-kurangnya
2 gugus fungsi.
Satu molekul kecil (umumnya H2O) terlepas
setiap pelekatan 1 monomer pada polimer yang
sedang tumbuh.
Produknya merupakan heteropolimer yang
banyak di antaranya merupakan serat.
Contoh: Nilon 6,6, Dakron
Dept. Kimia FMIPA IPB
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Proses Polimerisasi
(3) Kopolimerisasi:
Proses pencampuran > 1 jenis monomer, bisa
merupakan polimer adisi ataupun kondensasi.
Contoh: Kopolimerisasi stirena dan butadiena
⇒ kopolimer blok stirena-butadiena-stirena (SBS)
atau kopolimer cangkok karet stirena-butadiena
(SBR)
n CH2
CHC6H5 + 3n CH2
stirena
CH CH
CH2
1,3-butadiena
inisiator
radikal bebas
C6H5
SBR
n
Dept. Kimia FMIPA IPB
7
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Proses Polimerisasi
(4) Modifikasi polimer:
Biasanya dilakukan pada polimer yang sudah terbentuk, untuk
mendapatkan sifat polimer yang sesuai dengan kebutuhan:
(a) menambah atau mengubah gugus fungsi.
Contoh: PVC → polivinil diklorida (PVDC)
(tahan suhu tinggi)
(b) pertautan-silang (crosslinking) untuk membentuk jejaring.
Syarat: monomer memiliki > 3 tapak reaktif.
Contoh: Bakelit, vulkanisasi karet alam.
Dept. Kimia FMIPA IPB
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Proses Polimerisasi
Latihan:
1. Kodel ialah poliester dengan struktur sebagai berikut:
O
O
C
C O CH2
CH2
O
n
Dari dua monomer apa material itu dibuat?
2. Nilon-6,6 dihasilkan dari reaksi 1,6-heksanadiamina dengan
asam adipat. Polimer nilon lainnya diperoleh jika sebasil
klorida Cl(O)C(CH2)8C(O)Cl digunakan sebagai pengganti
asam adipat. Bagaimana struktur nilon tersebut?
Dept. Kimia FMIPA IPB
8
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Proses Polimerisasi
3. Kevlar (bahan rompi antipeluru) ialah poliamida aromatik
(aramid) dengan struktur sebagai berikut:
NH
O
O
NH C
C
n
Dari dua monomer apa material itu dibuat?
4. Dapatkah polimer terbentuk dari reaksi asam tereftalat dengan
etil alkohol (bukan etilena glikol)? Jelaskan.
5. 1,1-Dikloroetena dan vinil klorida membentuk kopolimer
berseling yang disebut Saran, yang digunakan dalam
pengemasan makanan. Tuliskan reaksi kopolimerisasinya.
Dept. Kimia FMIPA IPB
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Serat, Plastik, dan Elastomer
SERAT
(memanjang <10% tanpa putus)
Ketahanan terhadap uluran
(1) Serat:
PLASTIK (20–100%)
ELASTOMER (100–1000%)
(a) Bersimetri molekular tinggi dan berenergi kohesif kuat antarrantai akibat adanya gugus polar.
(b) Derajat kristalinitas tinggi yang dicirikan oleh adanya ikatan
hidrogen antarmolekul dan tidak adanya percabangan.
Contoh: kapas, wol, sutera (alami); Nilon 6,6, Dakron, Orlon,
rayon viskosa (selulosa termodifikasi) (sintetik).
Dept. Kimia FMIPA IPB
9
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Serat, Plastik, dan Elastomer
(2) Plastik:
Tidak dapat dipintal seperti serat, tetapi dapat dicetak atau
diekstrusi menjadi bentuk yang diinginkan atau dibentang
menjadi film pengemas.
Sintetik:
Bakelit (resin fenol-formaldehida), PE, PP, PVC, PS, PMMA,
poli(asam laktat) (PLA), poli(ε-kaprolakton) (PCL);
Alami:
Poli(hidroksialkanoat) (PHA) seperti poli(3-hidroksibutirat) (PHB)
dan poli(3-hidroksivalerat (PHV) (dihasilkan bakteri tertentu).
Dept. Kimia FMIPA IPB
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Serat, Plastik, dan Elastomer
(3) Elastomer:
Bersifat amorf pada kondisi normal (strukturnya tidak teratur
dengan gaya tarik antarmolekul yang lemah), tetapi secara
reversibel menjadi teratur bila ditarik/diregangkan.
Elastomer alami yang paling penting ialah karet alam, yaitu
polimer semua cis dari isoprena (metilbutadiena).
CH3
n CH2
C CH
CH2
isoprena
(metilbutadiena)
CH3
H
C C
CH2
CH2
poli-cis-isoprena
(karet alam)
dan/atau
n
CH2
H
C C
CH3
CH2
n
poli-trans-isoprena
(getah perca)
Dept. Kimia FMIPA IPB
10
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Serat, Plastik, dan Elastomer
Karet alam lembek dan tidak sepenuhnya kembali ke bentuk
semula jika diulur ⇒ diperkeras dengan vulkanisasi (Charles
Goodyear, 1839).
Karet direaksikan dengan zink oksida sehingga terbentuk tautsilang sulfur (jembatan disulfida) antarrantai hidrokarbon.
sebelum
vulkanisasi
setelah
vulkanisasi
setelah
diregangkan
Dept. Kimia FMIPA IPB
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Serat, Plastik, dan Elastomer
Substitusi sintetik untuk karet alam:
Karet SBR (tahun 1950 volume produksinya telah melampaui
karet alam).
Kopolimer butadiena-akrilonitril (karet NBR).
Poli-cis-isoprena (diproduksi dengan katalis Ziegler-Natta;
sifat-sifatnya nyaris sama dengan karet alam).
Poli-cis-butadiena (produksinya sekarang ini menempati
urutan kedua setelah karet SBR).
Dept. Kimia FMIPA IPB
11
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Protein
Biopolimer polipeptida, tersusun dari sejumlah asam amino
yang dihubungkan dengan ikatan peptida.
Protein struktural pada sel, jaringan, atau organ
Enzim (biokatalis)
Pembawa zat melalui membran sel: protein transpor
Zat pengatur: hormon, antibodi
O
α
R CH C
OH
NH
COOH
H
2
asam amino
(R = rantai samping)
COOH
NH2
H 2N
R
H
R
dekstro (D)
levo (L)
(asam amino alami)
–COOH = asam
–NH2 = basa
AMFOTER
Dept. Kimia FMIPA IPB
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Di alam sudah ditemukan 150 asam amino. Akan tetapi,
hanya 20
asam amino yang membentuk protein, selebihnya berada dalam
bentuk bebas di alam.
Lambang
Struktur Gugus Samping
Gly
–H
Alanina
Ala
–CH3
Valina
Val
–CH(CH3)2
Leusina*
Leu
–CH2CH(CH3)2
Ile
–CH(CH3)CH2CH3
“Gugus Samping” Hidrogen
Glisina
Gugus Samping Alkil
Isoleusina*
Prolina
Pro
(struktur
seluruh asam
amino)
COOH
NH
Dept. Kimia FMIPA IPB
12
Lambang
Struktur Gugus
Samping
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Gugus Samping Aromatik
Fenilalanina*
Phe
Tirosina
Tyr
Triptofan*
Trp
CH2
CH2
OH
CH2
N
H
Gugus Samping Mengandung Alkohol
Serina
Ser
–CH2OH
Treonina*
Thr
–CH(OH)CH3
Lisina*
Lys
–(CH2)4NH2
Arginina*
Arg
–(CH2)3NHC(NH2)=NH
Histidina*
Hys
Gugus Samping Basa
CH2
HN
N
Dept. Kimia FMIPA IPB
Lambang
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Struktur Gugus
Samping
Gugus Samping Asam
Asam aspartat
Asp
–CH2COOH
Asam glutamat
Glu
–(CH2)2COOH
Gugus Samping Mengandung Amida
O
Asparagina
Asn
CH2 C NH2
O
Glutamina
Gln
CH2 CH2 C NH2
Gugus Samping Mengandung Sulfur
Sisteina
Cys
–CH2SH
Metionina*
Met
–CH2CH2SCH3
* asam amino esensial (tidak dapat disintesis oleh manusia dewasa)
Mahasiswa TPB wajib hafal rumus umum asam amino,
tetapi tidak wajib hafal kedua puluh rantai samping di atas!
Dept. Kimia FMIPA IPB
13
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Protein
Penggolongan protein:
Struktur
: 1o, 2o, 3o, 4o
Sumber
Lokasi dalam sel
: hewani, nabati, mikrob
: inti, sitoplasma, membran
Bentuk
: serat, globular
BM/ukuran
: kecil, menengah, besar
Polaritas (kelarutan)
: netral, bermuatan +/–
Asosiasi dgn senyawa lain : nukleo-, lipo-, glikoprotein
Fungsi hayati
: Hormon, enzim, antibodi, struktur
Dept. Kimia FMIPA IPB
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Protein
Struktur primer protein:
Struktur 2 dimensi yang menggambarkan urutan residu asam
amino penyusun protein dan ikatan tulang-punggung peptida.
H O
H2N
C C OH
R1
aa1
H2O
H O
H2N
H N C C OH
H
R2
(dehidrasi
aa2
H2O antarmolekul)
H O
C C NH C C OH
R1
R2
dipeptida
ikatan
peptida
H O
H2N C C OH
R3
aa3
H O
H O
H2N
H O
H O
C C NH C C NH C C OH
R1
R3
R2
tripeptida
Dept. Kimia FMIPA IPB
14
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Protein
H2O
H O
H2N C C OH
Rn
aan
H O
H O
H O
H O
H2N C C NH C C NH C C
R1
NH C C OH
R3
R2
Rn
polipeptida
Ujung dengan gugus –NH2, disebut ujung-N, di sebelah kiri.
Ujung dengan gugus –CO2H, disebut ujung-C, di sebelah kanan.
Peptida dinamai dari ujung-N ke ujung-C, dengan semua asam
amino selain ujung-C diganti dari akhiran -ina menjadi -il.
Dept. Kimia FMIPA IPB
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Protein
Contoh: Tripeptida glisilalanilserina (Gly-Ala-Ser)
H2N
O
O
O
CH C NH
CH C NH
CH C OH
H
CH3
CH2OH
n residu asam amino ⇒ (n–1) ikatan peptida
Latihan:
Gambarkan struktur tetrapeptida sisteiltreonilleusilmetionina
jika rantai samping Cys = −CH2SH, Thr = −CH(OH)CH3, Leu
= −CH2CH(CH3)2, dan Met = −CH2CH2SCH3. Lingkari
semua ikatan peptida dalam struktur tersebut.
Dept. Kimia FMIPA IPB
15
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Protein
Struktur sekunder protein:
Hasil pelipatan polipeptida akibat ikatan hidrogen
O-karboksil dengan N-amino dari ikatan peptida:
C O H N
☯ Intrarantai ⇒ heliks-α
α (wol, rambut)
(a) terjadi jika R berukuran besar
(b) gugus R menonjol keluar heliks
(c) merupakan kumparan berputar-kanan:
ikatan hidrogen terjadi setiap selang
3 asam amino.
Dept. Kimia FMIPA IPB
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Protein
☯ Antarrantai ⇒ lembaran terlipat-β
β
(a) terjadi jika monomer utamanya Gly dan Ala (R kecil)
(b) gugus nonhidrogen terletak pada 1 sisi lembaran
Sutera:
- tidak punya elastisitas & daya mulur, karena rantai-rantai
polipeptida sudah terbentang
- sangat kuat, karena banyaknya ikatan hidrogen antarmolekul
- terasa halus, karena gaya lemah antarlembaran.
Dept. Kimia FMIPA IPB
16
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Protein
Antiparalel
Paralel
Dept. Kimia FMIPA IPB
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Protein
Struktur tersier protein:
Struktur 3 dimensi hasil pelipatan polipeptida akibat interaksi
antargugus R dari residu asam amino penyusun protein:
(1) Jembatan garam:
Terjadi antara residu asam amino-asam (Asp & Glu) dan
-basa (Lys, Arg, Hys), yaitu antara gugus CO2− dan NH3+.
(2) Ikatan hidrogen:
Terjadi di antara residu-residu yang memiliki gugus fenolik
(Tyr), hidroksil (Ser, Thr), karboksil (asam amino asam),
amino dan gugus bernitrogen lainnya (asam amino basa),
atau amida (Asn, Gln).
Dept. Kimia FMIPA IPB
17
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Protein
(3) Jembatan disulfida:
Terjadi di antara 2 residu Cys yang teroksidasi.
O
O
NH CH C
NH
NH
CH C
CH2SH
oksidasi
CH2 S
CH2SH
reduksi
CH2 S
CH C
ikatan
disulfida
NH CH C
O
O
2 residu sisteina
residu sistina
Contoh: Pengeritingan dan pelurusan rambut
Dept. Kimia FMIPA IPB
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Protein
(4) Interaksi hidrofobik:
Terjadi karena residu-residu
nonpolar (Ala, Val, Leu, Ile, Phe,
Cys) secara termodinamika lebih
suka mengelompok untuk
menghindari interaksi dengan air.
Dept. Kimia FMIPA IPB
18
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Protein
(a) Jembatan garam
(b) Ikatan hidrogen
(c) Gaya dispersi
(d) Interaksi dipol-dipol
Dept. Kimia FMIPA IPB
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Protein
MIOGLOBIN
(contoh struktur tersier)
Dept. Kimia FMIPA IPB
19
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Protein
Struktur kuaterner protein:
Struktur yang dihasilkan dari interaksi struktur tersier dengan
senyawa lain, baik protein maupun nonprotein.
Contoh: Hemoglobin
(gabungan 4 struktur tersier: 2α
& 2β).
Dept. Kimia FMIPA IPB
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Protein
Struktur 3o
Struktur 1o
Struktur 4o
Struktur 2o
Dept. Kimia FMIPA IPB
20
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Asam Nukleat
Biopolimer polinukleotida, tersusun dari sejumlah monomer
nukleotida yang dihubungkan oleh ikatan fosfodiester.
Nukleotida = nukleosida + gugus fosfat
Nukleosida = basa nitrogen + gula
basa
nitrogen
purina: adenina (A), guanina (G)
pirimidina: sitosina (C), urasil (U) RNA,
timina (T) DNA
D-ribosa RNA
gula
D-2-deoksiribosa DNA
Dept. Kimia FMIPA IPB
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Asam Nukleat
Contoh struktur (mono)nukleotida untuk RNA:
C5 gula, tempat
ikatan dengan
gugus fosfat
NH2
fosfat
NH
U
O
5
O P O CH2
O
C3 gula, tempat ikatan
fosfodiester dengan
nukleotida lain
H
1N
O
H
H
3
OH
H
1
H
O C1 gula, tempat
ikatan dengan
N9 purina atau
N1 pirimidina
Penggabungan basa nitrogen dan gugus fosfat pada gula
masing-masing melepaskan 1 molekul H2O.
Dept. Kimia FMIPA IPB
21
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Asam Nukleat
NH2
ujung 5'
(ujung P)
U
O
O P O CH2
NH2
H
H
O
ikatan fosfodiester
(tulang-punggung
asam nukleat)
O
N
O
H
O
Contoh struktur
trinukleotida RNA
NH
N
H
OH
O P O CH2
A
N
O
H
O
H
O
Pembentukan fosfodiester melepas
1 molekul H2O. Seperti protein &
karbohidrat, asam nukleat adalah
polimer kondensasi.
N
N
H
NH2
H
OH
C
O P O CH2
O
N
O
H
H
OH
H
OH
H
ujung 3'
(ujung OH)
N
O
Dept. Kimia FMIPA IPB
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Asam Nukleat
Struktur DNA Watson-Crick:
(1) Heliks rangkap
(2) Antiparalel
(3) Komplementer
Aturan Chargaff:
• Jumlah A = T
(2) Jumlah C = G
(3) Jumlah (A + G) = (C + T)
ujung 3’ ujung 5’
Dept. Kimia FMIPA IPB
22
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Asam Nukleat
timina
adenina
(2 ikatan hidrogen)
guanina
sitosina
(3 ikatan hidrogen)
Dept. Kimia FMIPA IPB
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Asam Nukleat
Mengapa A berpasangan dengan T, G dengan C?
Dalam heliks rangkap, jarak antara kerangka terlalu dekat untuk
2 purina dan terlalu jauh untuk 2 pirimidina untuk membentuk
ikatan hidrogen yang efektif.
Dept. Kimia FMIPA IPB
23
http://chem.fmipa.ipb.ac.id
Asam Nukleat
Sementara pasangan purina-pirimidina yang lain menghasilkan
lebih sedikit ikatan hidrogen. Pasangan G dengan T, misalnya,
hanya dapat membentuk 1 ikatan hidrogen.
Dept. Kimia FMIPA IPB
Departemen Kimia FMIPA IPB
24